Когда упругость ‒ это плохо

Вообще-то, упругость ‒ это хорошо, она позволяет лучше выдерживать нагрузки. Там, где абсолютно жесткое тело сломается, упругое согнется, но выдержит, а после вернется в изначальное свое состояние. Но все хорошо в меру и на своем месте, ведь упругость тоже может принести немало проблем. Особенно это касается (как и всегда) скоростных самолетов.
Начнем с азов: крыло самолета упругое. Упругое оно потому, что, во-первых, абсолютно жесткую конструкцию таких размеров на практике сделать практически невозможно, а во-вторых, как уже было сказано, упругость помогает крылу выдерживать внушительные нагрузки. Да-да, самолет вполне способен махать крыльями, правда, не сильно.
При этом, крыло самолета упруго в разных направлениях, самолет может как махать крыльями, так и крутить ими. Не забываем и про то, что на крыле расположены разнообразные органы управления самолетом: закрылки, предкрылки, интерцепторы, элероны и т.д. Сегодня нас интересуют элероны.
Элероны ‒ это органы управления самолетом, отвечающие за управление по крену, они расположены на задней кромке крыла, ближе к его законцовкам. Действуют они очень просто: если их отклонить, то профиль крыла в месте их расположения изменится, а вместе с профилем изменится и подъемная сила той части крыла, что расположена перед элероном. Отклоняем элерон вверх ‒ подъемная сила на крыле уменьшается, отклоняем вниз ‒ подъемная сила увеличивается. Отклоняем по-разному справа и слева ‒ получаем вращение самолета вокруг его продольной оси. Естественно, на элерон действует поток воздуха, и возникает сила, стремящаяся вернуть элерон в нейтральное положение. При этом, чем выше скорость самолета и чем сильнее отклонен элерон ‒ тем больше будет эта сила.
А теперь потребуется немного воображения. Представим просто прямое крыло, или даже кусочек крыла с элероном в потоке. Если отклонить элерон вниз, то подъемная сила на крыле увеличится. Но мы помним, что крыло вообще-то упругое, в том числе оно способно крутиться, а еще на сам элерон теперь действует сила, направленная вверх. Эта сила теперь изгибает крыло задней кромкой (где и расположен элерон) вверх и закручивает его так, что теперь его передняя кромка смотрит чуть вниз. Угол атаки (под которым на крыло набегает поток воздуха) на крыле уменьшился. А если крыло подкрутилось, то угол отклонения закрылка относительно потока уменьшился. Относительно крыла элерон отклонен так, как и был, но теперь само крыло повернулось и относительно потока стоит по-другому.
Это кручение и изменение углов приводит к тому, что эффективность элеронов уменьшается, и поэтому элерон на жестком крыле всегда работает лучше, чем на упругом. В целом, с этим можно жить, самолеты с упругим крылом летают. Вот только уменьшение эффективности зависит от скорости полета, и чем выше скорость (а для умных ‒ скоростной напор), тем сильнее уменьшается эффективность элеронов. И если постепенно скорость повышать, то в один совсем не прекрасный момент эффективность элеронов упадет до нуля. То есть управления по крену больше не будет. Совсем. Это опасно уже само по себе, потому что любая несимметричность правой и левой половинок самолета (а самолеты не бывают абсолютно симметричными) тут же вызовет самопроизвольное движение по крену, которое невозможно контролировать. А это прямой путь к снижению по спиральной траектории с увеличением скорости и падению носом в землю, если, конечно, самолет к тому моменту не разрушится от нагрузок. Но это еще не все…
Повышаем скорость еще сильнее. Сила, действующая на элерон, продолжает расти, а крыло продолжает закручиваться. Передняя кромка крыла смотрит вниз все сильнее, угол атаки крыла все меньше, а чем меньше угол атаки, тем меньше подъемная сила. Получается интересная и крайне неприятная ситуация: мы отклоняем элерон вниз, чтобы увеличить подъемную силу крыла, а она наоборот уменьшается, потому что скорость слишком большая и крыло слишком сильно закрутилось. То есть, на наше управляющее действие (отклонение элерона вниз) возникла не ожидаемая прямая реакция (увеличение подъемной силы), а обратная (ее уменьшение, и крен самолета в другую сторону). Это явление называется реверсом элеронов.
Реверс элеронов, да и вообще любых управляющих поверхностей ‒ это кошмар на уровне штопора, его всеми силами стараются избегать. Обратная реакция по крену ‒ верный признак того, что что ситуация критическая и уже вышла из-под контроля. Опасность при этом такая же, как в штопоре ‒ времени до земли мало, понять, что происходит сложно, а необходимые действия не интуитивны. От реверса элеронов больше всего страдают сверхзвуковые истребители, которые, как обычно, собирают на себя все проблемы. При полете на сверхзвуковых скоростях самолет нагревается, жесткость конструкций уменьшается, и опасность реверса в таких условиях увеличивается.
Как бороться с реверсом? Ну… Принципиально способов не то чтобы много, но технических решений набралось достаточно. Абсолютно всегда жизненно необходимо ограничивать максимальные скорости полета самолета, а вот в остальном возможны варианты. Можно увеличивать жесткость крыла на изгиб и кручение (насколько вам позволят весовики и прочнисты). Можно сдвинуть элероны ближе к корневой части крыла, где оно жестче, или установить там дополнительные элероны. Можно использовать другие элементы управления: интерцепторы, элероны-закрылки, дифференциально отклоняемый стабилизатор, отклоняемые носки крыла и т.д. Можно на разных этапах полета использовать разные органы управления: на малых скоростях классические внешние элероны, а на больших уже интерцепторы или внутренние (установленные ближе к фюзеляжу) элероны.
Проще всего, конечно, просто не доводить до реверса, как и делают пассажирские самолеты. Они жестко ограничивают скорость полета и не напрягаются. Но для военных это не прокатит. Восхитимся же военными летчиками-истребителями, и на сегодня закончим.