Билет 14. 1.Типовая конструкция рулей и элеронов

1.Типовая конструкция рулей и элеронов

Элероны (рули крена) — аэродинамические органы управления, симметрично расположенные на задней кромке консолей крыла^[1] у самолётов^[2] нормальной схемы и самолётов схемы «утка». Элероны предназначены, в первую очередь, для управления углом крена самолёта, при этом элероны отклоняются дифференциально, то есть в противоположные стороны: для крена самолёта вправо правый элерон поворачивается вверх, а левый — вниз; и наоборот. Принцип действия элеронов состоит в том, что у части крыла^[3], расположенной перед элероном, поднятым вверх, подъёмная сила уменьшается, а у части крыла перед опущенным элероном подъёмная силаувеличивается; создаётся момент силы, изменяющий скорость вращения самолёта вокруг оси, близкой к продольной оси самолёта.

Руль высоты́ — аэродинамический орган управления самолёта, осуществляющий его вращение вокруг поперечной оси.

Руль высоты представляет собой подвижную управляемую поверхность, отклонение которой вызывает движение самолёта по тангажу. В зависимости от аэродинамической схемы, руль высоты может быть установлен в различных местах самолёта. Согласно нормальной схеме, руль высоты является элементом хвостового оперения и расположен на задней кромке стабилизаторов. Схема «утка» предполагает переднее расположение рулей высоты; схема«бесхвостка» — замену рулей высоты элевонами. В большинстве сверхзвуковых самолётов применяются цельноповоротные стабилизаторы, не имеющие сочленений и отклоняемые целиком.

Выполняя манёвр по тангажу, пилот совершает взятие штурвала на себя, либо отдачу его от себя. Рули высоты при этом отклоняются соответственно вверх либо вниз, создавая кабрирующий либо пикирующий момент, а нос самолёта отклоняется вверх либо вниз.

Название «руль высоты» является исторически устоявшимся недоразумением: руль высоты управляет вовсе не высотой, а углом тангажа; а изменение скорости набора/потери высоты происходит лишь как следствие изменившихся угла атаки и подъёмной силы, причём это следствие не является обязательным: при недостаточной скорости взятие штурвала на себя может привести к падению самолёта (см. Сваливание).

Руль направления — орган управления самолёта, расположенный в хвостовом оперении и предназначенный для управления самолётом относительно нормальной оси (то есть при помощи руля направления изменяется уголрыскания).

Представляет собой подвижную вертикальную плоскость, крепящуюся к килю.

Воздействие на руль направления осуществляется посредством нажатия на педали, расположенные в кабине пилота.

Руль направления на тяжёлых магистральных лайнерах используется, в основном, для корректировки курса на разбеге и пробеге.

В то же время на сверхзвуковых самолётах при больших скоростях полёта радиус разворота получается слишком велик, поэтому в канал крена вводят так называемый «перекрёстный сигнал по курсу». При этом с вводом самолёта в крен поворотом штурвала (отклонением РУС) одновременно с отклонением элеронов на некоторый пропорциональный угол отклоняется и руль направления.

При развороте с креном любой самолёт стремится к потере высоты, поэтому лётчику (или автопилоту) необходимо компенсировать возникающий пикирующий момент пропорциональным отклонением колонки штурвала (руля высоты) на себя.

2. Природа возникновения подъемной силы

Для того, чтобы полететь, самолету надо преодолеть две силы: силу тяжести и сопротивление воздуха. С сопротивлением воздуха понятно. Тяга двигателя во много-много раз ее превышает. С силой тяжести сложней. Уже больше ста лет ученые, инженеры, летчики спорят о том, каким образом возникает подъемная сила крыла. Есть несколько объяснений, но все они так или иначе основываются на нескольких законах физики — законах Ньютона, уравнениях Бернулли, Жуковского и так далее.

Воздушный поток, огибая профиль крыла, изменяет свое направление и отбрасывается вниз. Согласно законам Ньютона противоположная сила должна толкать крыло вверх. В то же время по теореме Бернулли в сужающимся потоке скорость больше, а давление меньше — создается разрежение.

На изображении крыла в аэродинамической трубе видно, как поток сверху крыла сжимается, ускоряется (давление над крылом падает) и отбрасывается вниз. Крыло как бы «подсасывается» вверх. Математически подъемная сила зависит от разности давлений на противоположных поверхностях крыла, скорости потока воздуха, его плотности, площади крыла и коэффициента подъемной силы, зависящего от профиля крыла и угла атаки. Чем больше кривизна профиля, тем больше подъемная сила. На картинке кривизну можно увидеть по изгибу средней линии. Она соединяет переднюю и заднюю кромки крыла и проходит на равном расстоянии от нижней и верхней поверхности. Чем больше ее изгиб, тем больше кривизна профиля подъемная сила.

Такая линия, только прямая называется хорда крыла.

Угол наклона хорды к набегающему потоку — угол атаки, один из важнейших параметров полета. Чем больше угол атаки, тем больше подъемная сила. Правда при этом растет лобовое сопротивление, но мощность двигателя расчитывается так, чтобы преодолевать его. Существует критический угол атаки, который нельзя превышать, иначе поток воздуха перестает огибать крыло плавно и начинает завихряться. Скорость потока уменьшается, соответственно увеличивается и давление на крыло. Оно перестает «подсасываться» вверх и нести самолет. Подъемная сила резко падает. Этот эффект называется «срыв потока», который чреват «сваливанием», что для гражданских самолетов может закончиться падением. Причем положение самолета относительно горизонта не имеет значение. Он может лететь вверх, вниз, горизонтально. Важно только положение крыла относительно потока воздуха, на него набегающего. Контролирует угол атаки пилот по специальному прибору или автоматика. Непреложный закон авиации — ни при каких условиях не превышать установленный критический угол атаки.

3. Аэродинамическая компенсация усилии на рычагах управлении

В полете при отклонении рулевых поверхностей возникают шарнирные моменты, которые уравновешиваются усилиями летчика на командных рычагах управления. Эти усилия зависят от размеров и угла отклонения руля, а также от скоростного напора. На современных самолетах усилия управления получаются слишком большими, поэтому приходится в конструкции рулей предусматривать специальные средства для уменьшения шарнирных моментов и уравновешивающих их усилий управления. С этой целью используется аэродинамическая компенсация рулей, суть которой заключается в том, что часть аэродинамических сил руля создают момент относительно оси вращения, противоположный основному шарнирному моменту.
Наибольшее распространение получили следующие виды аэродинамической компенсации:

• роговая; на конце руля часть его площади в виде «рога» располагается спереди от оси шарниров, что обеспечивает создание момента обратного знака по отношению к основному шарнирному (рис.1.07),
• осевая; часть площади руля по всему размаху располагается спереди от оси шарниров (ось шарниров смещается назад), что уменьшает шарнирный момент (рис.1.08),
• внутренняя; обычно используется на элеронах и представляет собой пластины, прикрепленные к носку элерона спереди, которые связаны гибкой перегородкой со стенками камеры внутри крыла. При отклонении элерона в камере создается разница давлений над и под пластинами, которая уменьшает шарнирный момент (рис.1.09),
• сервокомпенсация; в хвостовой части руля шарнирно подвешивается небольшая поверхность, которая тягой связывается с неподвижной точкой на крыле или оперении. Эта тяга обеспечивает автоматическое отклонение сервокомпенсатора в сторону, противоположную отклонению руля. Аэродинамические силы на сервокомпенсаторе уменьшают шарнирный момент руля (рис.1.10).

Углы отклонения и эффективность работы такого компенсатора пропорциональны углам отклонения руля, что не всегда оправдывает себя, т.к. усилия управления зависят не только от углов отклонения руля, но и от скоростного напора. Более совершенным является пружинный сервокомпенсатор, у которого за счет включения в кинематику управления пружины с предварительной затяжкой углы отклонения пропорциональны усилиям управления руля, что наилучшим образом отвечает назначению сервокомпенсатора - уменьшать эти усилия.