Πηδάλιο κλίσης

Ένα πηδάλιο κλίσης (αγγλικά: aileron‎) είναι μια αρθρωτή επιφάνεια ελέγχου πτήσης που συνήθως αποτελεί το εξωτερικό άκρο κάθε πτέρυγας σε ένα αεροσκάφος σταθερών πτερύγων. Τα πηδάλια κλίσης χρησιμοποιούνται ανά ζεύγη για να ελέγξουν την κίνηση του αεροσκάφους γύρω από τον διαμήκη άξονα, που οδηγεί σε αλλαγή της πορείας πλεύσης λόγω της κλίσης του διανύσματος άντωσης.
Το πηδάλιο κλίσης κατοχυρώθηκε αρχικά από τον Βρετανό επιστήμονα και εφευρέτη Μάθιου Πίερς Βατ Μπούλτον το 1868, ο οποίος βασίστηκε στην επιστημονική εργασία του On Aërial Locomotion που είχε συγγράψει το 1864. Παρόλο που υπήρχαν παρασκηνιακές δραστηριότητες κατά τον 19ο αιώνα για το πηδάλιο κλίσης και του λειτουργικό του ανάλογο, τις πτέρυγες σάρωσης, οι ΗΠΑ παρέδωσαν δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1906 στους αδελφούς Ράιτ για την εφεύρεση ενός αεροδυναμικού συστήματος που έλεγχε τις επιφάνειες του αεροπλάνου. Προκλήθηκαν σημαντικές αντιδράσεις στις ΗΠΑ σχετικά με τα νομοθετικά ζητήματα που αφορούσαν τον πλευρικό έλεγχο των αεροσκαφών, μέχρι τον Α΄ Παγκόσμιο Πόλεμο όταν η κυβέρνηση των ΗΠΑ αναγκάστηκε να νομοθετήσει για το ζήτημα.

Ιστορικά στοιχεία

Η αγγλική ονομασία aileron, προέρχεται από την γαλλική ομώνυμη λέξη που σημαίνει «μικρή πτέρυγα». Εμφανίστηκε για πρώτη φορά στην 7η έκδοση του γαλλοαγγλικού λεξικού του Κάσελ το 1877. Στο πλαίσιο των μηχανοκίνητων αεροπλάνων εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 1908. Προηγουμένως τα πηδάλια κλίσης αναφερόταν ως πηδάλια εκτροπής, χωρίς κάποια διακριτή περιγραφή για την κατεύθυνση και την λειτουργία τους, ή πιο περιγραφικά ως πηδάλια οριζόντιας εκτροπής. Μια από τις πρώτες φορές που χρησιμοποιήθηκε η λέξη aileron για αεροναυτική χρήση ήταν στο γαλλικό περιοδικό αεροπορίας L'Aérophile το 1908.
Τα πηδάλια κλίσης είχαν παραγκωνίσει άλλες μορφές πλευρικού ελέγχου, όπως οι πτέρυγες σάρωσης μέχρι το 1915, μεταγενέστερα από την στιγμή που θεσμοθετήθηκε σε μεγάλο βαθμό η χρήση των πηδαλίων εκτροπής και ανόδου-καθόδου. Αν και υπήρχαν προηγουμένως αρκετές διαμάχες για το ποιος ήταν ο πρώτος που εφηύρε το πηδάλιο κλίσης και τη λειτουργία του, η συσκευή ελέγχου πτήσης εφευρέθηκε και περιγράφηκε από τον Βρετανό επιστήμονα και μεταφυσικό Μάθιου Πίερς Βατ Μπούλτον  στο σύγγραμμά του On Aërial Locomotion (Περί Αεροπλοΐας) το 1864. Ήταν ο πρώτος που κατοχύρωσε σύστημα ελέγχου με πηδάλιο κλίσης το 1868.
Η περιγραφή του πλευρικού συστήματος ελέγχου του Μπούλτον ήταν σαφής και ολοκληρωμένη. Ήταν η «πρώτη καταγραφή για την εκτίμηση της ανάγκης για ενεργό πλευρικό έλεγχο ως διακριτή μορφή από (την παθητική πλευρική σταθερότητα).... Με την εφεύρεση αυτή του Μπούλτον έχουμε την γέννηση της σημερινής μεθόδου τριών ροπών για τον πτητικό έλεγχο», ανέφερε ο Τσαρλς Μάνλι. Το βρετανικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του, το 392ο που εκδόθηκε το 1868, δημοσιεύθηκε πάνω από 35 χρόνια πριν την «επανεφεύρεση» των πηδαλίων κλίσης στην Γαλλία, είχε ξεχαστεί και χαθεί μέχρι τη στιγμή που η συσκευή αυτή απέκτησε ευρεία χρήση. Ο ιστορικός της αεροπορίας Τσαρλς Χάρβαρντ Γκιμπς-Σμιθ αναγνώρισε την προτεραιότητα της εφευρέσεως του Μπούλτον, αναφέροντας πως αν το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του 1868 είχε αποκαλυφθεί κατά τη διάρκεια των νομικών διαμαχών των αδελφών Ράιτ, αυτοί ίσως να μην ήταν σε θέση να διεκδικήσουν την προτεραιότητα της εφεύρεσης για τον πλευρικό έλεγχο των ιπτάμενων μηχανών. Το γεγονός ότι οι αδελφοί Ράιτ κατάφεραν να αποκτήσουν δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1906 δεν απέκλεισε την χαμένη και ξεχασμένη εφεύρεση του Μπούλτον.
Αν και ο Μπούλτον περιέγραψε τα πηδάλια κλίσης το 1864 και τα κατοχύρωσε το 1868, δεν τα χρησιμοποίησε κανείς σε επανδρωμένη πτήση αεροσκάφους πριν τον Ρομπέρ Ενώ-Πελτερί, 36 χρόνια αργότερα το 1904, αν και το 1871, ο Γάλλος στρατιωτικός μηχανικός και σχεδιαστής αεροσκαφών Σαρλ Ρενάρ κατασκεύασε και έθεσε σε πτήση ένα μικρό μη επανδρωμένο ανεμόπτερο πολλαπλών πτερύγων με την χρήση πηδαλίων κλίσης σε κάθε πλευρά του αεροσκάφους τα οποία ελεγχόταν από το εκκρεμές του μονοαξονικού αυτόματου πιλότου του Μπούλτον.
Ο πρωτοπόρος Αμερικανός αεροναυτικός μηχανικός Οκτάβ Σανούτ δημοσίευσε λεπτομέρειες και σχέδια του ανεμόπτερου του 1902 των αδελφών Ράιτ στο σημαντικότερο περιοδικό αεροπορίας της εποχής του, του L'Aérophile, το 1903. Αυτό προέτρεψε τον Ενώ-Πελτερί, Γάλλο στρατιωτικό μηχανικό, να κατασκευάσει ανεμόπτερο σαν αυτό των Ράιτ το 1904 χρησιμοποιώντας πηδάλια κλίσης αντί για πτέρυγες σάρωσης. Τότε το γαλλικό περιοδικό L’Aérophile δημοσίευσε φωτογραφίες των πηδαλίων κλίσης του ανεμοπτέρου του Ενώ-Πελτερί οι οποίες συμπεριλήφθηκαν στο άρθρο του, το 1905, ενώ τα πηδάλια κλίσης που κατασκεύασε αντιγράφηκαν και απέκτησαν ευρεία χρήση έκτοτε.
Οι αδελφοί Ράιτ χρησιμοποιούσαν πτέρυγες σάρωσης αντί για πηδάλια κλίσης για τον πλευρικό έλεγχο του ανεμοπτέρου τους το 1902, και το 1904 το Flyer II ήταν το μοναδικό αεροσκάφος της εποχής του που μπορούσε να πραγματοποιήσει συντονισμένη στροφή με κλίση. Τα πρώτα χρόνια της μηχανοκίνητης πτήσης οι Ράιτ θα είχαν καλύτερο έλεγχο κλίσης στα μοντέλα τους από τα αεροπλάνα που χρησιμοποιούσαν κινούμενες επιφάνειες. Από το 1908, καθώς τα σχέδια πηδαλίων κλίσης είχαν τελειοποιηθεί έγινε ξεκάθαρο πως τα πηδάλια κλίσης ήταν πιο αποτελεσματικά και πρακτικά από τις πτέρυγες σάρωσης. Τα πηδάλια κλίσης είχαν το πλεονέκτημα να μην αποδυναμώνουν την δομή της πτέρυγας του αεροπλάνου όπως συνέβαινε με την τεχνική των πτερύγων σάρωσης, κάτι που αποτέλεσε τον λόγο που ο Ενώ-Πελτερί στράφηκε στα πηδάλια κλίσης.
Μέχρι το 1911 τα περισσότερα διπλάνα χρησιμοποιούσαν πηδάλια κλίσης αντί για πτέρυγες σάρωσης—μέχρι το 1915 τα πηδάλια κλίσης είχαν αποκτήσει σχεδόν καθολική χρήση ακόμη και στα μονοπλάνα. Η κυβέρνηση των ΗΠΑ, δυσαρεστημένη από την αδυναμία της χώρας να προοδεύσει τεχνολογικά στα χρόνια πριν τον Α΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, επέβαλε τη δημιουργία κοινοπραξίας ευρεσιτεχνιών δίνοντας τέλος στην διαμάχη των ευρεσιτεχνιών των αδελφών Ράιτ. Οι αδελφοί Ράιτ αντικατέστησαν σιωπηλά τα συστήματα ελέγχου πτήσης των αεροσκαφών τους από πτέρυγες σάρωσης σε πηδάλια κλίσης την ίδια εποχή.

Πατέντες και δίκες

Ανεξάρτητα από το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του Μπούλτον το 1868 και το εκτεταμένο έργο που πραγματοποιήθηκε από πολλούς άλλους πειραματιστές, ο πληρεξούσιος διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας των αδελφών Ράιτ στο Οχάιο Χένρι Τούλμιν κατέθεσε μια εκτεταμένη αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και στις 22 Μαΐου 1906 χορηγήθηκε το δίπλωμα υπ' αριθμόν 821393. Η σημασία του διπλώματος ευρεσιτεχνίας έγκειται στον ισχυρισμό του για μια νέα και χρήσιμη μέθοδο ελέγχου ενός αεροπλάνου. Η αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας περιελάμβανε την πρόταση για τον πλευρικό έλεγχο της πτήσης του αεροσκάφους που δεν περιοριζόταν στις πτέρυγες σάρωσης, αλλά με οποιαδήποτε χειραγώγηση των «... γωνιακών σχέσεων των πλευρικών περιθωρίων των αεροπλάνων [φτερά] .... που διέφεραν στις αντίθετες κατευθύνσεις». Έτσι, το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ανέφερε ρητά ότι άλλες μέθοδοι εκτός από τις πτέρυγες σάρωσης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την προσαρμογή των εξωτερικών τμημάτων των πτερυγίων του αεροπλάνου σε διαφορετικές γωνίες στη δεξιά και την αριστερή πλευρά του για να επιτευχθεί πλευρικός έλεγχος της περιστροφής. Όλως περιέργως, το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας υπ' αριθμόν 831173 των ΗΠΑ κατοχυρώθηκε στον Τζον Τζ. Μοντγκόμερι περίπου την ίδια περίοδο με αυτό που κατοχύρωνε τις μεθόδους του για τις πτέρυγες σάρωσης. Τόσο το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας των αδελφών Ράιτ όσο και το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του Μοντγκόμερι εξετάστηκαν και εγκρίθηκαν από τον ίδιο εξεταστή του Γραφείου Διπλωμάτων Ευρεσιτεχνίας των Ηνωμένων Πολιτειών, Ουίλιαμ Τάουνσεντ. Εκείνη την εποχή ο Τάουνσεντ ανέφερε ότι και οι δύο μέθοδοι περιστροφής των πτερύγων εφευρέθηκαν ανεξάρτητα και ήταν αρκετά διαφορετικές ώστε να δικαιολογήσει η κάθε μία το δικό της δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.
Πολλές αποφάσεις δικαστηρίων των ΗΠΑ τάχθηκαν υπέρ του διπλώματος ευρεσιτεχνίας των Ράιτ, με το οποίο οι αδελφοί προσπάθησαν να επιβάλουν τέλη αδειοδότησης ξεκινώντας από 1.000$ ανά αεροπλάνο, και λέγεται ότι κυμαινόταν μέχρι 1.000$ την ημέρα. Σύμφωνα με τον Λίουις Σ. Κέισι, πρώην επιμελητή του Μουσείου Αέρος και Διαστήματος Σμιθσόνιαν στην Ουάσινγκτον, και άλλους ερευνητές, λόγω του διπλώματος ευρεσιτεχνίας που είχαν λάβει, οι Ράιτ διατηρούσαν σταθερά τη θέση πως όλοι όσοι πετούσαν χρησιμοποιώντας πλευρικό έλεγχο κλίσης, οπουδήποτε τον κόσμο, θα έπρεπε να λάβουν άδεια από αυτούς.
Οι αδελφοί Ράιτ στη συνέχεια ενεπλάκησαν σε πολυάριθμες αγωγές που ξεκίνησαν εναντίον κάθε δύστροπου κατασκευαστή αεροσκαφών που χρησιμοποιούσε συστήματα πλευρικού ελέγχου πτήσης (ουσιαστικά μερικοί κατασκευαστές δεν πλήρωναν τα απαιτούμενα δικαιώματα) και οι αδελφοί κατηγορήθηκαν συνεπώς ότι έπαιξαν «... σημαντικό ρόλο στην έλλειψη του ανταγωνισμού στον τομέα της ανάπτυξης και της αεροπορικής βιομηχανίας στις Ηνωμένες Πολιτείες σε σύγκριση με άλλα έθνη όπως η Γερμανία τα χρόνια πριν και κατά την διάρκεια του Α΄ Παγκοσμίου Πολέμου». Ακολούθησαν χρόνια παρατεταμένης νομικής διαμάχης με πολλούς κατασκευαστές αεροσκαφών έως ότου οι Ηνωμένες Πολιτείες εισήλθαν στον Α΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, όταν η κυβέρνησή επέβαλε νομοθετική συμφωνία μεταξύ όλων των πλευρών που οδήγησε σε πληρωμές δικαιωμάτων ύψους 1% προς τους Ράιτ.

Συνεχιζόμενη διαμάχη

Υπάρχουν ακόμη αντικρουόμενοι ισχυρισμοί για το ποιος ήταν ο πρώτος εφευρέτης του πηδαλίου κλίσης. Άλλοι επιστήμονες και μηχανικοί του 19ου αιώνα, όπως οι Σαρλ Ρενάρ, Αλφόνς Πενώ και Λούι Μουιγιάρ, περιέγραψαν παρόμοιες επιφάνειες ελέγχου πτήσης, αποτελώντας πιθανώς συνέχεια της έμπνευσης του Μπούλτον από τον Κόμη ντ'Εστερνό. Μια άλλη τεχνική για τον πλευρικό έλεγχο, οι πτέρυγες σάρωσης, περιγράφηκαν ή δοκιμάστηκαν από διάφορος επιστήμονες όπως ο Ζαν-Μαρί Λε Μπρι, ο Τζον Μοντγκόμερι, ο Κλεμάν Αντέρ, ο Έντσον Γκαλόντετ, ο Ντ. Ντ. Γουέλς και ο Χιούγκο Ματούλαθ.
Το 1906 οι αδελφοί Ράιτ έλαβαν δίπλωμα ευρεσιτεχνίας όχι για την εφεύρεση ενός αεροπλάνου (που υπήρχε για αρκετές δεκαετίες με τη μορφή ανεμοπτέρων) αλλά για την εφεύρεση ενός συστήματος αεροδυναμικού ελέγχου που χειριζόταν τις επιφάνειες μιας ιπτάμενης μηχανής, συμπεριλαμβανομένου και του συστήματος πλευρικού ελέγχου, αν και τα πηδάλια εκτροπής, ανόδου-καθόδου και κλίσης είχαν εφευρεθεί αρκετό καιρό πριν. Πέρα από τέτοιου είδους διαμάχες ήταν ο Μπούλτον, ο οποίος ήταν ο πρώτος που κατοχύρωσε με δίπλωμα τα πηδάλια κλίσης το 1868. Τα πηδάλια κλίσης που χρησιμοποίησε ο Ενώ-Πελτερί το 1904 ακολούθησαν την ιδέα του Μπούλτον, αν και δεν είναι γνωστό αν είχε μελετήσει το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του 1868 ή τα επανεφηύρε ανεξάρτητα.

Δυναμική πτήσης

Τα ζεύγη των πηδαλίων κλίσης είναι συνήθως διασυνδεδεμένα, έτσι ώστε όταν το ένα μετακινείται προς τα κάτω, το άλλο να κινείται προς τα πάνω: το κάτω πηδάλιο κλίσης αυξάνει την άντωση επί του πτερυγίου του, ενώ το κινούμενο προς τα πάνω πηδάλιο μειώνει την άντωση επί της πτέρυγας του σχετικά με τον διαμήκη άξονα του αεροσκάφους (ο οποίος εκτείνεται από τη μύτη έως την ουρά του αεροπλάνου). Τα πηδάλια κλίσης βρίσκονται συνήθως κοντά στην άκρη της πτέρυγας, αλλά μερικές φορές μπορεί να τοποθετηθούν πιο κοντά στο εσωτερικό της. Τα σύγχρονα αεροσκάφη μπορούν επίσης να διαθέτουν ένα δεύτερο ζεύγος πηδαλίων κλίσης στις πτέρυγες τους και οι όροι «εξωτερικό πηδάλιο κλίσης» και «εσωτερικό πηδάλιο κλίσης» χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν αυτές τις θέσεις αντίστοιχα.
Μια ανεπιθύμητη παρενέργεια της λειτουργίας των πηδαλίων κλίσης είναι η αντίξοη εκτροπή—μια ροπή εκτροπής προς την αντίθετη κατεύθυνση προς την περιστροφή. Χρησιμοποιώντας τα πηδάλια κλίσης για να την περιστροφή του αεροσκάφος προς τα δεξιά δημιουργείται κίνηση εκτροπής προς τα αριστερά. Καθώς το αεροσκάφος περιστρέφεται, η αντίξοη εκτροπή προκαλείται εν μέρει από τη μεταβολή της οπισθέλκουσας αντίστασης μεταξύ της αριστερής και της δεξιάς πτέρυγας. Η ανερχόμενη πτέρυγα δημιουργεί αυξανόμενη άντωση, η οποία προκαλεί αυξημένη επαγόμενη οπισθέλκουσα αντίσταση. Η κατερχόμενη πτέρυγα δημιουργεί μειωμένη άντωση, η οποία προκαλεί μειωμένη επαγόμενη αντίσταση. Η αντίσταση κατατομής που προκαλείται από τα παρεκκλίνοντα πηδάλια κλίσης μπορεί να αυξήσει περαιτέρω τη διαφορά, μαζί με τις αλλαγές στα διανύσματα άντωσης καθώς το ένα περιστρέφεται προς τα πίσω ενώ το άλλο περιστρέφεται προς τα εμπρός.
Σε μια συντονισμένη περιστροφή, η αντίξοη εκτροπή αντισταθμίζεται αποτελεσματικά με τη χρήση του πηδαλίου εκτροπής, με αποτέλεσμα την πλευρική δύναμη στην κάθετη ουρά που αντιτίθεται στην αντίξοη εκτροπή, δημιουργώντας μια ευνοϊκή ροπή εκτροπής. Μια άλλη μέθοδος αντιστάθμισης είναι τα «διαφορικά πηδάλια κλίσης», τα οποία έχουν τοποθετηθεί έτσι ώστε το κατερχόμενο πηδάλιο κλίσης να εκτοπίζεται λιγότερο από το ανερχόμενο. Σε αυτή την περίπτωση η αντίθετη ροπή εκτροπής δημιουργείται από μια διαφορά στην αντίσταση κατατομής μεταξύ του αριστερού και του δεξιού άκρου των πτερυγίων. Τα πηδάλια Frise επιτείνουν την ανισορροπία της αντίστασης κατατομής εξωθώντας την πτέρυγα του κινούμενου προς τα πάνω πηδαλίου, συνήθως με την τοποθέτηση τους ελαφρώς πιο πίσω από την εμπρόσθια άκρη και κοντά στο κάτω μέρος της επιφάνειας, με το χαμηλό τμήμα της επιφανείας του πηδαλίου να εξωθείται ελαφρώς κάτω από την επιφάνεια της πτέρυγας όταν το πηδάλιο κινείται προς τα πάνω, αυξάνοντας ουσιαστικά την αντίσταση κατατομής της πλευράς αυτής. Τα πηδάλια κλίσης μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να χρησιμοποιούν συνδυασμό των μεθόδων αυτών.
Με τα πηδάλια κλίσης σε ουδέτερη θέση, η πτέρυγα της εξωτερικής πλευράς της περιστροφής αναπτύσσει μεγαλύτερη άντωση από την αντίθετη πτέρυγα λόγω της διακύμανσης της ταχύτητας του αέρα κατά μήκος του εύρους της, γεγονός που τείνει να προκαλέσει τη συνέχιση της περιστροφής του αεροσκάφους. Μόλις επιτευχθεί η επιθυμητή γωνία περιστροφής (μοίρες περιστροφής γύρω από τον διαμήκη άξονα), ο πιλότος χρησιμοποιεί το αντίθετο πηδάλιο κλίσης για να αποτρέψει την αύξηση της γωνίας περιστροφής λόγω της διαφοράς στην άντωση κατά μήκος του ανοίγματος της πτέρυγας. Αυτή η σύντομη χρήση του αντίθετου πηδαλίου πρέπει να διατηρηθεί σε όλη τη στροφή. Ο πιλότος χρησιμοποιεί επίσης ελαφρώς το πηδάλιο εκτροπής στην ίδια κατεύθυνση με τη περιστροφή για να αντισταθμίσει την αντίξοη εκτροπή και να δημιουργήσει «συντονισμένη» περιστροφή όταν η άτρακτος είναι σε παράλληλη θέση με τη πορεία της πτήσης. Ένας απλός μετρητής στον πίνακα οργάνων που ονομάζεται δείκτης ολίσθησης, δείχνει πότε επιτυγχάνεται ο συντονισμός.

Κέρατα και αεροδυναμικά αντίβαρα

Ιδιαίτερα στα μεγαλύτερα ή ταχύτερα αεροσκάφη, οι δυνάμεις ελέγχου μπορεί να είναι εξαιρετικά ισχυρές. Ο δανεισμός μιας ανακάλυψης από τα πλοία που επεκτείνει την περιοχή της επιφάνειας ελέγχου μπροστά από το σημείο τοποθέτησης των πηδαλίων και ελαφραίνει τις απαιτούμενες δυνάμεις εμφανίστηκε για πρώτη φορά στα πηδάλια κλίσης κατά τη διάρκεια του Α΄ Παγκοσμίου Πολέμου, όταν τα πηδάλια έγιναν μεγαλύτερα και τοποθετήθηκαν πέρα από την πτέρυγα με την παράλληλη τοποθέτηση ενός κέρατος μπροστά από το σημείο τοποθέτησης. Γνωστά ως υπερκρεμάμενα πηδάλια κλίσης, τα γνωστότερα αεροσκάφη που τα διαθέτουν είναι τα Fokker Dr.I και Fokker D.VII. Σε μεταγενέστερα αεροσκάφη τοποθετήθηκαν αντίβαρα στις πτέρυγες για την βελτίωση του ελέγχου και τη μείωση της αντίστασης. Πλέον χρησιμοποιούνται λιγότερο μιας και τα πηδάλια κλίσης τύπου Frise αποδίδουν το ίδιο αποτέλεσμα.

Αντισταθμιστικό πτερυγίδιο

Τα αντισταθμιστικά πτερυγίδια είναι μικρά κινούμενα τμήματα που μοιάζουν με κλιμακωτά πηδάλια κλίσης που βρίσκονται επί ή πλησίον της οπίσθιας άκρης του πηδαλίου κλίσης. Στα περισσότερα ελικοφόρα αεροσκάφη, η περιστροφή της έλικας προκαλεί μια εξισορροπητική κίνηση περιστροφής λόγω του τρίτου νόμου κίνησης του Νεύτωνα, καθώς κάθε δράση έχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση. Για την απαλλαγή του πιλότου από τη συνεχή πίεση προς μια κατεύθυνση (κάτι που προκαλεί κόπωση), τα αντισταθμιστικά πτερυγίδια αποκόπτουν την πίεση που απαιτείται για οποιαδήποτε ανεπιθύμητη κίνηση. Το ίδιο το πτερυγίδιο εκτρέπεται σε σχέση με το πηδάλιο κλίσης, προκαλώντας την κίνηση του προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τα αντισταθμιστικά πτερυγίδια υπάρχουν σε δύο μορφές, ρυθμιζόμενα και σταθερά. Τα σταθερά αντισταθμιστικά πτερυγίδια περιστρέφονται χειροκίνητα έως την απαιτούμενη εκτροπή, ενώ τα ρυθμιζόμενα μπορούν να ελεγχθούν από το πιλοτήριο, ώστε να μπορούν να αντισταθμιστούν διαφορετικές ρυθμίσεις ισχύος ή υψόμετρα πτήσης. Ορισμένα μεγάλα αεροσκάφη από της δεκαετίας του 1950 (όπως το Canadair Argus) χρησιμοποίησαν ελεύθερες επιπλέουσες επιφάνειες ελέγχου, οι οποίες ελέγχονταν από τον πιλότο μόνο μέσω της εκτροπής των αντισταθμιστικών πτερυγιδίων, οπότε και προστέθηκαν πρόσθετα πτερυγίδια για την τελειοποίηση του χειριστηρίου ώστε να παρέχεται ευθεία και επίπεδη πτήση.

Αξίνη

Οι αξίνες είναι επίπεδες μεταλλικές πλάκες, συνήθως προσαρτημένες στην κατώτερη επιφάνεια του πηδαλίου κλίσης, μπροστά από το σημείο τοποθέτησής του πηδαλίου κλίσης, με βραχίονα μοχλού. Μειώνουν τη δύναμη που απαιτείται από τον πιλότο για να εκτρέψει το πηδάλιο κλίσης και συνήθως υπάρχουν σε αεροβατικά αεροσκάφη. Καθώς το πηδάλιο κλίσης εκτρέπεται προς τα επάνω, η αξίνη παράγει μια καθοδική αεροδυναμική δύναμη, η οποία τείνει να περιστρέφει ολόκληρη τη συνδεσμολογία ώστε να εκτρέψει περαιτέρω το πηδάλιο κλίσης προς τα πάνω. Το μέγεθος της αξίνης (και του βραχίονα του μοχλού) καθορίζει πόση δύναμη χρειάζεται να εφαρμόσει ο πιλότος για να εκτρέψει το πηδάλιο κλίσης. Μια αξίνη λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο όπως ένα κέρας, αλλά είναι πιο αποτελεσματική λόγω του μεγαλύτερου βραχίονα ροπής.

Βαρίδια μαζικής ισορροπίας

Για να αποφευχθεί η κατάπτωση της επιφάνειας ελέγχου (αεροελαστική ταραχή), το κέντρο άντωσης της επιφάνειας ελέγχου πρέπει να βρίσκεται πίσω από το κέντρο βάρους αυτής της επιφάνειας. Για την επίτευξη αυτού, μπορούν να προστεθούν βάρη μολύβδου στο μπροστινό μέρος του πηδαλίου κλίσης. Σε ορισμένα αεροσκάφη, η κατασκευή των πηδαλίων κλίσης μπορεί να είναι πολύ βαριά για να επιτρέψει σε αυτό το σύστημα να λειτουργήσει χωρίς μεγάλη αύξηση βάρους. Στην περίπτωση αυτή, το βάρος μπορεί να προστεθεί με έναν βραχίονα ώστε να μετακινείται στο μπροστινό μέρος του σώματος του πηδαλίου κλίσης. Αυτά τα βάρη ισορροπίας έχουν σχήμα δακρύων (ώστε να μειώνουν την οπισθέλκουσα αντίσταση), γεγονός που τα κάνει να φαίνονται αρκετά διαφορετικά από τις αξίνες, αν και τα δύο προβάλλουν προς εμπρός και κάτω από το πηδάλιο κλίσης. Εκτός από τη μείωση των αναταράξεων, τα βάρη ισορροπίας μειώνουν επίσης τις δυνάμεις πρόσκρουσης που απαιτούνται για την κίνηση της επιφάνειας ελέγχου κατά την πτήση.

Πηδάλια κλίσης απλής ενέργειας

Τα πηδάλια αυτά χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της «εποχής των πρωτοπόρων» της αεροπορίας και στα πρώτα χρόνια του Α΄ Παγκοσμίου Πολέμου, και ελέγχονταν από ένα μόνο σύρμα, το οποίο τραβούσε το πηδάλιο προς τα επάνω. Όταν το αεροσκάφος βρισκόταν σε κατάσταση ηρεμίας, τα πηδάλια κλίσης κρεμόταν κάθετα προς τα κάτω. Αυτός ο τύπος πηδαλίων κλίσης χρησιμοποιήθηκε στο διπλάνο Farman III του 1909 και το Short 166. Μια «αντίστροφη» μορφή αυτού, που χρησιμοποιούσε πτέρυγες σάρωσης, εμφανίστηκε στην μεταγενέστερη μορφή του Demoiselle του Αλμπέρτου Σάντους-Ντουμό, η οποία σάρωνε τις άκρες των πτερύγων προς τα κάτω. Ένα από τα μειονεκτήματα αυτής της διάταξης ήταν η αυξημένη τάση να εκτρέπεται σε σχέση με τα βασικά διασυνδεδεμένα πηδάλια κλίσης. Τη δεκαετία του 1930 αρκετά ελαφρά αεροσκάφη χρησιμοποιούσαν συστήματα ελέγχου απλής ενέργειας αλλά επίσης χρησιμοποιούσαν ελατήρια για να επαναφέρουν τα πηδάλια κλίσης στις ουδέτερες θέσεις τους όταν απελευθερωνόταν το χειριστήριο

Ακροπτέρυγα πηδάλια κλίσης

Αυτό το είδος χρησιμοποιήθηκε στο πρώτο αεροσκάφος που χρησιμοποίησε τον συνδυασμό «χειριστηρίου/λοβών πηδαλίων εκτροπής», προπομπούς των σύγχρονων συστημάτων ελέγχου πτήσης, το Blériot VIII του 1908. Μερικά πρώιμα μοντέλα αεροσκαφών χρησιμοποίησαν «ακροπτέρυγα» πηδάλια κλίσης, στα οποία ολόκληρο το ακροπτέρυγο περιστρεφόταν ώστε να επιτευχθεί πλευρικός έλεγχος σε μια ξεχωριστή, περιστροφική επιφάνεια—το AEA June Bug χρησιμοποιούσε μια μορφή αυτών, ενώ τόσο το πειραματικό γερμανικό Fokker V.1 του 1916 και οι πρώτες εκδόσεις του μονοπλάνου Junkers J 7 ήταν ανάμεσα σε αυτά που το χρησιμοποίησαν—το J 7 ήταν ο προπομπός του πλήρως μεταλλικού γερμανικού πολεμικού αεροσκάφους Junkers D.I του 1918, το οποίο διέθετε συμβατικά πηδάλια κλίσης. Το κύριο πρόβλημα με αυτόν τον τύπο πηδαλίων κλίσης είναι η απενεργοποίηση του κινητήρα αν χρησιμοποιηθεί επιθετικά, ειδικά εάν το αεροσκάφος κινδυνεύει ήδη να βρεθεί σε αυτή την κατάσταση, εξ ου και η χρήση κυρίως σε πρωτότυπα και η αντικατάστασή τους στα αεροσκάφη παραγωγής με συμβατικά πηδάλια κλίσης.

Πηδάλια κλίσης Frise

Ο μηχανικός Λέσλι Τζορτζ Φράις (1897–1979) της Bristol Aeroplane Company ανέπτυξε ένα σχέδιο πηδαλίων κλίσης που περιστρεφόταν στο 25 με 30% της χορδής και πλησίον της κάτω επιφάνειας, ώστε να μειωθούν οι δυνάμεις του χειριστηρίου καθώς τα αεροσκάφη έγιναν γρηγορότερα την δεκαετία του 1930. Όταν το πηδάλιο εκτραπεί προς τα κάτω (για να ωθήσει την πτέρυγα του να κινηθεί προς κάτω), το εμπρόσθιο άκρο του πηδαλίου κλίσης αρχίζει να προεξέχει κάτω από την κάτω επιφάνεια του πτερυγίου, στη ροή αέρα κάτω από την πτέρυγα. Η ροπή του εμπρόσθιου άκρου στη ροή του αέρα το βοηθά να κινηθεί προς την άκρη, κάτι που μειώνει την δύναμη του χειριστηρίου. Το καθοδικά κινούμενο πηδάλιο κλίσης προσθέτει επίσης ενέργεια στο οριακό στρώμα. Η άκρη του πηδαλίου κλίσης κατευθύνει τη ροή αέρα από την κάτω πλευρά του πτερυγίου στην ανώτερη επιφάνεια του, δημιουργώντας έτσι μια ανυψωτική δύναμη, η οποία προστίθεται στην άντωση της πτέρυγας. Αυτό μειώνει την απαιτούμενη γωνία εκτροπής του πηδαλίου κλίσης. Τόσο το καναδικό διπλάνο Fleet Model 2 του 1930, και το μεταγενέστερο αμερικανικό μονοπλάνο Piper J-3 Cub του 1938 διέθεταν πηδάλια κλίσης Frise στην αρχική τους μορφή, βοηθώντας στην ευρεία εισαγωγή και παρουσίασή τους.
Ένα πλεονέκτημα του πηδαλίου κλίσης Frise είναι η δυνατότητα του να εξουδετερώνει την αντίξοη εκτροπή. Για να γίνει αυτό, η αιχμή του πηδαλίου κλίσης πρέπει να είναι αιχμηρή ή στρογγυλεμένη, γεγονός που προσθέτει σημαντική οπισθέλκουσα αντίσταση στο ανοδικά κινούμενο πηδάλιο κλίσης και βοηθά το αεροσκάφος να στρέφεται προς την επιθυμητή κατεύθυνση, προσθέτοντας όμως ανεπιθύμητη, μη γραμμική παρενέργεια και δυνητικά επικίνδυνους αεροδυναμικούς κραδασμούς. Η ροπή της αντίξοης εκτροπής αντισταθμίζεται βασικά από τη σταθερότητα της περιστροφής του αεροσκάφους, αλλά και από τη χρήση της διαφορικής κίνησης των πηδαλίων κλίσης.

Διαφορικά πηδάλια κλίσης

Μέσω ενός προσεκτικού σχεδιασμού των μηχανικών διασυνδέσεων, το ανοδικά κινούμενο πηδάλιο κλίσης μπορεί να εκτρέπεται περισσότερο από το κάτω. Αυτό συμβάλει στην αποτροπή της πιθανότητας κατάρρευσης ενός ακροπτερυγίου σε μεγάλες γωνίες προσβολής. Σύμφωνα με την ιδέα η απώλεια άντωσης που σχετίζεται με το ανοδικά κινούμενο πηδάλιο δεν επιφέρει κάποιο αρνητικό αποτέλεσμα ενώ η αύξηση της άντωσης που σχετίζεται με το καθοδικά κινούμενο πηδάλιο κλίσης ελαχιστοποιείται. Το ζεύγος περιστροφής του αεροσκάφους ισούται πάντοτε με την διαφορά άντωσης μεταξύ των δύο πτερύγων. Ένας σχεδιαστής της εταιρείας de Havilland εφηύρε μια απλή και πρακτική διασύνδεση για το διπλάνο de Havilland Tiger Moth το οποίο έγινε ένα από τα πλέον γνωστά και ένα από τα πρώτα που χρησιμοποίησε διαφορικά πηδάλια κλίσης.