Тангаж в авиации¶

Тангаж — один из трёх углов ориентации летательного аппарата (углов Эйлера) относительно выбранной системы координат; угол между продольной осью фюзеляжа и горизонтальной плоскостью, измеряемый в градусах. Вместе с креном и курсом тангаж определяет пространственное положение самолёта или вертолёта. Положительным считается носовой наклон вверх (кабрирование), отрицательным — носовой наклон вниз (пикирование).

¶Физика явления

Тангаж возникает при несбалансированности моментов, действующих вокруг поперечной (боковой) оси самолёта. Основные источники моментов тангажа:

• Подъёмная сила крыла, приложенная за смещённой от центра масс точкой;
• Горизонтальное оперение (стабилизатор), создающее компенсирующий момент;
• Двигатель — тяга, приложенная выше или ниже центра масс, формирует крутящий момент;
• Аэродинамические силы на фюзеляже и других элементах конструкции.

В устойчивом полёте сумма моментов равна нулю, и угол тангажа остаётся постоянным. При отклонении ручки управления (или штурвала) на тангаж управляют рулём высоты — аэродинамической поверхностью на горизонтальном оперении. Отклонение руля высоты вниз увеличивает подъёмную силу хвостовой части, что вызывает кабрирование; отклонение вверх — пикирование.

¶Системы измерения

Угол тангажа измеряется авиагоризонтом (индикатором искусственного горизонта), гироскопическим датчиком или инерциальной навигационной системой. В современных самолётах данные о тангаже поступают в систему автоматического управления (САУ) и отображаются на многофункциональных индикаторах в кабине. Для пилотажных тренажёров и лёгких самолётов применяются электромеханические и цифровые авиагоризонты.

¶Виды тангажа

По характеру движения различают:

• Установившийся тангаж — постоянный угол при прямолинейном равномерном полёте;
• Разгонный (разгонно-наборный) тангаж — изменение угла при наборе или снижении высоты;
• Пике — крутое снижение с углом более 30°;
• Кабрирование — подъём носа с углом более 30°;
• Иммельманн — манёвр, включающий половину петли с переворотом;
• Недостаточный/избыточный тангаж — отклонения от расчётного режима, опасные на малых высотах.

¶Устойчивость по тангажу

Продольная устойчивость — способность самолёта восстанавливать исходный угол тангажа после возмущения. Обеспечивается правильным расположением центра масс и аэродинамической схемой. При смещении центра масс к носу самолёт становится более «твёрдым» по тангажу, при смещении к хвосту — менее устойчивым, вплоть до потери устойчивости. Эта зависимость критически важна при загрузке: расчёт допустимого диапазона центровки выполняется перед каждым полётом.

¶Опасные режимы

Наиболее опасны ситуации, связанные с потерей контроля над тангажом:

• Срыв и сваливание — при чрезмерном увеличении угла атаки (который напрямую связан с тангажом) крыло теряет подъёмную силу;
• Флаттер — аэродинамическая неустойчивость, при которой колебания тангажа нарастают;
• Феномен «затягивания в пикирование» — характерен для некоторых пассажирских самолётов при перегрузке;
• Макдоналд-Дуглас DC-10 (1989) — разрушение двигателя привело к потере гидравлики руля высоты и неконтролируемому пикированию.

¶Тангаж в авиамоделировании и спорте

В радиоуправляемых авиамоделях канал тангажа, как правило, связан с elevator (рулём высоты) или flaperon. В спортивном пилотаже фигуры высшего пилотажа — петля, бочка, иммельманн, нисходящая бочка — представляют собой контролируемые изменения тангажа в сочетании с креном и курсом. Точное удержание углов тангажа критично при выполнении фигур на малой высоте.

¶Тангаж и автоматика

Системы автоматического управления и автопилоты поддерживают заданный режим тангажа, обеспечивая стабилизацию высоты и скорости. В самолётах с fly-by-wire (электропроводной системой управления) компьютер ограничивает углы тангажа, предотвращая выход за предельные значения. Система предупреждения о сваливании (STALL) и защита от потери управляемости напрямую контролируют связку «угол атаки — тангаж».

¶Смежные понятия

• Угол атаки — между хордой крыла и набегающим потоком; зависит от тангажа, но не тождествен ему;
• Путевой угол — между осью самолёта и направлением на цель;
• Курс — между осью самолёта и северным направлением;
• Угол аэродинамического качества — отношение подъёмной силы к силе сопротивления.

Источники:

• Аэродинамика самолёта / Б.Н. Горелов. — М.: Машиностроение.
• Теория полёта. Курс лекций / под ред. С.М. Елохина.
• Книга пилота. Практическая аэродинамика / Д. Андерсон.
• Справочник по авиации / под ред. Н.В. Матвеева.