Введение
Эйлерон (фр. aileron – «маленькое крыло» или «плавник») – это подвижная поверхность управления полетом, обычно образующая часть задней кромки каждого крыла самолета с фиксированным крылом. Эйлероны используются попарно для управления самолетом в крене (или вращением вокруг продольной оси самолета), что обычно приводит к изменению траектории полета из-за наклона вектора подъемной силы. Вращение вокруг этой оси называется «креном» или «рысканием». Существует значительная полемика относительно авторства изобретения эйлерона. Братья Райт и Гленн Кертисс вели многолетнюю судебную тяжбу за патент Райтов 1906 года, в котором описывался метод деформации крыла для достижения поперечного управления. Братья Райт выиграли несколько судебных решений, установивших, что использование Кертиссом эйлеронов нарушало патент Райтов. В конечном итоге, Первая мировая война вынудила правительство США принять законодательное решение для урегулирования этого спора. Гораздо более ранняя концепция эйлерона была запатентована в 1868 году британским ученым Мэтью Пирсом Уаттом Болтоном, основываясь на его работе 1864 года «О воздушном передвижении».
a part of a fixed wing aircraft
An aileron (French for "little wing" or "fin") is a hinged flight control surface usually forming part of the trailing edge of each wing of a fixed wing aircraft. Ailerons are used in pairs to control the aircraft in roll (or movement around the aircraft's longitudinal axis), which normally results in a change in flight path due to the tilting of the lift vector. Movement around this axis is called 'rolling' or 'banking'. Considerable controversy exists over credit for the invention of the aileron. The Wright brothers and Glenn Curtiss fought a years long legal battle over the Wright patent of 1906, which described a method of wing warping to achieve lateral control. The brothers prevailed in several court decisions which found that Curtiss's use of ailerons violated the Wright patent. Ultimately, the First World War compelled the U. S. Government to legislate a legal resolution. A much earlier aileron concept was patented in 1868 by British scientist Matthew Piers Watt Boulton, based on his 1864 paper On Aërial Locomotion.
История
Название "айлерон" от французского означает "маленькое крыло" и также относится к крайним частям крыльев птицы, используемым для управления полетом. В контексте самолетов с двигателем оно появляется в печати примерно в 1908 году. До этого айлероны часто называли рулями, их более ранним техническим аналогом, без различия в ориентации и функциях, или более описательно – горизонтальными рулями (на французском – gouvernails horizontaux). Одним из первых печатных упоминаний "айлерона" в авиации было его использование во французском авиационном журнале L'Aérophile в 1908 году. Пионерский американский авиационный инженер Октав Шануте опубликовал описания и чертежи планера братьев Райт 1902 года в ведущем авиационном журнале того времени, L'Aérophile, в 1903 году. Это побудило Эснау Пелтери, французского военного инженера, в 1904 году построить планер в стиле Райт, который использовал айлероны вместо деформации крыльев. Ричард Пирс из Новой Зеландии, предположительно, совершил полет на моноплане с небольшими айлеронами еще в 1902 году, но его заявления спорны и порой непоследовательны, и даже по его собственным отчетам, его самолеты не были хорошо управляемы. В 1906 году 14 bis Альберто Сантоса Дюмона был одним из первых (если не самым первым) самолетов с двигателем, оснащенных айлеронами, поскольку он был модифицирован добавлением восьмиугольных межплановых айлеронов в его внешних крыльях 12 ноября того же года для заключительных летных сессий на территории поместья Шато де Багателль; однако эти поверхности управления креном не были настоящими "закрылками" – айлеронами, шарнирно закрепленными непосредственно к каркасу крыльев – для 14 bis они вместо этого поворачивались вокруг горизонтальной оси, центрированной на передних наружных межплановых стойках, и выступали вперед за передние кромки крыльев, что, по словам очевидцев, очень напоминало конструкцию двупланового планера Роберта Эснаулта Пелтери 1904 года. 18 мая 1908 года инженер и конструктор самолетов Фредерик Болдуин, член Ассоциации воздушных экспериментов под руководством Александра Грэма Белла, совершил первый полет на самолете с управлением айлеронами, AEA White Wing, в том же году, вместе с AEA June Bug. Айлероны Генри Фармана на его самолете Farman III 1909 года были первыми, которые напоминали айлероны на современных самолетах, поскольку они были шарнирно закреплены непосредственно к плановой структуре крыла и, следовательно, справедливо считались предками современных айлеронов, почти одновременно с его методами деформации крыльев. Патент братьев Райт и патент Монтгомери были рассмотрены и одобрены одним и тем же экспертом по патентам в Патентном ведомстве США, Уильямом Таунсендом. В то время Таунсенд указал, что оба метода деформации крыльев были изобретены независимо друг от друга и были достаточно различными, чтобы каждый из них оправдывал собственное патентование. Множество судебных решений в США поддерживали расширенный патент Райт, который братья Райт стремились обеспечить, взимая лицензионные сборы, начиная с 1000 долларов за самолет. Одним из недостатков этой схемы была большая склонность к рысканью, чем даже при использовании базовых взаимосвязанных айлеронов. В некоторых конструкциях ранних самолетов использовались "концевые" айлероны, когда вся концевая часть крыла поворачивалась для достижения управления креном как отдельная, вращающаяся поверхность управления креном – AEA June Bug использовал их, как и экспериментальный немецкий Fokker V.1 1916 года и более ранние версии демонстрационного моноплана Junkers J 7 из дюралюминия, которые привели непосредственно к немецкому истребителю Junkers D. I из дюралюминия 1918 года, который имел обычные шарнирные айлероны. Основная проблема с этим типом айлерона – опасная тенденция к сваливанию при агрессивном использовании, особенно если самолет уже находится на грани сваливания, поэтому их использовали в основном на прототипах и заменяли на серийных самолетах более традиционными айлеронами.
Фризы и фризы
Инженер Лесли Джордж Фрайз (1897–1979) из компании Bristol Aeroplane Company разработал форму элерона, ось вращения которого находится примерно на 25–30% хорды и близко к нижней поверхности, чтобы уменьшить усилия на ручку управления, поскольку самолеты становились быстрее в 1930-х годах. Когда элерон отклоняется вверх (для опускания крыла), передняя кромка элерона начинает выступать из-под нижней поверхности крыла в воздушный поток под крылом. Момент, создаваемый передней кромкой в воздушном потоке, помогает поднять заднюю кромку, что уменьшает усилие на ручку управления. Опускающийся элерон также добавляет энергию в пограничный слой. Кромка элерона направляет воздушный поток с нижней поверхности крыла на верхнюю поверхность элерона, тем самым создавая дополнительную подъемную силу. Это уменьшает необходимое отклонение элерона. Как канадский биплан Fleet Model 2 1930 года, так и популярный американский моноплан Piper J 3 Cub 1938 года были оснащены элеронами конструкции Фрайза, что способствовало их широкому распространению. Одним из преимуществ элерона Фрайза является способность противодействовать неблагоприятному рысканию. Для этого передняя кромка элерона должна быть острой или слегка закругленной, что создает значительное сопротивление поднятому элерону и помогает компенсировать силу рыскания, создаваемую другим элероном, отклоненным вниз. Это может вызывать неприятные нелинейные эффекты и/или потенциально опасную аэродинамическую вибрацию (флаттер). Момент неблагоприятного рыскания в основном компенсируется устойчивостью самолета на рыскание, а также использованием дифференциального отклонения элеронов. Элерон типа Фрайза также образует щель, благодаря которой воздух плавно обтекает опущенный элерон, повышая его эффективность на больших углах атаки. Элероны типа Фрайза также могут быть спроектированы для дифференциальной работы. Как и дифференциальный элерон, элерон типа Фрайза не полностью устраняет неблагоприятное рыскание. Координированное использование руля направления все еще необходимо при отклонении элеронов. Это помогает снизить вероятность сваливания законцовки крыла при отклонении элеронов на больших углах атаки. Кроме того, разница в сопротивлении уменьшает неблагоприятное рыскание (как обсуждалось выше). Идея заключается в том, что потеря подъемной силы, связанная с поднятым элероном, не приводит к ухудшению характеристик, а увеличение подъемной силы, связанное с опущенным элероном, минимизируется. Качающий момент на самолете всегда является разницей подъемной силы между двумя крыльями. Конструктор из de Havilland разработал простую и практичную систему управления, и их классический британский биплан de Havilland Tiger Moth стал одним из самых известных самолетов и одним из первых, использующих дифференциальные элероны.
Кривое деформация
На самых ранних самолётах эпохи пионеров, таких как Wright Flyer и более поздние Blériot XI и Etrich Taube образца 1909 года, боковое управление осуществлялось за счёт скручивания внешней части крыла для увеличения или уменьшения подъёмной силы путём изменения угла атаки. Это имело недостатки, такие как напряжение конструкции, большая нагрузка на органы управления и риск срыва потока на стороне с увеличенным углом атаки во время манёвра. К 1916 году большинство конструкторов отказались от скручивания крыла в пользу элеронов. Исследователи из НАСА и других организаций вновь обратились к изучению скручивания крыла, но под другими названиями. Разработка НАСА называется X-53 Active Aeroelastic Wing, а ВВС США испытывали Adaptive Compliant Wing.
Комбинации с другими поверхностями управления
Контрольная поверхность, сочетающая в себе элерон и закрылок, называется флапероном. Одна поверхность на каждом крыле выполняет обе функции: используемые как элероны, флапероны на левом и правом крыле приводятся в действие дифференциально; при использовании в качестве закрылков оба флаперона отклоняются вниз. При отклонении флаперона вниз (то есть при использовании в качестве закрылка) сохраняется достаточная свобода движения для продолжения использования функции элерона. Некоторые самолеты используют дифференциально управляемые спойлеры или спойлероны для создания крена вместо традиционных элеронов. Преимущество заключается в том, что весь задний край крыла может быть отдан закрылкам, обеспечивая лучший контроль на малых скоростях. Northrop P-61 Black Widow использовал спойлеры таким образом, в сочетании с закрылками по всей длине крыла, а некоторые современные авиалайнеры используют спойлеры для помощи элеронам. На самолетах с дельтавидным крылом элероны объединены с рулями высоты, образуя элевоны. Некоторые современные истребители могут не иметь элеронов на крыльях, но обеспечивают управление креном с помощью полностью подвижного горизонтального оперения. Когда горизонтальные стабилизаторы могут отклоняться дифференциально для выполнения функции управления креном, как это происходит на некоторых современных истребителях, они называются "таиронами" или "поворотными хвостовыми плоскостями". Таироны также позволяют использовать более широкие закрылки на крыльях самолета. Аэроны на стойках объединяли подвижные поверхности с крыльевой стойкой аэродинамического профиля. Работа в потоке от винта повышала их эффективность, хотя их механическое преимущество снижалось из-за расположения ближе к фюзеляжу.