Введение

Стабилизатор воздушного судна – это аэродинамическая поверхность, обычно включающая одну или несколько подвижных управляющих поверхностей, обеспечивающая продольную (тангаж) и/или направленную (рыскание) стабильность и управление. Стабилизатор может иметь фиксированную или регулируемую конструкцию, на которой закреплены подвижные управляющие поверхности, либо сам может быть полностью подвижной поверхностью, такой как стабилизатор-руль. В зависимости от контекста, термин "стабилизатор" иногда может относиться только к передней части всей поверхности. В традиционной схеме самолета отдельные вертикальные (киль) и горизонтальные (стабилизатор) стабилизаторы образуют хвостовое оперение, расположенное в хвостовой части самолета. Другие схемы хвостового оперения, такие как V-образное оперение, включают стабилизаторы, которые обеспечивают сочетание продольной и направленной стабилизации и управления. Продольная стабильность и управление могут достигаться и с другими схемами крыла, включая предкрылки, тандемные крылья и самолеты без хвостового оперения. Некоторые типы самолетов стабилизируются с помощью электронной системы управления полетом; в этом случае фиксированные и подвижные поверхности, расположенные в любой точке вдоль фюзеляжа, могут служить активными демпферами или стабилизаторами движения.

Горизонтальные стабилизаторы

Горизонтальный стабилизатор используется для поддержания самолета в продольном равновесии, или тримме: он создает вертикальную силу на расстоянии, так что суммарный момент тангажа относительно центра тяжести равен нулю. Вертикальная сила, создаваемая стабилизатором, изменяется в зависимости от условий полета, в частности, от коэффициента подъёмной силы самолета и отклонения предкрылков и закрылков, которые влияют на положение центра давления, а также от положения центра тяжести самолета (которое изменяется при изменении нагрузки и расхода топлива). Трансзвуковой полет предъявляет особые требования к горизонтальным стабилизаторам; когда местная скорость воздушного потока над крылом достигает скорости звука, происходит резкое смещение центра давления к хвостовой части. Другая функция горизонтального стабилизатора – обеспечение продольной статической устойчивости. Устойчивость может быть определена только при условии, что аппарат находится в тримме; она характеризует способность самолета возвращаться в триммированное состояние после возмущения. Это обеспечивает поддержание постоянной ориентации самолета, с неизменным углом атаки относительно воздушного потока, без активного воздействия пилота. Для обеспечения статической устойчивости самолета с обычным крылом необходимо, чтобы центр тяжести самолета располагался впереди центра давления, поэтому стабилизатор, расположенный в хвостовой части самолета, создает подъемную силу, направленную вниз. Руль высоты служит для управления по углу тангажа; в случае цельноповоротного хвостового оперения, вся конструкция действует как управляющая поверхность.

Взаимодействие с стабилизатором крыла

Подъем и опускание потока, связанные с созданием подъемной силы, являются источником аэродинамического взаимодействия между крылом и стабилизатором, что приводит к изменению эффективного угла атаки для каждой поверхности. Влияние крыла на хвостовое оперение значительно сильнее обратного влияния и может быть смоделировано с использованием теории линии подъемной силы Прандтля; однако, для точной оценки взаимодействия между несколькими поверхностями требуются компьютерные расчеты или испытания в аэродинамической трубе.

Обычный хвостовой самолет

В обычной конфигурации горизонтальный стабилизатор представляет собой небольшой горизонтальный хвостовой оперение, расположенное в задней части самолета. Это наиболее распространенная конфигурация. На многих самолетах хвостовое оперение состоит из неподвижной поверхности, оснащенной подвижной задней частью – рулем высоты. Для уменьшения усилий на органы управления пилотом могут использоваться триммеры. В качестве альтернативы, некоторые легкие самолеты, такие как Piper PA-24 Comanche и Piper PA-28 Cherokee, имеют цельноповоротный стабилизатор, известный как стабилизатор, без отдельного руля высоты. Стабилизаторы также применяются на многих сверхзвуковых самолетах, где отдельный руль высоты создавал бы неприемлемое сопротивление. Большинство авиалайнеров и транспортных самолетов оснащены большим, медленно движущимся регулируемым хвостовым оперением, которое сочетается с независимо управляемыми рулями высоты. Рули высоты управляются пилотом или автопилотом и служат главным образом для изменения тангажа самолета, в то время как все оперение используется для триммирования (поддержания горизонтального статического равновесия) и стабилизации самолета по углу тангажа. В Boeing 737 система регулировки стабилизатора приводится в действие электрическим винтовым механизмом. Вариантами обычной конфигурации являются Т-образное хвостовое оперение, крестообразное хвостовое оперение, двухкилевое хвостовое оперение и хвостовое оперение, установленное на двух балках.

Трехповерхностные воздушные суда

В самолетах с тремя несущими поверхностями, таких как Piaggio P.180 Avanti или Scaled Composites Triumph и Catbird, хвостовое оперение является стабилизатором, как и в традиционных самолетах; переднее оперение, называемое предкрылком или канaрдом, создает подъемную силу и служит балансировочной поверхностью. Некоторые из первых самолетов с тремя несущими поверхностями, такие как Curtiss AEA June Bug или биплан Voisin 1907, имели традиционную схему с дополнительной поверхностью управления тангажом в передней части, которая называлась "руль высоты" или иногда "стабилизатор". Поскольку эти самолеты не имели рулей высоты на хвостовом оперении, их хвостовые крылья нельзя назвать традиционными стабилизаторами. Например, Voisin имел тандемную схему (основное и хвостовое крылья) с предкрылком, который не обеспечивал ни стабилизации, ни основной подъемной силы; он назывался "эквилибре" ("балансир") и использовался для управления тангажом и триммирования.

Самолеты без хвоста

Самолеты без хвостового оперения не имеют отдельного горизонтального стабилизатора. В самолете без хвостового оперения горизонтальная стабилизирующая поверхность является частью основного крыла. Продольная устойчивость в бесхвостых самолетах достигается за счет проектирования самолета таким образом, чтобы его аэродинамический центр располагался позади центра тяжести. Обычно это достигается путем изменения конструкции крыла, например, путем изменения угла установки по размаху крыла (вымывание или скручивание крыла), или использованием профилей с рефлексным изгибом.

Вертикальные стабилизаторы

Вертикальный стабилизатор обеспечивает курсовую (или рыскающую) устойчивость и обычно состоит из неподвижного киля и подвижного руля направления, закрепленного на его задней кромке. В редких случаях отсутствует шарнир, и вся поверхность киля поворачивается для обеспечения как устойчивости, так и управления. Когда самолет подвергается воздействию горизонтального порыва ветра, курсовая устойчивость заставляет самолет поворачиваться навстречу ветру, а не в том же направлении. Геометрия фюзеляжа, мотогондолы двигателей и вращающиеся воздушные винты влияют на боковую статическую устойчивость и определяют необходимый размер стабилизатора. Не все самолеты оснащены вертикальным стабилизатором. Вместо этого стреловидность и V-образность крыла могут обеспечить аналогичную степень курсовой устойчивости, а управление рысканием часто осуществляется путем создания сопротивления на стороне, в сторону которой необходимо повернуть самолет, например, с помощью спойлеров или разделенных элеронов.

Кольцевая стабилизация и управление без хвоста

Хотя наиболее распространено использование вертикального стабилизатора, можно добиться направленной устойчивости и без отдельного вертикального стабилизатора. Это происходит, когда крыло имеет стреловидность, и в некоторых случаях, например, на крыле Рогалло, часто используемом в дельтапланах, это означает, что вертикальный стабилизатор не требуется. Стабилизация. При повороте крыла со стреловидностью уменьшается стреловидность внешней части крыла, что увеличивает сопротивление, в то время как стреловидность внутренней части увеличивается, уменьшая сопротивление. Это изменение распределения сопротивления создает восстанавливающий момент. Управление. Один из способов управления рысканием – использование дифференциального воздушного торможения для непосредственного воздействия на сопротивление. Эта техника хорошо подходит для систем электронного управления полетом, как, например, на самолете-крыле Northrop Grumman B-2.

Комбинированные продольные направленные стабилизаторы

На некоторых самолетах горизонтальные и вертикальные стабилизаторы объединены в пару поверхностей, называемых V-образным хвостовым оперением. В такой компоновке два стабилизатора (кили и рули направления) устанавливаются под углом 90–120° друг к другу, обеспечивая большую горизонтальную площадь проекции, чем вертикальную, как в большинстве традиционных хвостовых оперений. Подвижные органы управления в этом случае называются рулевыми поверхностями. Таким образом, V-образное хвостовое оперение выполняет функции как стабилизатора рыскания, так и стабилизатора тангажа. Хотя может показаться, что V-образная конфигурация хвостового оперения может привести к значительному уменьшению площади смоченной поверхности хвостового оперения, она сопровождается усложнением системы управления. Это часто приводит к увеличению общей площади, что снижает или нивелирует первоначальное преимущество. Легкий самолет Beechcraft Bonanza первоначально был разработан с V-образным хвостовым оперением. Существуют и другие комбинированные схемы. Беспилотный летательный аппарат General Atomics MQ-1 Predator имеет перевернутое V-образное хвостовое оперение. Хвостовое оперение Lockheed XFV можно описать как V-образное, с поверхностями, проходящими через фюзеляж на противоположную сторону. У LearAvia Lear Fan было Y-образное хвостовое оперение. Все схемы с двумя хвостовыми оперениями и двугранным углом обеспечат сочетание продольной и направленной стабилизации.