Элевоны

Элевоны — это аэродинамические органы управления летательного аппарата, совмещающие функции элеронов и рулей высоты. Конструктивно представляют собой подвижные поверхности, расположенные на задней кромке крыла. Отклоняясь синхронно вверх или вниз, элевоны выполняют роль руля высоты, управляя тангажом (наклоном носовой части вверх или вниз). Отклоняясь дифференциально (в разные стороны), они действуют как элероны, управляя креном (вращением вокруг продольной оси). Такое совмещение функций позволяет упростить конструкцию летательного аппарата, уменьшить массу и аэродинамическое сопротивление, что особенно важно для бесхвостых схем, летающих крыльев и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

История

Концепция совмещения функций элеронов и руля высоты возникла на ранних этапах развития авиации, но практическое применение получила значительно позже. Первые эксперименты с подобными поверхностями проводились в 1930-х годах, однако широкое распространение элевоны получили только в эпоху реактивной авиации, когда потребовалось создавать высокоманевренные истребители и самолёты с нетрадиционными аэродинамическими схемами.

Одним из первых серийных самолётов, использующих элевоны, стал американский палубный истребитель Vought F7U Cutlass (1948 год), выполненный по схеме «бесхвостка». В СССР элевоны применялись на экспериментальных и серийных машинах, таких как сверхзвуковой перехватчик МиГ-21 (на ранних модификациях) и на бомбардировщике Ту-160. Однако наиболее массово элевоны используются на самолётах схемы «летающее крыло», например, на американском стратегическом бомбардировщике Northrop B-2 Spirit (1990-е годы) и на российском ударном БПЛА «С-70 «Охотник» (разработка компании «Сухой»).

С развитием систем дистанционного управления (электродистанционных систем) и цифровых автопилотов применение элевонов стало стандартным для многих современных беспилотных аппаратов, где отсутствие пилота позволяет реализовать сложные схемы управления без традиционных механических тяг.

Принцип работы

Элевоны управляются от одной или двух рулевых машинок, получающих сигналы от системы управления полётом. В зависимости от режима полёта и команд пилота или автопилота, элевоны могут отклоняться в четырёх основных комбинациях:

1. Синхронное отклонение вверх (оба элевона поднимаются). Создаётся пикирующий момент (нос самолёта опускается).
2. Синхронное отклонение вниз (оба элевона опускаются). Создаётся кабрирующий момент (нос самолёта поднимается).
3. Дифференциальное отклонение (левый вверх, правый вниз). Создаётся момент крена влево.
4. Дифференциальное отклонение (левый вниз, правый вверх). Создаётся момент крена вправо.

В современных системах управления (например, в системе fly-by-wire) используется смешанный сигнал: пилот задаёт желаемое изменение тангажа и крена, а бортовой компьютер вычисляет необходимые углы отклонения каждого элевона. При этом возможна компенсация нежелательных побочных эффектов, например, для предотвращения сваливания или чрезмерного скольжения.

Конструктивные особенности

Элевоны конструктивно аналогичны элеронам или рулям высоты. Они состоят из каркаса (нервюры, лонжерон), обшивки (металлической, композитной или тканевой) и навески на шарнирах. Для обеспечения балансировки и снижения усилий на органах управления часто применяются аэродинамические компенсаторы (роговые, осевые, сервокомпенсаторы) или триммеры.

В отличие от раздельных элеронов и руля высоты, элевоны требуют более сложной системы управления, способной суммировать и разносить сигналы. В простейших моделях (например, в некоторых спортивных самолётах или БПЛА) это реализуется механически, через систему тяг и качалок. В сложных летательных аппаратах — через электронику.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Упрощение конструкции: отсутствие отдельного горизонтального оперения (стабилизатора и руля высоты) снижает массу, лобовое сопротивление и сложность изготовления.
• Уменьшение заметности: для самолётов, выполненных по технологии «стелс», отсутствие хвостового оперения является критическим фактором снижения радиолокационной заметности.
• Улучшение маневренности: на некоторых режимах полёта (например, на больших углах атаки) элевоны могут обеспечивать более эффективное управление, чем классическая схема.
• Эффективность на сверхзвуковых скоростях: при переходе на сверхзвук центр давления смещается назад, что может потребовать балансировки. В бесхвостых схемах с элевонами эта проблема решается проще, чем с классическим оперением.

Недостатки

• Сложность управления: требуется автоматическая или полуавтоматическая система, суммирующая сигналы. При отказе системы управления пилотирование может стать невозможным.
• Ограниченный диапазон углов атаки: при больших углах атаки элевоны могут терять эффективность или вызывать срыв потока на крыле, что приводит к сваливанию.
• Необходимость компенсации: при отклонении элевонов для управления креном возникает побочный эффект изменения тангажа (из-за разницы в подъёмной силе на левой и правой консолях), что требует коррекции.
• Сложность балансировки: на некоторых режимах полёта (например, при выпуске закрылков) может потребоваться дополнительное отклонение элевонов, что снижает их эффективность для основного управления.

Применение

Элевоны являются основным органом управления для летательных аппаратов, выполненных по аэродинамическим схемам «бесхвостка» и «летающее крыло». Они также могут использоваться в качестве дополнительных органов управления на некоторых самолётах классической схемы (например, для повышения манёвренности или в качестве резервных).

Примеры летательных аппаратов с элевонами

• Самолёты-бесхвостки: истребители Dassault Mirage III, Saab 35 Draken, Convair F-102 Delta Dagger, МиГ-21 (ранние модификации).
• Самолёты схемы «летающее крыло»: Northrop B-2 Spirit, Northrop Grumman B-21 Raider, Horten Ho 229 (исторический), российский «С-70 «Охотник».
• Сверхзвуковые бомбардировщики: Ту-160 (использует элевоны на консолях крыла вместе с цельноповоротным стабилизатором).
• Спортивные и пилотажные самолёты: некоторые модели, построенные по схеме «бесхвостка» (например, самолёт «Экспериментальный»).
• Беспилотные летательные аппараты: подавляющее большинство БПЛА самолётного типа (например, MQ-1 Predator, MQ-9 Reaper, «Орлан-10», «Форпост»).

Разновидности

В некоторых конструкциях используются модификации элевонов:

• Элевоны-закрылки (флапероны, flaperons) — совмещают функции элевонов и закрылков. Отклоняются синхронно вниз для увеличения подъёмной силы на взлёте и посадке, а также дифференциально для управления креном.
• Элевоны-интерцепторы — в некоторых схемах элевоны могут работать в паре с интерцепторами (спойлерами) для улучшения управления по крену на малых скоростях.

Интересные факты

• На самолёте B-2 Spirit, из-за отсутствия вертикального оперения, для управления по курсу (рыскание) используются дифференциальное отклонение элевонов и работа двигателей, что делает систему управления чрезвычайно сложной.
• В истории авиации известны случаи, когда отказ системы управления элевонами приводил к катастрофам, так как пилоты не могли компенсировать нештатное поведение самолёта вручную.
• Разработка эффективных элевонов для сверхзвуковых самолётов потребовала решения сложных задач аэроупругости, так как при высоких скоростях возникают значительные нагрузки и вибрации.

Источники

• Аэродинамика самолётов. Под редакцией Г. С. Бюшгенса. М.: Наука, 1994.
• Конструкция самолётов. Под редакцией О. А. Азарова. М.: Машиностроение, 2000.
• Управление полётом самолётов. В. А. Боднер, В. Т. Дедков. М.: Машиностроение, 1983.
• Jane’s All the World’s Aircraft. Jane’s Information Group, различные годы.
• Материалы открытых лекций и учебных пособий МАИ (Московский авиационный институт).