Оперение и органы управления самолетом - исследования

Управляемость самолёта – степень реакции (степень реагирования) самолёта на соответствующие отклонения командных рычагов (и усилий на них) в процессе выполнения самолётом манёвра.

Под термином "управление" самолётом (летательным аппаратом) будем понимать систему механизмов, тяг (стержней), качалок (спец. деталей) и других устройств, которая даёт возможность пилотам или автоматам управлять рулями, различными устройствами и агрегатами самолёта.

Статическая устойчивость самолёта – способность самолёта без вмешательства пилота сохранять перегрузку исходного режима полёта. Продольная статическая устойчивость самолёта пропорциональна расстоянию между центром тяжести самолёта (ЦТ) и его фокусом ( F_с-та ).

Современный самолёт может иметь:
- аэродинамические управляющие поверхности (аэродинамические рули);
- струйные органы управления (струйные рули разной конструкции);
- газодинамические органы управления (управляющие двигатели, поворотные сопла, газовые рули, дефлекторы и другие);
- комбинированные органы управления.

Аэродинамические управляющие поверхности (аэродинамические рули) условно подразделяются на три группы:
- цельно-поворотные аэродинамические поверхности управления (цельно-поворотное оперение);
- концевые аэродинамические поверхности управления (концевые рули);
- аэродинамические поверхности управления, расположенные вдоль задней кромки крыла или стабилизатора.

Стабилизация (балансировка) самолёта – это уравновешивание моментов, действующих на самолёт в полёте относительно трёх связанных с ним координатных осей (0X, 0Y, 0Z), проходящих через его центр тяжести.
В большинстве случаев стабилизация самолёта в полёте осуществляется за счёт стабилизатора – аэродинамическая поверхность, которая компенсирует моменты от случайных аэродинамических сил на самолёт, и за счёт действия моментов аэродинамических сил стабилизатора возвращает положение самолёта в "нейтральное" состояние – состояние прямолинейного движения по заданной траектории. В этом случае самолёт является статически устойчивым.
От степени статической устойчивости самолёта зависит его управляемость. Чем выше статическая устойчивость самолёта, тем хуже его управляемость. Кроме того, чем лучше управляемость самолёта, тем больше вес органов управления самолётом, а для аэродинамических рулей – больше аэродинамическое сопротивление.

Любое изделие (самолёт, вертолёт, ракета, летательный аппарат), которое проектирует конструктор, должно быть безопасно, надёжно и управляемо, а также иметь заданную устойчивость в эксплуатационном диапазоне его использования.

Конструктор всегда ищет компромисс – выбирает такие конструктивные решения, которые обеспечат новому самолёту заданную устойчивость и хорошую управляемость при всех эксплуатационных режимах полёта самолёта.

Важной особенностью оперения (стабилизатора) и рулей управления полётом самолёта должно быть условие сохранения управляемости самолёта, даже в случаях начала срыва воздушного потока с крыла. Это обеспечит возможность выравнивания самолёта в полёте и возврат самолёта в условия рабочего режима полёта, а значит повысит безопасность полета при случайном или ошибочном (в результате ошибки пилотирования) выходе самолёта на критические режимы полёта.

Уменьшение статической устойчивости для повышения маневренности на больших скоростях полета должно сопровождаться увеличением эффективности органов управления. Обычно это противоречит ограничению максимальной собственной частоты короткопериодических колебаний. На режимах полета самолёта с малыми скоростями и большими углами атаки наиболее важными являются требования по эффективности управления, из-за недостатка которого может произойти потеря управляемости под действием возмущений случайного характера.

Увеличение относительных размеров фюзеляжа даёт существенный рост дестабилизирующего влияния фюзеляжа и требует увеличения площади вертикального оперения.
Для реактивных самолетов выбор допустимых величин m^β_x и m^β_y необходимо производить обязательно с учетом моментов инерции самолёта (включая и центробежные моменты инерции)..

Стабилизаторы некоторых современных самолётов выполняются управляемыми. На некоторых режимах полёта стабилизаторы могут подвергаться очень сильному действию удельных аэродинамических нагрузок на площадь (кг/м²) более высоких, чем удельные нагрузки на крыло!

От выбора концепции и принципов управления самолётом (при условии соблюдения надежности и безопасности полёта) зависят габариты (размеры) и вес (масса) всей системы управления, её эффективность, а также аэродинамическое сопротивление и аэродинамическое качество всего самолёта.

Таким образом, рули управления, оперение самолёта (стабилизаторы) и вся система управления самолётом в целом (в комплексе) выполняют важные функции:
- обеспечение заданных режимов полёта самолёта;
- обеспечение безопасности полёта и точности выполнения манёвра;
- обеспечение нормальных условий полёта;
- другие важные функции (стабилизация полёта самолёта, сглаживание аэродинамических возмущений, эффективность отклика на команды управления, точность и скорость отклика на команды управления и другие).
При этом многие функции системы управления либо пересекаются, либо дополняют друг друга.

Важными моментами для разработки системы мер (средств), позволяющих значительно улучшить управляемость самолёта, можно назвать 1970-1985 годы: – разносторонние исследования в СССР самолёта Су-27 и его модификаций; – изобретение в СССР летательного аппарата «ЭКИП» и его вихревой системы управления (начало 80-х годов); – другие важные работы и исследования, например такие, как – "Изделие ХХ БК. Исследование аэродинамики органов управления летательных аппаратов при критических режимах полета" (СССР, 1985 г.). Это задание было успешно решено в очень короткие сроки неклассическими (нестандартными) методами - аналитическим способом с достаточной точностью, а затем, результаты решения были подтверждены экспериментальными методами специалистами лаборатории. Найти хорошее и быстрое решение помогли нестандартные методы и нетрадиционные технологии.