Зачем самолету хвост?
У всех есть хвост: у рыб, у птиц, у самолетов. Очевидно, что хвост нужен самолетам по той же причине, что и птицам, чтобы управлять полетом. Но есть самолеты без хвоста, и они тоже летают. Так может самолету хвост не нужен?
Зачем самолету нужен хвост
Тут все очень просто можно объяснить:
Также как и птице хвост самолета нужен для стабилизации полета и для управления полетом. Это если по-простому, а вот если углубится в тему, все будет немного сложнее но интереснее.
Хвостовое оперение
Стреле нужно оперение для стабилизации в полете, без него стрела, выпущенная из лука, будет отклоняться от своей траектории и попасть куда-то такой стрелой будет сложно.
У самолета ровно та же ситуация, именно поэтому хвостовые оперение так и называется.
Классическая компоновка
Сам термин пришел из французского языка — «empennage» произошло от слова «empenner» что переводится как «оперять стрелу», penne — это перо. Кстати в английском это тоже empennage или tail unit.
Хвост самолета называется — хвостовое оперение потому, что в классической компоновке состоит и двух частей:
- Вертикальное хвостовые оперение, вертикальный стабилизатор или киль
- Горизонтальное хвостовое оперение или горизонтальный стабилизатор
Обычный «хвост» состоит из двух частей: вертикального и горизонтального. Но бывает, что горизонтального оперения нет (схема «безхвостка») или нет вообще никакого оперения — схема «летающее крыло».
Но в таких случаях функции оперения выполняют другие механизмы размещенные уже на крыле.
Функции которые выполняет хвостовое оперение это:
- балансировка
- управление
- обеспечение устойчивости
Мираж 2000. Аэродинамическая схема «безхвостка»
Балансировка — означает уравновешивание сил (а точнее моментов сил) которые могут опрокинуть самолет в полете.
Дело в том, что на самолет действуют подъемная сила, которая тянет его вверх и вес самолета, который тянет вниз. И так как точки приложения этих сил не совпадают, возникает то что называют в авиации:
- «пикирующий момент» — самолет опускает нос вниз
Для компенсации этих моментов нужно горизонтальное хвостовое оперение.
Также самолет может водить из стороны в сторону, это называется «рыскание», чтобы этому противостоять, нужно вертикальное хвостовое оперение или просто киль. Название как у корабля, функция то у них одна и та же — обеспечение продольной устойчивости.
С управлением все просто, часть хвостового оперения подвижна, и нужна для управления полетом: поворот влево или вправо, поднять нос или опустить.
У современных боевых сверхзвуковых самолетов горизонтальное хвостовое оперение, а иногда и вертикальное делают цельно поворотными.
Что значит обеспечение устойчивости…
Если объяснять простыми словами, то при отклонении самолета влево или вправо, вверх или вниз, на хвостовом оперении возникают силы которые возвращают самолет обратно к прямолинейном полету.
Зачем самолету большой хвост
Когда самолета начали летать на сверхзвуковых скоростях, площадь оперения внезапно стала расти, хотя это кажется нелогичным.
Ведь чем больше скорость тем больше аэродинамические силы, значит стабилизатор может быть меньше. Но нет, все наоборот.
Не смотря на то что Concorde сам по себе очень длинных, хвост у него тоже большой. Из-за сверхзвуковой скорости
На сверхзвуке смещается центр аэродинамических сил, момент становится больше, а значит горизонтальное оперение нужно больше.
Что касается вертикального оперения, то его увеличивают из-за образование ударных волн, которые «съедают» часть площади на которой могут создаваться аэродинамические силы. Приходится и тут увеличивать.
Зачем самолету два хвоста
Интересно будет разобраться зачем самолету два хвоста. Лучше сказать — два киля.
Двух килевая схема появилась очень давно, но популярной стала когда самолеты начали летать на сверхзвуковых скоростях.
P-38 «Лайтнинг». Двухбалочная компоновка
Дело в том, что на сверхзвуке проблем с устойчивостью гораздо больше, поэтому инженерам приходилось увеличивать площадь вертикального оперения.
Но с увеличением скорости кили становились просто огромными. А это означало, что нужно обеспечить большую прочность, в результате получаем большую массу.
А возить лишний вес самолету совсем не нужно. Очевидное решение — сделать два киля такой же площади как один большой.
Вес двух будет заметно меньше веса одного, это проявление закона квадрата куба.
Есть и другие причины, почему два лучше чем один в некоторых обстоятельствах.
Два киля на так сильно затеняются фюзеляжем при больших углах атаки. То есть кили сохраняют свою эффективность.
Это можно легко увидеть на примере истребителя F-18. Он палубный, значит место для взлета и посадки будет ограничено и углы атаки будут большими. Два киля означают большую устойчивость на взлете и посадке.
Тут видно что если бы у F-18 был один киль, он бы попал в «тень» от фюзеляжа
Если у самолета два двигателя, сделать два киля проще с точки зрения конструкции, ведь иначе между двигателями пришлось бы поставить несущую балку на которой и крепился бы хвост, а это лишний вес.
К тому же если немного отклонить два киля от вертикали, это позитивно скажется на радиолокационной заметности. С одним стабилизатором так сделать невозможно.
Самолету хвост не нужен
А теперь немного странного. С точки зрения аэродинамики — хвостовое оперение самолету не нужно и даже вредно.
- Вертикальное хвостовое оперение создает сопротивление, а подъемную силу не создает
- Горизонтальный стабилизатор даже создает отрицательную подъемную силу. То есть тянет хвост вниз, чтобы скомпенсировать пикирующий момент. Это называется «потери на балансировку». Вопрос решаемый, если использовать схему утка и перенести горизонтальное оперение вперед.
- Вся эта конструкция — лишний вес, что самолету не на пользу в целом
Когда инженеры решают избавиться от всего лишнего, они делают самолет по схеме летающее крыло.
В-2 «Spirit». Летающее крыло
Возникает интересный вопрос, а как это самолет летает без хвоста? Как же балансировка, устойчивость и управление?
Просто все эти функции выполняет крыло. B2 в полете постоянно «подруливает» чтобы лететь прямо.
Идея летающего крыла вообще не новая, авиастроители уже давно пытаются выбросить такой ненужный хвост и ставить только самое важное и полезное — само крыло. Первые попытки начались в 30х годах двадцатого века.
Но настоящий успех пришел только в 1982 году, когда первый полет совершил бомбардировщик B-2.
Все шло так трудно потому, что для полета без хвоста понадобилась сложная система автоматического управления, простыми словами, нужен компьютер, иначе самолет будет нестабильным и плохо управляемым.
Теперь понятно, почему такой казалось бы ненужный элемент конструкции все еще используется в авиации. Без хвоста можно летать. Но это сложно и дорого.
Несмотря на все преимущества схемы летающее крыло, построено таких самолетов только 21 штука для самой богатой армии мира (его наследник B-21 Raider планируется выпустить партией уже 100 штук).
Но вот все остальные и гражданские и военные аэропланы летают с помощью хвоста.
Почему у современных самолетов хвост есть всегда
Современные пассажирские авиалайнеры создаются по классической схеме: с хвостовым оперением, которое расположено за крылом.
Хотя все конструкторы знают о преимуществах летящего крыла или схеме «утка». Так почему же никто не внедрят такую перспективную схему, кроме военных?
Просто потому, что все новое — это большой риск. Риск технологический (мы сделаем, а оно не заработает как надо) и экономический (мы сделаем то, что потом никто не купит).
| Характеристика | B-2 Spirit | B-52 | Airbus A380-800 | Boeing 777-200LR | Boeing 747-8F | Boeing 737-800F |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Дальность, км | 11 000 | 14 200 | 14 800 | 17 446 | 8 130 | 3 700 |
| Максимальный взлетный вес, кг | 170 550 | 220 000 | 575 000 | 347 452 | 447 696 | 79 015 |
| Масса полезной нагрузки, кг | 18 000 | 31 500 | 84 000 | 64 000 | 140 000 | 20 000 |
| Тяга двигателей, кгс | 4 × 7 824 | 8 × 3 856 | 4 × 31 638 | 2 × 52 163 | 4 × 26 989 | 2 × 13 154 |
| Расход топлива, кг/час | ~4 500 | ~12 000 | 14 650 | ~8 600 | ~10 800 | ~3 000 |
| Стоимость самолета (млн.) | ~$2 600 | ~$85 | ~$445 | ~$346 | ~$419 | ~$90 |
| Стоимость часа полета | ~$135 000 | ~$88 000 | ~$50 000 | ~$30 000 | ~$45 000 | ~$10 000 |
Если посмотреть на характеристики классических самолетов и летящего крыла становится понятно что:
- Летающее крыло эффективнее с точки зрения аэродинамики. Боинг 737 перевозит 20 тон на дальность 3700 километров, а B2 свои 18 тонн может доставить уже на 11000 километров
- Большие самолеты классической схемы при сравнимой дальности имеют больший максимальный взлетный вес, но также больший расход топлива
- Стоимость B-2 без учета научно исследовательских работ составляет 2 миллиарда долларов, а с учетом — все 4. Классические самолеты значительно дешевле
В итоге получается, что использовать хорошо изученную схему с хвостом гораздо эффективнее, потому, что она уже хорошо изучена и отработана. Рисковать такими огромными деньгами никто из производителей самолетов видимо еще не готов.
В 2007 году компания Боинг проводила исследования на уменьшенном прототипе летающего крыла X-48B. Заявлялось, что переход от классической схемы позволит уменьшить расход топлива на 30%.
Airbus никаких прототипов не создавал, ограничился только картинками и обещанием 2035 году создать самолет способный перевозить 200 пассажиров на 3700 километров.
Выходит мы еще не скоро сможем увидеть самолеты без хвоста не на картинках, а в аэропортах. Классическая схема с нами будет еще долго.
