Летающее крыло

Чтобы узнать о канадском футболе, см. Летающее крыло (футбол) .

Northrop B-2 Spirit Бомбардировщик-невидимка

Летающее крыло — это бесхвостый самолет с неподвижным крылом , не имеющий определенного фюзеляжа , с экипажем, полезной нагрузкой, топливом и оборудованием, размещенными внутри основной конструкции крыла. Летающее крыло может иметь различные небольшие выступы, такие как гондолы, гондолы , волдыри, стрелы или вертикальные стабилизаторы .

Подобные конструкции самолетов, которые технически не являются летающими крыльями, иногда вскользь называют таковыми. К этим типам относятся самолеты со смешанным корпусом крыла и самолеты с подъемным корпусом , которые имеют фюзеляж и не имеют определенных крыльев.

Чисто летающее крыло теоретически представляет собой сопротивлением конфигурацию самолета с наименьшим лобовым . Однако из-за отсутствия обычных стабилизирующих поверхностей и связанных с ними поверхностей управления летающее крыло в чистом виде страдает нестабильностью и сложностью управления.

Базовая конфигурация летающего крыла стала объектом серьезных исследований в 1920-х годах, часто в сочетании с другими бесхвостыми конструкциями. Во время Второй мировой войны и нацистская Германия , и союзники добились успехов в разработке летающих крыльев. Военный интерес к летающему крылу ослаб в 1950-х годах с развитием сверхзвуковых самолетов, но возобновился в 1980-х годах из-за их потенциала в области малозаметных технологий . Этот подход в конечном итоге привел к Northrop Grumman B-2 Spirit созданию бомбардировщика- невидимки . Был постоянный интерес к его использованию в крупных транспортных целях для грузов или пассажиров. Boeing , McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth провели исследования по проектированию авиалайнеров с летающим крылом ; однако такие авиалайнеры еще не построены.

Концепция летающего крыла больше всего подходит для дозвуковых самолетов . Ни одно сверхзвуковое летающее крыло никогда не было построено.

Дизайн

Обзор

Northrop N-1M на выставке в авиации и космонавтики. Национального музея Центре Стивена Ф. Удвар-Хейзи

Летающее крыло — это самолет , не имеющий определенного фюзеляжа или хвостового оперения , с экипажем, полезной нагрузкой, топливом и оборудованием, размещенными внутри основной конструкции крыла. Летающее крыло может иметь различные небольшие выступы, такие как гондолы, гондолы , волдыри, стрелы или вертикальные стабилизаторы .

Чистое летающее крыло иногда представляется как теоретически наиболее аэродинамически эффективная (с наименьшим сопротивлением) конструктивная конфигурация самолета с неподвижным крылом. Он также обеспечит высокую конструктивную эффективность при заданной глубине крыла, что приведет к легкому весу и высокой топливной эффективности .

Поскольку у него отсутствуют обычные стабилизирующие поверхности и соответствующие поверхности управления, в чистом виде летающее крыло страдает от присущих ему недостатков, заключающихся в нестабильности и сложности управления. Эти компромиссы трудно примирить, и попытки сделать это могут уменьшить или даже свести на нет ожидаемые преимущества конструкции летающего крыла, такие как снижение веса и сопротивления . Более того, решения могут привести к тому, что окончательный проект окажется слишком небезопасным для определенных целей, например, для коммерческой авиации.

Дополнительные трудности возникают из-за проблемы размещения пилота, двигателей, летного оборудования и полезной нагрузки в пределах глубины секции крыла. Другие известные проблемы конструкции летающего крыла связаны с тангажом и рысканьем . Вопросы тангажа рассмотрены в статье о бесхвостых самолетах . Проблемы рыскания обсуждаются ниже.

Инженерное проектирование

Крыло, выполненное достаточно глубоким, чтобы вместить пилота, двигатели, топливо, шасси и другое необходимое оборудование, будет иметь увеличенную лобовую площадь по сравнению с обычным крылом и удлиненным тонким фюзеляжем. На самом деле это может привести к более высокому лобовому сопротивлению и, следовательно, к снижению эффективности, чем в традиционной конструкции. Обычно решение, принимаемое в этом случае, состоит в том, чтобы сохранить крыло достаточно тонким, а затем самолет снабжают набором блистеров, гондол, гондол, килей и т. д. для удовлетворения всех потребностей практичного самолета.

Проблема обостряется на сверхзвуковых скоростях, когда сопротивление толстого крыла резко возрастает и необходимо сделать крыло тонким. Ни одно сверхзвуковое летающее крыло никогда не было построено.

Путевая устойчивость

Чтобы любой самолет мог летать без постоянной коррекции, он должен обладать путевой устойчивостью по рысканью.

Летающим крыльям негде прикрепить эффективный вертикальный стабилизатор или киль. Любой плавник должен прикрепляться непосредственно к задней части крыла, создавая небольшой рычаг момента от аэродинамического центра, что, в свою очередь, означает, что плавник неэффективен, а для его эффективности площадь плавника должна быть большой. Такой большой плавник имеет проблемы с весом и сопротивлением и может свести на нет преимущества летающего крыла. с малым удлинением Проблему можно свести к минимуму, увеличив стреловидность крыла и разместив два киля снаружи возле законцовок, как, например, в треугольном крыле , но, учитывая соответствующее снижение эффективности, многие летающие крылья имеют более мягкую стреловидность и, следовательно, при лучшая, предельная стабильность.

Соотношение сторон стреловидного крыла, если смотреть в направлении воздушного потока, зависит от угла отклонения от курса воздушного потока. Рыскание увеличивает удлинение ведущего крыла и уменьшает удлинение ведомого. При достаточной стреловидности дифференциальное сопротивление, возникающее из-за вихрей на законцовке и поперечного потока, достаточно для естественного повторного выравнивания самолета.

Дополнительный подход использует поворот или размытие, уменьшая угол атаки по направлению к законцовкам крыла, а также стреловидную форму крыла в плане. В Dunne D.5 был использован этот принцип, и его конструктор Дж. В. Данн опубликовал его в 1913 году. Вымывание уменьшает подъемную силу на концах, создавая колоколообразную кривую распределения по пролету, описанную Людвигом Прандтлем в 1933 году, и это можно использовать для оптимизации веса и сопротивления для заданной подъемной силы.

Другое решение — наклонить или повернуть законцовки крыла вниз со значительным углом наклона , увеличивая площадь задней части самолета, если смотреть сбоку. В сочетании с обратным движением и вымыванием это может решить еще одну проблему. При обычном эллиптическом распределении подъемной силы нисходящий элевон вызывает повышенное индуцированное сопротивление, которое заставляет самолет отклоняться от курса («неблагоприятное отклонение»). Вымывание наклоняет чистый аэродинамический вектор (подъемная сила плюс сопротивление) вперед по мере уменьшения угла атаки, и, в крайнем случае, это может создать чистую тягу вперед. Восстановление внешней подъемной силы элевоном создает небольшую вынужденную тягу задней (внешней) части крыла при развороте. Этот вектор по существу тянет заднее крыло вперед, вызывая «упорное рыскание», создавая естественно скоординированный поворот. В своей лекции 1913 года перед Аэронавигационным обществом Великобритании Данн описал этот эффект как «тангенциальный выигрыш». Существование «пробивного рыскания» не было доказано до тех пор, пока НАСА не запустило бесхвостый демонстратор «Прандтль-Д» .

Управление рысканьем

В некоторых конструкциях летающего крыла любые стабилизирующие стабилизаторы и связанные с ними рули направления будут располагаться слишком далеко вперед, чтобы иметь большой эффект, поэтому рысканьем иногда предусматриваются альтернативные средства управления .

Одним из решений проблемы управления является дифференциальное сопротивление: сопротивление возле одной законцовки крыла искусственно увеличивается, заставляя самолет отклоняться от курса в направлении этого крыла. Типичные методы включают в себя:

• Раздельные элероны . Верхняя поверхность движется вверх, а нижняя – вниз. Разделение элеронов на одну сторону вызывает рыскание, создавая эффект дифференциального воздушного тормоза.
• Спойлеры . Поверхность спойлера в верхней обшивке крыла приподнята, чтобы нарушить воздушный поток и увеличить сопротивление. Этот эффект обычно сопровождается потерей подъемной силы, которую должен компенсировать либо пилот, либо конструктивные особенности, которые компенсируют это автоматически.
• Спойлероны . Спойлер на верхней поверхности, который также уменьшает подъемную силу (эквивалент отклонения элеронов вверх), заставляя самолет крениться в направлении разворота - угол крена заставляет подъемную силу крыла действовать в направлении разворота, уменьшая величина сопротивления, необходимая для поворота продольной оси самолета.

Следствием метода дифференциального сопротивления является то, что если самолет часто маневрирует, он часто создает сопротивление. Таким образом, летающие крылья проявляют себя лучше всего при движении в неподвижном воздухе: в турбулентном воздухе или при изменении курса самолет может быть менее эффективным, чем традиционная конструкция.

Похожие конструкции

Некоторые родственные самолеты, которые не являются строго летающими крыльями, были описаны как таковые.

Некоторые типы, такие как Northrop Flying Wing (NX-216H) , по-прежнему имеют хвостовой стабилизатор, установленный на хвостовой балке, хотя у них отсутствует фюзеляж.

Многие дельтапланы и сверхлегкие самолеты бесхвостые. Хотя эти типы иногда называют летающими крыльями, они несут пилота (и двигатель, если он установлен) под конструкцией крыла, а не внутри нее, и поэтому не являются настоящими летающими крыльями.

Самолет с острой треугольной формой в плане и глубокой центральной секцией представляет собой пограничный случай между конфигурациями летающего крыла, смешанного корпуса крыла и/или несущего корпуса .

История

Немецкий Horten Ho 229 летал в последние дни Второй мировой войны и был первым летающим крылом с реактивным двигателем.

Ранние исследования

Прототип бомбардировщика Northrop YB-35 начал свою разработку во время Второй мировой войны.

С бесхвостыми самолетами экспериментировали с самых первых попыток полета. Британский Дж. У. Данн был пионером, его конструкции бипланов и монопланов со стреловидным крылом продемонстрировали присущую им стабильность еще в 1910 году. Его работа напрямую повлияла на нескольких других конструкторов, в том числе GTR Hill , который разработал серию экспериментальных бесхвостых самолетов , известных под общим названием Птеродактили Вестленд-Хилла , 1920-е — начало 1930-х годов. Несмотря на попытки получить заказы от Министерства авиации , программа «Птеродактиль» была в конечном итоге отменена в середине 1930-х годов, прежде чем был получен заказ на Mk. был выпущен VI.

Немецкий Хьюго Юнкерс запатентовал свою собственную концепцию воздушного транспорта только с крыльями в 1910 году, рассматривая ее как естественное решение проблемы создания авиалайнера, достаточно большого, чтобы перевозить разумную пассажирскую нагрузку и достаточно топлива, чтобы пересечь Атлантику в регулярных рейсах. Он считал, что потенциально большой внутренний объем летающего крыла и низкое лобовое сопротивление делают его очевидно подходящим для этой роли. с глубокой хордой Его крыло- моноплан было включено в обычный Юнкерс J 1 в декабре 1915 года. В 1919 году он начал работу над своей конструкцией «Гиганта» JG1 , предназначенной для размещения пассажиров внутри толстого крыла, но два года спустя Союзная авиационная комиссия США Управление приказало уничтожить неполный JG1 за превышение послевоенных ограничений по размеру немецких самолетов. Юнкерс задумал футуристические летающие крылья, вмещающие до 1000 пассажиров; Ближе всего это было реализовано в авиалайнере Junkers G.38 34-местном Grossflugzeug 1931 года , который имел большое крыло с толстой хордой, обеспечивающее место для топлива, двигателей и двух пассажирских салонов. Однако для размещения экипажа и дополнительных пассажиров по-прежнему требовался короткий фюзеляж.

Советский Борис Иванович Черановский начал испытания бесхвостых планеров с летающим крылом в 1924 году. После 1920-х годов советские конструкторы, такие как Черановский, работали независимо и тайно при Сталине . Благодаря значительному прорыву в материалах и методах строительства такие самолеты, как БИЧ-3 , БИЧ-14 , БИЧ-7А Стали возможны . Такие люди, как Чижевский и Антонов, также оказались в центре внимания Коммунистической партии, разработав самолеты, подобные бесхвостому БОК-5. (Чижевский) и ОКА-33 (первый из построенных Антоновым), которые были обозначены как «моторизованные планеры» из-за их сходства с популярными планерами того времени. БИЧ-11, разработанный Черановским в 1932 году. соревновался с братьями Хортенами Н1 и Адольфом Галландом на Девятых соревнованиях планеров в 1933 году, но не демонстрировался на летних Олимпийских играх 1936 года в Берлине.

В Германии братья Александр Липпиш сначала работал над бесхвостыми типами, а затем постепенно перешел к летающим крыльям, а Хортен в 1930-х годах разработали серию планеров с летающим крылом. Планер H1 с частичным успехом летал в 1933 году, а последующий H2 успешно летал как в планерном, так и в моторном вариантах.

Northrop YB-49 — бомбардировщик YB-35, переоборудованный в реактивный.

В США с 1930-х годов Джек Нортроп самостоятельно работал над собственными разработками. Northrop N-1M , масштабный прототип дальнего бомбардировщика, впервые поднялся в воздух в 1940 году. В 1941 году Northrop получила контракт на разработку двух экземпляров летающего крыла YB-35, очень большого четырехмоторного летающего крыла с пролет 172 фута. Разработка и строительство этого самолета продолжались на протяжении всей Второй мировой войны.

Другие примеры настоящих летающих крыльев 1930-х годов включают планер AV3 француза Шарля Фовеля 1933 года и американский планер Freel Flying Wing, полетевший в 1937 году. с самостабилизирующимся профилем на прямом крыле.

Вторая мировая война

Во время Второй мировой войны вопросы аэродинамики стали достаточно понятными, чтобы начать работу над рядом серийных прототипов. В нацистской Германии братья Хортен были ярыми сторонниками конфигурации летающего крыла, разрабатывая на ее основе свои собственные конструкции - уникально для того времени, используя птичье «колокольчатое распределение подъемной силы» Прандтля. Одним из таких самолетов, которые они произвели, был планер Horten H.IV , который производился в небольших количествах в период с 1941 по 1943 год. Несколько других немецких военных проектов конца войны были основаны на концепции летающего крыла или ее вариациях как предлагаемое решение для расширения дальности полета самолетов с очень малой дальностью полета, оснащенных ранними реактивными двигателями .

Часть Horten Ho 229 V3, нереставрированная по состоянию на 2007 год, в Смитсоновском институте Пола Гарбера .

Прототип реактивного истребителя Horten Ho 229 впервые поднялся в воздух в 1944 году. Он сочетал в себе конструкцию летающего крыла, или Nurflügel , с парой реактивных двигателей Junkers Jumo 004 , или «V2» (V от Versuch во втором прототипе планера ); как таковое, это было первое в мире чисто летающее крыло с двумя реактивными двигателями , которое, как сообщается, впервые поднялось в воздух в марте 1944 года. V2 пилотировал Эрвин Циллер, который погиб, когда возгорание в одном из его двигателей привело к катастрофе. Планировалось производить этот тип под названием Gotha Go 229 на заключительных этапах конфликта. Несмотря на намерения разработать Go 229 и улучшенный Go P.60 для нескольких целей, в том числе в качестве ночного истребителя , ни один построенный Gotha Go 229 или P.60 так и не был построен. Неиспользованный, почти завершенный уцелевший «Фау-3», или третий прототип, был захвачен американскими войсками и отправлен обратно для изучения; он оказался на хранении в Смитсоновском институте .

Союзники также добились нескольких важных успехов в этой области, используя традиционное эллиптическое распределение подъемной силы с вертикальным оперением. В декабре 1942 года компания Northrop летала на N-9M , самолете-разработке предполагаемого дальнего бомбардировщика в масштабе в одну треть; было произведено несколько самолетов, все, кроме одного, были списаны после закрытия программы бомбардировщиков. В Великобритании планер Baynes Bat летал во время войны; это был экспериментальный самолет в масштабе одной трети, предназначенный для проверки конфигурации потенциального преобразования танков во временные планеры .

Британский Armstrong Whitworth AW52 G 1944 года представлял собой испытательный стенд планера для предполагаемого большого авиалайнера с летающим крылом, способного обслуживать трансатлантические маршруты. Позже за AW52G последовал Armstrong Whitworth AW52 , цельнометаллическая модель с реактивным двигателем, способная развивать высокие для того времени скорости; большое внимание уделялось ламинарному течению . Первый полет 13 ноября 1947 года AW52 дал неутешительные результаты; первый прототип разбился без человеческих жертв 30 мая 1949 года, причем это событие стало первым аварийным использованием катапультного кресла британским пилотом. Второй AW52 оставался в эксплуатации Королевского авиастроительного завода до 1954 года.

Послевоенный

Проекты по исследованию летающего крыла продолжались и в послевоенное время. Работа над дальним бомбардировщиком YB-35 , начатая в 1941 году, продолжалась на протяжении всей войны, предсерийные машины поднялись в воздух в 1946 году. В следующем году на смену этому типу пришел перевод этого типа на реактивный самолет, получивший в YB-49. 1947 году .

Первоначально эта конструкция не давала большого преимущества в дальности полета по сравнению с более медленными конструкциями поршневых бомбардировщиков, в первую очередь из-за высокого расхода топлива первых турбореактивных двигателей, однако она открыла новые возможности в скорости для большого самолета.

9 февраля 1949 года он был переброшен с базы ВВС Эдвардс в Калифорнии на базу ВВС Эндрюс недалеко от Вашингтона, округ Колумбия, для демонстрации воздушной мощи президента Гарри Трумэна. Полет был совершен за четыре часа 20 минут, установив трансконтинентальный рекорд скорости. У YB-49 были некоторые незначительные проблемы с поперечной устойчивостью, которые были устранены с помощью новой системы автопилота, когда версия бомбардировщика была отменена в пользу гораздо большего, но более медленного B-36. Разведывательная версия некоторое время находилась в разработке, но в производство самолет так и не поступил.

В Советском Союзе БИЧ-26 стал одной из первых попыток создания сверхзвукового реактивного летающего самолета в 1948 году; Автор авиации Билл Ганстон назвал БИЧ-26 опередившим свое время. Однако самолет не был принят на вооружение советской армии, и конструкция умерла вместе с Черановским.

Несколько других стран также решили реализовать проекты летающего крыла. Одной из таких стран была Турция: турецкая компания Hava Kurumu Ucak Fabrikasi, производившая бесхвостый планер THK-13 в 1948 году. Многие британские производители в это время также изучали эту концепцию. В ранних предложениях по Avro Vulcan , с ядерным вооружением стратегическому бомбардировщику , разработанному Роем Чедвиком , также рассматривались несколько схем летающего крыла, хотя окончательная конструкция имела фюзеляж.

Существует постоянный интерес к летающему крылу, предназначенному для перевозки грузов и пассажиров. Boeing , McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth провели исследования по проектированию авиалайнеров с летающим крылом ; однако такие авиалайнеры еще не построены.

После появления сверхзвуковых самолетов в 1950-х годах интерес военных к летающему крылу быстро сократился, поскольку концепция применения толстого крыла, вмещающего экипаж и оборудование, напрямую противоречила оптимальному тонкому крылу для сверхзвукового полета.

Интерес к летающим крыльям возобновился в 1980-х годах из-за их потенциально низкой радара площади отражения . Технология «Стелс» основана на формах, которые отражают радиолокационные волны только в определенных направлениях, что затрудняет обнаружение самолета, если только приемник радара не находится в определенном положении относительно самолета — положении, которое постоянно меняется по мере движения самолета. Этот подход в конечном итоге привел к созданию Northrop Grumman B-2 Spirit , бомбардировщика- невидимки с летающим крылом . В этом случае аэродинамические преимущества летающего крыла не являются основной причиной принятия этой конструкции. Однако современные электродистанционные системы с компьютерным управлением позволяют свести к минимуму многие аэродинамические недостатки летающего крыла, что делает его эффективным и стабильным дальним бомбардировщиком.

Из-за практической необходимости глубокого крыла концепция летающего крыла в основном применяется для дозвуковых самолетов . Был постоянный интерес к его использованию в крупных транспортных целях, когда крыло достаточно глубокое, чтобы вмещать груз или пассажиров. ряд компаний, в том числе Boeing , McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth , провели проектные исследования авиалайнеров На сегодняшний день с летающим крылом; однако, По состоянию на 2023 год таких авиалайнеров еще не построено.

Двунаправленное летающее крыло, вид сверху вниз.

Двунаправленное летающее крыло представляет собой концепцию изменяемой геометрии, состоящую из дозвукового крыла с большим размахом и сверхзвукового крыла с коротким размахом, соединенных в форме неравного креста. Предложенное в 2011 году низкоскоростное крыло будет иметь толстый закругленный профиль, способный вместить полезную нагрузку, и большой размах для обеспечения высокой эффективности, в то время как высокоскоростное крыло будет иметь тонкий аэродинамический профиль с острыми краями и более короткий размах для низких скоростей. тащить на сверхзвуковой скорости. Корабль будет взлетать и приземляться, направляя низкоскоростное крыло поперек воздушного потока, а затем поворачивать на четверть оборота так, чтобы высокоскоростное крыло было обращено к воздушному потоку для сверхзвукового полета. НАСА профинансировало исследование этого предложения. Утверждается, что эта конструкция обеспечивает низкое волновое сопротивление, высокую дозвуковую эффективность и уменьшенный звуковой удар.

После окончания Холодной войны было произведено множество беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с летающим крылом. Страны обычно использовали такие платформы для воздушной разведки ; к таким БПЛА относятся Lockheed Martin RQ-170 Sentinel и Нортроп Грумман Терн . Гражданские компании также экспериментировали с БПЛА, такими как Facebook Aquila , в качестве атмосферных спутников . различные прототипы боевых беспилотных летательных аппаратов Были произведены (БПЛА), в том числе Dassault nEUROn , the Sukhoi S-70 Okhotnik-B , DRDO Ghatak и BAE Systems Taranis .

См. также

• Список летающих крыльев
• Круглое крыло
• Косое крыло
• Винсент Бурнелли
• Занония макрокарпа

Ссылки

Библиография

• Ганстон, Билл (1996). «За границами: Летающие крылья Нортропа». Крылья славы . 2 . Лондон: Аэрокосмическое издательство: 24–37. ISBN  1-874023-69-7 . ISSN   1361-2034 . .
• Меттам, штат Калифорния (26 марта 1970 г.), «История птеродактиля» , Flight International , 97 (3185): 514–518.
• Мойр, Ян; Сибридж, Аллан Г. (2008), Авиационные системы: интеграция механических, электрических и авиационных подсистем , Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, ISBN  978-0-4700-5996-8 .
• О'Лири, Майкл (июнь 2007 г.). «Форма будущих крыльев». Самолет . Том. 35, нет. 6, выпуск 410. С. 65–68.
• Иллюстрированная энциклопедия самолетов (частичная работа 1982–1985 гг.) . Издательство Орбис.
• Пеллетье, Ален Дж. «На пути к идеальному самолету? Жизнь и времена летающего крыла, часть первая: от начала до 1945 года». Энтузиаст авиации (64 года, июль – август 1994 г.): 2–17. ISSN   0143-5450 . .
• Стертивант, Р. (1990). Британский научно-исследовательский самолет . ГТ Фулис. п. 45. ИСБН  0854296972 . .
• Свитман, Билл (2005), Lockheed Stealth , North Branch, Миннесота: Zenith Imprint, ISBN  978-0-7603-1940-6 .
• Таппер, О. (1973). Самолет Армстронг-Уитворт с 1913 года . Лондон: Патнэм. стр. 287–96.

Дальнейшее чтение

• Кон, Лео Дж. (1974). Летающие крылья Нортропа . Милуоки, Висконсин: Авиационные публикации. ISBN  0-87994-031-Х .
• Ламинг, Тим (2002). История Вулкана: 1952–2002 гг . Эндерби, Лестер, Великобритания: Silverdale Books. ISBN  1-85605-701-1 . .
• Мэлони, Эдвард Т. (1975). Нортроп Летающие крылья . Буэна-Парк, Калифорния: Издатели Planes Of Fame. ISBN  0-915464-00-4 .

Внешние ссылки

• История летающего крыла в веке полета.
• Страница Нурфлюгеля
• «Полет в будущее» , Джо Мизрахи, Wings , апрель 1999 г., Vol. 29, № 2
• Глен Эдвардс и Летающее Крыло
• « Летающие крылья приближаются », «Популярная механика» , 77 , № 3, март 1942 г., стр. 14–15, 190, 192–193.