Сверхзвуковые самолеты - Эдмунд Цихош

Дополнительные нарушения работы элеронов (помимо влияния сжимаемости воздуха) вызывает стреловидность передней кромки крыла. Отрыв пограничного слоя в средней и концевой частях стреловидного крыла приводит к снижению эффективности находящегося там элерона, в связи с чем нередко последние располагают вблизи фюзеляжа. Прифюзеляжными элеронами оснащены, в частности, самолеты F-100 и F-8. Дополнительное достоинство таких элеронов-меньшая подверженность явлению реверса, а недостаток-уменьшение плеча действия силы, т. е. управляющего момента. Для компенсации уменьшения плеча таких элеронов приходится увеличивать их площадь.

В самолетах do стреловидным крылом элероны дополняются либо зачастую заменяются интерцепторами, размещаемыми на верхней поверхности крыла перед элеронами или вблизи задней кромки. Выдвижение интерцептора нарушает обтекание крыла, вызывая уменьшение подъемной силы и увеличение сопротивления. В результате самолет накреняется в сторону того крыла, на котором выдвинут интерцептор.

Как уже упоминалось, интерцепторами оснащено 16 самолетов, причем только в двух из них (YF-107A и Т-2) для поперечного управления оказалось достаточно одних лишь интерцепторов. Поскольку для интерцепторов характерно некоторое запаздывание действия, в других самолетах используется их комбинация с дифференциальным управляемым стабилизатором или с элеронами. Первая комбинация реализована только в двух самолетах постоянной геометрии (А-5 и «Ягуар»); чаще всего применяется она в самолетах изменяемой геометрии, которые обычно не имеют элеронов, так как весь размах крыла отводится под механизацию для повышения эффективности крыла при малых углах стреловидности. В этом случае (обычно при малой или умеренной стреловидности крыла) интерцепторы работают совместно с дифференциальным управляемым стабилизатором, выполняющим функции как руля высоты, так и элеронов. В самолетах же постоянной геометрии интерцепторы обычно используются при больших скоростях полета, а элероны в это время блокируются в нейтральном положении.

Интересным примером такого взаимодействия могут служить интерцепторы в самолете МиГ-19, размещенные на нижней поверхности крыла. Они выполнены в виде уголковой конструкции, подвешенной на двух кронштейнах и выдвигаемой из крыла. Интерцептор выдвигается на толщину пограничного слоя только на той консоли, где элерон отклоняется книзу. Это вызывает торможение потока и увеличение подъемной силы, повышая тем самым эффективность управления.

Эффективность действия элеронов на треугольном крыле достаточно высока. Благодаря большому углу стреловидности, малому удлинению и тонкому профилю волновой кризис возникает здесь при больших скоростях и проявляется в смягченной форме, из-за чего самолету почти не угрожает аэродинамическая блокировка элеронов. Кроме того, малое удлинение предотвращает срыв потока на концах крыла при больших углах атаки. Перемещение центра давления для треугольного крыла при переходе через скорость звука относительно мало. Это положительно влияет на устойчивость, и поэтому в таких самолетах часто обходятся без горизонтального оперения, монтируя руль высоты на задней кромке крыла (схема «бесхвостка»).

Поскольку задняя кромка в треугольном крыле обычно весьма коротка, то чаще всего функции элерона и руля высоты объединяются в одной управляющей плоскости, называемой элевоном. Таким образом, элевон служит как для продольного, так и для поперечного управления. При движении ручки управления вперед или назад оба элевона отклоняются соответственно вниз или вверх, действуя, таким образом, как руль высоты. Движение ручки управления в стороны вызывает дифференциальные отклонения, т. е. левый элевон отклоняется вверх, а правый-вниз, либо наоборот, т. е. элевоны работают как обычные элероны. Аналогичным образом работают также зависающие элероны (закрылки-элероны, флапероны), используемые как для поперечного управления, так и для улучшения несущих характеристик самолета, улучшения маневренности и уменьшения скорости взлета и посадки. Поперечное управление с помощью зависающих элеронов и интерцепторов используется на самолете F-16. Поперечное управление может осуществляться также посредством одного управляемого дифференциального стабилизатора («Тридан» II, Х-15A, TSR.2).

Следует отметить, что на многих современных самолетах со стреловидными или треугольными крыльями поперечная управляемость улучшается в результате установки крыла с отрицательным углом поперечного У. Однако существенного улучшения динамических характеристик сверхзвуковых самолетов при поперечном маневре получить посредством значительного увеличения отрицательного угла поперечного V не удается, так как это приводит либо к поперечной неустойчивости при больших скоростях полета, либо к возможности повреждения концов крыла о землю при взлете или посадке. С учетом этого в самолете TSR.2 применен отгиб концов крыла книзу (что позволяет схема высоко- плана с треугольным крылом малого размаха), а в самолете F-4-кверху. Поскольку в последнем случае устойчивость самолета оказалась слишком большой, горизонтальное оперение установлено с большим отрицательным углом поперечного V. При этом расстояние от концов крыла (или оперения) до земли оказывается вполне достаточным. Благодаря такому подходу (при одновременном использовании закрылков со сдувом пограничного слоя) для самолета F-4 оказались возможными взлет и посадка с большими углами атаки.

Рис. 1.33. Элементы аэродинамической системы управления самолета Х-15.

1 -управляемый дифференциальный стабилизатор; 2-поворотная часть киля; 3-отъемная нижняя часть подфюзеляжного киля; 4-тормозные щитки; 5-закрылки; 6-реактивные сопла поперечного управления; 7-реактивные сопла продольного управления; 8-реактивные сопла управления рысканием; 9-баллон сжатого воздуха; /0- рьгчаг подсистемы реактивного управления.

Ввиду необходимости применения вертикального оперения с тонкими профилями и большими углами стреловидности, а также из-за его аэродинамического затенения длинным фюзеляжем и крылом малого удлинения путевая устойчивость самолета существенно снижается при малых скоростях полета. Уменьшается она также и при больших сверхзвуковых скоростях по причине снижения эффективности вертикального оперения (из-за изменения распределения давления на профиле), а также вследствие дополнительного затенения, возникающего при полетах на больших высотах, выполняемых с большими углами атаки.

Устранение этих недостатков возможно посредством увеличения либо поверхности оперения, либо расстояния между центром давления вертикального оперения и центром тяжести самолета. Поскольку это ведет к увеличению массы конструкции и сопротивления трения, для повышения путевой устойчивости часто используют дополнительное вертикальное оперение под фюзеляжем (где оно находится в невозмущенном потоке). Такой подфюзеляжный киль установлен на экспериментальном ракетном самолете Х-15 (в обычных самолетах такой подфюзеляжный киль не отвечает требованиям эксплуатации-его надо убирать перед приземлением, а взлет возможен только при малых углах атаки). Поэтому для повышения устойчивости на серийных сверхзвуковых самолетах применяется либо двухкилевое оперение (например, в Е-266, SR-71, ХВ-70А), либо одноки- левое с подфюзеляжными небольшими (по высоте) килями или аэродинамическими направляющими. Эти поверхности имеют форму и размеры, не затрудняющие взлет и посадку. Они ограничивают поперечное перетекание потока на фюзеляже при полете со скольжением, благодаря чему в создание демпфирующего поперечного момента включается значительно большая поверхность хвостовой части фюзеляжа.

Такой способ увеличения путевой устойчивости наиболее рационален, поэтому он и нашел исключительно широкое применение; распространены одинарные, сдвоенные и даже строенные направляющие и кили (YF-12A), главным образом стационарной конструкции, и только в четырех случаях использованы подвижные конструкции. Одинарные кили последнего типа выполняются либо складывающимися в стороны (F-11), либо втягиваемыми в фюзеляж (YF-12A) на время взлета и посадки для увеличения угла атаки при низком шасси. Сдвоенные подвижные направляющие отклоняются в стороны (F8U-3) так, чтобы обеспечивалось их положение, близкое к вертикальному в сверхзвуковом полете и близкое к горизонтальному после выпускания закрылков.

Рис. 1.34. «Фантом» II F-4.

Другой способ увеличения путевой устойчивости состоит в использовании управляемого стабилизатора с отрицательным поперечным V. В этом случае стабилизатор выполняет двоякую роль: собственно горизонтального оперения, обеспечивающего необходимую продольную устойчивость и управляемость, и аэродинамических направляющих, увеличивающих путевую устойчивость. Оперение такого типа применено, к примеру, на самолете «Тридан» II (угол поперечного V – 20°), а также на «Фантоме» II F-4 (-23°). Подобную же роль выполняют подвижные (опускаемые) либо отогнутые книзу концы крыла. В самолете ХВ-70 использован первый способ, а в TSR.2-второй.