Керуючі аеродинамічні поверхні літака дають змогу пілоту змінювати й контролювати положення літака під час польоту.
Розвиток ефективних засобів управління польотом був критичним кроком у прогресі авіації. Перші спроби створення літаків з фіксованим крилом давали можливість створити достатню підйомну силу для того, щоб літак був здатен відірватись від землі, але як тільки він злітав, то ставав некерованим, часто це призводило до катастрофічних наслідків. Розвиток ефективних систем управління польотом зробив польоти стійкими і керованими.
У статті описуються керуючі поверхні, які використовуються в традиційних конструкціях літаків. Інші конфігурації літаків з нерухомим крилом можуть використовувати різноманітні керуючі поверхні, але основні принципи залишаються тими ж самими. Елементи управління (ручка і педалі) у гвинтокрилих літальних апаратів (гелікоптер або гіроплан) здійснюють однакові рухи довкола трьох осей обертання.
Розробка Редагувати
Вважається, що перші керуючі поверхні на практиці розробили Брати Райт. Це основна частина їхнього патенту. На відміну від сучасних керуючих поверхонь, вони використовували Деформацію крила. У спробі обійти патент братів Райт, Гленн Кертісс розробив підвісні керуючі поверхні. Підвісні керуючі поверхні мали перевагу, бо не спричиняли напруги на крило, що була основною проблемою, яка спричиняла розриви крил. А також така структура була простіша у будівництві.
Осі обертання Редагувати
Літальний апарат має змогу розвертатися довкола трьох осей, які перпендикулярні одна одній і перетинаються в точці його центру ваги (ЦВ). Для керування позицією і напрямком пілот має мати змогу контролювати розвороти довкола кожної з них.
Поперечна вісь Редагувати
Поперечна вісь проходить уздовж крил через їхні крайні точки на кінцях. Поворот довкола цієї осі називається тангаж. Тангаж змінює вертикальний напрям, на який вказує ніс літака. Кермо висоти (елеватори) є основними керуючими поверхнями для здійснення тангажу.
Поздовжня вісь Редагувати
Поздовжня вісь проходить уздовж літака від носа до хвоста. Поворот довкола цієї осі називається крен. Крен змінює орієнтацію крил літака відносно до спрямованої вниз сили тяжіння. Пілот змінює кут крену, збільшуючи підйомну силу на одному з крил і зменшуючи її для другого крила. Ця різниця підйомних сил приводить до обертання довкола поздовжньої осі. Елерони є основними поверхнями контролю крену. Стерно напрямку також матиме свій вторинний вплив на зміну крену.
Вертикальна вісь Редагувати
Вертикальна вісь проходить через літак зверху вниз. Поворот довкола цієї осі називається нишпорення. Напрямок літака змінюється по сторонах — точку куди вказує ніс, вліво чи вправо. Основний контроль над yaw здійснюється за допомогою стерна. Елерони також мають вторинний ефект на нишпорення.
Слід відмітити, що ці осі рухаються разом з літаком і змінюються відносно землі, коли рухається літак. Наприклад, у літака, в якого ліве крило спрямовано рівно вниз, "вертикальна" вісь буде паралельна землі, в той час як його "поперечна" вісь буде перпендикулярна до поверхні землі.
Основні керуючі поверхні Редагувати
Основні керуючі поверхні літака з нерухомим крилом прикріплюються до конструкції на шарнірах чи доріжках, так що вони можуть рухатись і відхиляти потік повітря, який рухається повз них. Таке перенаправлення повітряного потоку створює незбалансованість сил для повороту літака довкола відповідної осі.
Елерони Редагувати
Елерони прикріплюються до задньої кромки кожного крила, поблизу їхніх кінців і рухаються в протилежних напрямках. Коли пілот повертає ручку вліво, або повертає штурвал проти годинникової стрілки, лівий елерон повертається вгору, а правий вниз. Піднятий елерон зменшує підйомну силу для того крила, а опущений вниз збільшує підйомну силу, тобто поворот ручки вліво приводить до опускання вниз лівого крила і піднімання правого. Це приводить до того, що літак починає здійснювати крен вліво і починає повертати ліворуч. Повернення ручки в центральну позицію повертає елерони в нейтральне положення, зберігаючи при тому кут крену. Літак буде й далі повертати, доки протилежний рух елеронів не поверне кут крену назад у нуль для того, щоб летіти прямо.
Кермо висоти (Елеватор) Редагувати
Кермо висоти це рухома частина горизонтального стабілізатора, підвішена на шарнірах до задньої нерухомої частини горизонтального оперення. Елеватори рухаються вверх і вниз синхронно. Коли пілот відхиляє ручку назад, кермо висоти рухається вверх. Поворот ручки вперед змушує кермо опускатися вниз. Підняте кермо утворює силу, яка штовхає хвіст літака вниз, що приводить до того, що ніс рухається вверх. Крила при цьому будуть летіти під більшим кутом атаки, що приводить до збільшення підйомної сили і аеродинамічного опору. Центрування ручки повертає кермо в нейтральне положення і зупиняє дію зміни тангажу. Деякі літаки використовують горизонтальне оперення, що обертається повністю; воно називається керованим стабілізатором або суцільноповоротним хвостом. Деякі літаки, такі як MD-80, використовують серворуль (сервокомпенсатор) разом із керуючою поверхнею керма для того, щоб аеродинамічно повернути основну поверхню в необхідну позицію. Напрямок повороту серворуля буде протилежним до позиції основного руля.
Стерно Редагувати
Стерно зазвичай закріплюється на задній кромці вертикального стабілізатора, що є частиною хвостового оперення. Коли пілот натискає ліву педаль, стерно відхиляється вліво. При натисканні правої педалі — вправо. Відхилення стерна вправо штовхає хвіст літака вліво і приводить до того, що ніс починає рискати вправо. Повернення назад педалей стерна в нейтральне положення припиняє розворот.
Вторинні ефекти управління Редагувати
Елерони Редагувати
Елерони, насамперед, управляють креном. Кожен раз, коли збільшується підйомна сила, індуктивний опір також збільшується. При повороті ручки вліво для того, щоб розвернути літак вліво, правий елерон опускається вниз, що збільшує підйомну силу на правому крилі і таким чином на ньому збільшується індуктивний опір. Використання елеронів викликає небажане нишпорення, яке призводить до того, що ніс літака рухається в напрямі протилежному до напряму застосування елеронів. Побічні нишпорення є більш вираженими для легких літаків з довгими крилами, таких як планери. Цей ефект усувається пілотом за допомогою керма. Диференціальне управління елеронами також дозволяє зменшити цей ефект, тим що один елерон, який опускається вниз відхиляється менше ніж той, що рухається вгору, знижуючи ефект небажаного нишпорення.
Кермо Редагувати
Кермо напряму це фундаментальна керуюча поверхня, яка зазвичай приводиться в дію педалями, а не ручкою. Воно в основному використовується для контролювання нишпоренням - поворотом літака довкола вертикальної осі. Кермо також використовується для протидії небажаному нишпоренню, який створюється креном.
Якщо деякий час безперервно застосовувався поворот керма при горизонтальному польоті, літак спочатку почне повертати в напрямку прикладеному до керма - первинна дія керма. Через кілька секунд літак, як правило, має тенденцію кренитися в напрямку повороту.
Це відбувається в першу чергу через збільшення швидкості крила, протилежному до напрямку повороту і до зменшення швидкості на іншому крилі. Крило, що рухається швидше утворює більшу підйомну силу, і тому підіймається, в той час як інше крило опускається, маючи меншу підйомну силу. Тривале застосування керма, збільшує ефект крену оскільки літак летить під кутом, відносно до повітряного потоку.
Поворот літака Редагувати
На відміну від наводного човна, поворот літального апарату зазвичай не виконується за допомогою стерна. У літаку, поворот здійснюється за допомогою горизонтальної компоненти підйомної сили. Підйомна сила, перпендикулярна до поверхні крил літака, нахиляється у напрямку бажаного повороту при крені літака при повороті. Оскільки кут крену збільшується, підйомна сила, яка до цього діяла лише вертикально, буде розділена на два компоненти: один діє вертикально і інший діє горизонтально.
Якщо загальна сила підйому залишається постійною, вертикальний компонент її зменшиться. Оскільки вага літака не змінюється, це призвело б до зниження літака, якщо цьому не протидіяти. Для утримання горизонтального польоту потребує збільшеного додатного (вверх) повороту керма висоти, для того, щоб збільшити кут атаки, збільшити сумарну підйомну силу на крилі, щоб утримувати її вертикальну компоненту врівноваженою з масою літака. Це не може продовжуватись нескінченно довго. Крило може утворювати обмежену величину підйомної сили при заданій швидкості відносно повітря. З тим як збільшується фактор навантаження (який ще називають G навантаження) може проявитися ефект прискореного аеродинамічного звалювання, навіть якщо літак матиме більшу швидкість ніж швидкість його 1G звалювання.
Загальна сила підйому (коефіцієнт навантаження), яка необхідна для підтримки горизонтального польоту напряму пов'язані із кутом крену. Це означає, що при даній швидкості, горизонтальний політ може підтримуватись тільки в межах певного кута нахилу (крену). Виходячи за межі цього кута, літак буде піддаватися прискореному аеродинамічному звалюванню, якщо пілот намагатиметься підтримувати достатню підйомну силу для підтримання горизонтального польоту.
Альтернативні керуючі поверхні Редагувати
Деякі конфігурації літаків мають не стандартні керуючі поверхні. Наприклад, замість елеваторів на задній частині стабілізаторів, уся хвостова частина може змінювати кут. Деякі літаки мають V-подібний хвіст, і рухомі частини на задній частині їх поєднують функції елеваторів і стерна. Дельта крило може мати "елевони" на задній частині крила, які поєднують функції елеваторів (керма висоти) і елеронів.
Вторинні керуючі поверхні Редагувати
Спойлери Редагувати
На літаках з невеликим аеродинамічним опором, таких як планери, Спойлери використовують для того, щоб відхилити повітря над крилом і тим самим значно зменшити підйомну силу. Це дозволяє пілоту планера знизити висоту без утворення надмірної повітряної швидкості. Спойлери, які можна використовувати асиметрично називаються спойлеронами і можуть впливати на крен літака.
Закрилки Редагувати
Закрилки прикріплюються на задній кромці внутрішньої секції кожного крила (ближче до фюзеляжу). Вони відхиляються вниз, аби збільшити ефективний вигин крила. Закрилки збільшують максимальний коефіцієнт підйомної сили літального апарату, і таким чином зменшують його швидкість звалювання. Вони використовуються при польоті на невеликій швидкості, при великих кутах атаки включаючи зліт та зниження при посадці. Деякі літаки обладнанні "флаперонами", які ще називаються "елерон-закрилок". Ці поверхні в основному функціюють як елерони, але на деяких літаках, "опускаються" при розгортанні закрилок, поводячи себе як закрилок і в той час дозволяють управляти креном як внутрішній елерон.
Предкрилки Редагувати
Предкрилки, є додатковими поверхнями перед крилом створені для збільшення підйомної сили, і призначені для зменшення швидкості звалювання, змінюючи потік повітря над крилом. Передкрилки можуть бути фіксованими або висувними - фіксовані передкрилки (наприклад такі як на літаку Fieseler Fi 156 Storch) дають відмінне сповільнення швидкості і можливості скороченого зльоту та посадки, але як компроміс потребують вищих швидкісних характеристик. Висувні передкрилки, які наявні на більшості лайнерах, забезпечують зниження швидкості звалювання для зльоту і посадки, але не застосовуються при круїзному польоті.
Аеродинамічні гальма Редагувати
Повітряні гальма використовуються для збільшення аеродинамічного опору. Спойлери можуть діяти як гальма, але вони не є лише повітряними гальмами, а виконують також функцію гасителів підйомної сили, або в деяких випадках поверхні для контролювання крену. Повітряні гальма це зазвичай поверхні які відхиляються на ззовні від фюзеляжу (у більшості випадках в симетрично протилежні сторони) у повітряному потоці, для того щоб збільшити опір форми. Оскільки вони в більшості випадків знаходяться в іншому місці літака, вони безпосередньо не впливають на підйомну силу крила. Їхнє призначення - сповільнити літак. Вони особисто корисні коли необхідна висока швидкість зниження або необхідно зменшити швидкість корабля. Вони поширені на високопродуктивних військових літаках а також на літаках цивільної авіації, особливо в тих моделях де не вистачає здатності зворотньої тяги.
Тримери (компенсатори) Редагувати
Підйомна сила крила, горизонтального стабілізатора/керма висоти, і вертикального стабілізатора/стерна змінюється із швидкістю літака і кутом атаки, а також залежить від його ваги і збалансованості. Якби літак весь час летів по прямій на одній сталій висоті з постійною швидкістю і незмінною вагою усі профілі можна було б закріпити під необхідними кутами, так щоб створювались збалансовані сили і ніякі компенсуючи поверхні були б непотрібні. Оскільки літак повинен здійматися, знижувати висоту, прискорюватись або сповільнюватись і нести на собі різну вагу, підйомна сила, яка діє на профіль крила змінюється із зміною обставин і кожна така зміна означає, що необхідно утримувати тиск на керуючих поверхнях для компенсації. Це може бути дуже затратним, якщо у нас немає способу відрегулювати елементи управління, так що вони можуть утримувати свої нові позиції. Тримери (компенсатори) є засобами, якими можливо відрегулювати засоби управління літаком.
Тримери дозволяють пілоту збалансувати підйомну силу і опір, які утворюються крилами і керуючими поверхнями для широкого діапазону завантаження і швидкостей руху відносно повітря. Це зменшує зусилля необхідне для змінення чи підтримку бажаного ставлення при польоті.
Примітки Редагувати
- Patents * U.S. Patent 821 393 — Flying machine — O. & W. Wright * U.S. Patent 821,393[недоступне посилання]—for those who do not have USPTO graphics plugin
- *Centennial of flight [ 5 травня 2008 у Wayback Machine.] - illustration of Wilbur Wright invention of wing warping using a cardboard box
- Clancy, L.J. Aerodynamics Chapter 6