Продольное управление.
Продольное управление обычно осуществляется рулём высоты или цельноповоротным стабилизатором. Управление должно обеспечить балансировку самолёта во всём диапазоне скоростей при всех разрешённых центровках и конфигурациях и обеспечить необходимый темп изменения тангажа для маневрирования.
Реакция самолёта на отклонение руля высоты.
Представим, что самолёт летит на постоянной скорости и сбалансирован при нулевом угле отклонения руля высоты. Если руль высоты будет отклонён вверх, то на стабилизаторе возникнет прирост силы вниз, что приведёт к увеличению угла тангажа. Когда угол атаки самолёта начнёт увеличиваться, то отрицательный прирост силы на стабилизаторе станет уменьшаться и самолёт достигнет нового положения равновесия. Самолёт будет оставаться на этом угле атаки с рулём высоты, отклонённым в выбранное положение. Если руль высоты вернуть снова в нейтральное положение, то на стабилизаторе возникнет положительный прирост силы, что приведёт к уменьшению угла атаки.
При фиксированной центровке каждому положению руля высоты соответствует определенный угол атаки.
Направление силы на стабилизаторе.
Балансировочный угол отклонения руля высоты зависит от приборной скорости и центровки самолёта. На крейсерской скорости полёта и нормальной центровке руль высоты должен быть близок к нейтральному положению. Сила на стабилизаторе будет направлена вниз, и будет давать кабрирующий момент, балансирующий пикирующий момент от крыла.
При увеличении скорости полёта потребный угол атаки уменьшается, это требует отклонения руля высоты вниз, что уменьшает отрицательную нагрузку на стабилизаторе. И наоборот, при уменьшении скорости потребный угол атаки увеличивается, что требует отклонения руля высоты вверх.
При увеличении числа М М крит , центр давления на крыле смещается назад, увеличивая пикирующий момент, что требует увеличения отрицательной силы на стабилизаторе.
На малой скорости, когда на крыле начинаются срывные явления, центр давления на крыле начинает двигаться вперёд. Крыло с фюзеляжем могут дать кабрирующий момент. В этом случае, для балансировки, на стабилизаторе должна быть сила направленная вверх.
Дополнительный расход руля высоты при манёвре.
При выполнении манёвра с увеличением угла тангажа угол атаки стабилизатора увеличивается из-за угловой скорости вращения самолёта (аэродинамическое демпфирование). Это означает, что требуемый угол отклонения руля высоты будет больше, чем при тех же условиях в горизонтальном полёте. Величина дополнительного расхода руля пропорциональна созданной перегрузке. Располагаемый угол отклонения руля высоты должен обеспечивать достижение предельно-допустимой перегрузки.
Наибольшее отклонение руля высоты требуется во время выравнивания самолёта на посадке в зоне экрана земной поверхности при предельно передней центровке.
Влияние обледенения на стабилизаторе.
Профиль стабилизатора обычно симметричный, поскольку в полёте на нём может возникать сила направленная как вниз, так и вверх. Угол установки стабилизатора всегда меньше, чем у крыла. Это помогает сохранить безотрывное обтекание стабилизатора при срыве потока с крыла, и этим обеспечить управляемость самолёта на сваливании. Обычно стабилизатор работает в зоне скоса потока от крыла, что уменьшает его местный угол атаки (величина отрицательного угла увеличивается). В стандартных условиях полёта стабилизатор находится на отрицательных углах атаки, создавая нисходящую силу для балансировки. Если на передней кромке стабилизатора образуется лёд, то угол сваливания стабилизатора уменьшается. Это может привести к срыву потока со стабилизатора, особенно в условиях увеличения скоса потока при выпуске закрылков. При срыве на стабилизаторе возникает пикирующий момент, который не всегда возможно парировать (особенно на малой высоте).
Поперечное управление.
Управление по крену обычно производится элеронами, интерцепторами или их комбинацией. Основной критерий поперечного управления – получение достаточной угловой скорости крена.
Во время стоянки самолёта, при нейтральном штурвале, оба элерона, как правило, отклонены немного вниз относительно задней кромки крыла («зависание элеронов»). В полёте, под действием зоны разрежения над крылом, элероны «всплывают» и становятся в один уровень с задней кромкой. Это позволяет уменьшить лобовое сопротивление самолёта.
Влияние отклонения элеронов, аэродинамическое демпфирование.
В полёте без скольжения при нейтральных элеронах подъёмные силы обоих полукрыльев одинаковы. Если колесо штурвала повернуть влево, то левый элерон отклонится вверх, а правый – вниз. Поднятый элерон уменьшит подъёмную силу на левом полукрыле, а опущенный – увеличит её на правом полукрыле. За счёт разности подъёмных сил возникнет кренение.
Нисходящее движение полукрыла приводит к увеличению местного угла атаки. Это увеличивает подъёмную силу опускающегося крыла, противодействуя кренению. На правом полукрыле происходит обратный процесс. Данный процесс называется аэродинамическим демпфированием. Чем больше скорость вращения, тем больше демпфирование.
На рисунке показано, как влияет истинная скорость на демпфирование. Чем больше скорость, тем меньше изменение угла атаки при одинаковой угловой скорости по крену.
Разница подъёмных сил полукрыльев при отклонении элеронов зависит от приборной скорости, а аэродинамическое демпфирование зависит от истинной скорости. При наборе высоты на постоянной приборной скорости (истинная скорость растёт), демпфирование уменьшается и, следовательно, располагаемая угловая скорость крена будет возрастать.
В отличие от руля высоты, который задаёт угол атаки, отклонение элеронов задаёт угловую скорость крена, а не крен.
Влияние размаха крыльев на угловую скорость крена.
При одинаковой угловой скорости вращения окружная скорость законцовок крыла будет больше у крыла большего размаха. Поэтому демпфирование будет сильнее. При прочих равных условиях самолёт с меньшим размахом крыльев будет иметь больше располагаемую угловую скорость крена.
Вредный момент рысканья от элеронов.
Опускающийся элерон увеличивает подъёмную силу полукрыла, что увеличивает его индуктивное сопротивление. На противоположном полукрыле индуктивное сопротивление падает. Разность сопротивлений дает момент рысканья, создающий скольжение, кренящий момент от которого противодействует созданию крена. Например, при создании крена влево возникает момент рысканья вправо, дающий момент крена от поперечной устойчивости вправо.
Уменьшение вредного момента рыскания от элеронов.
Дифференциальное отклонение элеронов. Проводка управления элеронами отклоняет поднимающийся элерон на больший угол, чем опускающийся элерон. Это увеличивает сопротивление поднимающегося элерона и уменьшает сопротивление опускающегося, что уменьшает разницу сопротивлений между полукрыльями.
Элероны Фрайза.
Элероны Фрайза имеют асимметричную переднюю кромку. Передняя кромка поднимающегося элерона выступает за пределы нижней поверхности крыла, создавая дополнительное сопротивление. Передняя кромка опускающегося элерона остается в пределах профиля крыла, что даёт меньшее сопротивление.
Связь элеронов с рулём направления.
В данной системе отклонение элеронов вызывает автоматическое отклонение руля направления, противодействующее вредному моменту рыскания от элеронов.
Интерцепторы-элероны.
Если интерцепторы используются совместно с элеронами для управления самолётом по крену (интерцепторы-элероны), то они уменьшают вредный момент рысканья от элеронов, поскольку интерцептор-элерон поднимается на полукрыле с поднятым элероном, что приводит к благоприятному увеличению сопротивления опускающегося полукрыла.
Внутренние элероны. Реверс элеронов.
Обычно элероны расположены вблизи законцовок крыла, на максимальном плече от центра тяжести, что даёт наибольший момент крена. При этом также элерон создаёт максимальный скручивающий момент для конструкции крыла. Например, элерон, отклонённый вниз, стремится приподнять заднюю кромку крыла. Поскольку крыло имеет гибкую конструкцию, то законцовка крыла закручивается на уменьшение угла атаки. Это уменьшает эффективность элеронов. При увеличении приборной скорости закрутка крыла усиливается и может наступить момент, когда уменьшение угла атаки законцовки, от опускающегося элерона, приведёт к уменьшению суммарной подъёмной силы полукрыла. Это даст кренящий момент противоположный тому, что хочет получить пилот. Данное явление называется реверсом элеронов.
Чтобы уменьшить скручивание крыла элеронами, их размещают ближе к корню крыла. Это уменьшает эффективность элеронов, особенно на малых скоростях.
Для устранения этого недостатка на самолёте могут быть установлены две секции элеронов – внешние и внутренние. Внешние элероны включаются в работу только на малых скоростях, когда кручение крыла слабое, а внутренние элероны работают всё время, не создавая больших нагрузок на крыло. Обычно отключение внешней секции элеронов происходит при уборке закрылков.
Флапероны.
Закрылки и элероны вместе занимают заднюю кромку крыла. Для улучшения взлётно-посадочных характеристик закрылки должны быть как можно больше, а для получения хороших угловых скоростей крена элероны должны быть как можно больше. Поскольку пространство ограничено, то одно из решений – это симметрично опускать оба элерона в помощь закрылкам. Такие элероны называются флапероны или зависающие элероны. Управление по крену осуществляется дифференциальным отклонением элеронов из опущенного («зависшего») положения.
Другое решение – использовать подвижные поверхности закрылков, как по прямому назначению, так и для поперечного управления.
Использование интерцепторов для поперечного управления.
Интерцепторы-элероны могут использоваться для поперечного управления в дополнение или вместо элеронов. Интерцепторы-элероны, это панели, шарнирно прикреплённые передней кромкой к верхней поверхности крыла, которые могут подниматься и опускаться гидравлическими рулевыми приводами. Поднятый интерцептор-элерон возмущает воздушный поток над крылом и уменьшает подъёмную силу.
Для управления по крену интерцептор-элерон поднимается на полукрыле с поднятым элероном. На противоположном полукрыле интерцептор-элерон остается прижатым к поверхности. В отличие от элеронов, интерцепторы-элероны не могут увеличивать подъёмную силу. Поэтому поперечное управление с помощью интерцепторов-элеронов всегда ведёт к потере подъёмной силы. Тем не менее, интерцепторы-элероны имеют несколько преимуществ, по сравнению с элеронами:
- отсутствует вредный момент рысканья. Поднятый интерцептор-элерон увеличивает сопротивление идущего вниз полукрыла, что создаёт момент рысканья в сторону создаваемого крена.
- уменьшается скручивающий момент крыла. Точка приложения аэродинамической силы, возникающей при отклонении интерцептора-элерона, (в сравнении с элероном) находится ближе к передней кромке, что уменьшает крутку крыла.
- на трансзвуковых скоростях эффективность интерцепторов-элеронов не уменьшается при возникновении волнового срыва потока.
- интерцепторы-элероны не входят во флаттер.
- интерцепторы-элероны не занимают заднюю кромку, которая может быть использована для закрылков.
Совместное использование элеронов и интерцепторов-элеронов.
Использование одних только интерцепторов-элеронов для поперечного управления встречается редко. Чаще всего они используются совместно с элеронами. Использование одних только элеронов не позволяет получить требуемые угловые скорости крена на малых скоростях, а на больших скоростях они могут быть причиной чрезмерной крутки крыла и теряют эффективность при образовании волнового срыва потока над крылом. Интерцепторы-элероны используются для повышения располагаемой угловой скорости крена, при этом они могут использоваться не во всём диапазоне скоростей. На некоторых самолётах интерцепторы-элероны используются в управлении по крену только на малых скоростях (при выпущенных закрылках).
Движение рычага поперечного управления в кабине передаётся на распределительное устройство, которое поднимает интерцептор-элерон на полукрыле с поднятым элероном и оставляет в прижатом положении интерцептор-элерон на полукрыле в опущенным элероном.
Аэродинамические тормоза.
Аэродинамические тормоза – это устройства, увеличивающие сопротивление самолёта, когда требуется быстрое уменьшение скорости или быстрое снижение. Быстрое торможение может потребоваться при попадании в зону турбулентности на высокой скорости, чтобы установить рекомендуемую скорость для полёта в условиях болтанки как можно быстрее. Быстрое снижение может потребоваться для выполнения требований службы управления воздушным движением, и, особенно, для аварийного снижения.
Типы аэродинамических тормозов.
В идеале, аэродинамические тормоза должны повышать сопротивление самолёта, не уменьшая подъёмной силы и не создавая моментов по тангажу. Лучше всего данным требованиям соответствуют тормозные щитки, расположенные на фюзеляже.
Тем не менее, поскольку интерцепторы-элероны увеличивают сопротивление, их удобно использовать в качестве аэродинамических тормозов. При выполнении этой функции интерцепторы-элероны управляются отдельным рычагом в кабине и выпускаются симметрично.
Интерцепторы-элероны в функции аэродинамических тормозов, как правило, разрешается использовать вплоть до VMO / MMO, хотя возможно ограничение величины их выпуска на больших скоростях. Выпущенные в качестве тормозов, интерцепторы-элероны продолжают участвовать в поперечном управлении самолётом, отклоняясь асимметрично относительно выпущенного положения.
Пример изображен на рисунке. Сначала интерцепторы-элероны выпущены для торможения, а затем начато создание крена влево. При этом интерцептор-элерон на полукрыле с поднятым элероном остался в поднятом положении или поднялся ещё выше, в зависимости от степени выпуска тормозов и отклонения рычага управления по крену. А интерцептор-элерон на полукрыле с опущенным элероном приспустился или убрался полностью (в зависимости от тех же факторов).
Влияние аэродинамических тормозов на наивыгоднейшую скорость.
Лобовое сопротивление, создаваемое аэродинамическими тормозами является профильным, поэтому оно не только увеличивает общее сопротивление, но и уменьшает наивыгоднейшую скорость. Это улучшает устойчивость по скорости при полёте на малых скоростях.
Тормозные интерцепторы.
Во время пробега после посадки в торможении самолёта участвуют сила лобового сопротивления, тяга двигателя на реверсе и сила торможения колёс. Эффективность торможения колёс зависит от сил реакции опор шасси, которые определяются разностью между силой тяжести и подъёмной силой. Подъёмная сила может быть уменьшена подъёмом интерцепторов на полный угол отклонения.
При этом одновременно увеличивается сила сцепления колёс с покрытием ВПП и лобовое сопротивление, что уменьшает длину пробега. На многих самолётах, при торможении на земле используются дополнительные секции интерцепторов (тормозные интерцепторы), которые не работают в полёте. Тормозные интерцепторы отключаются из работы, когда датчики на шасси индицируют положение самолёта «в воздухе».