Трехповерхностный самолет
Самолет с тремя или иногда с тремя подъемными поверхностями имеет носовую часть , центроплан и хвостовое оперение . Центральная поверхность крыла всегда обеспечивает подъемную силу и обычно является самой большой, в то время как функции передней и задней плоскостей могут различаться в зависимости от типа и могут включать подъемную силу, управление и/или устойчивость.
В гражданских самолетах может использоваться трехповерхностная конфигурация для обеспечения характеристик безопасного сваливания и характеристик короткого взлета и посадки (КВП). Утверждается также, что это позволяет минимизировать общую площадь поверхности крыла, уменьшая сопутствующее сопротивление обшивки. В боевых самолетах эта конфигурация также может использоваться для повышения маневренности как до, так и после сваливания, часто в сочетании с векторной тягой .
История
[ редактировать ]Раннее обозначение, использовавшееся в 1911 году, было «трехплоскостная система». [ 1 ] Проекты Fernic 1920-х годов назывались «тандемами». Хотя на самом деле существуют две несущие поверхности крыла, расположенные тандемно, хвостовое оперение образует третью горизонтальную поверхность.
Пионерские эксперименты
[ редактировать ]
В годы зарождения авиации ряд самолетов летал как с носовыми, так и с кормовыми вспомогательными поверхностями. Проблема контроля и устойчивости была плохо изучена, и обычно управление тангажем осуществлялось на передней поверхности, а задняя поверхность также поднималась, что приводило к нестабильности тангажа. Кресс Драхенфлигер 1901 года и триплан Дюфо 1908 года не имели достаточной мощности для взлета. Среди наиболее успешных типов были Voisin-Farman I (1907 г.) и Curtiss No. 1 (1909 г.). Братья Райт тоже экспериментировали с базовой конструкцией флаера, стремясь добиться как управляемости, так и устойчивости, летая на нем в разное время сначала в «утке», затем в трех надводных и, наконец, в обычных конфигурациях. [ 2 ] [ 3 ] К началу Первой мировой войны в 1914 году основное крыло с меньшей задней поверхностью хвостового оперения стало традиционной конфигурацией, и в течение многих лет эксплуатировались лишь три типа крыла. Оба самолета Fokker V.8 1917 года и Caproni Ca.60 Noviplano 1921 года потерпели неудачу.
Soft stall and STOL
[ редактировать ]
В 1920-х годах Джордж Ферник разработал идею двух тандемных несущих поверхностей вместе с обычным хвостовым оперением. Небольшой носовой самолет был сильно нагружен, и по мере увеличения угла атаки он был спроектирован так, чтобы сваливаться первым, вызывая опускание носовой части и позволяя самолету безопасно восстанавливаться без сваливания основного крыла. Это «мягкое» стойло обеспечивает уровень безопасности в стойле, который обычно не присутствует в обычных конструкциях. Ферник Т-9 , трехпланный моноплан, поднялся в воздух в 1929 году. Ферник погиб в результате несчастного случая во время полета на своем преемнике FT-10 Cruisaire. [ 4 ]
Такого мягкого сваливания можно добиться с помощью чистой конструкции «утка» , но тогда будет трудно контролировать качку, и могут возникнуть колебания, поскольку носовая часть самолета неоднократно поднимает нос, сваливается и возвращается в исходное состояние. Кроме того, при проектировании необходимо соблюдать осторожность, чтобы турбулентный след от заглохшей носовой части сам по себе не нарушал воздушный поток над основным крылом в достаточной степени, чтобы вызвать значительную потерю подъемной силы и нейтрализовать момент кабрирования при пикировании. В трехповерхностной схеме третья, хвостовая, не сваливается и обеспечивает лучшую управляемость. [ нужна ссылка ]
В 1950-х годах Джеймс Робертсон разработал свой экспериментальный Skyshark. Это была в целом традиционная конструкция, но с множеством особенностей, включая небольшую носовую часть с уткой, призванную обеспечить не только безопасное сваливание, но и хорошие характеристики короткого взлета и посадки (КВП). Носовая часть самолета позволила достичь характеристик взлета и посадки без больших углов атаки и сопутствующей опасности сваливания, требуемой обычными конструкциями взлета и посадки. Самолет прошел оценку армии США. [ 5 ] Система Робертсона была коммерциализирована как Wren 460 , модифицированный легкий самолет Cessna. Позже он, в свою очередь, был лицензирован и производился в 1980-х годах как Peterson 260SE , а с передней частью только как 230SE. В 2006 году в производство поступил усиленный вариант Peterson Katmai . Во многом аналогичный подход использован в Eagle-XTS 1988 года выпуска. [ 6 ] и его производные, серия Eagle 150 .
Маневренность за пределами сваливания
[ редактировать ]
Примерно в 1979 году конструкторы военных реактивных самолетов начали изучать трехповерхностную конфигурацию как способ обеспечить повышенную маневренность и управляемость, особенно на низких скоростях и больших углах атаки, например, во время взлета и боя. [ 7 ] В Соединенных Штатах экспериментальный Grumman X-29 поднялся в воздух в 1984 году и модифицированный McDonnell Douglas F-15 , F-15 STOL/MTD , в 1988 году, но эти проекты не получили развития. В Советском Союзе Су -27, модифицированный носовой частью «утка», совершил полет в 1985 году. [ 8 ] и производные от этой конструкции стали единственными военными трехповерхностными типами, поступившими в производство.
Минимальная поверхность крыла
[ редактировать ]
Также в 1979 году Piaggio начала исследования по проектированию гражданского двухместного турбовинтового самолета с тремя поверхностями, который в сотрудничестве с Learjet стал называться Piaggio P.180 Avanti . Этот тип впервые поднялся в воздух в 1986 году и поступил на вооружение в 1990 году, производство продолжается и сегодня. Утверждается, что в Avanti конфигурация с тремя поверхностями значительно уменьшает размер, вес и сопротивление крыла по сравнению с традиционным эквивалентом. [ 9 ]
Два экспериментальных самолета, принявших эту конфигурацию, были впоследствии построены компанией Scaled Composites под руководством Берта Рутана и совершили полет в 1988 году. Triumph самолет с двумя турбовентиляторными двигателями, представлял собой очень легкий реактивный разработанный для Beechcraft . Летные испытания подтвердили целевой диапазон характеристик. [ 10 ] [ 11 ] Catbird — одномоторный винтовой самолёт, задуманный Рутаном как замена Beechcraft Bonanza . Ему принадлежит мировой рекорд скорости по замкнутому кругу на расстояние 5000 км (3100 миль) без полезной нагрузки 334,44 км/ч (207,81 миль в час), установленный в 2014 году. [ 12 ]
Конструкция истребителя
[ редактировать ]
Некоторые современные реактивные самолеты имеют конфигурацию с тремя поверхностями, часто в сочетании с управлением вектором тяги . Обычно это предназначено для улучшения управления и маневренности, особенно на очень больших углах атаки за пределами точки сваливания основного крыла. Некоторые сложные боевые маневры, такие как «Кобра Пугачева» и « Кульбит», впервые были выполнены на самолетах Сухого с тремя поверхностями.
Экспериментальный Grumman X-29 имел базовую конфигурацию «утка» с расположением хвоста вперед , с крыльями необычной стреловидности вперед и полосами, идущими назад от корней основных крыльев. Подвижные закрылки на концах ремней фактически создавали трехповерхностную конструкцию. [ 13 ] Х-29 продемонстрировал исключительную маневренность при атаке на больших углах. [ 14 ]
Более простая конструкция с тремя поверхностями наблюдается в нескольких вариантах обычного Су-27 . После успешного добавления носовых самолетов «утка» к опытному самолету они были включены в ряд последующих серийных вариантов, включая военно-морской Су-33 (Су-27К), некоторые Су-30, Су-35 и Су-37. Китайский Shenyang J-15 также наследует конфигурацию Су-33.
McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD представлял собой планер F-15, модифицированный носовой частью «утка» и системой управления вектором тяги, предназначенный для демонстрации этих технологий как для характеристик взлета и посадки, так и для высокой маневренности.
Конструкция с уменьшенной площадью поверхности
[ редактировать ]
Утверждается, что конфигурация с тремя поверхностями уменьшает общую аэродинамическую площадь поверхности по сравнению с обычной конфигурацией и конфигурацией «утка». [ 9 ] [ 15 ] что позволяет снизить сопротивление и вес.
Равновесие высоты тона
[ редактировать ]На большинстве самолетов центр давления крыла перемещается вперед и назад в зависимости от условий полета. Если он не совпадает с центром тяжести корректирующую или триммирующую силу, чтобы предотвратить качку самолета и, таким образом, сохранить равновесие. , необходимо применить [ 16 ]
На обычном самолете эта сила балансировки по тангажу применяется хвостовым оперением . Во многих современных конструкциях центр давления крыла обычно находится позади центра тяжести, поэтому хвостовое оперение должно оказывать направленную вниз силу. [ 17 ] Любая такая отрицательная подъемная сила, создаваемая хвостом, должна быть компенсирована дополнительной подъемной силой основного крыла, что увеличивает требования к площади крыла, лобовому сопротивлению и весу.
На самолете с тремя поверхностями силы балансировки по тангажу при необходимости в полете могут распределяться между носовой частью и хвостовым оперением. Равновесие может быть достигнуто за счет подъемной силы носовой части, а не прижимной силы хвостового оперения. Оба эффекта, уменьшенная прижимная сила и дополнительная подъемная сила, уменьшают нагрузку на основное крыло.
Piaggio P.180 Avanti имеет закрылки как на переднем, так и на основном крыле. Оба закрылка раскрываются одновременно для поддержания нейтрального тангажа при взлете и посадке. [ 9 ]
Статическая устойчивость и сваливание
[ редактировать ]На самолете-утке , чтобы обеспечить естественную статическую устойчивость по тангажу в нормальном полете, носовая часть должна обеспечивать подъемную силу. Кроме того, для того, чтобы самолет имел характеристики безопасного сваливания, передняя часть самолета должна свалиться перед основным крылом, наклоняя самолет вниз и позволяя ему восстановиться. Это означает, что на основной площади крыла необходимо использовать запас прочности, чтобы максимальный коэффициент подъемной силы на практике никогда не достигались и нагрузка на крыло. Это, в свою очередь, означает, что основное крыло необходимо увеличить в размерах.
На трехплановом самолете хвостовое оперение выполняет роль обычного горизонтального стабилизатора . В состоянии сваливания, даже если основное крыло заглохло, хвостовое оперение может создать момент тангажа и обеспечить выход. Таким образом, крыло можно использовать до максимального коэффициента подъемной силы, что может привести к уменьшению его площади и веса.
Подъемная носовая часть расположена впереди центра тяжести, поэтому ее подъемный момент действует в том же направлении, что и любое движение по тангажу. Если самолет должен быть естественно устойчивым, размер носовой части, наклон подъемной силы и плечо момента должны быть выбраны так, чтобы они не преобладали над стабилизирующим моментом, создаваемым крылом и хвостовым оперением. носовой части самолета Таким образом, ограничения устойчивости ограничивают объем (показатель ее эффективности с точки зрения дифферента и устойчивости), что, в свою очередь, может ограничивать его способность распределять усилия балансировки по тангажу, как описано выше.
Уменьшение площади крыла
[ редактировать ]Минимальный размер подъемных крыльев самолета определяется: весом самолета, силой, необходимой для противодействия отрицательной подъемной силе, создаваемой горизонтальным стабилизатором, заданными скоростями взлета и посадки, а также коэффициентом подъемной силы крыльев. .
В большинстве современных самолетов на основном крыле используются закрылки задней кромки для увеличения коэффициента подъемной силы крыла при взлете и посадке; таким образом позволяя крылу быть меньше, чем нужно было бы в противном случае. Это может уменьшить вес крыла и всегда уменьшает площадь поверхности крыла. Уменьшение площади поверхности пропорционально снижает сопротивление обшивки на всех скоростях.
Недостатком использования закрылков задней кромки является то, что при использовании они создают значительный отрицательный момент тангажа. Чтобы сбалансировать этот момент тангажа, горизонтальный стабилизатор должен быть несколько больше, чем он был бы в противном случае, чтобы он мог создавать достаточную силу для уравновешивания отрицательного момента тангажа, создаваемого закрылками задней кромки. Это, в свою очередь, означает, что основное крыло должно быть несколько больше, чем в противном случае, чтобы уравновесить большую отрицательную подъемную силу, создаваемую более крупным горизонтальным стабилизатором.
На самолете-утке носовая часть может обеспечивать положительную подъемную силу при взлете, частично уменьшая прижимную силу, которую в противном случае пришлось бы создавать заднему стабилизатору. Однако основное крыло должно быть достаточно большим, чтобы не только поднять оставшийся вес самолета при взлете, но и обеспечить достаточный запас безопасности для предотвращения сваливания. В самолете с тремя поверхностями ни один из этих недостатков отсутствует, и основное крыло можно уменьшить в размерах, что также уменьшит вес и сопротивление. Утверждается, что общая площадь всех поверхностей крыла самолета с тремя поверхностями может быть меньше, чем у эквивалентного самолета с двумя поверхностями, что снижает как вес, так и сопротивление.
Минимальная площадь в крейсерском режиме может быть дополнительно уменьшена за счет использования обычных устройств подъемной силы, таких как закрылки, что позволяет конструкции с тремя поверхностями иметь минимальную площадь поверхности во всех точках зоны полета. [ 9 ]
Примеры самолетов с тремя поверхностями уменьшенной площади включают Piaggio P.180 Avanti , а также Scaled Composites Triumph и Catbird . Эти самолеты были спроектированы так, чтобы подвергать воздействию встречного потока минимальную общую площадь поверхности; [ нужна ссылка ] тем самым уменьшая сопротивление поверхности для увеличения скорости и топливной экономичности. В нескольких обзорах сравнивается максимальная скорость и практический потолок Avanti с реактивными самолетами более низкого уровня и отмечается значительно более высокая топливная экономичность на крейсерской скорости. [ 18 ] [ 19 ] Пьяджио отчасти объясняет такие характеристики компоновкой самолета, утверждая, что общая площадь крыла уменьшена на 34% по сравнению с традиционной компоновкой. [ 9 ] [ 15 ]
Список трехземных самолетов
[ редактировать ]| Тип | Страна | Сорт | Роль | Дата | Статус | Нет. | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Асеэйр АЭРИКС 200 | Швейцария | Пропеллер | Частный | 2002 | Прототип | Создан как комплект для сборки дома. | |
| Curtiss/AEA June Bug | НАС | Пропеллер | Экспериментальный | 1908 | Прототип | ||
| Капрони Ca.60 Новиплано | Италия | Пропеллер | Транспорт | 1921 | Прототип | Три ряда трипланов, всего девять крыльев. Летающая лодка. | |
| Кертисс № 1 | НАС | Пропеллер | Экспериментальный | 1909 | Прототип | Также известен как Curtiss Gold Bug или Curtiss Golden Flyer. | |
| де ла Фарж Пульга | Аргентина | Пропеллер | Частный | около 1990 года | Модифицированная летающая блоха [ 20 ] | ||
| Дюфо | Швейцария | Пропеллер | Экспериментальный | 1908 | Прототип | Первый полет швейцарского самолета. [ 21 ] | |
| Орел-XTS | Австралия | Пропеллер | Частный | 1988 | |||
| Самолет Eagle Eagle 150 | Австралия | Пропеллер | Частный | 1997 | |||
| Трехкрылый моноплан Фарман | Франция | Пропеллер | Экспериментальный | 1908 | Прототип | [ 21 ] | |
| Ферник Т-9 | НАС | Пропеллер | Частный | 1929 | |||
| Ферник-Круизер FT-10 | НАС | Пропеллер | Частный | 1930 | [ 22 ] [ 23 ] | ||
| Fokker V.8 | Германия | Пропеллер | Экспериментальный | 1917 | Прототип | ||
| Грумман Х-29 | НАС | Джет | Экспериментальный | 1984 | Прототип | Крыло стреловидности вперед с носовой частью и закрылками хвостовой балки. | |
| Херринг-Берджесс | НАС | Пропеллер | 1910 | Биплан. [ 24 ] [ 25 ] | |||
| Кресс дельтаплан | Австро-Венгрия | Пропеллер | Экспериментальный | 1901 | Прототип | Не удалось взлететь: двигателю не хватило мощности для взлета. | |
| McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD | НАС | Джет | Экспериментальный | 1988 | Прототип | демонстратор технологий повышенной маневренности, включая использование вектора тяги | |
| Mikoyan-Gurevich Ye-8 | Советский Союз | Джет | Экспериментальный | 1962 | Прототип | ||
| Миллер-Боханнон JM-2 Pushy Galore | НАС | Пропеллер | Частный | 1989 | Оперативный | 1 | Гонщик в конфигурации толкача |
| NPO Molniya 1 | Россия | Транспорт | 1992 | ||||
| Петерсон 260SE и 230SE | НАС | Пропеллер | Частный | 1986 | |||
| Петерсон Катмаи | НАС | Пропеллер | Частный | ||||
| Пьяджио P.180 Аванти | Италия | Пропеллер | Транспорт | 1986 | Производство | ||
| Робертсон Скайшарк | НАС | Пропеллер | Частный | ||||
| Рутанская чешуйчатая модель 120 «Хищник» | НАС | Пропеллер | Экспериментальный | 1984 | Прототип | [ 26 ] | |
| Масштабированные композиты ATTT (модель 133) | НАС | Пропеллер | Экспериментальный | 1987 | Прототип | [ 27 ] | |
| Масштабные композиты Триумф (модель 143) | НАС | Джет | Экспериментальный | 1988 | Прототип | ||
| Чешуйчатые композиты Catbird (модель 181) | НАС | Пропеллер | Экспериментальный | 1988 | Прототип | ||
| Шэньян J-15 | Китай | Джет | Высокая маневренность боевая | 2009 | |||
| Короткий биплан №1 | Великобритания | Пропеллер | Экспериментальный | 1910 | Прототип | Не летал. | |
| Сухой Су- 27М | Советский Союз | Джет | Высокая маневренность боевая | Некоторые образцы оснащены носовой частью в дополнение к стандартному хвостовому оперению. | |||
| Sukhoi Su-30 MKI | Индия | Джет | боец | 1989 | Производство | Лицензионный вариант Су-30. | |
| Сухой Су-33 | Советский Союз | Джет | боец | 1987 | Производство | ||
| Сухой Су-34 | Россия | Джет | Атака | 1990 | Производство | ||
| Сухой Су-37 | Россия | Джет | боец | 1996 | Прототип | ||
| Сухой Су-47 | Россия | Джет | Экспериментальный | 1997 | Прототип | Главное крыло стреловидно вперед. | |
| Вуазен-Фарман I | Франция | Пропеллер | Экспериментальный | 1907 | |||
| Рен 460 | НАС | Пропеллер | Частный | 1963 | |||
| Райт Модель А (модифицированная) | НАС | Пропеллер | Экспериментальный | 1909 | [ 3 ] |
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Г.Х. Брайан, Стабильность в авиации , 1911 г.
- ^ Кулик, FEC (июнь 2003 г.). «Братья Райт: первые авиационные инженеры и летчики-испытатели» (PDF) . Журнал АИАА . 41 (6): 1003–1004. Бибкод : 2003AIAAJ..41..985C . CiteSeerX 10.1.1.579.7665 . дои : 10.2514/2.2046 . Проверено 13 июля 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б Энглер, Н. «Райт Модель AB 1909–1910 гг.» . Райт-Братья.org . Авиакомпания братьев Райт.
- ^ «Ферник Т.10 Круизер» . 1000aircraftphotos.com . Проверено 3 мая 2015 г.
- ^ «Спорт и бизнес – Знакомство с крапивником» (PDF) . Рейс Интернешнл . 23 мая 1963 г. с. 751 . Проверено 14 июля 2013 г.
- ^ «Австралийский Eagle-XTS готовится к запуску через совместное малазийское предприятие» (PDF) . Рейс Интернешнл . 27 ноября 1991 г. с. 18 . Проверено 14 июля 2013 г.
- ^ Миллер, Дж.; X-planes , Specialty Press (1983), стр. 178.
- ^ Грин, В. и Суонборо, С.; Полная книга бойцов Саламандра (1994).
- ^ Перейти обратно: а б с д и «Технические характеристики и описание Piaggio P180 Avanti II» (PDF) . Пьяджо Аэро. Январь 2005 года.
- ^ «Проект Scaled Composites: Триумф» . Сайт Scaled Composites . Масштабированные композиты . Проверено 14 июля 2013 г.
- ^ Бейли, Джон (30 января 1991 г.), «Рутан в атаке» (pdf) , Flight International , том. 139, нет. 4252, Издательство Рид Бизнес, стр. 4252. 30 , получено 14 июля 2013 г.
- ^ Номер файла записи ФАИ № 17236 , ФАИ
- ^ В книге Яна Роскама « Проектирование самолета » X-29 описывается как самолет с тремя поверхностями.
- ^ «Информационный бюллетень НАСА Драйдена - X-29» . Веб-сайт Центра летных исследований Драйдена НАСА . НАСА. 15 декабря 2009 года . Проверено 14 июля 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б Маццони, Алессандро (27 мая 1982 г.). «Патент США 4746081» . База данных USPTO . Проверено 11 июля 2013 г.
- ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). «4.1 Основы статического равновесия и устойчивости». Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. п. 377. ИСБН 978-0-470-53975-0 .
Когда органы управления установлены так, что результирующие силы и моменты вокруг центра тяжести равны нулю, говорят, что самолет находится в балансировке , что просто означает статическое равновесие.
- ^ Барнард, Р.Х.; Филпотт, доктор медицинских наук (2010). «11. Статическая устойчивость». Полет самолета (4-е изд.). Харлоу, Англия: Прентис Холл. п. 275 . ISBN 978-0-273-73098-9 .
- ^ Гойер, Роберт (19 апреля 2012 г.). "Piaggio P.180 Avanti II (обзор)" . Летающий журнал . Проверено 14 июля 2013 г.
- ^ Коллинз, Питер (1 ноября 2005 г.). «Летные испытания: Piaggio Avanti II — трудно превзойти» . Рейс Интернешнл . Проверено 14 июля 2013 г.
- ^ «Поу-Гид — Аргентинские Пульгасы» . pouguide.org . Проверено 3 мая 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б Джейн, FT; Все самолеты мира, 1913 г. , Сэмпсон Лоу, 1913 г., факсимильная перепечатка Дэвида и Чарльза, 1969 г.
- ^ Аэронавигационный документ № 52, июль 1930 г., стр. 440.
- ^ Фотография Fernic-Cruisaire FT-10 , Aerofiles, получено 3 мая 2015 г.
- ↑ Взлет: новаторская авиация Новой Англии, 1910 г. , исторический веб-сайт Новой Англии (по состоянию на 5 октября 2014 г.).
- ↑ Биплан Херринг-Берджесс. Архивировано 6 октября 2014 года на веб-сайте Wayback Machine , Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики (проверено 5 октября 2014 года).
- ^ «ПЕРЕДОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ «Хищник 480» » . Архивировано из оригинала 29 января 2012 года . Проверено 15 апреля 2013 г.
- ^ «МАСШТАБИРОВАННАЯ Модель 133 'SMUT' (ATTT или AT3)» . Архивировано из оригинала 29 мая 2013 года . Проверено 15 апреля 2013 г.
Библиография
[ редактировать ]- Гаррисон, П ; ТЕХНИКА: Компания Three's ; Полет , декабрь 2002 г., стр. 85–86.