Горизонтальное хвостовое оперение.

Теперь о горизонтальном хвостовом оперении. Оно также имеет две основные функции, первую можно охарактеризовать как балансировочную. Для того чтобы понять что тут к чему, можно провести простой эксперимент. Необходимо взять какой-либо длинный предмет, например линейку и положить ее на один вытянутый палец так, чтобы она не падала и не клонилась ни назад, ни вперед, т.е. найти ее центр тяжести. Итак, теперь у линейки (фюзеляжа) есть крыло (палец), уравновесить ее вроде не сложно. Ну а теперь необходимо представить, что в линейку закачиваются тонны топлива, садятся сотни пассажиров, загружается огромное количество груза.

Естественно, все это загрузить идеально относительно центра тяжести просто невозможно, однако есть выход. Необходимо прибегнуть к помощи пальца второй руки и поместить его сверху от условно задней части линейки, после чего сдвинуть «передний» палец к заднему. В итоге получилась относительно устойчивая конструкция. Можно еще сделать по другому: поместить «задний» палец под линейку и сдвинуть «передний» вперед, в сторону носовой части. Оба этих примера показывают принцип действия горизонтального хвостового оперения.

Более распространен именно первый тип, когда горизонтальные стабилизаторы создают силу, противоположную по направлению к подъемной силе крыльев. Ну и вторая их функция – управление по оси тангажа. Здесь все абсолютно также как и с вертикальным оперением. В наличии отклоняемая задняя кромка профиля, которая управляется из кокпита и увеличивает либо уменьшает силу, которую создает горизонтальный стабилизатор благодаря своему аэродинамическому профилю. Здесь следует сделать оговорку, относительно отклоняемой задней кромки, ведь некоторые самолеты, особенно боевые, имеют полностью отклоняемые плоскости, а не только их части, это касается и вертикального оперения, однако принцип работы и функции от этого не меняются.

Виды горизонтальных хвостовых оперений

А теперь о том, почему конструкторы отходят от классической схемы. Сейчас самолетов огромное количество и их предназначение вместе с характеристиками очень сильно отличается. И, по сути, здесь необходимо разбирать конкретный класс самолетов и даже конкретный самолет в отдельности, но чтобы понять основные принципы будет достаточно нескольких примеров.

Первый - уже упоминаемый Ан-225, имеет двойное вынесенное вертикальное оперение по той причине, что он может нести на себе такую объемную вещь как челнок Буран, который в полете затенял бы в аэродинамическом плане единственный вертикальный стабилизатор, расположенный по центру, и эффективность его была бы чрезвычайно низкой. Т-образное оперение Ту-154 также имеет свои преимущества. Поскольку оно находится даже за задней точкой фюзеляжа, по причине стреловидности вертикального стабилизатора, плечо силы там самое большое (здесь можно опять прибегнуть к линейке и двум пальцам разных рук, чем ближе задний палец к переднему, тем большое усилие на него необходимо), потому его можно сделать меньшим и не таким мощным, как при классической схеме. Однако теперь все нагрузки, направленные по оси тангажа передаются не на фюзеляж, а на вертикальный стабилизатор, из-за чего тот необходимо серьезно укреплять, а значит и утяжелять.

Кроме того, еще и дополнительно тянуть трубопроводы гидравлической системы управления, что еще больше прибавляет вес. Да и в целом такая конструкция более сложная, а значит менее безопасная. Что же касается истребителей, почему они используют полностью отклоняемые плоскости и парные вертикальные стабилизаторы, то основная причина - увеличение эффективности. Ведь понятно, что лишней маневренности у истребителя быть не может

Т-образное оперение самолета содержит киль, на верхней части которого закреплен поворотный стабилизатор, снабженный приводом и шарнирными узлами крепления, состоящими из пары вилок, каждая из которых включает в себя внешнюю и внутреннюю проушины на лонжероне стабилизатора и проушину киля, в отверстиях которых на подшипниках смонтировано соединительное устройство. Каждая из проушин киля состоит из двух частей и в ней установлен стакан с шаровым подшипником. Каждая внешняя и внутренняя проушины вилки стабилизатора соединены с проушинами киля полым болтом, внутри которого размещен дублирующий болт, стянутый гайкой, поверх которого установлена гайка со стопором для фиксации положения проушин киля относительно вилки. Концы упомянутых полых болтов расположены между вилками с торцевым зазором и соединены между собой охватывающей их промежуточной втулкой, на внешней стороне которой установлена качалка управления рулями стабилизатора, зафиксированная стопорным кольцом с болтом. Изобретение направлено на повышение живучести самолета. 6 ил.

Известны самолеты с Т-образным хвостовым оперением, у которого поворотный стабилизатор закреплен на задних шарнирных соединениях с общей осью вращения, состоящей из проушин, вилок и соединяющих их болтов, и имеющий переднее шарнирное соединение, связанное с каркасом самолета механизмом управления стабилизатора (см. Руководство по эксплуатации самолета ТУ-154М, раздел 055.50.00, стр.3/4, рис.1, февраль 22/85).

Однако известное устройство обладает целым рядом недостатков.

Отсутствует дублирование жизненно важных элементов, т.е. тех элементов, разрушение которых приводит к катастрофе самолета. Такими элементами являются задние шарнирные соединения установки поворотного стабилизатора на киль самолета. Безопасность полета обеспечивается за счет очень малых расчетных напряжений в элементах шарнирных узлов, что приводит к дополнительному весу конструкции, т. к. приходится увеличивать габариты (толщину) проушин, габариты обтекателей, прикрывающих эти проушины, а значит и увеличению аэродинамического сопротивления.

Задачей настоящего изобретения является увеличение живучести самолета путем повышения надежности конструкции Т-образного хвостового оперения.

Решение технической задачи обеспечивается тем, что конструкция подвижного крепления стабилизатора на киле имеет дублирующие жизненноважные элементы.

Хвостовое оперение самолета имеет поворотный стабилизатор 1, закрепленный на киле 2 на двух шарнирных узлах крепления с соединительным устройством, каждый из которых состоит из вилки (см. фиг.2), содержащей внешнюю проушину 3 и внутреннюю проушину 4, которые выполнены на лонжероне 5 стабилизатора 1, и проушины 6 киля 2. В проушине 6 установлен стакан 7, закрепленный гайкой 8, в котором размещен шаровый подшипник 9, зафиксированный гайкой 10. Проушины 3, 4 вилки соединяются с проушиной 6 болтом 11, внутри которого расположен дублирующий болт 12, затянутый гайкой 13. Пакет деталей 9, 14 через болт 11 стянут гайкой 15, имеющей внешнюю левую резьбу. На гайку 15 наворачивается гайка 16, фиксирующая положение проушины 6 относительно вилки киля. Гайка 16 стопорится шайбой 17. Концы болтов 11 соединены втулкой 18 с бронзовым вкладышем. На втулке 18 с внешней стороны установлена качалка 19 управления рулями стабилизатора, которая фиксируется на ней кольцом 20 через болт 21, одновременно соединяющим втулку 18 с болтом 11.

Работа осуществляется следующим образом.

В случае разрушения в соединительном устройстве болта 11, нагрузку воспринимает болт 12. Проушина 6 киля 2 состоит из двух частей равной толщины и, в случае разрушения одной из половин, нагрузку воспринимает вторая половина проушины.

При разрушении одной из четырех проушин 3, 4 вилок стабилизатора аэродинамическая нагрузка от него передается на проушины 6 киля 2 через изгиб полых болтов 11, соединенных между собой втулкой 18, берущей изгибающий момент и перерезывающую силу в месте стыка болтов. При разрушении внешней проушины 3 вилки стабилизатора полые болты 11 с втулкой 18 работают как консольная балка, опертая на соседнее шарнирное соединение и внутреннюю проушину 4 вилки. При разрушении внутренней проушины 4 болты с втулкой 18 работают как двухопорная балка, опирающаяся на внешнюю проушину 3 вилки стабилизатора и соседнее шарнирное соединение.

Выполнение соединения обеих вилок стабилизатора не единым стыковочным болтом, а двумя отдельными болтами 11, соединенными между собой промежуточной втулкой 18, охватывающей эти болты и имеющей бронзовый вкладыш, вызвано тем, что при изгибе стабилизатора под действием аэродинамической нагрузки точка (R) (см. фиг.2), расположенная на оси полых болтов 11, стремится переместиться на величину (). Единый стыковочный болт препятствует такому осевому перемещению, вызывая паразитный изгиб проушин 3, 4 в сечении (А-А). Для устранения паразитных сил установлено два отдельных болта 11, соединенных между собой охватывающей их втулкой 18. Конец одного из болтов 11 соединен со втулкой 18 болтом 21 и составляет с ней единое соединение, тогда как конец другого болта 11 входит во втулку 18 и перемещается внутри нее на величину () по бронзовому вкладышу со смазкой. Между торцами болтов 11 должен быть технологический зазор (L), равный (> L=2+1 мм).

Использование изобретения позволит обеспечить повышение надежности и снижение аварий и катастроф путем увеличения безопасности полетов самолетов с Т-образным хвостовым оперением за счет дублирования жизненноважных элементов конструкции крепления стабилизатора на киле.

Формула изобретения

Хвостовое оперение самолета, содержащее киль, на верхней части которого закреплен поворотный стабилизатор, снабженный шарнирными узлами крепления с соединительным устройством на подшипниках, состоящими из пары вилок, каждая из которых включает в себя внешнюю и внутреннюю проушины на лонжероне стабилизатора и проушину киля, отличающееся тем, что соединительное устройство установлено в обеих вилках стабилизатора и проушинах киля, при этом каждая из проушин киля состоит из двух частей и в ней установлен стакан с шаровым подшипником, а каждая внешняя и внутренняя проушины вилки стабилизатора соединены с проушинами киля полым болтом, внутри которого размещен дублирующий болт, стянутый гайкой, поверх которого установлена гайка со стопором для фиксации положения проушин киля относительно вилки, при этом концы упомянутых полых болтов расположены между вилками с торцевым зазором и соединены между собой охватывающей их промежуточной втулкой, на внешней стороне которой установлена качалка управления рулями стабилизатора, зафиксированная стопорным кольцом с болтом.

Конструкция хвостового оперения существенно зависит от общей схемы самолета. Из за особенностей размещения, эффективность оперения находится под влиянием крыла и воздушного винта. Установка оперения на фюзеляже или хвостовых балках определяет и конструктивную схему фюзеляжа (балок) в этом месте.
Примеры схем хвостового оперения, заимствованные из практики приведены на рис 4. Возможны и другие варианты хвостового оперения, которые здесь не рассматриваются (например схема V-образного оперения).

Рис 4 Основные схемы оперения

Наиболее распространенной является схема с одним килем и стабилизатором, установленным на фюзеляже или киле - (Рис 4 а, б, в). Она обеспечивает конструктивную простоту и жесткость, хотя в случае Т-образного хвостового оперения (Рис 4в) необходимо принимать меры, предотвращающие его флаттер.
Схема Т-образного оперения обладает и рядом приемуществ. Расположение горизонтального оперения в верхней части киля создает для последнего эффект концевой шайбы, что может способствовать уменьшению потребной площади вертикального оперения. С другой стороны высокорасположенное горизонтальное оперение находится в зоне небольшого скоса потока от крыла при средних (полетных) углах атаки, что позволяет уменьшить потребную площадь горизонтального оперения. Таким образом площадь Т-образного оперения может быть меньше площади оперения с низким расположением горизонтального оперения.
Необходимая площадь вертикального оперения в значительной мере определяется длиной и площадью боковой проекции части фюзеляжа, находящейся впереди центра тяжести самолета. Чем длиннее носовая част фюзеляжа, (и больше площадь ее боковой проекции) тем при прочих равных условиях больше площадь вертикального оперения, необходимая для устранения дестабилизирующего момента этой части фюзеляжа.
Если двигатели расположены на крыле, то полет с одним отказавшим двигателем является условием для выбора размеров киля и руля направления многодвигательного самолета.
Значительная высота вертикального оперения (в случае его потребной площади) может привести к появлению моментов по крену при отклонении руля направления в результате большого плеча между центром давления вертикального оперения и продольной осью самолета. Если такая опасность существует, заслуживает внимания разнесенная двухкилевая схема хвостового оперения, уменьшающая этот эффект (Рис 4д). Для двухбалочной (Рис 4г) или рамной схемы самолета выбор такого оперения очевиден. Поскольку расположение килей на концах горизонтального оперения создает эффект концевых шайб, то площадь горизонтального оперения может быть уменьшена.