Как работает вертикальная стабилизация?

«Вертикальный стабилизатор» (или «вертикальный стабилизатор») обеспечивает то, что известно как «устойчивость флюгера», «направленная устойчивость» или «устойчивость к рысканью». Это заставляет самолет действовать как флюгер. Флюгер всегда направлен против ветра.

Ветер, который «чувствует» самолет, — это не внешний метеорологический ветер, а скорее «ветер», создаваемый движением самолета через воздушную массу (или, возможно, мы могли бы предпочесть говорить «внутри» воздушной массы). Этот кажущийся ветер называется «относительным ветром». Таким образом, вертикальный киль удерживает нос самолета в том направлении, в котором он фактически движется, то есть в том направлении, в котором самолет движется в воздухе.

Представьте, что вы едете на машине на высокой скорости по ледяному озеру в безветренный день. Вы видите, как большой вертикальный плавник, установленный в задней части автомобиля, создает «эффект флюгера», который удерживает автомобиль на одной линии с направлением, в котором он фактически движется, и не дает машине «поменяться местами». "или скольжение вбок?

Это то, что делает вертикальный киль на самолете. Это очень плохо, если самолет «меняет местами концы» или скользит в воздухе боком под очень большим углом бокового скольжения. В крайних случаях пилот практически ничего не может сделать, чтобы спасти ситуацию, и самолет может резко выйти из-под контроля. Ошибочно утверждать, что функцию вертикального киля или вертикального стабилизатора можно заменить соответствующими управляющими воздействиями элеронов. Верно, что во многих случаях самолеты с относительно небольшими вертикальными стабилизаторами часто требуют от пилота больших усилий с помощью руля направления, чтобы повороты оставались «скоординированными», т. е. чтобы нос не отклонялся от направления, в котором движется самолет при повороте. -- мы не будем больше говорить об этом для другого ответа.

Самолеты, у которых нет вертикального киля, должны получать «устойчивость флюгера», «устойчивость к рысканию» или «направленную устойчивость» из других аспектов конфигурации самолета, обычно связанных с тем фактом, что большая площадь поверхности находится позади центра тяжести, чем спереди. этого. Например, конфигурация со стреловидным крылом обеспечивает некоторую «устойчивость флюгера» даже без вертикального киля. Представьте, что вы кладете пару стреловидных крыльев или треугольных крыльев на шест, как флюгер. Вы можете видеть, как, пока точка поворота была достаточно выдвинута вперед, вся сборка имела тенденцию указывать против ветра, как флюгер? Вот почему дельтапланам не нужны вертикальные стабилизаторы.

Вопрос, по-видимому, содержит неправильное представление о взаимосвязи между устойчивостью к рысканью и устойчивостью к крену. На самом деле, слишком большое вертикальное оперение делает самолет МЕНЕЕ устойчивым к крену или БОЛЕЕ спирально неустойчивым, так что он имеет тенденцию откатывать от уровня крыльев к все более и более крутому крену и повороту. Когда самолет начинает входить в поворот, поперечный угол и стреловидность (если они присутствуют) имеют тенденцию создавать стабилизирующий момент крена, который стремится откатить самолет назад к уровню крыльев, но толькоесли развивающийся поворот включает некоторое боковое скольжение. Другими словами, стабилизирующий крен эффект стреловидности или поперечного угла присутствует только в том случае, если самолет смещается в сторону, по крайней мере, в небольшой степени. Большой вертикальный плавник имеет тенденцию предотвращать боковое скольжение и, таким образом, заставляет самолет вести себя так, как если бы он имел меньший двугранный угол или стреловидность. Вот почему самолеты, которым нужна большая устойчивость к крену, например модели самолетов «свободного полета», которые должны летать без какого-либо управления ни пилотом, ни компьютером, редко имеют большие вертикальные стабилизаторы. Несмотря на то, что мы не хотим, чтобы самолет полностью «поменялся местами» и упал, или скользил боком по воздуху под действительно экстремальным углом бокового скольжения, нам нужно, чтобы в неконтролируемом крене было некоторое боковое скольжение, и мы развернулись. чтобы стреловидность или двугранный угол могли вернуть самолет обратно на уровень крыльев. Точно так же, когда модель самолета в свободном полете балансируется для преднамеренного разворота, если боковое скольжение каким-то образом полностью устранено, мы увидим, что угол крена становится все круче и круче. Если бы пилот активно управлял самолетом, он мог бы справиться с этим, сделав соответствующий управляющий сигнал с помощью элеронов, но такой возможности нет с моделью самолета свободного полета.

Таким образом, кроме предотвращения сильного падения, когда самолет полностью «меняет местами концы», вертикальное оперение, как правило, не способствует устойчивости к крену.

Хороший способ объяснить это - вообще не иметь крыльев, просто использовать стрелу. Вертикальный стабилизатор удерживает нос от рыскания вперед и назад, так же как горизонтальный стабилизатор удерживает нос от качки вверх и вниз во время полета стрелы. Это помогает ему лететь прямо и точно с минимальным сопротивлением. Бросок не имеет значения, пока... мы не добавим крылья к нашей стреле.

Теперь любое рыскание (от порыва ветра) создает "пару" качения, так как одно крыло движется быстрее другого. Вообще не большая проблема с прямыми крыльями. Об этом позаботится какой-нибудь двугранник.

    older than 5 years, please continue reading

Затем появились стреловидные крылья, и появились гораздо более быстрые и крупные самолеты. Стреловидные крылья увеличивают связь по крену рыскания за счет предоставления воздушному потоку асимметричного прямого полукрыла и более стреловидного полукрыла в дополнение к эффекту качения из-за асимметрии скорости крыла.

В ответ конструкторы разработали очень большие вертикальные стабилизаторы, как на МиГ-15. Это создало целый ряд новых проблем, поскольку теперь самолет был сильно асимметричен аэродинамическим боковым силам . Самолеты такой конструкции имели тенденцию очень легко выходить из-под контроля.

В стремлении к реактивной эре вертикальная симметрия биплана и его преемника, моноплана с высоким крылом , была забыта .

Но, кроме того, что объяснять 5-ти летним, пусть сами начинают строить и летать. Они увидят, сколько вертикального стабилизатора и поперечного сечения им нужно для их конструкций.

Здесь показано: новый «друг» Дженни.

Вертикальный стабилизатор спроектирован так, чтобы обеспечить определенную склонность к пассивному флюгеру. Не слишком много, не слишком мало. Площадь поверхности вертикального удара является ключом к поведению самолета как с точки зрения поперечной устойчивости, так и спиралевидной тенденции, и связана с двугранным эффектом крыла.

Вы хотите иметь достаточную площадь поверхности стабилизатора, чтобы самолет достаточно быстро пассивно реагировал на отклонения от курса, но не слишком большую. Слишком маленькая площадь киля, слишком слабая флюгерная тенденция, и нос самолета болтается из стороны в сторону в турбулентности.

Если площадь плавника слишком велика, он слишком быстро флюгер. Если самолет врезается в крен из-за удара, для того чтобы сработал двугранный эффект, должно быть небольшое боковое скольжение, позволяющее создать силу самовосстановления, которую должен создавать двугранный угол. Таким образом, размер плавника предназначен для того, чтобы обеспечить небольшую задержку между началом бокового скольжения и реакцией на флюгер по рысканью, чтобы двугранный эффект мог работать для выравнивания крыльев.

Если плавник слишком большой, отклик на флюгер почти мгновенный, так что допускается очень небольшое боковое скольжение, а двугранный эффект менее эффективен. Итак, что происходит, когда самолет встревожен толчком, он сразу же рыскает в сторону низкорасположенного крыла и хочет начать снижение по спирали.

Когда самолеты ставят на поплавки, площадь поверхности поплавка увеличивает поверхность киля вперед, что приводит к уменьшению существующего киля. Самолет довольно стабилен в поперечном направлении, но нос качается на неровностях и требует больше работы рулем направления, чтобы делать хорошие скоординированные повороты (я летал на Fleet 80 на поплавках, и у него не было дополнительных килей, добавленных к и без того маленькому вертикальному килю с поплавками). установлен, и если бы вы не работали ногами, он бы скользил по небу, как планер без руля направления).

Чтобы исправить это, либо добавляется дополнительная площадь плавника в хвостовой части, когда установлены поплавки, либо может быть использован трюк, который Cessna использует на более поздних 180-х и 185-х, когда к рулю направления добавляется упругая пружина, которая имеет тенденцию удерживать его. центр, и заставляет руль направления вносить некоторый вклад в эффективную площадь киля. Однако вам придется жить с более высокими усилиями на руле.