Пусть вас не смущает фраза из всем известного отечественного мультфильма - речь в нашей статье пойдет не о животных или птицах, хотя про них мы тоже вспомним, а о важнейшей составляющей большинства летательных аппаратов. В нашем случае хвост - это аэродинамический термин, обозначающий хвостовое оперение самолета, которое, в свою очередь, включает в себя вертикальные и горизонтальные аэродинамические плоскости.

Хвостовое оперение обеспечивает летательному аппарату устойчивость и управляемость в ходе полета. Так гласят скупые строки учебников по аэродинамике и самолетовождению. Но что же стоит за этим? Насколько летательному аппарату необходимо хвостовое оперение? Как оно должно выглядеть? Можно ли обойтись без него? Вопросов много. Давайте разбираться...

Первые шаги в небе

Готовясь к первым полетам, проектируя и строя свои первые аппараты, пионеры авиации брали за образец пернатых обитателей нашей планеты - птиц. А у них, как всем хорошо известно, помимо крыльев обязательно имеется хвост. Поскольку аэродинамика как наука в то время находилась в зачаточном состоянии, первые шаги в авиастроении люди делали, больше полагаясь на свою наблюдательность и интуицию, нежели на научный расчет. Физическое понимание процесса полета и элементов, которые его обеспечивают, пришло немного позднее.

Самолет, находясь в состоянии полета, испытывает колебания вверх-вниз (тангаж) и влево-вправо (крен). Так происходит потому, что в полете летательный аппарат подвергается воздействию сразу нескольких сил: движущая сила, или сила тяги, подъемная сила, вес аппарата и сила аэродинамического сопротивления. И даже если эти силы вдруг взять и отбросить (что в принципе невозможно), все равно останутся связанные с самим летательным аппаратом центр масс и центр приложения аэродинамических сил. Вот как раз для того, чтобы уравновесить, или, говоря научным языком, стабилизировать, действия этих самых сил, и применяется стабилизирующее хвостовое оперение.

Первых авиаторов не зря называли красивым словом "воздухоплаватели". Они считали, что движение самолета в воздухе сродни движению корабля в морских и океанских просторах, и, основываясь на законах судовождения, пытались их проецировать на полеты по воздуху. Безусловно, определенный смысл в этом был. Они считали, и не без оснований, что киль, который удерживает направление движения морского судна, и руль направления, обеспечивающий маневрирование корабля, должны быть также представлены и выполнять аналогичные функции на летательных аппаратах. Так на самолетах появились вертикальные стабилизирующие поверхности (их еще называют кили) и, несколько позже - горизонтальные стабилизирующие поверхности. Согласно научной терминологии эти поверхности называют соответственно вертикальным оперением и горизонтальным оперением.

Вертикальный киль со временем стали называть просто килем или килем самолета. А горизонтальное оперение тоже со временем получило название стабилизатора. Обе эти поверхности, и киль, и стабилизатор, представляли собой небольшие, по сравнению с крыльями самолета, детали четырехугольной формы.

На первых самолетах, таких как "Флайер" братьев Райт или "Фарман-4" Анри Фармана, хвостовое оперение являлось коробчатым и представляло собой коробку. Левой и правой стороной этой коробки служили вертикально расположенные кили, стабилизирующие и задающие направление полета, а сверху и снизу располагались горизонтальные стабилизаторы, призванные уравновешивать самолет по горизонту - как по крену, так и по тангажу. Еще одно название такого типа хвостового оперения - бипланное. Но коробчатое/бипланное хвостовое оперение оказалось слишком громоздким и поэтому, не став массовым, довольно быстро сошло со сцены. Одним из последних его носителей стал тяжелый пассажирский лайнер Handley Page H.P.42, который поднялся в небо в самом начале 1930-х годов.

Уже к началу 1910-х годов хвостовое оперение самолетов приобрело вполне привычные для нас сегодня формы и очертания. В частности, на самолете Вуазен LAS уже устанавливался один киль и один горизонтальный стабилизатор. Русский тяжелый четырехмоторный бомбардировщик "Илья Муромец" имел один стабилизатор большого размаха и три вертикальных киля, один из которых был центральным и основным, а два малых, установленных справа и слева от основного, являлись вспомогательными. Наиболее близким к классическому хвостовому оперению, такому, каким мы привыкли его видеть сегодня, был хвост французского истребителя-моноплана времен Первой мировой войны "Моран-Солнье" тип I.

Таким было хвостовое оперение на заре авиации. Но спокойного, стабилизированного в вертикальной и горизонтальной плоскости полета было мало, требовалось еще и управлять самолетом.

Хвостовое оперение и поверхности управления

В ходе первых своих полетов братья Райт сделали важное открытие. Для того чтобы выполнить поворот или разворот на самолете в воздухе, недостаточно просто повернуть руль в ту или иную сторону. Самолет предварительно нужно накренить в ту сторону, в какую будет выполняться маневр. Снова возникает аналогия с кораблевождением - вспомните, как выполняют поворот парусные яхты: специальная команда численностью несколько человек перемещается на тот борт, в какую сторону будет выполняться поворот, тем самым создавая крен в нужную сторону, а уже затем следует перекладка парусов и поворот руля яхты. Нечто похожее приходится проделывать и пилоту.

Для поворота летчику нужно сначала повернуть самолет в горизонтальной плоскости на некоторый угол, взять ручку управления на себя и немного отклонить в нужную сторону руль направления. Напомним, что, когда ручка управления самолетом, она же - РУС, берется "на себя", это означает отклонение руля высоты вверх, благодаря которому самолет начинает набор высоты. Но будучи несколько наклоненными, поскольку самолет вошел в крен, рули высоты начинают работать не только как рули высоты, но и как рули поворота. Благодаря этому поворот и разворот летчик может выполнять даже и без отклонения руля направления, только элеронами и рулем высоты!

Получается, что для выполнения такой, казалось бы, простейшей операции, как поворот, нужно задействовать практически все основные поверхности управления. Крен, как известно, создается отклонением элеронов, расположенных на задней кромке крыла, а вот для управления самолетом по высоте и направлению придется задействовать поверхности управления, находящиеся как раз на хвостовом оперении, как на вертикальном, так и на горизонтальном.

Таким образом, мы выяснили, что хвостовое оперение несет не только функции стабилизации полета, но и выполняет важнейшие функции управления самолетом. Управление производится отклоняемыми аэродинамическими поверхностями, их также называют рулями, которые располагаются как раз на хвостовом оперении.

Мы рассмотрели действия рулей самолета при выполнении маневра разворота в воздухе, но помимо него летательный аппарат должен уметь набирать высоту и снижаться. Эти режимы также обеспечиваются действием рулевых поверхностей. Какие же рулевые поверхности должны быть на самолете? Как нужно их расположить? И как они работают? Постараемся коротко и по существу ответить на эти вопросы.

Как уже понял читатель, крен самолета осуществляется отклонением находящихся на задней кромке крыла элеронов. При отклонении РУС влево левый элерон отклоняется вверх, создавая избыточное давление на верхней части левой плоскости крыла - самолет входит в левый крен. Аналогично выполняется крен в правую сторону. Также для этой цели еще применяются интерцепторы.

Что касается управления самолетом по высоте и по направлению, то наиболее оптимально размещать рули высоты и рули направления именно в хвосте, на хвостовом оперении. С точки зрения аэродинамики выгодно размещать хвостовое оперение с рулевыми поверхностями именно позади крыльев. В этом случае встречный воздушный поток, идущий на крыло самолета, остается "чистым", не искажается, не "тормозится" и создает бОльшую подъемную силу. Управление самолетом по тангажу, набор высоты или снижение происходят при помощи руля высоты, который располагается на задней части горизонтального оперения. Когда летчик берет РУС "на себя", происходит отклонение руля высоты вверх, и самолет начинает набирать высоту. Если же отдать ручку управления "от себя", то рули высоты отклонятся вниз, и самолет будет снижаться.

Как рули высоты работают при развороте, мы уже выяснили выше. На вертикальном оперении, киле самолета, находится руль направления. Он управляется ногами летчика, а точнее - педалями. Тут все просто: дал левую ногу - начал разворот влево, дал правую - пошел направо. Но перед выполнением разворота необходимо наклонить самолет в нужную сторону. А еще всеми рулями надо действовать комплексно, синхронно, не допуская резких, необдуманных рывков или "перетягивания" ручки управления. В противном случае вероятен выход самолета на закритические углы, срыв потока и штопор...

Продолжение следует