Серия «Разбираем самолет по винтикам»

Самолет изменяет траекторию движения с помощью отклонения органов управления:
- Для управления в канале Крена в основном используются Элероны. Но так же управлять самолетом в этом канале можно с помощью Интерцепторов и Флаперонов (Элерон и закрылок в одном флаконе).
- Управление в канале Тангажа осуществляется посредством Руля высоты.
- Управление в канале Рысканья происходит с помощью Руля направления.

Элерон

Схематично управление в канале Крена с помощью Элеронов выглядит так:

А так выглядит отклоненный вниз Элерон Airbus (правильно "Эйрбас") А-320:

Вот с другого ракурса, из салона самолета:

Инженеры стараются вынести Элероны как можно ближе к концу крыла и подальше от оси симметрии самолета, чтобы создать наибольший Момент силы (М=L*F, то-есть, сама сила, умноженная на расстояние от точки приложения силы до оси вращения) при меньшем отклонении и меньшей площади Элерона. Это позволяет снизить массу элерона: ведь при меньшей силе F (читай, меньшей нагрузке на Элерон), крепления Элерона к крылу будут легче и сам элерон меньше. А снижение массы - наиважнейшая задача инженеров в авиации. Ведь чем меньше масса конструкции, тем больше полезной нагрузки (груз, пассажиры и т.д.) можем взять на борт, а значит, увеличится выгода. Или же с меньшей массой мы потратим меньше топлива - вырастит экономичность - увеличится выгода.

Если кому-то нужна эта картинка без мазни и в хорошем качестве - вот она

Как мы видим, элероны отклоняются в разные стороны, чтобы силы F на каждом из них были противоположно направленны. Но откуда же вообще берется эта сила F при отклонении элерона? Оттуда же, откуда и подъемная сила (см. первую часть серии). Смотрим схему:

На схеме пунктирной линией показано распределение воздушной нагрузки (той самой "разности давлений сверху и снизу крыла" из первой части) по профилю крыла без отклоненного элерона, а сплошной - с отклоненным. То-есть, отклоняя элерон, мы сильно изменяем кривизну профиля крыла, от которой зависит подъемная сила. При отклонении элерона вниз (как на схеме) подъемная сила на этом участке крыла возрастает на величину силы F, а на отклоненном на противоположной половине крыла элероне вверх картина обратная - подъемная сила уменьшается на величину F. в итоге мы получаем разные значения подъемной силы на левой и правой половинах крыла. Разница между этими силами приводит систему к дисбалансу и самолет начинает крениться.

Получается интересная ситуация: чтобы накренить самолет, нужно создать разницу сил на левом и правом полукрыльях (их еще называют левой и правой консолями крыла. А крыло у самолета одно, если это не би-план или три-план, когда два или три крыла друг над другом). Но ведь разницу этих сил можно создать не только Элеронами!

Интерцептор

Интерцепторы - это поднятые вверх щитки на фото ниже:

У Интерцептора другой принцип работы. Для создания подъемной силы поток воздуха должен как-бы "облизывать" крыло, "обволакивать" его. А если мы в полете поднимем Интерцепторы, то поток сверху от крыла оторвется и подъемная сила на этом участке крыла упадет. Опять же появляется разница в величине подъемной силы на левом и правом полукрыльях: на левом подняли Интерцепторы - подъемная сила упала. А на правом не поднимали и там подъемная сила осталась прежней. Дисбаланс - самолет начинает крениться.

Но тут есть и огромный минус. Отрывая поток от крыла поднятием Интерцепторов, мы сильно увеличиваем сопротивление. Вот как это происходит:

За Интерцептором образуется завихрение с пониженным давлением, а перед ним, наоборот - набегающий поток создает зону повышенного давления. Разность этих давлений "тянет" самолет назад, как бы "засасывая". Поэтому Интерцепторы играют в основном вспомогательную функцию в плане управления в канале Крена на взлете и посадке.

Но вот при посадке, когда надо быстро затормозить, они очень важны. Во-первых, они создают сильное лобовое сопротивление. Во-вторых, они прижимают самолет к взлетно-посадочной полосе ( далее ВПП), что повышает эффективность тормозов, установленных на шасси. В-третьих, при поднятых Интерцепторах подъемная сила крыла сводится к минимуму, что исключает непреднамеренный отрыв от ВПП.

Флаперон

Флаперон действует по тому же принципу, что и элерон. Правда, отклонить мы его можем только вниз, ведь он еще играет и роль закрылка (о них позже, в посте про крыло. Довольно сложное устройство). Вот где он находится на крыле:

Опять же, отклоняя Флаперон, мы изменяем кривизну профиля крыла, что влияет на подъемную силу. Предположим, что мы отклонили Флаперон на левом полукрыле. Тогда там подъемная сила возрастет, а на правом - останется неизменной. Что, как мы уже выяснили, приведет к дисбалансу и накренит самолет вправо (левое полукрыло с отклоненным Флапероном пойдет вверх, а правое - вниз).

Вот видео, прекрасно демонстрирующее работу Флаперона и Интерцепторов на взлете (в начале немножко битое):

Руль высоты и Руль направления

Решено рассказать про два этих агрегата вместе, потому как принцип их работы один и тот же, что и у Элерона. Разница лишь в расположении на самолете.

По сути, это тоже отклоняемые поверхности: Руль высоты находится на Cтабилизаторе, а Руль направления - на Киле. При отклонении Руля высоты изменяется кривизна профиля Стабилизатора, а при отклонении Руля направления изменяется кривизна профиля Киля. Принцип работы руля высоты:

Принцип работы Руля направления:

Но у Руля направления есть подвох: при его отклонении самолет не только начинает вращаться в канале Рысканья, но и кренится. Дело в том, что руль направления находится выше оси вращения в канале Крена, а снизу его отклонение ничего не компенсирует. Вот и получается, что он создает момент сразу в двух каналах управления: Крена и Рысканья. Поэтому эго применяют в совокупности с органами управления в канале Крена, чтобы компенсировать этот момент.

Вот как выглядит Киль и отклоненный Руль направления на его задней кромке:

Работа Руля высоты и Руля направления при сильном порывистом ветре во время посадки во всей своей красе:

Как и Элероны, Руль направления и Руль высоты при отклонении создают Момент силы относительно оси вращения самолета, что приводит систему сил, действующих на самолет в дисбаланс и заставляет самолет вращаться или вокруг вертикальной оси (оси Рысканья), или вокруг оси, параллельной крылу (оси Тангажа):

А вот точка, в которой эти оси пересекаются - это Центр масс самолета. Его положение в течении полета постоянно меняется, как мы выяснили в первом посте серии.

Затронем систему управления

Давайте теперь разберемся, как пилот управляет всеми вышеописанными рулями (пока упрощенно).

Начнем с легкого: педали.

Кабина А320

При помощи педалей пилоты управляют Рулем направления в полете и поворотом самолета при рулежке (поворачивается передняя стойка шасси). При этом, педали не нажимаются, а двигаются вперед-назад.

За управление самолетом в канале Тангажа и канале Крена отвечают Сайдстики (находятся по левую и правую сторону от пилотов в кабине). Они пришли на замену штурвалам. При отклонении Сайдстика вперед-назад отклоняется Руль высоты, а при отклонении влево-вправо - Элероны. Красная кнопка (название - TAKE OVER) на Сайдстике в кабине А320 отвечает за приоритет управления. То-есть, нажав ее, пилот берет приоритет управления на себя, а сигналы, посылаемые с другого Сайдстика перестают учитываться. Сам Сайдстик:

Прекрасное видео про конструкцию Сайдстика:

Перед пилотами есть по световому табло SIDE STICK PRIORITY. Если командир нажал кнопку TAKE OVER, то перед ним загорится зеленое табло «CAPT», напоминающее, что управление у него. А на табло у второго пилота загорится красная стрелка, указывающая влево – на командира – на того, кто управляет. Если же второй пилот нажмет TAKE OVER, то перед ним на табло загорится зеленое F/O, а у командира – красная стрелка. Табло:

Управление от Сайдстика к Сайдстику передается тому, кто нажал TAKE OVER последним.

Если кнопку TAKE OVER держать нажатой более 40 секунд, то управление от соседнего сайдстика отключится совсем. Но лишь до тех пор, пока пораженный в правах пилот не нажмет на кнопку TAKE OVER и не выдержит ее свои 40 секунд – тогда способность к управлению восстановится.

Так же на Сайдстике есть кнопка в виде спускового крючка – RADIO – включает микрофон для голосовой передачи.

TechnoHubble: интересное из мира техники каждый день.

______________________________________________________________________________

К сожалению, не было времени подготовить ответы на вопросы из предыдущего поста, но это обязательно будет сделано! Возможно, для этого будет выпущен отдельный пост, так как материала в ответах, видимо, будет немало. Задавайте свои вопросы;)

Посты из этой серии будут выходить по понедельникам, утром.

Ну а на сегодня на этом все. Спасибо за внимание:)

Как упоминалось в постах ранее, была идея создать серию постов, в которой простым и доступным языком была бы разобрана конструкция самолета на примере обычного гражданского среднемагистрального лайнера (то, на чем мы с вами все летаем по нашей необъятной).

Но давайте сначала разберемся, как вообще эта многотонная махина не падает? Он ведь весит 200, а то и 300 тонн! (самый большой - АН-225 - невероятные 640!!! тонн мог вытянуть, танк около 40т весит примерно для сравнения)

Не падает самолет за счет возникновения подъемной силы. Откуда она? Все очень просто: из-за специфического профиля крыла.

Поток воздуха вынужден обтекать крыло сверху и снизу. Из-за того, что сверху ему нужно пройти более длинный путь (красный), он течет там быстрее, а снизу - медленнее. По закону Бернулли (кому интересно подробней - вот древний пост), чем быстрее течет поток, тем меньше в нем давление. Вот и получается, что давление над крылом значительно ниже, чем под ним. Обычно подъемную силу считают равной весу самолета, когда он летит не набирая и не теряя высоты. Конечно же, инженеры придумали множество способов управления подъемной силой. Их можно описать так: это или увеличение "верхнего" пути относительно нижнего (из крыла сзади выдвигаются закрылки), или вообще нарушение течения потока по крылу (например, спойлерами, ниже на фото).

Сзади есть еще одно "маленькое крылышко" и оно тоже имеет такой же профиль, как могли бы многие сказать. Это "крылышко" называется стабилизатором:

И таки да, эти люди были бы правы, профиль стабилизатора и профиль крыла очень похожи. Только стабилизатор в обычном спокойном полете создает силу, направленную вниз, в отличии от подъемной, которая направленна вверх. И вот почему:

На рисунке Y - подъемная сила, G - вес самолета, Р - сила тяги двигателей, Q - сила сопротивления воздуха и, наконец, Ys - "сила стабилизатора".

По сути, вес стремится опрокинуть самолет вперед, но сила, возникающая на стабилизаторе, не дает ему это сделать. Этой силой можно управлять. Сзади на стабилизаторе имеются отклоняемые поверхности. Они называются рулем высоты. Потому что отклоняя их, мы можем изменять высоту полета. То-есть, изменяем силу на стабилизаторе и позволяем самолету наклониться вперед (лететь вниз) или задрать нос (лететь вверх).

Но когда руль высоты не отклонен, в системе сил "вес-подъемная сила-сила стабилизатора" получается равновесие. Процесс достижения этого равновесия называется балансировкой самолета. И вот тут мы уже подходим к техническому моменту.

Представьте, что в хвосте самолета летят пассажиры вообще без ручной клади. А впереди наоборот, у каждого по 10кг.Разница в сотни килограмм! И тут стабилизатор оказывается не так прост, как можно было бы подумать. Ведь он не закреплен жестко, в отличии от крыла. Его можно передвинуть. Смотрите сами:

В авиации принято, что средний вес мужчины и его ручной клади составляет 88 кг, женщины — 70 кг, ребенка до 12 лет — 35 кг. Поэтому в аэропорту вас не просят взвешиваться. А вот вашу ручную кладь просят "поставить на ленту". Все эти данные учитываются и самолет балансируют. Но ведь в полете люди постоянно ходят по салону: очередь у туалета, бортпроводник с тяжелой тележкой - центр масс смещается. За этим уже следит автоматика. Она корректирует конфигурацию самолета таким образом, чтобы он мог продолжать спокойный прямой полет (его еще называют установившемся).

Можете задать ваши вопросы, в конце следующего поста будут ответы. Он, кстати, будет про управление самолетом и про систему управления. Спасибо за внимание:)

Предыдущая серия про самые тонкие наручные часы тут. Для ЛЛ - (0,98мм, музейный экспонат, носить нельзя, гнутся, 1978 год выпуска)

TechnoHubble: интересное из мира техники каждый день.