Внешние формы оперения

Рис. 8.1. Схемы оперения

Различают четыре схемы оперения:

1) с центральным вертикальным оперением (рис. 8.1, а);

2) с разнесенным вертикальным оперением, закрепленным на фюзеляже (рис. 8.1, б);

3) с разнесенным вертикальным оперением, закрепленным на концах горизонтального оперения (рис. 8.1, в);

4) V-образное оперение (рис. 8.1, г).

Оперение, выполненное по первым трем схемам, состоит из горизонтального и вертикального оперений. У большинства самолетов горизонтальное оперение, в свою очередь, состоит из стабилизатора и руля высоты, а вертикальное – из киля и руля направления.

Две несущие поверхности V-образного оперения, расположенные наклонно по бокам фюзеляжа, состоят из неподвижной части – стабилизатора и подвижной части – руля. Отклонение обоих рулей в одну сторону аналогично действию руля высоты, а отклонение в разные стороны аналогично действию руля направления.

Наиболее широко применяется схема с центральным вертикальным оперением, имеющая очевидные конструктивные преимущества.

При большой площади вертикального оперения его на некоторых самолетах делают разнесенным, закрепляя обе части на фюзеляже. В этом случае из-за уменьшения плеча силы, действующей на вертикальное оперение, уменьшается крутящий момент фюзеляжа.

Разнесенное вертикальное оперение в виде двух шайб, укрепленных на концах горизонтального оперения, конструктивно сложнее центрального вертикального оперения. Но у него есть и преимущества: улучшение заднего обзора, повышение эффективности горизонтального оперения вследствие наличия концевых шайб, уменьшение крутящего момента фюзеляжа. Применение этой схемы на многомоторных самолетах с расположением шайб в струе от винтов позволяет повысить и эффективность вертикального оперения. Разнесенное вертикальное оперение применяется на двухбалочных самолетах.

Встречаются самолеты и с тремя плоскостями вертикального оперения.

Преимуществом V-образного оперения является возможность выноса оперения из аэродинамической тени крыла и из струи выхлопных газов двигателей. К недостаткам этой схемы относятся сложность кинематики управления рулями и появление больших закручивающих фюзеляж моментов при отклонении рулей в разные стороны, снижение эффективности рулей при совместном действии ручного и ножного управления.

Форма в плане горизонтального оперения аналогична форме крыла. Наибольшее распространение имеет трапециевидная форма горизонтального оперения. На двухбалочных самолетах применяется прямоугольное в плане горизонтальное оперение. На скоростных самолетах устанавливается стреловидное и треугольное оперение.

Параметрами, характеризующими форму горизонтального оперения в плане, как и у крыла, являются площадь, удлинение, сужение и угол стреловидности.

Площадь горизонтального оперения зависит от площади крыла S, средней аэродинамической хорды bA и плеча горизонтального оперения Lг.о, представляющего собой расстояние от центра масс самолета до центра давления горизонтального оперения по прямой, параллельной оси фюзеляжа. Обычно принимают, что центр давления находится на 25% bс.г.х – средней геометрической хорды горизонтального оперения у дозвуковых
и на 50% – у сверхзвуковых самолетов (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Расчетная схема при выборе площади горизонтального оперения

Площадь горизонтального оперения выбирается по величине коэффициента статического момента

где Sг.о и Lг.о – площадь горизонтального оперения и его плечо; S и bA – площадь крыла и его средняя аэродинамическая хорда.

Для современных самолетов Аг.о = 0, 35...0, 55. Меньшие значения Аг.о соответствуют легким маневренным самолетам, а большие – тяжелым неманевренным. У некоторых транспортных самолетов с большим разбегом центровок Аг.о = 0, 7...0, 8 и может даже доходить до 0, 9...1.

Для самолетов с прямыми крыльями и для тяжелых неманевренных самолетов со стреловидными крыльями Lг.о = (2...3, 5)bA, а для сверхзвуковых маневренных самолетов с треугольными и стреловидными крыльями малого удлинения Lг.о = (1, 2...1, 5) bA.

Площадь рулей высоты обычно находится в пределах Sр.в = (0, 3...0, 4)Sг.о.

Удлинение влияет на характеристики горизонтального оперения точно так же, как и на характеристики крыла. При выборе удлинения следует также учитывать, что его увеличение приводит к увеличению эффективности горизонтального оперения из-за уменьшения площади, находящейся в заторможенном фюзеляжем потоке, и увеличения Кроме того, с увеличением lг.о уменьшается шарнирный момент руля высоты, что ведет к уменьшению потребной площади аэродинамической компенсации.

Влияние сужения на характеристики горизонтального оперения такое же, как и у крыла. Дополнительно при выборе сужения следует учитывать, что его увеличение приводит к некоторому снижению эффективности горизонтального оперения из-за увеличения площади, находящейся в заторможенном фюзеляжем потоке. Для большинства современных самолетов hг.о = 2...3.

У скоростных самолетов со стреловидными и треугольными крыльями горизонтальное оперение делается также стреловидным или треугольным. Угол стреловидности берется таким же, как у крыла, или на несколько градусов больше. Этим обеспечивается более позднее, чем на крыле, возникновение волнового кризиса, что приводит к меньшему нарушению устойчивости и управляемости при полете на больших скоростях.

На горизонтальном оперении обычно применяются симметричные профили, что обеспечивает меньшее сопротивление, более высокое критическое число М и меньшую величину шарнирного момента рулей высоты. На тяжелых самолетах иногда горизонтальное оперение имеет несимметричный профиль, который устанавливается вогнутостью вниз.
В этом случае потребная для горизонтального полета направленная вниз балансировочная сила получается при очень малом угле атаки, что обеспечивает снижение сопротивления. Относительная толщина профиля горизонтального оперения равна или чаще всего меньше относительной толщины профиля крыла.

Угол поперечного V горизонтального оперения, как правило, равен нулю. И лишь в случае необходимости выноса горизонтального оперения из струи расположенных впереди двигателей или из зоны затенения крылом и различными надстройками ему может придаваться угол поперечного V. Обычно этот угол не превышает ±10°.

Вертикальное оперение при виде сбоку имеет обычно трапециевидную форму. Эллиптическая и близкая к ней формы могут применяться для разнесенного вертикального оперения. На скоростных самолетах устанавливается стреловидное вертикальное оперение.

Площадь вертикального оперения выбирается по величине коэффициента статического момента

где Sв.о – площадь вертикального оперения; Lв.о – плечо вертикального оперения, представляющее собой расстояние по прямой, параллельной оси фюзеляжа от центра масс самолета до центра давления вертикального оперения, т.е. до точки, лежащей на 25% bс.г.х – средней геометрической хорды вертикального оперения у дозвуковых и на 50% – у сверхзвуковых самолетов (рис. 8.3); S и – площадь и размах крыла.

Рис. 8.3. Расчетная схема при выборе площади вертикального оперения

Для самолетов с прямым крылом Ав.о = 0, 04...0, 055, для скоростных самолетов со стреловидным и треугольным крылом Ав.о = 0, 06...0, 14, при этом Lв.о ≈ Lг.о.

Площадь руля направления обычно находится в пределах Sр.н = (0, 35...0, 46) Sв.о.

Удлинение вертикального оперения обычно меньше удлинения горизонтального оперения. Уменьшение удлинения, хотя и вызывает некоторое снижение эффективности вертикального оперения из-за увеличения площади, находящейся в заторможенном фюзеляжном потоке, позволяет уменьшить крутящий момент фюзеляжа и максимальный изгибающий момент оперения, что выгодно в весовом отношении. У современных самолетов lв.о = 0, 8...2.

При выборе сужения вертикального оперения учитываются те же факторы, что и при выборе сужения крыла и горизонтального оперения. Сужение вертикального оперения современных самолетов обычно находится пределах hв.о = 2...3.

У вертикального оперения, на конце которого располагается горизонтальное оперение (так называемое Т-образное оперение), hв.о = 1...1, 5. Уменьшение сужения в этом случае диктуется стремлением увеличить строительную высоту концевого сечения киля, чтобы упростить размещение узлов крепления горизонтального оперения.

По тем же причинам, что и для горизонтального оперения, угол стреловидности вертикального оперения берется равным или на несколько градусов большим угла стреловидности крыла.

Целесообразно увеличивать угол стреловидности вертикального оперения, если на нем размещается горизонтальное оперение. В этом случае увеличение cв.о позволяет получить требуемые значения Lг.о и Lв.о при меньшей длине хвостовой части фюзеляжа, что выгодно в весовом отношении. Кроме того, при креплении внутри фюзеляжа двигателя это выгодно и из-за возможности укоротить выхлопную трубу.

Профиль вертикального оперения симметричный, относительная его толщина, как правило, меньше относительной толщины крыла, что обеспечивает получение меньшего сопротивления и более высокого критического числа М.

У разнесенного вертикального оперения, когда плоскости его располагаются в струе от винтов, профиль может быть и несимметричным, обращенным вогнутостью к плоскости симметрии самолета. В этом случае при полете с одним неработающим двигателем будет меньший момент разворота.