У всіх є хвіст: у риб, у птахів, у літаків. Очевидно, що хвіст потрібен літакам з тієї ж причини, що й птахам, щоб управляти польотом. Але існують літаки без хвоста, і вони також літають. Так може літаку хвіст не потрібен?
Зачем літаку потрібен хвіст
Тут все дуже просто можна пояснити:
Так само як і птаху хвіст літаку потрібен для стабілізації польоту і для управління польотом. Це якщо просто, а от якщо заглибитися в тему все буде трохи складніше, але цікавіше.
Хвістове оперення
Стрілу потрібне оперення для стабілізації в польоті, без нього стріла, випущена з лука, буде відхилятися від своєї траєкторії і потрапити куди-небудь такою стрілою буде складно.
У літака точно така ж ситуація, саме тому хвостове оперення так і називається.
Сам термін прийшов з французької мови — «empennage» походить від слова «empenner» що перекладається як «оперяти стрілу» «penne» це пір’я. До речі в англійському це також empennage або tail unit.
Функції, які виконує хвостове оперення це:
балансування
управління
забезпечення стійкості
Зазвичай «хвіст» складається з двох частин: вертикального оперення і горизонтального. Але буває, що горизонтального немає («безхвостка») або немає взагалі жодного оперення — «летюче крило».
Але в таких випадках функції оперення виконують інші механізми, розміщені на крилі.
Схема «безхвостка»
Балансування означає уравноважування сил (а точніше моментів сил), які вивернути літак у польоті.
Справа в тому, що на літак діє підйомна сила, яка тягне його вгору і вага літака, яка тягне вниз. І так як точки прикладення цих сил не співпадають, виникає те, що називають у авіації:
«пікіруючий момент» — літак опускає ніс вниз
Для компенсації цих моментів потрібне горизонтальне хвостове оперення.
Також літак може водити з боку в бік, це називається «поворот», щоб цьому протистояти, потрібне вертикальне хвостове оперення або просто кіль. Так як у кораблях, функція у них одна і та ж — забезпечення продольної стійкості.
З управлінням все просто, частина хвостового оперення рухлива, і потрібна для управління польотом: поворот вліво або вправо, підняти ніс або опустити.
У сучасних бойових підзвукових літаків горизонтальне хвостове оперення, а іноді і вертикальне роблять цілком поворотними.
Що означає забезпечення стійкості…
Якщо пояснювати простими словами, то при відхиленні літака вліво або вправо, вгору або вниз, на хвостовому оперенні виникають сили, які повертають літак назад до прямолінійного польоту.
Зачем літаку великий хвіст
Коли літака почали літати на сверхзвукових швидкостях, площа оперення раптово почала рости, хоча це здається нелогічним. Адже чим більша швидкість, тим більш аеродинамічні сили, значить стабілізатор може бути менше. Але ні, все навпаки.
Незважаючи на те, що Concorde сам по собі дуже довгий, хвіст у нього теж великий. Через сверхзвукову швидкість
На сверхзвуці зсувається центр аеродинамічних сил, момент стає більшим, а отже горизонтальне оперення потрібно більше.
Що стосується вертикального оперення то його збільшують через утворення ударних хвиль, які «з’їдають» частину площі на якій можуть створюватися аеродинамічні сили. Доводиться і тут збільшувати.
Зачем літаку два хвости
Цікаво буде розібратися зачем літаку два хвости. Краще сказати — два киля.
Двох кілева схема виникла дуже давно, але популярною стала коли літаки почали літати на сверхзвукових швидкостях.
Справа в тому, що на сверхзвуці проблем з устійкістю набагато більше, тому інженерам доводилося збільшувати площу вертикального оперення.
Але зі збільшенням швидкості кілі ставали просто великими. А це означало, що треба забезпечити більшу міцність, в результаті отримуємо більшу масу.
А возити зайву вагу літаку зовсім не потрібно. Очевидне рішення — зробити два кіля такої ж площі як один великий. Вага двох буде помітно менше ваги одного, це проявлення закону квадрата куба.
Є і інші причини чому два краще ніж один в деяких обставинах.
Два кіля на так сильно затіняються фюзеляжем при великих кутах атаки. Тобто кілі зберігають свою ефективність.
Це можна легко побачити на прикладі істребителя F-18. Він палубний, значить місце для зльоту і посадки буде обмежено і кути атаки будуть великими. Два кіля означають більшу стійкість на зльоті і посадці.
Тут видно що якби у F-18 був один кіль, він би попав в «тінь» від фюзеляжа
Якщо у літака два двигуни, зробити два кіля простіше з точки зору конструкції, адже інакше між двигунами довелося б поставити несучий брус на якому і кріпився би хвіст, а це зайвий вага.
До того ж якщо трохи відхилити два кіля від вертикалі, це позитивно відобразиться на радіолокаційній помітності. З одним стабілізатором так зробити неможливо.
Літаку хвіст не потрібен
А зараз трохи дивного. З точки зору аеродинаміки — хвостове оперення літаку не потрібне і навіть шкідливе.
Вертикальне хвостове оперення створює опір, а підйомну силу не створює
Горизонтальний стабілізатор навіть створює від’ємну підйомну силу. Тобто тягне хвіст вниз, щоб компенсувати пікіруючий момент. Це називається «втрати на балансування». Проблему можна вирішити, якщо використовувати схему качка і перенести горизонтальне оперення вперед.
Уся ця конструкція — зайва вага, що літаку не на користь в цілому
Коли інженери вирішують позбутися від усього зайвого, вони роблять літак за схемою летюче крило.
В2 Spirit
Виникає цікаве питання, а як це літак літає без хвоста? Як же балансування, стійкість і управління? Просто всі ці функції виконує крило. B2 в польоті постійно «руляє» щоб летіти прямо.
Ідея летючого крила взагалі не нова, авіабудівники вже давно намагаються викинути такий непотрібний хвіст і ставити лише найважливіше і корисне — саме крило. Перші спроби почалися в 30-х роках двадцятого століття.
Але справжній успіх прийшов лише в 1982 році, коли перший політ здійснив бомбардувальник B2. Все йшло так важко тому що для політу без хвоста знадобилася складна система автоматичного управління, простими словами, потрібен комп’ютер, інакше літак буде нестійким і погано керованим.
Тепер зрозуміло, чому такий здавалося б непотрібний елемент конструкції все ще використовується в авіації. Без хвоста можна літати. Але це складно і дорого.
Незважаючи на всі переваги схеми летюче крило, побудовано таких літаків лише 21 штука для своєї багатої армії світу (його спадкоємець B-21 Raider планується випустити партією вже 100 штук). Але ось усі інші і цивільні і військові літаки літають за допомогою хвоста.