Effectivness an inverted-V-shaped control surfaces of a gydroplane at low speed and high-angles-of-attack

An inverted-V-shaped control surface configuration has been applied in a design of a light gyroplane. Two variants of the inverted-V-shaped control surfaces have been investigated in the present work: all moving version and stabilizer-rudder solution with 70% chord rudder. The focus of the investigation is on high angle of attack characteristics important for low-speed, short-distance or power-off landing approach.

Usterzenie wukładzie „V” posiada pewne zalety wobec usterzenia klasycznego, polegające głównie na prostszej konstrukcji struktury i niższych kosztach wytwarzania, przy nieco bardziej skomplikowanym mechaniźmie sterowania. Z podobnych powodów ten układ jest również atrakcyjny wprojektowaniu wiatrakowców. Jednak rozważając ten układ usterzenia wprojekcie wiatrakowca należy uwzględnić niektóre specyficzne czynniki dla mechaniki lotu tego typu statków powietrznych. Jednym z nich są wahania łopat wirnika, stąd bezpieczniejszym rozwiązaniem dla wiatrakowca jest układ odwróconego „V”. Innym czynnikiem który należy brać pod uwagę jest zakres kątów natarcia kadłuba dla którego usterzenie musi pracować skutecznie. Jest to istotne szczególnie dla sterowania kątem odchylenia. Sterowność kierunkowa powinna być zapewniona dla warunków stromego podejścia do lądowania bez napędu przy kątach natarcia przekraczających 20° i dla warunków lądowania na niewielkiej powierzchni z wyhamowaniem prędkości postępowej przez wychylenie głowicy wirnika wtył. Wpracy badano przy pomocy numerycznych symulacji opływu skuteczność dwóch alternatywnych wariantów usterzenia w układzie odwróconego „V”. Analizę przeprowadzono dla opływu dwu- i trójwymiarowego. Jednym z rozwiązań było usterzenie płytowe a drugim usterzenie dzielone na statecznik i ster mające ten sam obrys co usterzenie płytowe. Wobliczeniach opływu dwuwymiarowego wykazano że dla usterzenia dzielonego o cięciwie steru równej 60-70% cięciwy profilu wwarunkach startu i lądowania maksymalna wartość siły nośnej jest wyższa niż dla usterzenia płytowego przy wartości pochodnej współczynnika siły nośnej względem kąta wychylenia steru tylko o 10% mniejszej od usterzenia płytowego. Wobliczeniach opływu trójwymiarowego wykazano, że układ odwróconego usterzenia „V” pracuje skutecznie tylko wograniczonym zakresie kątów natarcia, w przybliżeniu š10-15°. Poza tym zakresem jego skuteczność raptownie spada, szczególnie w przypadku usterzenia płytowego. Dla tej konfiguracji pochodna współczynnika momentu odchylającego względem kąta wychylenia steru zmienia znak dla kątów natarcia kadłuba przekraczających 12° z powodu rozległego oderwania opływu na elemencie usterzenia zwiększającym kąt natarcia. Usterzenie dzielone nie wykazuje odwrotnego działania, jednak jego skuteczność również szybko spada na dużych kątach natarcia. Proponowanym rozwiązaniem jest wprowadzenie mechanizmu przestawiania kąta zaklinowania usterzenia dla manewrów przeprowadzanych na dużych kątach natarcia kadłuba, np. dla stromego podejścia do lądowania bez napędu. Rozwiązanie to jest bezpieczniejsze w zastosowaniu z usterzeniem dzielonym z powodu braku odwrotnego działania które mogłoby wystąpić wprzypadku usterzenia płytowego.