Элеро́ны (от — «крылышко»), или рули́ кре́на, — части крыльев самолёта, служащие для поворотов его вокруг продольной осиЭлероны // Малая советская энциклопедия (2-е изд.), 1947., аэродинамические органы управления, симметрично расположенные на задней кромке консолей крылаКрыльев — для не монопланов. у самолётовПод самолётом можно также понимать крылатую ракету с подобной схемой компоновки. нормальной схемы и самолётов схемы «утка».
Элероны предназначены, в первую очередь, для управления углом крена самолёта, при этом элероны отклоняются дифференциально, то есть в противоположные стороны: для крена самолёта вправо правый элерон поворачивается вверх, а левый — вниз; и наоборот. Принцип действия элеронов состоит в том, что у части крылаВключая площадь самого элерона., расположенной перед элероном, поднятым вверх, подъёмная сила уменьшается, а у части крыла перед опущенным элероном подъёмная сила увеличивается; создаётся момент силы, изменяющий скорость вращения самолёта вокруг оси, близкой к продольной оси самолёта.
История
Впервые элероны появились на моноплане, построенном новозеландским изобретателем Ричардом Персом в 1902 году, однако самолёт совершал только очень короткие и неустойчивые полёты. Первым самолётом, совершившим полностью управляемый полёт с использованием элеронов, был 14 Bis, созданный Альберто Сантос-Дюмоном. Ранее элероны заменяла деформация крыла, разработанная братьями Райт.
Управляющую поверхность, комбинирующую элерон и закрылки, называют флаперон (). Чтобы элероны работали как выпущенные закрылки, их синхронно опускают вниз. Для продолжения возможности управления креном к этому отклонению элеронов добавляется обычное для элеронов дифференциальное отклонение.
Для управления креном у самолётов с данной компоновкой может также применяться руль направления, спойлеры, газовые рули, изменяющийся вектор тяги двигателей, дифференциальное отклонение рулей высоты, изменение центра масс самолёта и прочие методы и их комбинации.
Побочные эффекты
Один из побочных эффектов действия элеронов — некоторый момент рыскания в противоположном направлении. Другими словами, при желании повернуть направо и использовании элеронов для создания крена вправо самолёт во время увеличения крена может немного повести по рысканию влево. Эффект связан с появлением разницы в лобовом сопротивлении между правой и левой консолью крыла, обусловленной изменением подъёмной силы при отклонении элеронов. Та консоль крыла, у которой элерон отклонён вниз, обладает большим коэффициентом лобового сопротивления, чем другая консоль крыла. В современных системах управления самолётом данный побочный эффект минимизируют различными способами. Например, для создания крена элероны отклоняют также в противоположном направлении, но на разные углы – тот, что отклоняется вверх, отклоняется на больший угол, чтобы создать большее сопротивление.
На скоростных самолётах с крылом большого удлинения может проявляться эффект реверса элеронов — из-за маневренной нагрузки, возникающей при отклонении элерона, расположенного близко к законцовке крыла, крыло закручивается и угол атаки на нём изменяется, что может нивелировать эффект от отклонения элерона, а то и вовсе дать обратный. Например, при отклонении элерона вниз (для увеличения подъёмной силы полукрыла) на заднюю кромку крыла действует сила, направленная вверх, крыло закручивается вперёд и угол атаки на нём уменьшается, что снижает подъёмную силу. Таким образом, действие элерона на крыле при реверсе напоминает действие триммера на элероне или руле. В той или иной степени реверс элеронов проявлялся на многих скоростных самолётах (в частности, на Ту-134), а на Ту-22 из-за этого эффекта максимальное число Маха было ограничено до 1,4. Наиболее распространённые методы предотвращения реверса элеронов — использование элеронов-интерцепторов (интерцепторы расположены ближе к центру хорды крыла и при выпуске почти не вызывают его закручивания) либо установка ближе к центроплану дополнительных элеронов, при этом внешние (расположенные близко к законцовкам) элероны, необходимые для эффективного управления на малых скоростях, отключаются при больших скоростях и поперечное управление идёт за счёт внутренних элеронов, не дающих реверса за счёт большой жёсткости крыла в районе центроплана.
Типы элеронов Взаимосвязанные или симметричные элероны Самая простая и одна из первоначальных конструкций элеронов — симметричная: оба элерона отклоняются на одинаковые углы в противоположные стороны. Например, если повернуть штурвал влево на 30 градусов, левый элерон поднимется на 15 градусов, а правый на столько же опустится. Такая схема дает очень сильное обратное рыскание, потому что разница в лобовом сопротивлении между левым и правым полукрылом оказывается очень большой. Самолётам с чисто симметричными элеронами требуется очень большое отклонение руля направления, чтобы компенсировать рыскание от этого сопротивления. Именно по этой причине на современных машинах такую схему уже не применяют, а используют одно из более продвинутых решений.
Элероны одностороннего действия Эта конструкция предполагает, что при отклонении ручки управления элерон на одном крыле поднимается вверх, создавая сопротивление и уменьшая подъёмную силу, в то время как элерон на другом крыле остаётся в нейтральном положении (или отклоняется лишь незначительно). Такой механизм использовался на некоторых ранних самолётах. Иной вариант, основанный на гошировании крыла (то есть просто деформации законцовки крыла вниз тросами), существовал на поздней версии самолёта Santos-Dumont Demoiselle. Одним из недостатков такой схемы была более выраженная склонность к рысканию, чем даже у простейших обычных взаимосвязанных элеронов, которые отклоняются на одинаковый уголAnswers to Correspondents: A. W. D. (Fareham), Flight Magazine, March 8, 1917, p. 227..
Дифференциальные элероны
Благодаря особой конструкции механических связей можно добиться того, что поднимающийся элерон отклоняется на больший угол, чем опускающийся (см., например, патент США 1,565,097)United States Patent 1565097 , Mummert 1925. Это помогает уменьшить вероятность сваливания законцовки крыла при работе элеронов на больших углах атаки. Кроме того, возникающая при этом разница в лобовом сопротивлении снижает обратное рыскание. Смысл такой схемы в том, что падение подъёмной силы на крыле с отклонённым вверх элероном не создаёт дополнительных нежелательных явлений и вредных последствий в виде срыва потока с крыла с поднятым элероном, хоть он и поднят на больший угол, тогда как прирост подъёмной силы от опускающегося элерона стараются свести к минимуму, чтобы уменьшить сопротивление и риск срыва потока с плоскости крыла, на которой элерон опущен. Суммарная разница в лобовом сопротивлении между крыльями уменьшается, а значит, ослабевает и разворачивающий момент рыскания. Кренящий момент пары сил всегда определяется разностью подъёмных сил между двумя крыльями. Конструктор фирмы de Havilland изобрёл простую и практичную систему тяг, и их классический британский биплан de Havilland Tiger Moth стал одним из наиболее известных и одним из первых самолётов, использовавших дифференциальные элероны.
Чаще всего используют дифференциал отклонения около 2:1 — когда опускающийся элерон уходит, например, на 15 градусов, поднимающийся отклоняется примерно на 30 градусов. Точное соотношение подбирается исходя из конкретных характеристик самолёта.
Недостатки такой схемы заключаются в том, что несколько падает эффективность управления по крену, потому что опускающийся элерон отклоняется меньше, чем мог бы в симметричной схеме. Обратное рыскание устраняется не полностью — руль направления по‑прежнему должен включаться в работу, но его отклонение требуется заметно меньшее. Усложняется механическая схема управления.
Элероны Фрайза
Тип элерона, отличающийся смещённой вперёд и вниз осью вращения, при котором носок отклонённого вверх элерона выступает под нижнюю поверхность крыла, тем самым перенаправляя часть воздуха из под крыла над крылом, что уменьшает срыв потока снизу и компенсирует рыскание. Запатентован в 1921 году инженером Лесли Джорджем Фрайсом, изначально был придуман для снижения усилий на штурвале при возросших скоростях полёта.
Основное преимущество в настоящее время – более эффективное подавление побочного рыскания. Сохраняется полная эффективность по крену — оба элерона могут отклоняться на равные углы. Достигается аэродинамическая балансировка, заметно снижающая усилия на ручке/штурвале управления.
К недостаткам можно отнести сложность конструкция шарнира и самого узла крепления элерона. При работе элеронов общее паразитное сопротивление немного выше. Усложняется техническое обслуживание этого узла.
Элероны, связанные с рулём направления В такой схеме элероны и руль направления кинематически или электронно связаны так, что отклонение ручки автоматически вызывает пропорциональное отклонение руля направления в нужную сторону. Может быть полное связывание, когда руль жёстко связан с элеронами, и для координированного разворота педали вовсе не требуются. Нередко в такой схеме от педалей вообще отказываются, оставляя их функционал только для руления по земле. А может быть частичное связывание, когда руль реагирует на движение элеронов, но пилот может независимо добавить движения руля педалями. Такой гибрид помогает держать координацию, но оставляет возможность работать ногами раздельно — например, при посадке с боковым ветром или на скольжении.
Классический пример самолёта с такой схемой — Ercoupe 1940‑х годов. На нём полностью отказались от педалей: поворот штурвала автоматически обеспечивал координированный разворот. Самолёт рекламировался как «защищённый от штопора» и был настолько упрощён, что для полётов не требовалось стандартного пилотского свидетельства. Хотя «беспедальный» Ercoupe — самая радикальная реализация, на многих современных самолётах используется частичное связывание.
Плюс схемы в значительном снижении нагрузки на пилота при координированном пилотировании. Полезно для пилотов с небольшим налётом. Однако, такое управление может восприниматься как неестественное теми, кто привык к обычному раздельному управлению. Ограничивает выполнение посадок с боковым ветром, скольжений и некоторых пилотажных фигур, где необходим независимый руль направления.
Флапероны
Флапероны объединяют в одной поверхности функции закрылка и элерона. При их выпуске как закрылков оба флаперона синхронно отклоняются вниз, увеличивая подъёмную силу на взлёте и посадке. При работе как элеронами они отклоняются дифференциально, обеспечивая управление по крену. Когда они уже выпущены как закрылки, флапероны могут асимметрично отклоняться от этого выпущенного положения выполняя функции элеронов, сохраняя поперечное управление.
Специальный механизм в проводке управления позволяет суммировать оба сигнала, выдавая на каждую поверхность правильное положение. В современных системах чаще применяют электрическую схему управления и смешивание сигнала или блоки управления с вычислительными системами.
Такая схема делает проще конструкцию крыла – меньше отдельных поверхностей, экономит массу, особенно она выигрышна на самолётах с коротким крылом или высокими требованиями к несущим свойствам. При этом приходится искать компромисс между максимальной эффективностью этих плоскостей как элеронов и максимальным приростом подъёмной силы (как флаперонов). Схема управления усложняется. При выпущенных закрылках располагаемый ход элеронов уменьшается, что снижает поперечную управляемость.
Широко применяются на лёгких спортивных, экспериментальных и некоторых самолётах, собираемых авиалюбителями самостоятельно из кит-набора, например, в моделях Zenith STOL. Используются и на отдельных военных машинах, в том числе на некоторых модификациях F-16 и на V-22 Osprey.
Интерцепторы и спойлероны