Нестандартные схемы летательных аппаратов

САМОЛЕТЫ  С КРЫЛЬЯМИ ДРУГОЙ ФОРМЫ

Размеры и формы традиционных крыльев сегодняшнего дня в значительной степени такие же, как и те, которые создавались пионерами  авиации еще в прошлом веке. Братья Райт показали, что такие  крылья достаточно практичны. Вот почему в настоящее время все еще  используются крылья со средним удлинением 6 и поверхности хвостового горизонтального  оперения с площадью 12 ¸ 25% площади  крыла, расположенные на расстоянии примерно трех хорд позади центра масс самолета.

Некоторые из авиационных  конструкторов используют другие подходы  к созданию летательных аппаратов; кое-кто из них идет по пути радикального изменения тех или иных ставших  стандартными технических решений. Некоторые из этих поисков завершаются  успехом, найденные новые технические  решения развиваются и постепенно становятся традиционными. К их числу  относятся самолеты схемы «бесхвостка», самолеты с треугольным крылом, вертолеты и автожиры, рассмотренные в предыдущих главах.

Что касается нетрадиционных схем крыла, то их существует огромное множество, причем некоторые из них .к тому же работают на нетрадиционных принципах. Следует все же отметить, что большинство даже нетрадиционных крыльев все-таки основано на принципе создания подъемной силы при обтекании набегающим воздушным потоком аэродинамической поверхности (реже - при прохождении потока через нее). Иногда нетрадиционные крылья устанавливаются на самолеты с вполне традиционным фюзеляжем; в других случаях использование нетрадиционного крыла ведет к созданию совершенно оригинального летательного аппарата.

Полипланы

Тот факт, что вполне традиционные крылья иногда используются в большем, чем характерно для традиционных самолетов, количестве, или то, что  эти крылья размещаются на самолете в необычных местах, не позволяет  классифицировать их как нетрадиционные (то же относится и к складывающимся крыльям). Некоторые самолеты с большим  числом крыльев часто рассматриваются  как летательные аппараты с тандемным  крылом.

Наиболее часто встречающимся  видом полиплана, даже в современной авиации, является биплан. Следует, правда, отметить, что в настоящее время бипланы составляют менее 5% самолетов парка мировой авиации. Перед первой мировой войной количество полипланов и монопланов было примерно одинаковым, и свойственные полипланным схемам преимущества по маневренности и прочности стали причиной того, что вплоть до конца 1920-х гг. монопланная схема не получила преобладающего развития. Во времена первой мировой войны даже трипланы были довольно распространенным типом самолетов.

Главное преимущество полипланной схемы состоит в том, что она обеспечивает требуемую площадь при меньшем размахе. Это позволяло повысить маневренность, упростить производство, наземную эксплуатацию и хранение самолетов, что важно в военном деле. По мере того, как после окончания первой мировой войны влияние военных кругов на авиационную промышленность стало уменьшаться, обеспечиваемые монопланной схемой преимущества в дальности, стоимости и улучшении общей аэродинамики стали способствовать повсеместному распространению этой схемы. Влиятельные представители военных кругов на протяжении нескольких лет пытались противодействовать такой тенденции, но постепенно и они осознали более широкие возможности монопланов. В настоящее время бипланы встречаются только среди сельскохозяйственных или спортивных самолетов. Бипланы очень популярны в модном сейчас ретро авиационном движении, но это объясняется лишь тем, что бипланы в наш технотронный век - лишь забавный анахронизм.

Стреловидное  крыло

    Большинство современных  около- и сверхзвуковых самолетов  гражданской и боевой авиации  имеет стреловидные крылья постоянной  геометрии (29 самолетов), что связано  с их несомненными аэродинамическими  достоинствами при таких скоростях  полета.

    Широкое распространение  крыльев этого типа обусловило  большое разнообразие применяемых  конструктивных решений и их  модификаций с целью наилучшего  использования достоинств и устранения  или смягчения недостатков, связанных  со стреловидностью передней  кромки крыла. Недостатки стреловидного  крыла проявляются как при  больших, так и при малых  скоростях полета, причем они  усиливаются с увеличением угла  стреловидности. К важнейшим из  них относятся:

    – пониженная  несущая способность крыла, а  также меньшая эффективность  действия механизации;

    – увеличение поперечной статической устойчивости по мере возрастания угла стреловидности крыла и угла атаки, что затрудняет получение надлежащего соотношения между путевой и поперечной устойчивостями самолета и вынуждает применять вертикальное оперение с большой площадью поверхности, а также придавать крылу или горизонтальному оперению отрицательный угол поперечного V;

    – отрыв потока  воздуха в концевых частях  крыла, что приводит к ухудшению  продольной и поперечной устойчивости  и управляемости самолета (снижает  эффективность элеронов);

    – увеличение  скоса потока за крылом, приводящее  к снижению эффективности горизонтального  оперения;

    – возрастание  массы и уменьшение жесткости  крыла (при прочих неизменных  параметрах), что обусловлено большей  действительной длиной такого  крыла (при данном размахе)  и, следовательно, большим плечом  приложения результирующей подъемной  силы.

    Таким образом,  стреловидность приводит к возрастанию  изгибающего момента в корневом  сечении крыла при данной массе  самолета. Кроме того, несколько  увеличивается масса крыла в  связи с необходимостью введения  дополнительных силовых элементов  в корневых частях, а также  из-за увеличения поверхности  механизации. Дополнительный рост  массы стреловидного крыла связан  с менее благоприятным (по сравнению  с прямым крылом) распределением  давления пр его длине, что выражается в увеличении плеча приложения подъемной силы, требующем усиления конструкции, и т.д.

    Широкое применение  стреловидного крыла стало возможным  благодаря проведению соответствующих  аэродинамических и конструктивных  мер, проявляющих его достоинства  и смягчающих недостатки. С этой  целью среди прочего применяются  «крутка» крыла, аэродинамические  направляющие и турбулизаторы, уступ передней кромки крыла, механизация, переменный угол стреловидности вдоль размаха, обратное сужение крыла либо отрицательная стреловидность.

Крыло с наплывом

    Анализ недостатков  и достоинств прямых и стреловидных крыльев показывает, что диапазоны благоприятных условий их применения в сверхзвуковых самолетах не совпадают, а дополняют друг друга. Ввиду этого около 20 лет тому назад начали разрабатываться крылья изменяемой геометрии (проблемы самолетов с изменяемой геометрией крыла рассмотрены отдельно), а несколько позднее-крылья, которые условно можно назвать стреловидно-прямыми. Оба эти новшества впервые внедрены в боевой авиации, поскольку боевые самолеты, помимо прочего, должны обладать высокой маневренностью, под которой понимается способность экономичного и быстрого выполнения маневров.

 Маневренность ограничивается прежде всего статической и динамической прочностью конструкционных материалов планера самолета, а также аэродинамическими характеристиками самолета. Другую часть ограничений образует множество физических эффектов, таких, как максимальная величина коэффициента подъемной силы, возрастание полетного сопротивления, изменение эффективности управления, потеря устойчивости, вибрации крыла и оперения, крены, происходящие из-за срыва потока на крыльях при большой скорости полета, и т.п. Главный источник аэродинамических ограничений-отрыв потока, проявляющийся в различных формах и по разным причинам. Поэтому задача аэродинамического проектирования боевого самолета имеет первостепенную важность, так как качество решения этой задачи определяет достоинства нового летательного аппарата.

    Одним из средств,  позволяющих контролировать процесс  отрыва, является крыло с переменной  стреловидностью по передней  кромке (наплывом), которое характеризуется  образованием пелены вихрей большой  энергии, определяющей его аэродинамические  свойства.

    Для выяснения  характера работы крыла с наплывом (или другим устройством тур- булизации набегающего потока) необходимо напомнить, что вообще крылья по характеру обтекания можно разделить на два типа-линейно работающие и работающие нелинейно. Теоретически линейно работающее крыло отличает безотрывное обтекание, а нелинейно работающее-отрыв потока воздуха вблизи передней кромки и его присоединение ниже по потоку к остальной поверхности крыла. В практике самолетостроения нашли применение оба типа крыла, из которых первое вследствие его повсеместного использования было названо классическим.

    Крылья, работающие  линейно, обычно имеют умеренный  угол стреловидности по передней  кромке и удлинение, превышающее  2-3, а также соответствующие аэродинамические  и конструктивные средства, обеспечивающие  безотрывное обтекание. Характерной  чертой нелинейно работающих  крыльев является большой угол  стреловидности по передней кромке  и среднее либо малое удлинение.  Примером применения нелинейного  крыла может служить самолет  «Дракен», у которого треугольное крыло с изломом передней кромки фактически представляют собой комбинацию двух крыльев с малым удлинением (однако же с закругленной передней кромкой). Их можно трактовать как две несущие поверхности, работающие нелинейно. Зато в прямом трапециевидном крыле с большим углом стреловидности наплыва, использованном, например, в самолете F-5, оба типа обтекания возникают последовательно друг за другом.

    Достоинства и  недостатки линейного и нелинейного  крыльев известны давно, однако  только в начале 70-х годов предприняты  попытки совместить их преимущества. Так было создано трапециевидное  крыло с наплывом, являющееся  комбинацией линейно работающего  трапециевидного основного крыла  с закругленной передней кромкой  и нелинейно работающего стреловидного  (или треугольного) крыла с малым  удлинением и острой криволинейной  передней кромкой с большим  углом стреловидности.

    Таким образом,  главной особенностью крыла с  наплывом является одновременное  наличие обоих типов обтекания,  что позволяет увеличить коэффициент  подъемной силы и критическое  число Маха и уменьшить коэффициент  индуктивного сопротивления при  больших углах атаки в диапазоне  дозвуковых и околозвуковых скоростей,  а также волновое и балансировочное  сопротивления в диапазоне сверхзвуковых  скоростей. Такой эффект возникает  в результате использования малого  сопротивления линейно работающего  основного крыла при малых  углах атаки с сохранением  большой подъемной силы и малого  сопротивления нелинейно работающего  вспомогательного крыла (наплыва)  при больших углах атаки. На  основании комплексных исследований  в гидродинамических каналах  и в аэродинамических трубах  установлено, что наиболее благоприятные характеристики имеет крыло с наплывом, обладающим углом стреловидности 70°.

    Действие крыла  с наплывом можно описать следующим  образом: спиральный поток вихрей, срывающихся с острой передней  кромки большой стреловидности  в околофюзеляжной части крыла, ограничивает расширяющуюся с увеличением угла атаки область отрыва, расположенную между передней кромкой крыла и линией присоединения воздушного течения. Вихревая пелена вызывает также образование обширных областей низкого давления (вдоль оси вихрей) и увеличивает энергию пограничного слоя воздуха. Благодаря этому крыло с наплывом при больших углах атаки отличается от обычного крыла большим коэффициентом подъемной силы и меньшим коэффициентом сопротивления, т.е. оно обеспечивает более высокое аэродинамическое качество при выполнении маневров. В сверхзвуковом же полете дополнительная плоскость, размещенная перед основным крылом, уменьшает интервал перемещения центра давления назад, что не только обеспечивает сохранение надлежащей устойчивости, но и одновременно уменьшает балансировочное сопротивление на 20%.

    Эффективность  крыла с наплывом значительно  возрастает при оснащении его  носовыми щитками по всему  размаху, а также однощелевыми или двухщелевыми выдвижными закрылками. Крылья с наплывом применены в трех новейших самолетах американской истребительной авиа- Hhh-F-16, YF-17 и F-18.

    Из опубликованных  данных самолетов «Конкорд» и  «Мираж» 2000 следует, что некоторые  характеристики рассматриваемого  крыла можно получить также  путем использования небольших  горизонтальных несущих плоскостей, размещенных в носовой части  фюзеляжа. Ввиду отсутствия более  полной информации можно лишь  предположить, что эти плоскости  выполняют также роль турбулизаторов в полете при больших углах атаки.

Крыло изменяемой стреловидности

После того как стреловидные крылья стали широко распространенной конструктивной особенностью высокоскоростных самолетов, авиационные конструкторы приступили к поискам путей объединения преимуществ стреловидного крыла при полете на больших скоростях с преимуществами прямого крыла при полетах на малых скоростях. В результате этих исследований была разработана схема самолетов с крылом изменяемой стреловидности, в которой каждая из консолей крыла устанавливается в подвижном шарнирном соединении на фюзеляже и может механически перемещаться из положения, соответствующего прямому крылу, в положение максимальной стреловидности.

Сверхкритическое  крыло

    Интересный пример  модификации стреловидного крыла  представляет собой также так  называемое сверхкритическое крыло. (Название происходит от большего  критического числа Маха этого  крыла в сравнении с классическим стреловидным.) Для этого крыла характерно использование уплощенных профилей с соответствующим образом изогнутой задней частью, что дает более равномерное распределение давления вдоль хорды профиля и тем самым приводит к смещению центра давления назад, а также увеличивает критическое число Маха на 10-15%. Это равносильно увеличению скорости околозвукового самолета (с максимальной скоростью ~ 1000 км/ч) почти на 100-150 км/ч без возникновения волнового кризиса. В других отношениях выгоды от использования сверхкритического крыла невелики, а технология изготовления гораздо сложнее; тем не менее в околозвуковых пассажирских самолетах с реактивным двигателем оно может оказывать существенное влияние на экономичность эксплуатации. Для исследования свойств таких крыльев был использован сверхзвуковой самолет «Крусейдер», а также модернизирован опытный образец самолета F-111A TACT.

 Треугольное крыло

    Стремление к  уменьшению массы и повышению  жесткости крыла принуждает уменьшать  его удлинение и увеличивать  сужение. Такая тенденция одновременно  с большим углом стреловидности  приводит к треугольной форме  крыла. Практическое применение  получили треугольные крылья  с углом стреловидности 55-70°. Наряду  с «чисто треугольным» используются  также крылья с усеченными  концами, а также с небольшим  отрицательным или положительным  углом стреловидности задней кромки. В отношении аэродинамики эти крылья незначительно отличаются друг от друга, а разнятся лишь конструктивными особенностями. Треугольное крыло имеет практически такие же аэродинамические характеристики, как и стреловидное, но зато оно избавлено от некоторых недостатков последнего. Применение треугольного крыла определяется главным образом прочностными и конструктивными соображениями. Треугольное крыло жестче и легче как прямого, так и стреловидного (при тех же параметрах их масса составляет 8-11% по сравнению с 12-15% взлетной массы самолета). Благодаря большой хорде в корневом сечении в треугольном крыле возможно использование профилей меньшей относительной толщины. Кроме того, большая строительная высота в корневой части позволяет лучше использовать внутренний объем крыла и упрощает передачу нагрузок на фюзеляж.