У всіх є хвіст: у риб, у птахів, у літаків. Очевидно, що хвіст потрібен літакам з тієї ж причини, що й птахам, щоб керувати польотом. Але є літаки без хвоста, і вони також літають. Так може літаку хвіст не потрібен?
Навіщо літаку потрібен хвіст
Тут все дуже просто можна пояснити:
Так само як і пташці хвіст літаку потрібен для стабілізації польоту і для управління польотом. Це якщо по-простому, а от якщо глибше зануритися в тему все буде трошки складніше, але цікавіше.
Хвістове оперення
Стрелу потрібне оперення для стабілізації у польоті, без нього стріла, випущена з лука, буде відхилятися від своєї траєкторії і потрапити кудись такою стрілою буде складно.
У літака ті ж самі ситуація, саме тому хвостове оперення так і називається.
Сам термін прийшов з французької мови — “empennage” походить від слова “empenner”, що перекладається як “оперять стрілу” “penne” це пір’я. Кстати в англійському це теж empennage або tail unit.
Функції, які виконує хвостове оперення це:
балансування
управління
забезпечення стабільності
Зазвичай “хвіст” складається з двох частин: вертикального оперення і горизонтального. Але буває що горизонтального немає (“безхвістка”) або немає взагалі жодного оперення — “літаюче крило”. Але в таких випадках функції оперення виконують інші механізми розміщені на крилі.
Схема “безхвістка”
Балансування означає урівноваження сил (а точніше моментів сил) які можуть перекинути літак у польоті. Справа в тому, що на літак діють 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 в авіації:
“пікіруючий момент” — літак опускає ніс вниз
Для компенсації цих моментів потрібне горизонтальне хвостове оперення.
Також літак може керувати з боку в бік, це називається “прокачування”, щоб цьому протистояти, потрібне вертикальне хвостове оперення або просто кіль. Так як у кораблях, функція у них одна і та сама — забезпечення продольної стабільності.
З управлінням все просто, частина хвостового оперення рухлива, і потрібна для управління польотом: поворот вліво або вправо, підняти ніс або опустити. У сучасних бойових суперзвукових літаків горизонтальне хвостове оперення, а іноді і вертикальне роблять цілком поворотними.
Що означає забезпечення стабільності… Якщо пояснити простими словами, то при відхиленні літака вліво або вправо, вгору або вниз, на хвостовому оперенні виникають сили які повертають літак назад до прямолінійного польоту.
Навіщо літаку великий хвіст
Коли літаки почали літати на сверхзвукових швидкостях, площа оперення раптово почала зростати, хоча це здається нелогічним. Адже чим більша швидкість тим більше аеродинамічні сили, значить стабілізатор може бути менший. Але ні, все навпаки.
Незважаючи на те що Concorde сам по собі дуже довгий, хвіст у нього теж великий. Через сверхзвукову швидкість
На сверхзвуку зсувається центр аеродинамічних сил, момент стає більшим, а значить 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.
Навіщо літаку два хвости
Цікаво буде розібратися навіщо літаку два хвости. краще сказати два кіля.
Двох кільова схема народилася дуже давно, але популярною стала коли літаки почали літати на сверхзвукових швидкостях.
Справа в тому, що на сверхзвуку проблем з стабільністю набагато більше, тому інженерам доводилося збільшувати площу вертикального оперення. Але зі збільшенням швидкості кілі ставали просто великими. А це означало, що потрібно забезпечити більшу міцність, у 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 стабільність на зльоті і посадці.
Тут видно що якби у F-18 був один кіль, він би потрапив в “тінь” від фюзеляжа
Якщо у літака два двигуни, зробити два кіля простіше з точки зору конструкції, бо інакше між двигунами довелося б поставити несучу балку на якій і кріпився би хвіст, а це зайвий вага.
Крім того якщо трохи відхилити два кіля від вертикалі, це позитивно позначиться на радіолокаційній помітності. З одним стабілізатором так зробити неможливо.
Літаку хвіст не потрібен
А тепер 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 каченя і перенести горизонтальне оперення вперед.
Вся ця конструкція — зайвий вага, що літаку не на користь в цілому
Коли інженери вирішують позбутися від усього зайвого, вони роблять літак за схемою летючого крила.
В2 Spirit
Виникає цікаве питання, а як цей літак летить без хвоста? Як же балансування, стабільність і управління? Просто всі ці функції виконує крило. B2 в польоті постійно “підрулює” щоб летіти прямо.
Ідея летючого крила взагалі не нова, авіабудівники уже 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 польоту без хвоста знадобилася складна система автоматичного управління, простими словами, потрібен комп’ютер, інакше літак буде нестабільним і погано керованим.
Тепер зрозуміло, чому такий здавалося би непотрібний елемент конструкції все ще використовується в авіації. Без хвоста можна літати. Але це складно і дорого. Незважаючи на всі переваги схеми летючого крила, побудовано таких літаків лише 21 штука для смой багатої армії світу (його наступник B-21 Raider планується випустити партією вже 100 штук). Але ось всі інші і цивільні і військові літаки літають за допомогою хвоста.