Введение

Вертикальный стабилизатор или хвостовое оперение — статическая часть вертикального хвостового оперения самолета. Обычно устанавливается на верхней части заднего фюзеляжа, при этом горизонтальные стабилизаторы крепятся к боковой стороне фюзеляжа (такая конфигурация называется "классическим хвостовым оперением"). Иногда вместо этого используются другие конфигурации, такие как Т-образное хвостовое оперение или двухкилевое хвостовое оперение. Вертикальные стабилизаторы иногда применялись в автоспорте, например, в гонках прототипов класса Ле-Ман.

Обрезка и управление в повороте

Руль является поверхностью управления направлением и обычно крепится к килю или вертикальному стабилизатору. Перемещение руля позволяет пилоту управлять рысканием вокруг вертикальной оси, то есть изменять горизонтальное направление, в котором ориентирован нос самолета. Максимальное отклонение руля обычно контролируется ограничителем хода руля. Наибольший достижимый угол отклонения руля при определенных условиях полета называется его пределом срыва потока. Он представляет собой баланс между аэродинамическими силами, действующими на руль, и механическими силами от исполнительного механизма. Многодвигательные самолеты, особенно с двигателями, установленными на крыльях, оснащаются большими и мощными рулями. Они необходимы для обеспечения достаточного управления после отказа двигателя при взлете с максимальным весом, при предельном и допустимом боковом ветре при нормальном взлете и посадке. Для руления и в начале разбега самолет управляется комбинацией отклонения руля и поворота носового или хвостового колеса. На малых скоростях носовое или хвостовое колесо обладает наибольшей эффективностью управления, но с увеличением скорости возрастает влияние аэродинамических сил на руль, что делает его все более важным для управления рысканием. В некоторых самолетах (в основном малых) оба этих механизма управляются педалями руля, поэтому пилот не ощущает разницы. В других самолетах имеется специальный штурвал, управляющий поворотом колес, а педали управляют рулем, а также обеспечивают ограниченный поворот колес (обычно 5 градусов поворота носового колеса). Для таких самолетов пилоты прекращают использовать штурвал после выравнивания по оси взлетно-посадочной полосы перед взлетом и начинают использовать его после посадки перед съездом с полосы, чтобы избежать чрезмерной коррекции чувствительным штурвалом на высоких скоростях. Педали также могут использоваться для небольших корректировок при рулении по прямой или при входе или выходе из поворота перед использованием штурвала, чтобы поворот был плавным. При нейтральном положении органов управления самолет все же может слегка рыскать в сторону. Это корректируется настройкой триммера, часто отдельной триммерной вкладки, установленной на руле, но иногда и самим рулем, для компенсации рыскания и обеспечения полета по прямой. Изменение настройки триммерной вкладки регулирует нейтральное или исходное положение поверхности управления (например, элерона или руля). Поскольку желаемое положение поверхности управления меняется (в основном в зависимости от различных скоростей), регулируемая триммерная вкладка позволяет оператору уменьшить ручное усилие, необходимое для поддержания этого положения, вплоть до нуля при правильном использовании. Таким образом, триммерная вкладка действует как сервотаб. Поскольку центр давления триммерной вкладки находится дальше от оси вращения поверхности управления, чем центр давления самой поверхности управления, движение, создаваемое вкладкой, может соответствовать движению, создаваемому поверхностью управления. Положение поверхности управления на ее оси будет изменяться до тех пор, пока моменты от поверхности управления и триммерной вкладки не уравновесятся.

Стабильность наклона

Вертикальный стабилизатор играет определяющую роль в путевой устойчивости, обеспечивая большую часть необходимого восстанавливающего момента относительно центра тяжести при срыве самолета на скольжение. Путевая устойчивость обычно оценивается с помощью производной момента по углу рыскания. Аэродинамический поток над вертикальным стабилизатором часто подвергается влиянию фюзеляжа, крыльев и двигателей самолета как по величине, так и по направлению. Устойчивость снижается, поскольку боковая сила, создаваемая стабилизатором, уменьшается с увеличением скорости при каждом градусе угла скольжения (угла наклона характеристики подъёмной силы). Это связано с существенно отличающимся распределением давления, наличием ударных и волн разрежения, по сравнению с дозвуковым режимом. Для достижения необходимой устойчивости на максимальной эксплуатационной скорости самолета вертикальный стабилизатор может быть увеличен, как, например, на North American F-100 Super Sabre (первоначальные требования к площади киля были занижены). Дополнительную площадь можно обеспечить установкой подфюзеляжных килей (например, на более скоростных, поздних модификациях Vought F-8 Crusader) или складываемыми законцовками крыла (например, на North American XB-70 Valkyrie). Если увеличение размеров стабилизатора невозможно, можно использовать автоматическое отклонение руля направления для увеличения боковой силы на хвостовом оперении и восстановления путевой устойчивости. Этот метод применялся на Avro Arrow.

Отставание вертикального хвоста

Вертикальный стабилизатор иногда оснащается филетом или спинным плавником у передней кромки, что помогает увеличить угол сваливания вертикальной поверхности (при этом возникает вихревая подъёмная сила) и предотвращает явление, известное как блокировка или разворот руля направления. Блокировка руля направления возникает, когда сила, действующая на отклоненный руль (например, при установившемся боковом скольжении), внезапно меняет направление при сваливании вертикального стабилизатора. Это может привести к тому, что руль зафиксируется в крайнем положении, и пилот не сможет вернуть его в нейтральное положение. Спинной плавник был впервые применен в 1940-х годах, например, на Douglas DC-4 1942 года, что предшествовало появлению предкрылковых наплывов на крыльях истребителей, разработанных в 1970-х годах, таких как F-16.

Структурные соображения

Руль и киль на большом или быстром самолете подвергаются значительной силе, которая возрастает с увеличением угла отклонения руля. Крайний случай возникает при выходе из-под контроля полета, известном как срыв, который в контексте киля и руля проявляется как чрезмерное боковое скольжение. Для больших транспортных самолетов стабилизирующий момент, необходимый для восстановления, создается килем, и требуется лишь небольшое отклонение руля. Эти самолеты не должны выдерживать почти полное отклонение руля в таких ситуациях, поскольку конструктивный вес, необходимый для предотвращения структурных повреждений, сделает их коммерчески нерентабельными. Полная потеря киля и руля произошла на рейсе 587 авиакомпании American Airlines, когда пилоты использовали максимальное отклонение руля, следуя в следе за очень большим реактивным самолетом. Прозрачная воздушная турбулентность вызвала разрушение киля и руля на Boeing B-52 Stratofortress, после чего пилотам удалось успешно посадить самолет. Бомбардировщики B-52, оснащенные приборами для измерения нагрузок от порывов и маневров, зарегистрировали порывы от прозрачной воздушной турбулентности, значительно превышающие расчетные пределы, с максимальными нагрузками на высоте 34 000 футов. Разрушение киля прототипа English Electric Lightning T4 было вызвано инерционной связью крена при выполнении высокоскоростных кренов. Киль был увеличен, усилен и были введены ограничения на скорость крена. Однако первый T5 также потерпел разрушение киля во время испытаний с быстрыми кренами с выпущенным ракетным блоком. Самолет Lightning потерял киль из-за взаимодействия между самолетами, летевшими в непосредственной близости на малой высоте в строю на скорости M 0.97 во время выполнения фигуры высшего пилотажа. Были введены ограничения, включая увеличение дистанции между самолетами в строю. Двухкилевые самолеты McDonnell Douglas F/A-18 Hornet подвержены вибрациям, вызванным срывом или разрушением вихря передней кромки (LEX) перед хвостовым оперением. Установка защитного ограждения LEX значительно снижает вибрацию и увеличивает ресурс киля на усталость.

Всеподвижный хвостовой плавник

Самолеты с полностью подвижными стабилизаторами, но так и не поступившие в эксплуатацию, включали North American F-107 и BAC TSR 2. Lockheed SR-71 Blackbird и North American X-15 использовали фиксированные кили в качестве стабилизаторов, а рули направления – на остальной высоте. Обычные рули направления были бы недостаточны для SR-71, поскольку для компенсации отказа двигателя потребовались бы чрезмерные углы отклонения, что привело бы к неприемлемому аэродинамическому сопротивлению. Первоначальные варианты конструкции X-15 предусматривали обычный фиксированный киль и руль направления, а также нижний киль. Впоследствии конструкция была изменена на верхний и нижний кили, причем внешняя половина каждого из них выполняла функцию руля направления.

Многократные хвостовые плавники

У самолетов с двойным хвостовым оперением есть два вертикальных стабилизатора. Многие современные боевые самолеты используют эту конфигурацию. Двойные рули могут использоваться при выпущенной шасси для дополнительного продольного управления с отклонением педалями или раскрытием (McDonnell Douglas F/A 18 Hornet). Двойные рули также могут использоваться в качестве воздушного тормоза, как в случае с Lockheed Martin F-22 Raptor, который использует дифференциальное отклонение руля вместе с другими отклонениями управляющих поверхностей для контроля скорости, поскольку не имеет отдельных воздушных тормозов. Двойное хвостовое оперение может быть выполнено в виде Т-образного хвостового оперения, представляющего собой конструкцию с двумя килями и рулями, прикрепленными к одному фюзеляжу, как, например, у североамериканского среднего бомбардировщика B-25 Mitchell или Avro Lancaster, либо в виде двухбалочной схемы, где задняя часть фюзеляжа состоит из двух отдельных балок, каждая из которых имеет по одному килю и рулю, соединенных горизонтальным стабилизатором, как, например, у североамериканского транспортного самолета Rockwell OV-10 Bronco или Armstrong Whitworth AW.660 Argosy. Вариацией двойного хвостового оперения является тройное хвостовое оперение, имеющее три вертикальных стабилизатора. Avro Manchester времен Второй мировой войны получил третий киль, когда оригинального двойного киля оказалось недостаточно. Lockheed Constellation использовал три киля для обеспечения необходимой площади вертикального стабилизатора, одновременно сохраняя общую высоту достаточно низкой, чтобы самолет мог помещаться в ангары для обслуживания. Хвостовое оперение V-образной формы не имеет отдельных вертикальных или горизонтальных стабилизаторов. Вместо этого они объединены в управляющие поверхности, известные как рулеваторы, которые управляют как тангажом, так и рысканием. Такая конструкция выглядит как буква V и также известна как "бабочкообразное" хвостовое оперение. Эта конфигурация используется в Beechcraft Bonanza Model 35, а также в Lockheed F-117 Nighthawk. Концевые шайбы на схеме "канардовый пушер" Rutan VariEze и Rutan Long EZ выполняют функции как концевого устройства крыла, так и вертикального стабилизатора. Несколько других модификаций этих и других подобных самолетов используют этот конструктивный элемент.

Окружающий хвост

Необычная крестообразная конструкция применяется на самолете Lockheed Jetstar. Для продольной балансировки весь хвостовой агрегат отклоняется вверх и вниз на 10 градусов относительно точки крепления в нижней части задней лонжерона киля.

Складывание для хранения

Верхняя часть вертикального стабилизатора североамериканского A-5 Vigilante складывается в сторону из-за ограничения по высоте ангарной палубы.

Автомобильное использование

Устройства, подобные вертикальным стабилизаторам, использовались на таких автомобилях, как Jaguar D-Type 1955 года или Lamborghini Veneno 2013 года. На гоночных автомобилях их основное назначение – уменьшить резкие высокоскоростные рыскания, вызывающие опрокидывание из-за подъёмной силы, возникающей при больших углах рыскания во время поворотов или заноса. С 2011 года вертикальный стабилизатор стал обязательным для всех вновь омологированных прототипов "Ле-Ман". Некоторые команды "Формулы-1" использовали вертикальный стабилизатор для нарушения воздушного потока к заднему крылу, снижая сопротивление; наиболее радикальной системой был "F-воздуховод", применённый в 2010 году в McLaren MP4-25 и Ferrari F10. По требованию пилота, эта система направляла воздух из воздухозаборника в передней части автомобиля через канал в вертикальном плавнике на заднее крыло, срывая поток и уменьшая сопротивление на прямых участках, где прижимная сила не требовалась. Система была запрещена в сезоне "Формулы-1" 2011 года.