Powierzchnie sterowe - Flight control surfaces

Przesunięcie drążka sterowego w lewo przesuwa lotkę w lewym skrzydle w górę, a na prawym w dół, sprawiając, że samolot obniża lewe skrzydło.  Pociągnięcie za drążek powoduje podniesienie windy, sprawiając, że samolot unosi nos.  Wciśnięcie prawego pedału steru powoduje przesunięcie steru w prawo, sprawiając, że samolot obraca dziób w prawo.
Podstawowe powierzchnie sterowe i ruchy statku powietrznego.

Samoloty powierzchnie sterowania lotem to urządzenia aerodynamiczne pozwalające pilot do regulacji i kontroli lotu statku powietrznego postawę .

Opracowanie skutecznego zestawu powierzchni sterowania lotem było krytycznym krokiem naprzód w rozwoju samolotów. Wczesne wysiłki w projektowaniu stałopłatów doprowadziły do ​​wygenerowania wystarczającej siły nośnej, aby unieść samolot nad ziemię, ale gdy był w górze, samolot okazał się niekontrolowany, często z katastrofalnymi skutkami. Rozwój skutecznych systemów sterowania lotem umożliwił stabilny lot.

W tym artykule opisano powierzchnie sterowe używane w statkach powietrznych o konwencjonalnej konstrukcji. Inne konfiguracje stałopłatów mogą wykorzystywać różne powierzchnie sterowe, ale podstawowe zasady pozostają. Elementy sterujące (drążek i ster ) dla wiropłatów ( helikopterów lub wiatrakowców ) wykonują te same ruchy wokół trzech osi obrotu , ale manipulują obrotowymi elementami sterującymi ( tarczą wirnika głównego i tarczą wirnika ogonowego ) w zupełnie inny sposób.

Powierzchnie sterowe są obsługiwane przez systemy sterowania lotem .

Rozwój

W braci Wright przypisuje się rozwój pierwsze praktyczne powierzchnie sterujące. To główna część ich patentu na latanie. W przeciwieństwie do nowoczesnych powierzchni sterowych, używali wypaczania skrzydeł . Próbując obejść patent Wrighta , Glenn Curtiss stworzył zawiasowe powierzchnie sterowe, ten sam rodzaj koncepcji, który został po raz pierwszy opatentowany około cztery dekady wcześniej w Wielkiej Brytanii . Zawiasowe powierzchnie sterowe mają tę zaletę, że nie powodują naprężeń, które są problemem wypaczania skrzydeł i są łatwiejsze do wbudowania w konstrukcje.

Osie ruchu

„nachylenie” to obrót nosem w górę / nosem w dół, „przechylenie” to obrót podnoszący jedno skrzydło i opuszczający drugie, obrót „odchylający” przesuwa nos w lewo / w prawo
Obrót wokół trzech osi
Mnemoniki do zapamiętywania nazw kątów

Statek powietrzny może się swobodnie obracać wokół trzech osi, które są prostopadłe do siebie i przecinają się w środku ciężkości (CG). Aby kontrolować pozycję i kierunek, pilot musi mieć możliwość kontrolowania obrotu wokół każdego z nich.

Oś poprzeczna

Osi poprzecznej , znany również jako osi poprzecznej , przechodzi przez statek powietrzny WingTip do WingTip. Obrót wokół tej osi nazywany jest skokiem . Pitch zmienia kierunek pionowy, w którym skierowany jest nos samolotu. Te windy są podstawowe powierzchnie sterujące smoły.

Oś podłużna

Oś podłużna przechodzi przez samolot od nosa do ogona. Obrót wokół tej osi nazywa się rolką . Przemieszczenie kątowe wokół tej osi nazywa się brzegiem. Pilot zmienia przechylenie, zwiększając siłę nośną na jednym skrzydle i zmniejszając ją na drugim. Ten mechanizm różnicowy powoduje obrót wokół osi wzdłużnej. W lotki są podstawowym kontrola banku. Ster ma również wpływ na wtórny banku.

Oś pionowa

Oś pionowa przechodzi przez samolot od góry do dołu. Obrót wokół tej osi nazywa się odchyleniem . Odchylenie zmienia kierunek, w którym skierowany jest nos samolotu, w lewo lub w prawo. Podstawowa kontrola odchylenia odbywa się za pomocą steru. Lotki mają również dodatkowy wpływ na odchylenie.

Należy zauważyć, że osie te poruszają się wraz z dronem i zmieniają się względem ziemi w miarę ruchu statku powietrznego. Na przykład w przypadku samolotu, którego lewe skrzydło jest skierowane prosto w dół, jego oś „pionowa” jest równoległa do podłoża, a oś „poprzeczna” jest prostopadła do podłoża.

Główne powierzchnie sterowe

Główne powierzchnie sterowe stałopłatu są przymocowane do płatowca na zawiasach lub prowadnicach, dzięki czemu mogą się poruszać, a tym samym odchylać przepływający nad nimi strumień powietrza. To przekierowanie strumienia powietrza generuje niezrównoważoną siłę do obracania płaszczyzny wokół powiązanej osi.

Powierzchnie sterowe Boeinga 727

Lotki

Powierzchnia lotek

Lotki są zamontowane na tylnej krawędzi każdego skrzydła w pobliżu końcówek skrzydeł i poruszają się w przeciwnych kierunkach. Kiedy pilot przesuwa drążek w lewo lub kręci kołem przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, lewa lotka idzie w górę, a prawa w dół. Uniesiona lotka zmniejsza siłę nośną na tym skrzydle, a obniżona zwiększa siłę nośną, więc poruszanie drążkiem w lewo powoduje opuszczenie lewego skrzydła i podniesienie prawego skrzydła. To powoduje, że dron przechyla się w lewo i zaczyna skręcać w lewo. Wycentrowanie drążka przywraca lotki do pozycji neutralnej, utrzymując kąt przechylenia . Dron będzie się obracał, dopóki przeciwny ruch lotek nie przywróci kąta przechylenia do zera i leci prosto.

Winda

Winda jest ruchoma część statecznika poziomego , zamocowaną zawiasowo do tylnej części stałej ogona poziomej. Windy poruszają się razem w górę iw dół. Kiedy pilot pociągnie drążek do tyłu, windy idą w górę. Popchnięcie drążka do przodu powoduje opadanie wind. Podniesione windy pchają ogon w dół i powodują unoszenie nosa. To sprawia, że ​​skrzydła latają pod większym kątem natarcia , co generuje większy nośność i większy opór . Wycentrowanie drążka przywraca stery wysokości do pozycji neutralnej i zatrzymuje zmianę wysokości. Niektóre samoloty, takie jak MD-80 , wykorzystują serwo-języczek na powierzchni windy do aerodynamicznego przemieszczania głównej powierzchni na miejsce. Kierunek ruchu języczka sterującego będzie zatem w kierunku przeciwnym do głównej powierzchni sterującej. Z tego powodu ogon MD-80 wygląda tak, jakby miał „dzielony” system windy.

W układzie canard windy są zawieszone na zawiasach z tyłu samolotu i poruszają się w odwrotnym kierunku, na przykład gdy pilot odciąga drążek do tyłu, windy opadają, aby zwiększyć siłę nośną z przodu i unieść nos do góry.

Ster

Ster jest zazwyczaj zamontowany na krawędzi spływu, jako części pionowej stabilizatora , część usterzenie ogonowe . Kiedy pilot wciśnie lewy pedał, ster wychyla się w lewo. Wciśnięcie prawego pedału powoduje wychylenie steru w prawo. Wychylenie steru w prawo powoduje odpychanie ogona w lewo i powoduje odchylenie nosa w prawo. Wycentrowanie pedałów steru przywraca ster w położenie neutralne i zatrzymuje odchylenie.

Wtórne skutki kontroli

Lotki

Lotki przede wszystkim kontrolują przechył. Za każdym razem, gdy wzrasta siła nośna, zwiększa się również opór indukowany . Kiedy drążek jest przesuwany w lewo, aby obrócić samolot w lewo, prawa lotka jest obniżana, co zwiększa siłę nośną na prawym skrzydle, a tym samym zwiększa opór indukowany na prawym skrzydle. Używanie lotek powoduje niekorzystne odchylenie , co oznacza, że ​​nos samolotu zbacza w kierunku przeciwnym do zastosowania lotek. Podczas przesuwania drążka w lewo w celu przechylenia skrzydeł, przeciwne odchylenie powoduje przesunięcie dziobu drona w prawo . Niekorzystne odchylenie jest bardziej widoczne w przypadku lekkich samolotów z długimi skrzydłami, takich jak szybowce. Przeciwdziała temu pilot ze sterem. Lotki różnicowe to lotki, które zostały tak ustawione, że opadająca lotka odchyla się mniej niż lotka poruszająca się w górę, zmniejszając niekorzystne odchylenie.

Ster

Ster jest podstawową powierzchnią sterującą, która jest zwykle kontrolowana za pomocą pedałów, a nie drążka. Jest to podstawowy sposób kontrolowania odchylenia - obrotu samolotu wokół jego osi pionowej. Ster może być również wezwany do przeciwdziałania niepożądanemu zbaczaniu wytwarzanemu przez powierzchnie sterujące przechyłem.

Jeśli ster jest stale używany w locie poziomym, statek powietrzny początkowo będzie odchylał się w kierunku używanego steru - główny efekt działania steru. Po kilku sekundach samolot zacznie przechylać się w kierunku zbaczania. Wynika to początkowo ze zwiększonej prędkości skrzydła przeciwnego do kierunku odchylenia i zmniejszonej prędkości drugiego skrzydła. Szybsze skrzydło generuje większą siłę nośną i dlatego się unosi, podczas gdy drugie skrzydło ma tendencję do opadania, ponieważ generuje mniejszą siłę nośną. Dalsze stosowanie steru utrzymuje tendencję do kołysania się, ponieważ samolot leci pod kątem do strumienia powietrza - ślizga się w kierunku przedniego skrzydła. Przy zastosowaniu prawego steru w samolocie z dwuściennym skrzydłem lewe skrzydło będzie miało zwiększony kąt natarcia, a prawe skrzydło będzie miało zmniejszony kąt natarcia, co spowoduje przechylenie w prawo. Samolot z anhedronem pokaże odwrotny efekt. Ten efekt steru jest powszechnie stosowany w modelach samolotów, w których jeśli w konstrukcji skrzydła uwzględniono wystarczającą dwuścienną lub wielościenną kontrolę przechylenia, można całkowicie pominąć podstawowe sterowanie przechyłem, takie jak lotki.

Włączanie samolotu

W przeciwieństwie do obracania łodzi, zmiana kierunku lotu statku powietrznego zwykle musi być wykonywana za pomocą lotek, a nie steru. Ster obraca (odchyla) samolot, ale ma niewielki wpływ na jego kierunek lotu. W przypadku samolotów zmiana kierunku jest spowodowana poziomą składową siły nośnej działającą na skrzydła. Pilot przechyla siłę nośną, która jest prostopadła do skrzydeł, w kierunku zamierzonego zakrętu, wprowadzając samolot do zakrętu. W miarę zwiększania kąta przechylenia siłę podnoszenia można podzielić na dwie składowe: jedną działającą pionowo i drugą działającą poziomo.

Jeśli całkowita siła podnoszenia jest stała, pionowa składowa siły nośnej będzie się zmniejszać. Ponieważ waga samolotu pozostaje niezmieniona, spowodowałoby to opadanie samolotu, jeśli nie było przeciwdziałania. Utrzymanie lotu poziomego wymaga zwiększenia dodatniej (w górę) steru wysokości w celu zwiększenia kąta natarcia, zwiększenia generowanej siły nośnej i utrzymania składowej pionowej siły nośnej równej masie samolotu. To nie może trwać w nieskończoność. Całkowity współczynnik obciążenia wymagany do utrzymania lotu poziomego jest bezpośrednio związany z kątem przechylenia . Oznacza to, że przy danej prędkości lotu poziomy można utrzymywać tylko do określonego kąta przechylenia. Poza tym kątem przechylenia, samolot będzie narażony na przyspieszone przeciągnięcie, jeśli pilot spróbuje wytworzyć siłę nośną wystarczającą do utrzymania lotu poziomego.

Alternatywne główne powierzchnie sterowe

Niektóre konfiguracje samolotów mają niestandardowe sterowanie podstawowe. Na przykład, zamiast steru wysokości z tyłu stabilizatorów, cały statecznik może zmienić kąt . Niektóre samoloty mają ogon w kształcie litery V , a ruchome części z tyłu łączą funkcje steru wysokości i steru. Samoloty ze skrzydłami delty mogą mieć z tyłu skrzydła „ steru wysokości ”, które łączą funkcje steru wysokości i lotek.

Pomocnicze powierzchnie sterowe

KLM Fokker 70 , pokazujący położenie sterowania lotem klap i podnośników. Liftdumpers to uniesione kremowe panele na górnej powierzchni skrzydła (na tym zdjęciu jest ich pięć na prawym skrzydle). Klapy to duże opadające powierzchnie na tylnej krawędzi skrzydła.

Spojlery

Powierzchnie sterowe skrzydeł na krawędzi spływu Boeinga 747-8 . U góry po lewej: wszystkie powierzchnie w pozycji neutralnej; Górna środkowa: Prawa lotka jest opuszczona; U góry po prawej: spojlery uniesione podczas lotu; Środkowy rząd: klapy Fowlera wysunięte (po lewej), bardziej wysunięte (środkowe), na zawiasach z wewnętrzną częścią szczelinową odchyloną jeszcze bardziej (po prawej); Dolny rząd: spojlery podniesione podczas lądowania

W samolotach o niskim oporze, takich jak szybowce , spoilery służą do zakłócania przepływu powietrza nad skrzydłem i znacznie zmniejszają siłę nośną. Pozwala to pilotowi szybowca na utratę wysokości bez zwiększania prędkości. Spojlery są czasami nazywane „wywrotkami do podnoszenia”. Spojlery, których można używać asymetrycznie, nazywane są spoilerami i mogą wpływać na przechylenie samolotu.

Klapy

Klapy są montowane na krawędzi spływu w wewnętrznej części każdego skrzydła (w pobliżu nasady skrzydeł). Są odchylane w dół, aby zwiększyć efektywną krzywiznę skrzydła. Klapy zwiększają maksymalny współczynnik siły nośnej samolotu, a tym samym zmniejszają jego prędkość przeciągnięcia. Są używane podczas lotu z małą prędkością, dużym kątem natarcia, w tym podczas startu i zniżania do lądowania. Niektóre samoloty są wyposażone w „ klapy ”, które są częściej nazywane „lotkami pokładowymi”. Urządzenia te działają głównie jako lotki, ale w niektórych statkach powietrznych „opadają”, gdy klapy są rozstawione, działając w ten sposób zarówno jako klapa, jak i lotka wewnętrzna z kontrolą przechylenia.

Listwy

Listwy , znane również jako urządzenia krawędzi natarcia , są przedłużeniami przedniej części skrzydła w celu zwiększenia siły nośnej i mają na celu zmniejszenie prędkości przeciągnięcia poprzez zmianę przepływu powietrza nad skrzydłem. Listwy mogą być stałe lub wysuwane - stałe listwy (np. Jak w Fieseler Fi 156 Storch ) zapewniają doskonałe właściwości przy niskiej prędkości i STOL , ale wpływają negatywnie na osiągi przy wyższych prędkościach. Wysuwane listwy, jak widać na większości samolotów pasażerskich, zapewniają zmniejszoną prędkość przeciągnięcia podczas startu i lądowania, ale są chowane podczas lotu.

Hamulce pneumatyczne

Hamulce pneumatyczne na tylnym kadłubie samolotu Eurowings BAe 146-300

Hamulce pneumatyczne służą do zwiększenia oporu. Spojlery mogą działać jako hamulce pneumatyczne, ale nie są hamulcami czysto pneumatycznymi, ponieważ działają również jako zderzaki podnośnika lub w niektórych przypadkach jako powierzchnie kontrolujące przechylenie. Hamulce pneumatyczne to zwykle powierzchnie, które odchylają się na zewnątrz od kadłuba (w większości przypadków symetrycznie po przeciwnych stronach) do strumienia powietrza w celu zwiększenia oporu formy. Ponieważ w większości przypadków znajdują się one w innym miejscu samolotu, nie wpływają bezpośrednio na siłę nośną wytwarzaną przez skrzydło. Ich celem jest spowolnienie samolotu. Są szczególnie przydatne, gdy wymagane jest szybkie opadanie. Są powszechne w samolotach wojskowych o wysokich osiągach, a także w samolotach cywilnych, zwłaszcza tych, które nie mają zdolności odwróconego ciągu.

Kontroluj przycinanie powierzchni

Elementy sterujące trymowaniem pozwalają pilotowi zrównoważyć siłę nośną i opór wytwarzane przez skrzydła i powierzchnie sterowe w szerokim zakresie obciążenia i prędkości lotu. Zmniejsza to wysiłek potrzebny do dostosowania lub utrzymania pożądanego położenia lotu .

Wykończenie windy

Trym steru wysokości równoważy siłę sterowania niezbędną do utrzymania właściwej siły aerodynamicznej na ogonie, aby zrównoważyć samolot. Podczas wykonywania niektórych ćwiczeń w locie może być wymagane dużo trymowania, aby utrzymać pożądany kąt natarcia. Dotyczy to głównie lotu powolnego , gdzie wymagane jest ustawienie dziobem do góry, co z kolei wymaga dużego trymu powodującego, że statecznik wywiera silny docisk. Trym steru wysokości jest skorelowany z prędkością przepływu powietrza nad ogonem, dlatego zmiany prędkości w samolocie wymagają ponownego wyważenia. Ważnym parametrem konstrukcyjnym statku powietrznego jest stabilność statku powietrznego po wyważeniu do lotu poziomego. Wszelkie zakłócenia, takie jak podmuchy czy turbulencje, zostaną wytłumione w krótkim czasie, a samolot powróci do swojej wyważonej prędkości lotu poziomego.

Przycinanie płaszczyzny ogona

Z wyjątkiem bardzo lekkich samolotów, klapki trymujące na sterach wysokości nie są w stanie zapewnić wymaganej siły i zakresu ruchu. Aby zapewnić odpowiednią siłę trymowania, cała pozioma płaszczyzna ogona jest regulowana w nachyleniu. Pozwala to pilotowi na wybranie dokładnie odpowiedniej ilości dodatniego lub ujemnego unoszenia z samolotu ogonowego, jednocześnie zmniejszając opór ze steru wysokości.

Klakson kontrolny

Równowaga masowa wystająca z lotki służy do tłumienia trzepotania

Róg sterujący to część powierzchni sterującej, która wystaje przed punktem obrotu. Generuje siłę, która ma tendencję do zwiększania ugięcia powierzchni, zmniejszając w ten sposób ciśnienie sterujące odczuwane przez pilota. Rogi kontrolne mogą również zawierać przeciwwagę, która pomaga zrównoważyć sterowanie i zapobiegać trzepotaniu w strumieniu powietrza. Niektóre projekty mają oddzielne ciężarki przeciwdziałające trzepotaniu.

(W modelach samolotu sterowanego radiowo termin „sygnał dźwiękowy” ma inne znaczenie).

Wiosenne wykończenie

W najprostszym układzie trymowanie odbywa się za pomocą mechanicznej sprężyny (lub bungee ), która dodaje odpowiednią siłę, aby wzmocnić sygnał sterujący pilota. Sprężyna jest zwykle podłączona do dźwigni trymera steru wysokości, aby umożliwić pilotowi ustawienie przyłożonej siły sprężyny.

Trymer steru i lotek

Większość samolotów ze stałymi skrzydłami ma powierzchnię sterującą trymowaniem na steru wysokości , ale większe samoloty mają również sterowanie trymem dla steru, a inne dla lotek. Trymer steru ma przeciwdziałać asymetrycznemu ciągowi silników. Trymer lotek ma przeciwdziałać efektom przesunięcia środka ciężkości z linii środkowej samolotu. Może to być spowodowane tym, że paliwo lub ładunek jest załadowany bardziej po jednej stronie samolotu niż po drugiej, na przykład gdy jeden zbiornik paliwa ma więcej paliwa niż drugi.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Linki zewnętrzne