Выбор формы оперения

Эффективность опе­рения и расположенных на нем рулевых поверхностей зависит не только от площадей оперения и расстояний от центров дав­лений оперения до центра масс самолета (так называемых плеч оперений ), но и от его аэродинамических характеристик.

 

 

Важнейшими из этих характеристик являются производная подъемной силы горизонтального оперения по его углу атаки и производная боковой силы на вертикальном оперении по углу скольжения

Эти производные в значитель­ной степени зависят от геометрических параметров оперения . Выбор формы в плане и профиля оперения в извест­ной мере зависит от выбранной формы и толщины профиля крыла. В настоящее время наиболее часто применяется трапециевидная прямая и стреловидная форма оперения, иногда — треугольная.

На околозвуковых и сверхзвуковых самолетах, проектируе­мых по нормальной схеме, чаще всего применяют стреловидное оперение. Такая форма оперения позволяет получить достаточно высокие значения М_крит при сравнительно небольшом приросте сопротивления, высокие значения коэффициента (вследствие относительно большого удлинения), а также позволяет несколько увеличить величину плеча, расположенного сзади оперения, благодаря сдвигу назад концевой части его поверх­ности.

При выборе угла стреловидности оперения удлинения и относительной толщины профилей оперения необходимо стре­миться обеспечить достаточную эффективность оперения при всех возможных углах атаки крыла, а также обеспечить при около­звуковых скоростях М_крит. _оп > М_крит. _кр. Поэтому для опере­ния, как правило, выбирают симметричные профили с относитель­ной толщиной несколько меньшей, чем принятая для профилей крыла, небольшое удлинение и больший угол стреловидности.

Относительная толщина профилей оперения для нескорост­ных самолетов с нестреловидными крыльями и оперением прини­мается в пределах = 10... 12 %. Для скоростных самолетов со стреловидным оперением эта толщина принимается на 1... 2 %, меньше, чем относительная толщина профилей крыла, и состав­ляет, как правило, — 5... 6 % (хорды замеряются по потоку). Если для сверхзвукового самолета применено нестреловидное оперение, то достаточно высокие значения М_крит обеспечиваются небольшим удлинением ( = 1... 2) и очень малой относитель­ной толщиной профилей ( = 3... 4 %). Приблизительно та­кая же относительная толщина профилей ( = 4... 5 %) при­нимается и для треугольных оперений.

Достаточно существенное влияние на повышение значений М_крит профилей и, следовательно, всего оперения оказывает положение максимальной толщины профиля по длине его хорды (). Наибольшее значение М_крит имеют профили, у которых максимальная толщина приходится приблизительно на середину хорды ( —- 40... 50 %). Именно такие профили выбираются для оперения.

Для сверхзвуковых самолетов обычно стараются получить “дозвуковую переднюю кромку»,т.е. кромку, лежащую внутри конуса возмущений. Это условие выполняется при Практически угол стреловидности оперения обычно превышает угол стреловидности крыла на 3…5⁰.

Выбор удлинения и сужения горизонтального и вертикаль­ного оперений осуществляется с учетом влияния этих параметров на массу конструкции и эффективность оперения.

При увеличении удлинения эффективность оперения возра­стает как вследствие увеличения ), так и за счет уменьшения части площади оперения, находящейся в спутной струе заторможенного потока. Вследствие этого при увеличении удлинения оперения его площадь, потребную для создания определенных моментов устойчивости и управ­ляемости, можно уменьшать. При этом, есте­ственно, можно ожидать уменьшения массы конструкции опере­ния. Однако при увеличении удлинения масса конструкции опе­рения и узлов его крепления возрастает вследствие увеличения изгибающих и крутящих моментов (при той же величине нагрузки на оперение). Кроме того, при увеличении удлинения оперения существенно увеличивается неблагоприятное влияние упругих деформаций оперения на характеристики устойчивости и управляе­мости, а также ухудшаются флаттерные характеристики (крити­ческая скорость флаттера уменьшается).

Очевидно, что существует какое-то оптимальное значение удлинения, при котором масса конструкции получается наименьшей.

При увеличении сужения оперения масса его конструкции уменьшается благодаря уменьшению изгибающих моментов, но уменьшается также и эффективность части оперения, находящейся в заторможенном потоке. Последнее обстоятельство заставляет увеличивать площадь оперения, что, естественно, приводит к уве­личению его массы. Отсюда вытекает уже приводившееся выше положение о том, что правильный выбор сочетания параметров оперения, при котором масса его конструкции получается наи­меньшей, аналогично выбору параметров крыла, может произво­диться только методом решения задачи оптимизации.

Обработка статистических данных по современным самолетам дает следующие значения удлинения и сужения горизонтального и вертикального оперений:

= 3,5... 4,5 — для нескоростных самолетов с большим удлинением крыла ( > 4.5);

= 2... 3 — для скоростных самолетов с малым удлине­нием крыла;

= 2,0... 3,5 (для самолетов с треугольной формой опере­ния );

= 0,8... 1,2;

= 2,0... 3,5 — для самолетов с горизонтальным опере­нием, расположенным на фюзеляже или на нижней части киля.

При расположении горизонтального оперения на конце киля , т. е. вертикальное оперение проектируется практически без сужения. Это делается для получения достаточно большой строительной высоты профиля киля у его конца с тем, чтобы обес­печить размещение узлов крепления горизонтального оперения и механизмов управления.