Горизонтальный стабилизатор самолета: функции и конструкция.

Введение

Заднепланер, также известный как горизонтальный стабилизатор, — это небольшая подъемная поверхность, расположенная в хвостовой части (импеннаже) за основными подъемными поверхностями самолета с фиксированным крылом, а также других летательных аппаратов, таких как вертолеты и гиропланы. Не все самолеты с фиксированным крылом оснащены заднепланером. Самолёты с предкрылками, бесхвостые и самолеты-крыло не имеют отдельного заднепланера, а в самолетах с V-образным хвостовым оперением вертикальный стабилизатор, руль направления, заднепланер и руль высоты объединены в две диагональные поверхности, образующие V-образную конструкцию. Функция заднепланера заключается в обеспечении устойчивости и управляемости. В частности, заднепланер помогает компенсировать изменения положения центра давления или центра тяжести, вызванные изменениями скорости и тангажа, расходом топлива или сбросом груза или полезной нагрузки.

Стабильность

Крыло с обычным профилем аэрофолиа оказывает дестабилизирующее влияние на продольную устойчивость. Это означает, что любое возмущение (например, порыв ветра), поднимающее нос самолета, создает тангажный момент с отклонением носа вверх, который стремится еще больше поднять нос. При том же возмущении наличие горизонтального оперения создает восстанавливающий тангажный момент с отклонением носа вниз, который может компенсировать естественную неустойчивость крыла и обеспечить продольную устойчивость самолета (подобно тому, как флюгер всегда указывает по ветру). Продольная устойчивость самолета может изменяться при полете без управления, то есть когда на органы управления воздействуют только аэродинамические силы, а не усилия, прикладываемые пилотом.

Опорожнение

Помимо создания восстанавливающей силы (которая сама по себе привела бы к колебаниям), хвостовое оперение обеспечивает демпфирование. Это происходит из-за относительного потока воздуха, воспринимаемого хвостовым оперением при вращении самолета вокруг центра тяжести. Например, когда самолет колеблется, но на мгновение оказывается выровненным по направлению общего движения, хвостовое оперение все равно ощущает относительный поток воздуха, направленный против колебаний.

Подъемник

В зависимости от конструкции самолета и режима полета, его хвостовое оперение может создавать положительную или отрицательную подъемную силу (упорную силу). Иногда предполагается, что на стабильном самолете это всегда будет чистая упорная сила, но это неверно. На некоторых первых конструкциях, таких как Bleriot XI, центр тяжести располагался между нейтральной точкой и хвостовым оперением, которое также создавало положительную подъемную силу. Однако такая схема может быть неустойчивой, и эти самолеты часто имели серьезные проблемы с управляемостью. Требования к устойчивости были поняты лишь незадолго до Первой мировой войны – в эпоху, когда британский легкий биплан Bristol Scout был разработан для гражданского использования, с аэродинамическим подъемным хвостовым оперением на протяжении всего периода его производства в годы Первой мировой войны и службы в британских вооруженных силах с 1914 по 1916 год. Тогда стало понятно, что перемещение центра тяжести вперед позволяет использовать хвостовое оперение, не создающее подъемной силы, где подъемная сила номинально равна ни положительной, ни отрицательной, а нулю, что обеспечивает более стабильное поведение. Более поздние примеры самолетов времен Первой мировой войны и межвоенного периода, оснащенных хвостовым оперением с положительной подъемной силой, включают, в хронологическом порядке, Sopwith Camel, Spirit of St. Louis Чарльза Линдберга, Gee Bee Model R Racer – все самолеты, имеющие репутацию сложных в управлении, и более легкий в управлении двухместный канадский учебный биплан Fleet Finch, также оснащенный плоским аэродинамическим хвостовым оперением, похожим на более ранний Bristol Scout. Однако при должном внимании подъемное хвостовое оперение можно сделать устойчивым. Примером служит перехватчик Bachem Ba 349 Natter VTOL с ракетным двигателем, который имел подъемное хвостовое оперение и был стабильным и управляемым в полете. В некоторых самолетах и режимах полета может потребоваться, чтобы хвостовое оперение создавало значительную упорную силу. Это особенно актуально при полете на малой скорости и большом угле атаки (AoA). На некоторых типах потребность в упорной силе в этом режиме полета была настолько велика, что приводила к сваливанию хвостового оперения. На Gloster Meteor T.7 сваливание могло быть вызвано турбулентностью при выпущенных воздушных тормозах. На McDonnell Douglas F-4 Phantom II это первоначально происходило при взлете и посадке, и для поддержания плавного обтекания и упорной силы при большом AoA передние закрылки были установлены на хвостовом оперении вверх ногами. Тренировочный самолет Pilatus P-3 требовал наличия киля на нижней части фюзеляжа для устранения аналогичного эффекта при штопоре, в то время как McDonnell Douglas T-45 Goshawk страдал от избыточного потока воздуха от крыла при выпущенных закрылках, что потребовало установки небольшой поверхности "SMURF" на фюзеляже, которая выравнивалась с корневой частью передней кромки стабилизатора под критическим углом.

Depending on the aircraft design and flight regime, its tailplane may create positive lift or negative lift (downforce). It is sometimes assumed that on a stable aircraft this will always be a net down force, but this is untrue. On some pioneer designs, such as the Bleriot XI, the centre of gravity was between the neutral point and the tailplane, which also provided positive lift. However this arrangement can be unstable and these designs often had severe handling issues. The requirements for stability were not understood until shortly before World War I – the era within which the British Bristol Scout light biplane was designed for civilian use, with an airfoiled lifting tail throughout its production run into the early World War I years and British military service from 1914 to 1916 – when it was realised that moving the centre of gravity further forwards allowed the use of a non lifting tailplane in which the lift is nominally neither positive nor negative but zero, which leads to more stable behaviour. Later examples of aircraft from World War I and onwards into the interwar years that had positive lift tailplanes include, chronologically, the Sopwith Camel, Charles Lindbergh's Spirit of St. Louis, the Gee Bee Model R Racer all aircraft with a reputation for being difficult to fly, and the easier to fly Fleet Finch two seat Canadian trainer biplane, itself possessing a flat bottom airfoiled tailplane unit not unlike the earlier Bristol Scout. But with care a lifting tailplane can be made stable. An example is provided by the Bachem Ba 349 Natter VTOL rocket powered interceptor, which had a lifting tail and was both stable and controllable in flight. Some aircraft and flight modes can require the tailplane to generate substantial downforce. This is particularly so when flying slowly and at a high angle of attack (AoA). On some types, the demand in this flight mode has been so extreme that it has caused the tailplane to stall. On the Gloster Meteor T.7 a stall could be triggered by turbulence when the airbrakes were deployed. On the McDonnell Douglas F 4 Phantom II it initially occurred during takeoff and landing approach, and leading edge slats were fitted to the tailplane upside down in order to maintain smooth airflow and downforce "lift" at high AoA. The Pilatus P 3 trainer required a ventral keel to cure a similar effect when spun, while the McDonnell Douglas T 45 Goshawk suffered excess downwash from the wing when the flaps were deployed, necessitating a small "SMURF" surface fixed to the fuselage, such that it aligned with the stabilizer leading edge root at the critical angle.

Активная стабильность

Использование компьютера для управления позволяет летать аэродинамически нестабильным самолетам аналогичным образом. Самолеты, такие как F-16, управляются с использованием искусственной стабилизации. Это дает значительное снижение сопротивления, создаваемого оперением, и повышает маневренность.

Мач-тук

При трансонических скоростях самолет может испытывать смещение центра давления назад из-за образования и движения ударных волн. Это вызывает тангаж с опусканием носа, называемый сваливанием на сверхзвуковой скорости (Mach tuck). Для поддержания равновесия может потребоваться значительная корректирующая сила, которая чаще всего обеспечивается отклонением всей горизонтальной плоскости, выполненной в виде цельноповоротного горизонтального оперения или стабилизатора.