Анатомия на самолетната опашка

Kaagbaan, Schiphol
Част 5 / 6 от поредицата Анатомия на самолета

Преди да се заврем в дебрите на техническите детайли, от които да ви се приспи, малко съобщение относно бъдещето на блога. Общо взето, тук ще останат само самолетните статии и седмичните обзори, които напоследък са всичко друго, но не и седмични, но заглавието смятам да си го задържа по носталгични причини. Пътеписите на живо също имам намерение да си ги пиша тук, но пътуване нямам планирано в близко бъдеще, основно по финансови причини. Ако на някой са му залипсвали моите дневници, може да ме спонсорира и обещавам да му пиша на ушенце!

Цялата пътешественическа тема, удобни сайтове за резервиране, добри оферти за самолетни билети, дребни и не чак толкова дребни трикове и съвети, заминава във форумите на magelanci.com. Там вече има критична маса от хора с много знания, така че няма нужда аз тук да се правя на голямото добрутро, като можем там да го правим много хора. Благодаря за вниманието.

ОК, опашката, следващият детайл от самолетната карантия, който ще разпарчатосам. Ще обсъдим четирите основни елемента на опашката: хоризонтален стабилизатор, вертикален стабилизатор, elevator и rudder. Отчаяно моля за помощ някой да ми каже какъв е общоприетият превод на последните два термина. След като това стане ясно, ще разгледаме малко отклонения от стандартната конфигурация на опашката, където споменатите четири елемента малко се размиват или се сливат един с друг.
 

Каква е функцията на опашката?

Сложете си ръкате с изпъната длан напред във въздуха. Нека да е само напред, не и нагоре, че ако е дясната ръка и е нагоре, е противозаконно. Сега можете да си придвижите дланта по три начина. Нагоре-надолу и наляво-надясно са движенията, за които отговаря опашката. Третото, което е все едно правите с длан “горе-долу”, някой като ви попита как сте, е отговорност на елероните на крилото.

Опашката има две основни функции – едната е баланс, другата е контрол точно на гореспоменатите 2 движения. Крилото генерира подемна сила, за това си говорихме в първите части на поредицата. Само че тази сила не минава през центъра на тежестта на самолета. Балансирайте една химикалка на пръста си, центъра на тежестта й е някъде по средата. Ха сега леко чукнете химикалката на произволно място освен в центъра. Какъв е резултата? Точно така, вдигнете я от пода!

Така е и със самолетите, необходимо е да са балансирани, както химикалката върху пръста ви, само че крилото добавя подемна сила, която не минава през центъра на тежестта, следователно трябва да има нещо, което да генерира контра подемна сила от другата страна, за да запази баланса. Ако го нямаше това нещо, самолетът щеше да направи опит за салто и славният му път да приключи много бързо. Та това друго нещо, което балансира самолета да не се прекатури заради подема от крилото, е хоризонталният стабилизатор.

Можете да се запитате, крилото е толкова голямо и генерира много подемна сила, как тогава малкият хоризонтален стабилизатор успява да го балансира? Истината е в разстоянието до центъра на тежестта на двете сили. Както е казал Архимед, дайте ми опорна точка и достатъчно дълъг лост и ще повдигна Земята. Така и силата, генерирана от хоризонталния стабилизатор, оперира на доста по-дълъг лост, следователно успява да балансира подемната от крилото.
 

Хоризонтална стабилност. Източник: avstop.com с леки модификации от мен

Хоризонтална стабилност. Източник: avstop.com с леки модификации от мен


 
За да ни е самолетчето хоризонтално във въздуха е необходимо L*x1 = T*x2. Просто. Същото нещо можете да видите и при хеликоптерите. Там витлото в задната част, с по-дългото рамо на действие, компенсира въртенето на основното витло. Освен при хеликоптерите с две големи витла, които се компенсират едно друго.
 

 

Вертикалният стабилизатор изпълнява подобна функция. Само че посоката на движение, която е стабилизирана, не е нагоре-надолу, а наляво-надясно. Ако при предишния случай при липсата на хоризонтален стабилизатор самолетът би тръгнал да прави салта, то при липса на вертикален щеше да се върти като пумпал при най-лекия страничен ветрец. Това е причината малките ракетки да имат стабилизаторчета в долната част. Ако някой немирен въздушен поток се опита да ги отклони от посоката им, моментално стабилизаторчетата генерират аеродинамични сили, които балансират всичко.

Толкова за стабилността. Втората главна функция на опашката е контрол. Докато хоризонталният и вертикалният стабилизатор изпълняват перфектно функцията да държат нещата както са си и да не се променят, то все пак от време на време ни се налага да излетим, да кацнем и да правим завои. Затова част от повърхността на стабилизаторите е заета от контролни повърхности.

Когато тези контролни повърхности бъдат активирани, подобно на елероните, опашката създава аеродинамични сили. Например изкачването. Представете си една пазарска везна. Ама не модерните електронни, а онези от едно време, където продавачите ни лъжеха с кухи теглилки. От едната страна сложете 1кг. От другата натиснете с ръка така, че везната да е хоризонтална. Функцията, която изпълнява ръката ви в този случай, е точно функцията на хоризонталния стабилизатор. Сега ако искате теглилките да се изкачат, ще се наложи да натиснете с ръката. Ако искате да се спуснат, ще се наложи да отпуснете. И контролната повърхност на опашката работи така, намалява подемната сила на опашката – самолетът тръгва да снижава, увеличава силата – самолетът се изкачва. Ето снимка на двете контролни повърхности – хоризонталната (elevator) и вертикалната (rudder).
 

 
Контролната повърхност на верикалния стабилизатор пък управлява движението наляво-надясно и благодарение на нея можем да имаме ей такива кацания.
 

 
Иначе в нормалния случай завой във въздуха може да се направи само с елерони, но ще отнеме повечко време.
 

Различни конфигурации

Всичко изброено до тук е прекалено обобщено за стандартната конфигурация – опашка в края на самолета с хоризонтален стабилизатор отдолу на вертикалния. Но набитото око е виждало всякакви разнообразни конфигурации, които в крайна сметка изпълняват една и съща функция, но по различен начин.

Започваме с Т-образната опашка, която е най-близо до стандартната конфигурация.
 

 
Разликата е просто в хоризонталния стабилизатор, който е вдигнат горе. Предимствата са, че по този начин стабилизаторът среща по-чист въздушен поток, следователно е по-ефективен. Освен това е отдалечен още повече от центъра на тежестта, респективно му трябва по-малка площ, за да си върши балансьорската дейност, което пък води до по-ниско структурно тегло, а съм ви казвал, че самолетите са по-тънкообидни на тема тегло и от кльощава манекенка. Доста предимства, но и един огромен недостатък. Това е, че при срив на подема в крилото, опашката би попаднала в разкъсания поток и не би могла да върне крилото надолу, където отново да започне да генерира подем. Т.нар. дълбок срив.
 

Дълбок срив. Източник: wikipedia

Дълбок срив. Източник: wikipedia


 
Това е единствената причина тази конфигурация да не е популярна.

Има и огромни туловища, на които един вертикален стабилизатор не им е достатъчен да балансира теглото им. Например гиганта An-225.
 

ur-82060 an-225 Antonov by ombrelle, on Flickr
Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 2.0 Generic License  by  ombrelle 

 
Тази конфигурация е популярна и при определени модели изтребители, защото пък на тях им е необходимо да правят по-остри завои, респективно повърхността също да издържи повече натоварване.
 

 
Някои пък имат цели три вертикални повърхности като Lockheed Constellation. Тук е направено от съображения самолетът да може да се побере в хангарите, преценено е, че три по-малки стабилизатора ще вършат същата работа като 2 по-големи или 1 огромен.
 

 
Има и самолети, при които хоризонталният и вертикалният стабилизатор са слети, в т.нар. пеперудена конфигурация. Двата стабилизатора изпълняват едновременно функциите на хоризонтален и вертикален стабилизатор, а двете контролни повърхности са едновременно rudder и elevator, още известни като ruddervator.
 

 
А безспорно най-интересната конфигурация я оставих за накрая. Това е т.нар. canard, при който хоризонталният стабилизатор е изместен пред крилото. Такава беше предложената конфигурация на несъстоялия се Boeing Sonic Cruiser.
 

Boeing Sonic Cruiser

Boeing Sonic Cruiser


 
Предимствата на Canard-a се изразени много силно при излитане. Докато стандартният хоризонтален стабилизатор натиска опашката надолу, за да повдигне носа, то canard-а го издърпва нагоре, за което е необходимо по-малко сила. Недостатък обаче е, че руши въздушния поток за основното крило. Има проблеми и със срив характеристиките.

Все пак, много от легендарните самолети използват canard или като основно средство за хоризонтална стабилизация, или за подпомагане на elevator-ите. В първия случай, най-известният пример е самолетът на братята Райт.
 

Wright Flyer

Wright Flyer


 
А във втория, можем да отбележим Tu-144, който има две разпъващи се повърхности над кокпита, използвани при кацане, които го правят доста смешен :)
 
Tu-144

Tu-144


 
Ами това е. Надявам се стана ясно. Много тежки уравнения има в тази област, някои, които все още не съм проумял и донякъде приемам на доверие, но основните положения са ясни и лесни за разбиране. Стига да съм го обяснил добре. Ако не съм, питайте смело.

Поредицата ще продължи с други части. До скоро.
[social_share\]

Tags:

About

Благодаря за интереса към блога. В днешно време се подвизавам предимно и доста активно в другото ми отроче - magelanci.com. Ако имате въпроси, проблеми или просто искате да споделите нещо свързано с пътуване, заповядайте там!

View all posts by

21 Responses

  1. Християн Беделев says

    От скоро работя като контрактор бояджия в халетата на Луфтханза.С интерес чета тези публикации и съм безкрайно щастлив от наученото.Ако някой може да ми посочи място със схема и наименованията на зоните и външните детайли на самолета ще съм много благодарен

    • Георги says

      Питай някой от колегите, имат достъп до документация, а и има хора с много опит, от които да се научи много :)

  2. Стоян Стоянов says

    Здравейте !
    Увлекателно четиво ! Без да имам и най-малко намерение да оспорвам нещо от написаното, имам един въпрос. При Т-образна конфигурация и дълбок срив на потока, хоризонталния стабилизатор ще загуби подемна сила. При това положение няма ли да се получи естествено излизане от положението, тъй като центъра на тежеста е пред крилото и носът на самолета ще пропадне. Или тялото при такава ситуация създава достатъчно подемна сила да държи носът нагоре.

    • Георги says

      Не си спомням точно как съм го писал в статията, че беше отдавна, а сега ме мързи да препрочитам :) Но въпроса е резонен. Номера е, че при вдигане на носа центъра на налягането (center of pressure), т.е. точката през която действат всички аеродинамични сили заминава доста напред пред центъра на тежестта. Свързано и със това, че първи се сриват върховете на крилата и основната част от подемната сила се генерира от вътрешната част, която при модерните самолети е изтеглена по-напред от ръба. Обикновено това се балансира от хоризонталния стабилизатор, но когато той не е ефективен или слабо ефективен няма как да балансира и аеродинамичните сили действат, така че дестабилизират допълнително самолета. При срив подемната сила не изчезва напълно, просто намалява рязко..

      Това е също доста опростено, при доста високи ъгли на атака, самолета отново става балансиран, в противен случай ако продължи да вдига носа би се “прекатурил”. Точно това стабилно състояние е дълбокия срив, от който няма излизането. Всяка корекция на поведението на носа ще го връща обратно в стабилната точка, а самолета в това състояние не генерира достатъчно подем, че да се противопостави на силата на тежестта.

      Рязка промяна на центъра на тежестта (например, ако всички пътници се съберат на първите няколко реда, на теория) би помогнала, с оглед на това, че центъра на тежестта ще изпревари пак центъра на налягането и ще наведе носа надолу, евентуално да го извади от втората стабилна точка и да го върне в първата, но сам по себе си самолета няма как да го направи това.

  3. AL says

    Много интересна лекция, само да попитам за темата: “Каква е функцията на опашката?”, на схемата,хоризонталният стабилизатор не създава ли подем, защо има черта надолу, вместо черта нагоре?

    • Георги says

      Хоризонталния стабилизатор по принцип с движение на елеватора може да генерира подемна сила във всякаква посока, и положителна (нагоре) и отрицателна (надолу). В зависимост от това каква маневра е необходима, да се вдигне носа или да се пусне. Но в стандартна конфигурация, да речем по време на круиз без никой да пипа щурвала или контролния стик, то хоризонталния стабилизатор ще генерира леко негативен подем. Така балансира малката разлика между центъра на тежестта на самолета и точката, през която действат аеродинамичните сили на крилото.

      • Al says

        Благодаря за бързия отговор. :)

  4. Георги Георгиев says

    За гиганта „Антонов 225″ двойната опашна структура е наложителна,тъй като е проектиран да носи на гърба си совалката „БУРАН“.А две опашки една зад друга водят до аномалии за които предполагам сте запознат.АН-225 според инженери на „Боинг“ е феномен който не признава законите на гравитацията.Това „туловище“ наречено МРИЯ все още държи няколко рекорда и скоро никой няма да ги оспори.

    • Георги says

      Ауу, моя грешка. Сега виждам, че и на 747, който носи совалката са сложили две мини стабилизаторчета отстрани, явно съм подценил сериозно аеродинамичния ефект от две опашки една зад друга.

    • Георги says

      Не е това причината за двете опашки. Просто за да е стабилен в завой със теглото, което е проектиран да носи е необходим или огромен вертикален стабилизатор или два по-малки. 747 си е с нормална конфигурация и няма проблеми да носи совалката на гръб.

  5. eminko says

    благодаря за интересната лекция!!Чакам с нетърпение и надежда следващите части относно авионика,кабина и т.с

  6. Ilian359 says

    А тук каква е идеята:
    http://www.smartcockpit.com/plane/PIAGGIO/AVANTI.html
    Мустаците за баланс, а опашката за контрол?

    • Георги says

      Да, но не точно в тоя чист смисъл Крилцето отпред генерира подем, който е пред центъра на тежестта, следователно в известна степен позволява опашката да е по-малка, понеже я “олекотява”. Иначе идеята на дизайна е основното крило да е максимално изтеглено назад – първо за да не ограничава обема на кабината за бизнесмените, които купуват тоя тип самолети, и второ за да не шумят витлата, на изнежените уши на същите бизнесмени. Всичко това при икономия на гориво типична за витловите спрямо реактивните.

  7. vladimir1974m2 says

    Олеле, много тежки уравнения наистина и като добавиш обясненията на английски,съвсем ме обърка:), но какво пък, ако не попитам, нямаше да разбера.Аз пък си мислех, че в опашката има една макара,въженце и тежести от двете му страни и тези тежести се вдигат нагоре-надолу по макарата и балансират…

    • Георги says

      Малките самолети управлението е точно с макари и тежести, при по-големите няма как да стане, освен ако Чък Норис не е пилот, че голяма сила си трябва :)

      Сложни са си уравненийцата, има и известно взаимодействие межу посоките на движение, което не съм споменавал за да го държа по-опростено. Не са изолирани. Например ако активираш елероните завъртането не е само по надлъжната ос, но и леко настрани в обратна посока. Всичко това е в тия уравнения :)

  8. Владимир Георгиев says

    Ха, напиши ми няколко от много тежките уравнения в тази област, за да видя за какво става дума, интересно ще ми е.

  9. vladimir1974m2 says

    Ха, напиши ми няколко от много тежките уравнения в тази област, за да видя за какво става въпрос или ми подскажи къде мога да ги видя в нета.Интересно ще ми е

  10. Божо says

    rudder-а се среща като вертикално кормило, или вертикален рул, за елеваторите май няма превод.

  11. Фичо says

    Мерси за интересната статия.

    При интересните случаи може да споменеш и бомбардировача B-2, който пък въобще няма вертикален стабилизатор…, но то при него по принцип всичко е по-особено и е трудно да се направи точно разграничение кое е фюзелаж, кое са крила и кое – опашка ;-)

    • Георги says

      B-2 то е друга бира :) Там няма нужда от стабилизатори, защото самия дизайн на самолета по дефиниция е нестабилен. Което ще рече, че компютрите постоянно правят миникорекции за да го държат да лети стабилно. Вертикалната опашка е заменена от спойлери по ръбовете на крилата, когато се вдигнат тия спойлери създават съпротивление само от едната страна, което коригира движението в посока ляво-дясно. В случая на B-2 компютъра постоянно ще прави такива мини корекции за да си лети самолета стабилно.

      Тягата от двигателите също може да се ползва за тая цел, но не мисля, че B-2 ги използва за това, най-малкото те не са толкова пъргави и не реагират толкова бързо, колкото е необходимо.