Аэродинамическая компенсация элеронов

При отклонении элерона действующая на него аэродинамическая сила создает относительно оси вращения момент, который называется шарнирным: Мш = Pэ а (рис. 6.8). При больших размерах элерона или значительных скоростях полета действующая на элерон сила может быть очень большой, а следовательно, и большим будет шарнирный момент.

Рис. 6.8. Шарнирный момент элерона

Если в проводку управления элероном не включен усилитель (бустер), то для уменьшения величины шарнирного момента, а значит, и для уменьшения усилия, прикладываемого летчиком к командному рычагу управления элеронами, применяются различные типы аэродинамической компенсации.

Основным требованием к аэродинамической компенсации является обеспечение ее эффективности при возможно меньшем ухудшении аэродинамики крыла. Применяются следующие виды аэродинамической компенсации: роговая, осевая, внутренняя и сервокомпенсация.

Роговая аэродинамическая компенсация. Она осуществляется частью поверхности элерона, расположенной впереди оси вращения и выполненной в виде «рога». Роговой компенсатор располагается у края элерона либо вписываясь в контуры крыла (рис. 6.9, а), либо выступая за его концы (рис. 6.9, б). Сила, действующая на рог при отклонении элерона, создает относительно оси вращения момент, уменьшающий величину шарнирного момента. При отклонении элерона на большие углы возникающая у края элерона в месте расположения рогового компенсатора щель вызывает перетекание потока и значительные завихрения, что приводит к увеличению лобового сопротивления и к потере эффективности части площади элерона в этой зоне, По этой причине роговые компенсаторы на скоростных самолетах не применяются.

Рис. 6.9. Схемы роговой компенсации

Осевая аэродинамическая компенсация осуществляется смещением оси вращения элерона назад, что приводит к уменьшению величины шарнирного момента из-за уменьшения плеча силы.
Таким образом, осевой компенсатор представляет собой площадь элерона, расположенную впереди его оси вращения (рис. 6.10). Размеры осевых компенсаторов колеблются в широких пределах и доходят до 25% площади элерона. Дальнейшее увеличение площади осевого компенсатора может повести к перекомпенсации.

Рис. 6.10. Схема осевой компенсации

К недостаткам осевой компенсации следует отнести возникновение дополнительного сопротивления при выходе за габаритные размеры крыла носка элерона при больших углах отклонения. Этот недостаток особенно сильно проявляется при больших относительных размерах осевой компенсации.

Из всех видов аэродинамической компенсации осевая компенсация получила наибольшее распространение.

Внутренняя аэродинамическая компенсация. Она представляет собой особого вида осевой компенсатор большой относительной величины, находящийся в специальной камере внутри крыла, которая соединяется с окружающим воздухом узкими щелями (рис. 6.11). Выполненная из прорезиненной ткани гибкая перегородка, прикрепленная к носку компенсатора и к стенке лонжерона, разделяет герметически камеру на две части.

Рис. 6.11. Схема внутренней компенсации

Здесь в отличие от осевой компенсации носок элерона не обтекается потоком. При отклонении элерона вниз за счет увеличения кривизны профиля на верхней поверхности крыла возникает разрежение. Благодаря наличию щели такое же разрежение возникает и в камере над компенсатором, что приводит к возникновению силы, действующей на компенсатор и направленной вверх, т.е. в ту же сторону, куда направлена и сила, действующая на элерон. Но знак момента действующей на компенсатор силы относительно оси вращения элерона противоположен знаку шарнирного момента. Аналогичная картина происходит и при отклонении элерона вверх. Для обеспечения требуемой эффективности площадь внутреннего компенсатора приходится делать значительной, доходящей до 50% площади элерона. Однако при такой площади внутреннего компенсатора часто не удается, особенно в крыльях малой относительной толщины, получить требуемые углы отклонения элеронов, что ограничивает применение этого типа компенсации. Внутренний компенсатор почти не создает дополнительного лобового сопротивления, что является большим его достоинством.

Сервокомпенсация. Она осуществляется при помощи небольшой рулевой поверхности, расположенной на части размаха элерона у задней кромки и навешенной шарнирно (рис. 6.12). Сервокомпенсатор посредством тяги кинематически связан с неподвижным кронштейном, закрепленным на крыле.

Рис. 6.12. Схема сервокомпенсации

При отклонении элерона благодаря кинематической связи сервокомпенсатор отклоняется в противоположную сторону. Возникающая при этом на сервокомпенсаторе сила создает относительно оси вращения момент, уменьшающий величину шарнирного момента элерона. Площадь сервокомпенсатора обычно не превышает 5...7 % площади элерона. При такой сравнительно небольшой площади сервокомпенсатор является эффективным средством уменьшения шарнирного момента элерона.

Максимальный угол отклонения сервокомпенсатора не превышает 15°, так как при больших углах он становится неэффективным. Потребное соотношение между углами отклонения элерона и сервокомпенсатора достигается соответствующим выбором плеч ОА и О1В. В нейтральном положении элерона сервокомпенсатор очень незначительно увеличивает лобовое сопротивление, так как рычаги и тяги удается почти полностью разместить внутри обводов крыла.

Но сервокомпенсатор обладает и рядом недостатков. Он снижает эффективность элерона, так как возникающая на нем сила противоположна по направлению силе, действующей на элерон. Сервокомпенсатор может способствовать возникновению флаттера крыла, особенно если не устранены люфты в шарнирах навески и в узлах тяги. Кроме того, сервокомпенсация приводит к снижению степени устойчивости самолета особенно при свободном командном рычаге, что объясняется независимостью при этом виде компенсации величины шарнирного момента от угла отклонения элерона.

Из-за этих недостатков сервокомпенсаторы не нашли применения в качестве единственного средства аэродинамической компенсации. В настоящее время особенно на тяжелых больших самолетах сервокомпенсатор применяется как дополнительное средство к осевой компенсации, при этом сервокомпенсатор часто используется и в качестве триммера.

В рассмотренных видах аэродинамической компенсации коэффициент шарнирного момента пропорционален углу отклонения элерона. Усилия же в системе управления зависят еще и от скорости полета. Поэтому при очень большой скорости эти усилия могут стать недопустимо большими, а при малой скорости, наоборот, быть настолько малыми, что не будет сохраняться «чувство управления».

Рис. 6.13. Схема пружинного сервокомпенсатора

Этих недостатков не имеет пружинная сервокомпенсация. Установленный на элероне сервокомпенсатор (рис. 6.13) соединен тягой 1 с двуплечим рычагом 2, к которому присоединяется тяга 3, входящая в систему управления элероном. Рычаг 2 имеет возможность проворачиваться относительно оси вращения элерона. Этому проворачиванию препятствуют имеющие предварительную затяжку пружины 4, между которыми зажато второе плечо рычага 2. При небольшом, не требующем аэродинамической компенсации, шарнирном моменте элерона, что соответствует малым его углам отклонения и небольшой скорости полета, когда в тяге 3 создается усилие, недостаточное для преодоления усилия предварительной затяжки пружин, сервокомпенсатор отклоняется вместе с элероном как одно целое. С увеличением шарнирного момента вследствие увеличения либо угла отклонения элерона, либо скорости полета, либо того и другого вместе возросшее усилие в тяге 3 преодолевает сопротивление пружин, и сервокомпенсатор начинает отклоняться, поворачиваясь относительно своей оси вращения. Включен компенсатор в проводку управления так, что отклоняется он в сторону, противоположную отклонению элерона. После отклонения компенсатора элерон начинает отклоняться не только из-за усилия, передаваемого с командного рычага, но и вследствие действующей на компенсатор аэродинамической силы. Таким образом, создаваемая пружинным сервокомпенсатором нагрузка пропорциональна только усилию на командном рычаге. Подобрав соответствующим образом площадь компенсатора и усилие предварительной затяжки пружины, можно до требуемых пределов снизить усилие на командном рычаге, сохранив при этом необходимое «чувство управления». Крупным недостатком пружинного сервокомпенсатора является возможность возникновения флаттера из-за введения в систему управления элероном упругих элементов.

Рис. 6.14. Схема серворуля

Для обеспечения управления элеронами главным образом тяжелых самолетов иногда применяются серворули. Серворуль представляет собой небольшую рулевую поверхность, шарнирно закрепленную на элероне. Эта рулевая поверхность может быть отнесена от элерона на некоторое расстояние (рис. 6.14, а) или располагаться на нем вдоль задней кромки, вписываясь в его обводы (рис. 6.14, б). Летчик непосредственно управляет серворулем, отклонение которого, создавая относительно оси вращения элерона момент, вызывает отклонение последнего в противоположную сторону. Таким образом, управление элеронами, а следовательно, и поперечное управление самолета достигается здесь управлением серворулями. Но серворули из-за своих недостатков – запаздывание действия, ухудшение «чувства управления», возможность возникновения флаттера – не нашли широкого применения.