Стреловидное крыло

За Су-47 следуют два Су-27 . Су-47 имеет крыло передней стреловидности, а Су-27 имеет более традиционную конструкцию крыла обратной стреловидности.

Стреловидное крыло - это крыло , наклоненное назад или иногда вперед от основания, а не перпендикулярно фюзеляжу.

Стреловидные крылья использовались со времен зарождения авиации. Стреловидность крыла на высоких скоростях была впервые исследована в Германии еще в 1935 году Альбертом Бетцем и Адольфом Буземаном и нашла применение незадолго до конца Второй мировой войны . Он имеет эффект задержки ударных волн и сопутствующего увеличения аэродинамического сопротивления , вызванного сжимаемостью жидкости, близкой к скорости звука , улучшая производительность. Поэтому стреловидные крылья почти всегда используются на реактивных самолетах, предназначенных для полетов на таких скоростях.

Термин «стреловидное крыло» обычно используется для обозначения «стреловидного назад», но варианты включают стреловидность вперед , крылья переменной стреловидности и наклонные крылья, в которых одна сторона стреловидна вперед, а другая назад. Треугольное крыло также с аэродинамической точки зрения представляет собой стреловидное крыло.

Причины зачистки

Североамериканский FJ-1 с прямым крылом летал рядом со стреловидным FJ-2 в 1952 году.

Есть три основные причины подметания крыла:

1. обеспечить более точное совпадение центра тяжести самолета и аэродинамического центра крыла для обеспечения продольного баланса, например Мессершмитт Ме 163 Комет и Мессершмитт Ме 262 . Хотя крыло и не было стреловидным, панели крыла Douglas DC-1 за пределами гондол также имели небольшую стреловидность по тем же причинам.

2. для обеспечения продольной устойчивости бесхвостых самолетов, например Messerschmitt Me 163 Komet .

3. чаще всего для увеличения числа Маха путем задержки на более высокой скорости эффекта сжимаемости (резких изменений плотности воздушного потока), например, боевых самолетов, авиалайнеров и бизнес-джетов.

Другие причины включают в себя:

1. обеспечение положения короба для переноски крыла для достижения желаемого размера салона, например HFB 320 Hansa Jet .

2. обеспечение статического аэроупругого рельефа, который уменьшает изгибающие моменты при высоких перегрузках и может позволить сделать конструкцию крыла более легкой.

Структурный проект

Для крыла заданного размаха его стреловидность увеличивает длину идущих вдоль него лонжеронов от корня до законцовки. Это приводит к увеличению веса и снижению жесткости. Если носовая хорда крыла также остается прежней, расстояние между передней и задней кромками уменьшается, уменьшая его способность сопротивляться скручивающим (торсионным) силам. Поэтому стреловидное крыло заданного размаха и хорды должно быть усилено и будет тяжелее, чем эквивалентное несстреловидное крыло.

Стреловидное крыло обычно наклонено назад от основания, а не вперед. Поскольку крылья сделаны максимально легкими, они имеют тенденцию прогибаться под нагрузкой. Эта аэроупругость под действием аэродинамической нагрузки заставляет законцовки изгибаться вверх при нормальном полете. Обратный ход заставляет кончики уменьшать угол атаки при изгибе, уменьшая их подъемную силу и ограничивая эффект. Сдвиг вперед заставляет кончики увеличивать угол атаки при изгибе. Это увеличивает их подъемную силу, вызывая дальнейший изгиб и, следовательно, еще большую подъемную силу в цикле, что может вызвать неконтролируемое разрушение конструкции. По этой причине стреловидность вперед встречается редко, а крыло должно быть необычайно жестким.

Важны два угла стреловидности: один на передней кромке для сверхзвуковых самолетов, а другой на 25% назад от передней кромки для дозвуковых и трансзвуковых самолетов. Размах передней кромки важен, поскольку передняя кромка должна находиться за конусом машины, чтобы уменьшить волновое сопротивление. Линия четверти хорды (25 %) используется потому, что там действует дозвуковая подъемная сила, обусловленная углом атаки, и вплоть до введения сверхкритических участков гребень обычно находился близко к четверти хорды.

Типичные углы стреловидности варьируются от 0 для самолетов с прямым крылом до 45 градусов и более для истребителей и других высокоскоростных конструкций.

Аэродинамический дизайн

Дозвуковой и околозвуковой полет

Yakovlev Yak-25 swept wing

Показано стреловидное крыло в околозвуковом потоке с положением ударной волны (красная линия). Эта линия представляет собой линию постоянного давления (изобары), поскольку ударные волны не могут существовать поперек изобар и для хорошо спроектированного крыла совпадает с постоянной процентной хордой. как показано. Треугольники показывают, что только часть падающего воздушного потока (в направлении потока) отвечает за создание подъемной силы или ударных волн (т. е. та часть, которая показана стрелкой, перпендикулярной красной изобаре). Его длина за скачком короче, что означает, что поток при прохождении скачка замедлился.

Ударные волны могут образовываться на некоторых частях самолета, движущегося со скоростью, меньшей скорости звука. Области низкого давления вокруг самолета вызывают ускорение потока, и на околозвуковых скоростях это локальное ускорение может превышать 1 Маха. Локализованный сверхзвуковой поток должен вернуться в условия набегающего потока вокруг остальной части самолета, и когда поток входит в неблагоприятный градиент давления. в кормовой части крыла возникает разрыв в виде ударной волны, поскольку воздух вынужден быстро замедляться и возвращаться к окружающему давлению.

В точке падения плотности местная скорость звука соответственно падает и может образоваться ударная волна. Вот почему в обычных крыльях ударные волны образуются первыми после достижения максимальной толщины/хорды и почему все авиалайнеры, предназначенные для полета в околозвуковом диапазоне (выше M0,8), имеют сверхкритические крылья, более плоские сверху, что приводит к минимизации углового изменения потока. в верхний приземный воздух. Угловое изменение воздуха, которое обычно является частью создания подъемной силы, уменьшается, и это снижение подъемной силы компенсируется более глубокими изогнутыми нижними поверхностями, сопровождаемыми рефлекторной кривой на задней кромке. Это приводит к гораздо более слабой ударной волне в задней части верхней поверхности крыла и соответствующему увеличению критического числа Маха.

Для формирования ударных волн требуется энергия. Эта энергия отбирается у самолета, которому приходится создавать дополнительную тягу , чтобы компенсировать эту потерю энергии. Таким образом, толчки рассматриваются как форма сопротивления . Поскольку толчки образуются, когда местная скорость воздуха достигает сверхзвуковой скорости, существует определенная « критическая скорость Маха », при которой на крыле впервые возникает звуковой поток. Существует следующая точка, называемая числом Маха расхождения сопротивления , где влияние сопротивления от ударов становится заметным. Обычно это происходит тогда, когда толчки начинают возникать над крылом, которое на большинстве самолетов представляет собой самую большую постоянно искривленную поверхность и, следовательно, вносит наибольший вклад в этот эффект.

Стреловидность крыла приводит к уменьшению кривизны корпуса, если смотреть со стороны воздушного потока, на косинус угла стреловидности. Например, у крыла со стреловидностью 45 градусов эффективная кривизна уменьшится примерно до 70% от значения прямого крыла. Это приводит к увеличению критического числа Маха на 30%. При применении на больших участках самолета, таких как крылья и оперение , это позволяет самолету развивать скорость, близкую к 1 Маха.

Одним из ограничивающих факторов конструкции стреловидного крыла является так называемый «средний эффект». Если стреловидное крыло является непрерывным - крыло с наклонной стреловидностью - изобары давления будут стреловидны под непрерывным углом от законцовки к законцовке. Однако, если левая и правая половины отклонены назад одинаково, как это обычно бывает, изобары давления на левом крыле теоретически встретятся с изобарами давления правого крыла на осевой линии под большим углом. Поскольку изобары не могут встретиться таким образом, они будут иметь тенденцию изгибаться с каждой стороны по мере приближения к центральной линии, так что изобары пересекают центральную линию под прямым углом к ​​​​осевой линии. Это вызывает «разметку» изобар в корневой области крыла. Чтобы бороться с этим невзмахом, немецкий аэродинамик Дитрих Кюхеманн предложил и испытал локальные вмятины фюзеляжа выше и ниже корневой части крыла. Это оказалось не очень эффективным. При разработке авиалайнера Douglas DC-8 для борьбы с неспланированностью в корневой части крыла использовались нескругленные профили.

Сверхзвуковой полет

Стреловидные крылья сверхзвуковых самолетов обычно лежат внутри конусообразной ударной волны, создаваемой в носовой части самолета, поэтому они «видят» дозвуковой поток воздуха и работают как дозвуковые крылья. Угол, необходимый для того, чтобы лежать за конусом, увеличивается с увеличением скорости: при 1,3 Маха угол составляет около 45 градусов, при 2,0 Маха — 60 градусов. Угол конуса Маха , образованного корпусом самолета, будет составлять около sin ц = 1/М (ц — угол стреловидности конуса Маха).

Недостатки

Когда стреловидное крыло движется на высокой скорости, у воздушного потока мало времени на реакцию, и он просто обтекает крыло почти прямо спереди назад. На более низких скоростях воздух успевает отреагировать и толкается по размаху наклонной передней кромкой к законцовке крыла. В корне крыла, возле фюзеляжа, это оказывает малозаметный эффект, но по мере движения к законцовке крыла воздушный поток выталкивается по размаху не только передней кромкой, но и воздухом, движущимся по размаху рядом с ней. На законцовке воздушный поток движется вдоль крыла, а не над ним. Эта проблема известна как поток по размаху крыла .

Подъемная сила крыла создается потоком воздуха, проходящим над ним спереди назад. С увеличением потока по размаху пограничным слоям на поверхности крыла приходится перемещаться дольше, поэтому они становятся толще и более восприимчивы к переходу к турбулентности или отрыву потока, а также эффективное удлинение крыла меньше, и поэтому воздух «утечет». " вокруг законцовок крыла, снижая их эффективность. Поток по размаху стреловидных крыльев создает поток воздуха, который перемещает точку застоя на передней кромке любого отдельного сегмента крыла дальше под переднюю кромку, увеличивая эффективный угол атаки сегментов крыла относительно соседнего переднего сегмента. В результате сегменты крыла, расположенные дальше назад, работают под все более высокими углами атаки, что способствует раннему срыву этих сегментов. Это способствует срыву законцовок на крыльях обратной стреловидности, поскольку законцовки направлены назад, и задерживает сваливание законцовок на крыльях с прямой стреловидностью, где кончики направлены вперед. Как с крыльями прямой, так и с обратной стреловидностью задняя часть крыла сначала сваливается, создавая момент подъема носа самолета. Если пилот не скорректирует ситуацию, самолет начнет подниматься вверх, что приведет к еще большему сваливанию крыла и увеличению тангажа в разнонаправленном направлении. Эта неконтролируемая нестабильность стала известна как Танец с саблями в отношении количества североамериканских F-100 Super Sabre, которые в результате разбились при приземлении.

Уменьшение тангажа до приемлемого уровня было достигнуто различными способами, такими как добавление плавника, известного как ограждение крыла, на верхней поверхности крыла, чтобы перенаправить поток в направлении потока. МиГ -15 был одним из примеров самолетов с ограждениями крыльев. Другой тесно связанной конструкцией было добавление зубчатой ​​выемки на передней кромке, которая использовалась на перехватчике Avro Arrow . Другие конструкции использовали более радикальный подход, в том числе крыло Republic XF-91 Thunderceptor , которое становилось шире к кончику, чтобы обеспечить большую подъемную силу на кончике. Handley Page Victor был оснащен серповидным крылом с тремя значениями стреловидности: около 48 градусов у основания крыла, где крыло было наибольшей толщиной, переходная длина 38 градусов и 27 градусов на остальной части крыла до законцовки.

Современные решения проблемы больше не требуют «нестандартных» конструкций, подобных этим. Добавление к крыльям передних предкрылков и больших составных закрылков во многом решило проблему. В конструкциях истребителей добавление передних удлинителей , которые обычно включаются для достижения высокого уровня маневренности, также служит для увеличения подъемной силы при приземлении и уменьшения проблемы.

Помимо кабрирования, стреловидной конфигурации крыла присущи и другие сложности. Для любой заданной длины крыла фактический размах от кончика до кончика короче, чем у того же крыла без стреловидности. Существует сильная корреляция между сопротивлением на низкой скорости и удлинением , размахом по сравнению с хордой, поэтому стреловидное крыло всегда имеет большее сопротивление на более низких скоростях. Кроме того, существует дополнительный крутящий момент, прикладываемый крылом к ​​фюзеляжу, который необходимо учитывать при передаче нагрузок от кессона крыла на фюзеляж. Это обусловлено тем, что значительная часть подъемной силы крыла находится за длиной крепления, где крыло соединяется с фюзеляжем.

Теория развертки

Теория стреловидности - это авиационно-техническое описание поведения воздушного потока над крылом , когда передняя кромка крыла встречается с воздушным потоком под косым углом. Развитие теории стреловидности привело к созданию конструкции стреловидного крыла, используемой в большинстве современных реактивных самолетов, поскольку эта конструкция более эффективно работает на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях. В своей развитой форме теория стреловидности привела к экспериментальной концепции наклонного крыла .

Адольф Буземан представил концепцию стреловидного крыла и представил ее в 1935 году на Пятой Вольта-конференции в Риме. Теория стреловидности в целом была предметом разработки и исследования на протяжении 1930-х и 1940-х годов, но революционное математическое определение теории стреловидности обычно приписывают NACA из Роберту Т. Джонсу в 1945 году. Теория стреловидности основывается на других теориях подъемной силы крыла. Теория подъемной линии описывает подъемную силу, создаваемую прямым крылом (крылом, передняя кромка которого перпендикулярна воздушному потоку). Теория Вайссингера описывает распределение подъемной силы для стреловидного крыла, но не позволяет учитывать распределение давления по хорде. Существуют и другие методы, которые описывают хордовые распределения, но у них есть другие ограничения. Теория стреловидности Джонса обеспечивает простой и всесторонний анализ характеристик стреловидного крыла.

Объяснение того, как работает стреловидное крыло, предложил Роберт Т. Джонс :«Предположим, что крыло представляет собой цилиндр с одинаковым поперечным сечением, хордой и толщиной профиля и помещено в воздушный поток под углом рыскания, т. е. оно стреловидно назад. Теперь, даже если локальная скорость воздуха на верхней поверхности Когда крыло становится сверхзвуковым, ударная волна там не может образоваться, потому что это должен быть ударный скачок назад, стреловидный под тем же углом, что и крыло, т. е. такой косой скачок уплотнения не может образоваться до тех пор, пока не появится составляющая скорости. нормально, что он становится сверхзвуковым».

Чтобы визуализировать основную концепцию простой теории стреловидности, рассмотрим прямое нес стреловидное крыло бесконечной длины, которое встречает воздушный поток под перпендикулярным углом. Результирующее распределение давления воздуха эквивалентно длине хорды крыла (расстоянию от передней кромки до задней кромки). Если бы мы начали сдвигать крыло в сторону ( по размаху ), боковое движение крыла относительно воздуха добавилось бы к ранее перпендикулярному потоку воздуха, в результате чего поток воздуха обтекал бы крыло под углом к ​​передней кромке. Этот угол приводит к тому, что воздушный поток проходит большее расстояние от передней к задней кромке, и, таким образом, давление воздуха распределяется на большее расстояние (и, следовательно, уменьшается в любой конкретной точке поверхности).

Этот сценарий идентичен воздушному потоку, испытываемому стреловидным крылом при движении по воздуху. Воздушный поток над стреловидным крылом встречает крыло под углом. Этот угол можно разбить на два вектора: один перпендикулярен крылу, а другой — параллельно крылу. Поток, параллельный крылу, не оказывает на него никакого влияния, и поскольку перпендикулярный вектор короче (то есть медленнее), чем фактический поток воздуха, следовательно, он оказывает меньшее давление на крыло. Другими словами, крыло испытывает поток воздуха, который медленнее и с более низким давлением, чем фактическая скорость самолета.

Одним из факторов, который необходимо учитывать при проектировании высокоскоростного крыла, является сжимаемость , то есть эффект, который действует на крыло при приближении и прохождении скорости звука . Значительные негативные последствия сжимаемости сделали ее главной проблемой для авиационных инженеров. Теория развертки помогает смягчить последствия сжимаемости в околозвуковых и сверхзвуковых самолетах из-за пониженного давления. Это позволяет сделать число Маха самолета выше, чем фактически испытываемое крылом.

У теории подчистки есть и отрицательный аспект. Подъемная сила, создаваемая крылом, напрямую связана со скоростью воздуха над крылом. Поскольку скорость воздушного потока, испытываемого стреловидным крылом, ниже фактической скорости самолета, это становится проблемой на этапах медленного полета, таких как взлет и посадка. Существовали различные способы решения этой проблемы, в том числе конструкция крыла изменяемого наклона на Vought F-8 Crusader . и качающиеся крылья на таких самолетах, как F-14 , F-111 и Panavia Tornado .

Варианты дизайна

Термин «стреловидное крыло» обычно используется для обозначения «стреловидного крыла», но другие варианты стреловидности включают прямую стреловидность , крылья переменной стреловидности и наклонные крылья, в которых одна сторона стреловидна вперед, а другая назад. Треугольное крыло также имеет те же преимущества в своей компоновке.

Развертка вперед

Основная статья: Крыло прямой стреловидности

ЛЭТ Л-13 Двухместный планер с крылом передней стреловидности

Экспериментальный самолет Grumman X-29 , крайний образец крыла прямой стреловидности.

Поворот крыла вперед имеет примерно тот же эффект, что и назад, с точки зрения уменьшения лобового сопротивления, но имеет и другие преимущества с точки зрения управляемости на низкой скорости, когда проблемы срыва законцовок просто исчезают. В этом случае воздух с низкой скоростью течет к фюзеляжу, который действует как очень большое ограждение крыла. Кроме того, крылья, как правило, в любом случае больше у основания, что позволяет им иметь лучшую подъемную силу на малых скоростях.

Однако эта схема также имеет серьезные проблемы со стабильностью. Самая задняя часть крыла сваливается первой, вызывая момент тангажа, толкающий самолет еще дальше в сваливание, аналогично конструкции крыла со стреловидной назад. Таким образом, стреловидные крылья нестабильны, подобно проблемам с низкой скоростью обычного стреловидного крыла. Однако, в отличие от стреловидных крыльев назад, кончики крыльев со стреловидностью вперед останавливаются последними, сохраняя контроль по крену.

Крылья со стреловидностью вперед также могут испытывать опасные эффекты изгиба по сравнению с крыльями со стреловидностью назад, которые могут свести на нет преимущество законцовки сваливания, если крыло недостаточно жесткое. В конструкциях с задней стреловидностью, когда самолет маневрирует с высоким коэффициентом перегрузки, нагрузка и геометрия крыла скручивают крыло таким образом, что возникает размыв (законцовка закручивает переднюю кромку вниз). Это уменьшает угол атаки на законцовке, тем самым уменьшая изгибающий момент на крыле, а также несколько снижая вероятность срыва законцовки. Однако тот же эффект на крыльях стреловидности вперед вызывает эффект смывания, который увеличивает угол атаки, вызывая сваливание законцовки.

Небольшая стреловидность не вызывает серьезных проблем и использовалась на различных самолетах для перемещения лонжерона в удобное место, например, на Junkers Ju 287 или HFB 320 Hansa Jet . Однако большая стреловидность, подходящая для высокоскоростных самолетов, таких как истребители, была, как правило, невозможна до тех пор, пока не были внедрены системы управления полетом по проводам , которые могли реагировать достаточно быстро, чтобы гасить эту нестабильность. Grumman X-29 представлял собой проект экспериментальной демонстрации технологий, предназначенный для проверки крыла передней стреловидности на предмет повышенной маневренности в 1980-х годах. Су -47 «Беркут» — еще один известный самолет-демонстратор, в котором реализована эта технология для достижения высокого уровня маневренности. На сегодняшний день в производство не поступило ни одной продвинутой конструкции.

История

Ранняя история

Первые успешные самолеты придерживались базовой конструкции прямоугольных крыльев, расположенных под прямым углом к ​​корпусу машины. Такая планировка по своей сути нестабильна; если распределение веса самолета изменится хотя бы незначительно, крыло захочет повернуться так, что его передняя часть переместится вверх (вес перемещается назад) или вниз (вперед), и это вращение изменит развитие подъемной силы и заставит его двигаться дальше в этом направлении. . Чтобы сделать самолет устойчивым, обычное решение состоит в том, чтобы разместить вес на одном конце и компенсировать его противоположной направленной вниз силой на другом - это приводит к классической компоновке с двигателем спереди и поверхностями управления в конце длинного самолета. стрела с крылом посередине. Давно известно, что такая планировка неэффективна. Для компенсации направленной вниз силы рулей требуется дополнительный подъем от крыла. Величину силы можно уменьшить, увеличив длину стрелы, но это приведет к увеличению трения об поверхности и увеличению веса самой стрелы.

Эта проблема привела к множеству экспериментов с различными компоновками, которые устраняли необходимость в нисходящей силе. Одна такая геометрия крыла появилась перед Первой мировой войной , что привело к появлению ранних конструкций стреловидного крыла. В этой компоновке крыло стреловидно, так что его части лежат далеко впереди и позади центра тяжести (ЦТ), а управляющие поверхности позади него. В результате получается развесовка, аналогичная классической компоновке, но компенсирующая управляющая сила представляет собой уже не отдельную поверхность, а часть крыла, которая существовала бы и так. Это устраняет необходимость в отдельной конструкции, благодаря чему самолет имеет меньшее лобовое сопротивление и требует меньше общей подъемной силы при том же уровне характеристик. Эти макеты послужили вдохновением для создания нескольких планеров с летающим крылом и некоторых самолетов с двигателями в межвоенные годы.

Бесхвостый биплан Бёрджесса-Данна: при взгляде сбоку угол стреловидности увеличивается, на законцовках крыла также присутствуют размытия.

Первым, кто добился стабильности, был британский конструктор Дж. В. Данн, который был одержим идеей достижения естественной устойчивости в полете. Он успешно применил стреловидное крыло в своем бесхвостом самолете (который, что особенно важно, использовало размыв ) как средство создания положительной продольной статической устойчивости . Для тихоходного самолета стреловидное крыло может быть использовано для решения проблем с центром тяжести , для перемещения лонжерона крыла в более удобное место или для улучшения бокового обзора с места пилота. К 1905 году Данн уже построил модель планера со стреловидным крылом, а к 1913 году он построил успешные варианты с двигателем, способные пересечь Ла-Манш . Dunne D.5 был исключительно аэродинамически устойчивым для того времени. и D.8 был продан Королевскому летному корпусу ; он также производился по лицензии Старлинг Берджесс для ВМС США среди других клиентов.

Работа Данна прекратилась с началом войны в 1914 году, но впоследствии эту идею подхватил GTR Hill в Англии, который спроектировал серию планеров и самолетов в соответствии с рекомендациями Данна, в частности серию Westland-Hill Pterodactyl . Однако теории Данна не встретили большого признания среди ведущих авиаконструкторов и авиационных компаний того времени.

Немецкие разработки

Адольф Буземанн предложил использовать стреловидное крыло для уменьшения лобового сопротивления на высокой скорости на конференции Вольта в 1935 году.

Идея использования стреловидного крыла для уменьшения сопротивления на высоких скоростях была разработана в Германии в 1930-х годах. На встрече Вольта-конференции в 1935 году в Италии Адольф Буземан предложил использовать стреловидные крылья для сверхзвукового полета. Он отметил, что в скорости полета над крылом преобладает нормальная составляющая воздушного потока, а не скорость набегающего потока, поэтому, установив крыло под углом, поступательная скорость, при которой будут формироваться ударные волны, будет выше (то же самое было отмечено Макса Мунка в 1924 году, хотя и не в контексте высокоскоростного полета). Альберт Бетц сразу предположил, что тот же эффект будет столь же полезен и в околозвуковом пространстве. После презентации ведущий встречи Артуро Крокко в шутку нарисовал «самолет будущего Буземанна» на обороте меню, пока они все обедали. На эскизе Крокко был изображен классический истребитель 1950-х годов со стреловидным крылом и хвостовым оперением, хотя он также нарисовал стреловидный винт, приводящий его в движение.

Однако в то время не было возможности разогнать самолет до таких скоростей, и даже самые быстрые самолеты того времени приближались лишь к 400 км/ч (249 миль в час). Презентация представляла в основном академический интерес, и вскоре забыл. Даже известные участники, в том числе Теодор фон Карман и Истман Джейкобс, не вспомнили о презентации 10 лет спустя, когда им снова представили ее.

Хуберт Людвиг из отделения аэродинамики высоких скоростей AVA Геттингена в 1939 году провел первые испытания в аэродинамической трубе для исследования теории Буземана. Два крыла, одно без стреловидности и одно со стреловидностью 45 градусов, были испытаны при числах Маха 0,7 и 0,9 в аэродинамической трубе размером 11 х 13 см. Результаты этих испытаний подтвердили снижение лобового сопротивления, обеспечиваемое стреловидным крылом на околозвуковых скоростях. Результаты испытаний были переданы Альберту Бетцу , который затем в декабре 1939 года передал их Вилли Мессершмитту . В 1940 году испытания были расширены и теперь включают крылья со стреловидностью 15, 30 и -45 градусов и числом Маха до 1,21.

С появлением реактивных самолетов во второй половине Второй мировой войны стреловидное крыло стало все более применимым для оптимального удовлетворения аэродинамических потребностей. Немецкий Мессершмитт Ме 262 с ракетным двигателем с реактивным двигателем и Мессершмитт Ме 163 страдали от эффекта сжимаемости , из-за которого обоими самолетами было очень трудно управлять на высоких скоростях. Кроме того, скорости переводят их в режим волнового сопротивления , и все, что может уменьшить это сопротивление, увеличит летно-технические характеристики их самолетов, особенно печально известное короткое время полета, измеряемое минутами. Это привело к ускоренной программе внедрения новых конструкций стреловидного крыла как для истребителей, так и для бомбардировщиков . Blohm & Voss P 215 был разработан с учетом всех преимуществ аэродинамических свойств стреловидного крыла; однако заказ на три прототипа был получен всего за несколько недель до окончания войны, и ни один экземпляр так и не был построен. Focke -Wulf Ta 183 был еще одной конструкцией истребителя со стреловидным крылом, но также не производился до конца войны. В послевоенное время Курт Танк разработал Ta 183 в IAe Pulqui II , но это оказалось безуспешным.

Прототип испытательного самолета Messerschmitt Me P.1101 был построен для исследования компромиссов конструкции и разработки общих правил относительно того, какой угол стреловидности использовать. Когда он был готов на 80%, P.1101 был захвачен американскими войсками и возвращен в США , где два дополнительных экземпляра с двигателями американского производства продолжили исследования под названием Bell X-5 . Опыт Германии во время войны со стреловидными крыльями и их высокая ценность для сверхзвукового полета резко контрастировали с преобладающими взглядами экспертов союзников того времени, которые обычно придерживались своей убежденности в невозможности пилотируемых транспортных средств, движущихся с такими скоростями.

Послевоенные достижения

Впечатление художника о Miles M.52

Сразу после войны несколько стран проводили исследования в области высокоскоростных самолетов. В Соединенном Королевстве в 1943 году начались работы над Miles M.52 , высокоскоростным экспериментальным самолетом, оснащенным прямым крылом, который был разработан совместно с компанией Фрэнка Уиттла Power Jets , Королевским авиастроительным заводом (RAE) в Фарнборо. и Национальная физическая лаборатория . Предполагалось, что M.52 сможет развивать скорость 1000 миль в час (1600 км/ч) в горизонтальном полете, что потенциально позволит этому самолету стать первым в мире, превысившим скорость звука. В феврале 1946 года программа была внезапно прекращена по неясным причинам. С тех пор широко признано, что отмена M.52 стала серьезным препятствием на пути британского прогресса в области разработки сверхзвуковых самолетов.

Другой, более успешной программой был американский Bell X-1 , который также был оснащен прямым крылом. По словам главного специалиста по аэродинамике Miles Денниса Бэнкрофта, компании Bell Aircraft был предоставлен доступ к чертежам и исследованиям M.52. 14 октября 1947 года Bell X-1 совершил первый пилотируемый сверхзвуковой полет, пилотируемый капитаном Чарльзом «Чаком» Йегером . Он был запущен из бомбового отсека Boeing B-29 Superfortress и достиг рекордной скорости Маха. 1,06 (700 миль в час (1100 км / ч; 610 узлов)). Новость об успешном сверхзвуковом самолете с прямым крылом удивила многих экспертов в области авиации по обе стороны Атлантики, поскольку все больше считалось, что конструкция со стреловидным крылом не только очень выгодна, но и необходима для преодоления звукового барьера.

De Havilland DH 108 — прототип самолета со стреловидным крылом.

В последние годы Второй мировой войны авиаконструктор сэр Джеффри де Хэвилленд приступил к разработке de Havilland Comet , который станет первым в мире реактивным авиалайнером. Первым вопросом при проектировании был вопрос о том, следует ли применять новую конфигурацию стреловидного крыла. Так, экспериментальный самолет для изучения технологии de Havilland DH 108 был разработан фирмой в 1944 году под руководством инженера-проектировщика Джона Карвера Медоуза Фроста с командой из 8–10 чертежников и инженеров. DH 108 в основном состоял из соединения передней части фюзеляжа de Havilland Vampire со стреловидным крылом и небольшим вертикальным оперением; это был первый британский реактивный самолет со стреловидным крылом, неофициально известный как «Ласточка». Первый полет он совершил 15 мая 1946 года, всего через восемь месяцев после одобрения проекта. Летчик-испытатель компании и сын строителя Джеффри де Хэвилленд-младший управлял первым из трех самолетов и обнаружил, что он чрезвычайно быстр – достаточно быстр, чтобы попытаться установить мировой рекорд скорости. 12 апреля 1948 года DH108 установил мировой рекорд скорости - 973,65 км/ч (605 миль в час). Впоследствии он стал первым реактивным самолетом, превысившим скорость звука.

Примерно в то же время Министерство авиации представило программу экспериментальных самолетов для изучения последствий стреловидного крыла, а также конфигурации треугольного крыла . Кроме того, Королевские ВВС (RAF) определили пару предлагаемых истребителей, оснащенных стреловидным крылом от Hawker Aircraft и Supermarine , Hawker Hunter и Supermarine Swift соответственно, и успешно добились размещения заказов «с чертежной доски» в 1950 году. . 7 сентября 1953 года единственный Hunter Mk 3 (модифицированный первый прототип, WB 188 ), пилотируемый Невиллом Дьюком , побил мировой рекорд скорости полета для реактивных самолетов, достигнув скорости 727,63 миль в час (1171,01 км/ч) над Литтлхэмптоном . Западный Суссекс . Этот мировой рекорд продержался менее трех недель, прежде чем был побит 25 сентября 1953 года первым соперником «Хантера», Supermarine Swift, которым пилотировал Майкл Литгоу.

В феврале 1945 года NACA инженер Роберт Т. Джонс начал изучать треугольные крылья с большой стреловидностью и V-образную форму и обнаружил те же эффекты, что и Буземанн. Он закончил подробный отчет об этой концепции в апреле, но обнаружил, что его работа подверглась резкой критике со стороны других членов NACA Лэнгли , в частности Теодора Теодорсена, который назвал ее «фокус-покус» и потребовал немного «настоящей математики». Однако Джонс уже выделил некоторое время для моделей свободного полета под руководством Роберта Гилрута , чьи отчеты были представлены в конце мая и показали четырехкратное снижение лобового сопротивления на высоких скоростях. Все это было собрано в отчет, опубликованный 21 июня 1945 года, который через три недели был разослан промышленности. По иронии судьбы, к этому моменту работа Буземанна уже была широко распространена.

Первый американский самолет со стреловидным крылом Boeing B-47 Stratojet.

В мае 1945 года американская операция «Скрепка» достигла Брауншвейга , где американский персонал обнаружил ряд моделей стреловидного крыла и массу технических данных из аэродинамических труб. Одним из членов команды США был Джордж С. Шайрер , который в то время работал в компании Boeing. Он немедленно отправил письмо Бену Кону в Boeing, в котором рассказал о ценности концепции стреловидного крыла. Он также посоветовал Кону распространить письмо и среди других компаний, хотя немедленно им воспользовались только Boeing и North American.

Компания Boeing находилась в процессе разработки B-47 Stratojet , и первоначальная модель 424 имела конструкцию с прямым крылом, аналогичную B-45 , B-46 и B-48, с которыми она конкурировала. Анализ, проведенный инженером Boeing Виком Ганзером, показал, что оптимальный угол стреловидности составляет около 35 градусов. К сентябрю 1945 года данные Брауншвейга были учтены в конструкции, которая вновь появилась как Модель 448, более крупная конструкция с шестью двигателями и более прочными крыльями со стреловидностью 35 градусов. В ходе другой доработки двигатели были перенесены в блоки, установленные на стойках под крыльями, из-за опасений, что неконтролируемый отказ внутреннего двигателя потенциально может уничтожить самолет из-за возгорания или вибрации. Получившийся в результате B-47 был провозглашен самым быстрым в своем классе в конце 1940-х годов. и победил прямокрылых конкурентов. Формула реактивного транспорта Boeing со стреловидными крыльями и установленными на пилонах двигателями с тех пор получила повсеместное распространение.

Что касается истребителей, компания North American Aviation вела работу над военно-морским истребителем с прямым крылом и реактивным двигателем, известным тогда как FJ-1 ; Позже он был представлен ВВС США как XP-86 . Ларри Грин, который умел читать по-немецки, изучил отчеты Буземанна и убедил руководство разрешить редизайн, начиная с августа 1945 года. Характеристики F-86A позволили ему установить первый из нескольких официальных мировых рекордов скорости , достигнув скорости 671 миль в час (1080 км/ч) 15 сентября 1948 года под управлением майора Ричарда Л. Джонсона . С появлением МиГ-15 F-86 был брошен в бой, в то время как самолеты с прямым крылом, такие как Lockheed P-80 Shooting Star и Republic F-84 Thunderjet, были быстро переведены на выполнение задач по наземным атакам. Некоторые из них, такие как F-84 и Grumman F-9 Cougar , позже были переработаны со стреловидным крылом от самолетов с прямым крылом. Более поздние самолеты, такие как North American F-100 Super Sabre , с самого начала будут проектироваться со стреловидным крылом, хотя для освоения сверхзвукового полета потребуются дополнительные инновации, такие как форсажная камера, правило площади и новые поверхности управления.

МиГ-15 и F-86 Sabre: сравнение бок о бок

Советский Союз также поспешил изучить преимущества стреловидного крыла на высокоскоростных самолетах, когда их аналоги «захваченных авиационных технологий» западных союзников распространились по побежденному Третьему Рейху. Артема Микояна СССР попросил Научно-исследовательский отдел авиации ЦАГИ разработать испытательный самолет для исследования идеи стреловидного крыла - в результате в конце 1945 года появился необычный самолет МиГ-8 « Утка» с толкающим утком крыла и задним расположением . Крылья этого типа исследований расправлены назад. Стреловидное крыло было применено на МиГ-15 , одном из первых истребителей с реактивным двигателем, его максимальная скорость 1075 км/ч (668 миль в час) превосходила американские реактивные самолеты с прямым крылом и истребители с поршневыми двигателями, первоначально использовавшиеся во время Корейской войны . Считается, что МиГ-15 был одним из самых производимых реактивных самолетов ; В конечном итоге будет произведено более 13 000 экземпляров.

Советский МиГ-17

МиГ-15, скорость которого не могла безопасно превышать 0,92 Маха, послужил основой для МиГ-17 , который был спроектирован с учетом возможности управления при более высоких числах Маха. Его стреловидность крыла с 45° у фюзеляжа (такая же, как у F-100 Super Sabre ) изменилась до 42° для внешней части крыла. Дальнейшая модификация конструкции, получившая обозначение МиГ-19 , отличалась относительно тонким крылом, пригодным для сверхзвукового полета, которое было разработано в ЦАГИ, Советском Центральном аэрогидродинамическом институте ; стреловидное назад под углом 55 градусов, это крыло имело по одному ограждению с каждой стороны. Специализированный высотный вариант МиГ-19СВ отличался, среди прочих изменений, регулируемым закрылком для создания большей подъемной силы на больших высотах, что помогло увеличить потолок самолета с 17 500 м (57 400 футов) до 18 500 м (60 700 футов).

Немецкие исследования стреловидного крыла были также получены шведским производителем самолетов SAAB с помощью бывших инженеров Messerschmitt, бежавших в Швейцарию в конце 1945 года. В то время SAAB увидела необходимость добиться успехов в области авиации, особенно в новой области реактивных двигателей. Компания использовала как реактивный двигатель, так и стреловидное крыло при производстве истребителя Saab 29 Tunnan ; 1 сентября 1948 года первый прототип совершил свой первый полет под управлением английского летчика-испытателя Роберта А. «Боба» Мура, DFC и бара, Хотя Tunnan не был широко известен за пределами Швеции, он был первым западноевропейским истребителем, представленным с такой конфигурацией крыла. Параллельно SAAB также разработала еще один самолет со стреловидным крылом, Saab 32 Lansen , в первую очередь для использования в качестве стандартного штурмовика Швеции. Его крыло, имевшее 10-процентный ламинарный профиль и стреловидность 35°, имело треугольные ограждения возле корней крыла , чтобы улучшить воздушный поток, когда самолет летел под большим углом атаки . 25 октября 1953 года самолет SAAB 32 Lansen Маха во время мелкого пикирования достиг числа не менее 1,12, превысив звуковой барьер .

Успехи таких самолетов, как Hawker Hunter, B-47 и F-86, показали ценность исследований стреловидного крыла, приобретенных в Германии. В конце концов, почти все передовые разработки высокоскоростных самолетов будут включать крыло со стреловидной передней кромкой, либо со стреловидным крылом, либо с треугольным крылом в плане . Боинг B-52, спроектированный в 1950-х годах, продолжает эксплуатироваться как дозвуковой тяжелый бомбардировщик дальнего действия. Хотя Советский Союз никогда не мог сравниться по характеристикам с реактивным самолетом Boeing B-52 Stratofortress , межконтинентальный бомбардировщик Ту-95 турбовинтовой с максимальной скоростью околореактивного класса 920 км/ч, сочетающий стреловидное крыло с винтовой силовой установкой, также остается в эксплуатации и сегодня, являясь самым быстрым серийным самолетом с винтовым двигателем. В Британии на вооружение поступили два стреловидных бомбардировщика Vickers Valiant (1955 г.). и Хэндли Пейдж Виктор (1958).

К началу 1950-х годов почти каждый новый истребитель имел стреловидное крыло. К 1960-м годам большинство гражданских самолетов также получили стреловидное крыло. В большинстве ранних трансзвуковых и сверхзвуковых проектов, таких как МиГ-19 и F-100, использовались длинные крылья большой стреловидности. Стреловидное крыло будет достигать 2 Маха на BAC Lightning и Republic F-105 Thunderchief , созданных для работы на малых высотах и ​​очень высокой скорости, в первую очередь для нанесения ядерных ударов, но с дополнительными возможностями полета-воздух. К концу 1960-х годов McDonnell F-4 Phantom II в больших количествах использовался ВВС США. Крылья изменяемой геометрии использовались на американских F-111 , Grumman F-14 Tomcat и советском МиГ-27 , хотя от этой идеи пришлось отказаться в пользу американской конструкции SST. После 1970-х годов большинство истребителей нового поколения, оптимизированных для маневренного воздушного боя, начиная с F-15 ВВС США и советских МиГ-29, использовали неподвижное крыло с относительно коротким размахом и относительно большой площадью крыла.

См. также

• Дельта-крыло
• Теодор фон Карман первым осознал важность стреловидного крыла.
• Трапециевидное крыло
• Конфигурация крыла

Ссылки

Библиография

• Андерсон, Джон Д. младший. История аэродинамики . Нью-Йорк: МакГроу Хилл, 1997.
• Эндрюс, К.Ф. и Эрик Б. Морган. Vickers Aircraft с 1908 года . Лондон: Патнэм, 1988. ISBN   978-0851778150 .
• Барнс, CH Handley Page Самолеты с 1907 года . Лондон: Патнэм, 1976. ISBN   0-370-00030-7 .
• Беляков Р.А. и Мармейн Дж. МиГ: пятьдесят лет секретного проектирования самолетов . Шрусбери, Великобритания: Airlife Publishing, 1994. ISBN   1-85310-488-4 .
• Блэкман, Тони. Летчик-испытатель «Вулкан»: мой опыт пребывания в кабине значка времен холодной войны. Лондон: Груб-стрит, 2007. ISBN   978-1-904943-88-4 .
• Бойн, Уолтер Дж. Воздушная война: Международная энциклопедия, том 1. ABC-CLIO, 2002. ISBN   1-5760-7345-9 .
• Брукс, Эндрю. Победители Холодной войны . Издательство Оспри, 2011. ISBN   1-84908-339-8 .
• Баттлер, Тони. «Avro Type 698 Vulcan (База данных)». Аэроплан, Том. Т. 35, № 4, выпуск № 408, апрель 2007 г.
• Кристофер, Джон (1 июня 2013 г.). Гонка за гитлеровскими X-самолетами: британская миссия 1945 года по захвату секретных технологий Люфтваффе . История Пресс. стр. 157–160. ISBN  978-0752464572 .
• Кук, Уильям Х. Дорога к 707: внутренняя история создания 707. Белвью, Вашингтон: TYC Publishing, 1991. ISBN   0-962960500 .
• Кросби, Фрэнсис. Истребительная авиация . Лондон: Лоренц Букс, 2002. ISBN   0-7548-0990-0 .
• Дэвис, Глин (2014). От Лисандра до Молнии Тедди Петтер, авиаконструктор . Историческая пресса. ISBN  9780752492117 .
• Дэвис, РЕГ и Филип Дж. Бертлз. Комета: первый в мире реактивный авиалайнер. Маклин, Вирджиния: Paladwr Press, 1999. ISBN   1-888962-14-3 .
• Дорр, Роберт Ф. Борьба с гитлеровскими самолетами: необыкновенная история американских летчиков, разгромивших Люфтваффе и победивших нацистскую Германию. Издательство МБИ, 2013. ISBN   1-6105-8847-9 .
• Эрихс, Рольф и др. История Saab-Scania . Стокгольм: Штрайферт и компания, 1988. ISBN   91-7886-014-8 .
• Фрейзер, Джим. «Я летаю на самом быстром бомбардировщике в мире». Popular Science , ноябрь 1949 г. Том. 155, № 5. С. 139–142. ISSN   0161-7370 .
• Гордон, Ефим. «Варианты Микояна МиГ-19». Крылья славы , том 9, 1997. стр. 116–149. ISSN   1361-2034 . ISBN   1-86184-001-2 .
• Грин, Уильям (1970). Боевые самолеты Третьего Рейха . Нью-Йорк: Даблдей. ISBN  978-0-385-05782-0 .
• Ганстон, Билл. Энциклопедия русской авиации «Оспри»: 1875–1995 гг . Лондон: Osprey Aerospace, 1996. ISBN   1-85532-405-9 .
• Ганстон, Билл и Питер Гилкрист. Реактивные бомбардировщики: от Мессершмитта Me 262 до Стелса B-2 . Оспрей, 1993 год. ISBN   1-85532-258-7 .
• Сеидов, Игорь и Стюарт Бриттон. Красные дьяволы над Ялу: хроника советских воздушных операций в Корейской войне 1950–53. Гелион и компания, 2014. ISBN   978-1909384415 .
• Джексон, Пол, изд. (2000). Jane's All the World's Aircraft 2000–01 (91-е изд.). Колсдон, Суррей, Великобритания: Информационная группа Джейн. ISBN  978-0710620118 .
• Кинзи, Берт. F9F Cougar в деталях и масштабе . Фоллбрук, Калифорния: Aero Publishers, Inc., 1983. ISBN   9780816850242 .
• Кнаак, Марсель Сайз. Энциклопедия самолетов и ракетных систем ВВС США: Том 1. Истребители после Второй мировой войны 1945–1973 гг . Вашингтон, округ Колумбия: Управление истории ВВС, 1978. ISBN   0-912799-59-5 .
• Льюис, Питер (1962). Британские самолеты 1809-1914 гг . Лондон: Издательство Патнэм.
• Менденхолл, Чарльз А. Дельта-крылья: высокоскоростные самолеты Convair пятидесятых и шестидесятых годов . Мотоциклы. 1983.
• Мира, Дэвид. Фокке-Вульф Та 183 (Самолеты X Третьего рейха). Атглен, Пенсильвания: Schiffer Publishing, 1999. ISBN   978-0-7643-0907-6 .
• Радингер, Вилли и Уолтер Шик. Me 262: Разработка и испытания первого в мире действующего реактивного истребителя, Фонд Мессершмитта (на немецком языке). Берлин: Авантик Верлаг ГмбХ, 1996. ISBN   3-925505-21-0 .
• «Saab-29: новый реактивный истребитель Швеции». Flight International , 4 мая 1950 г., стр. 556–58.
• «Saab: усовершенствованный боевой самолет Швеции». Flight International , 30 декабря 1960 г., стр. 1017–20.
• Спик, Майк и Уильям Грин, Гордон Суонборо. Иллюстрированная анатомия бойцов мира. Зенит Выходные данные, 2001. ISBN   0-7603-1124-2 .
• Стертивант, Р. (1990). Британский научно-исследовательский самолет . ГТ Фулис. ISBN  0854296972 .
• Свитмен, Билл. Современные боевые самолеты: Том 9: МиГи. Нью-Йорк: Издательство Arco, 1984. ISBN   978-0-668-06493-4 .
• Вагнер, Рэй. Североамериканская сабля . Лондон: Макдональд, 1963.
• Уэррелл, Кеннет П. (2005). Сабли над аллеей МиГов . Аннаполис, Мэриленд: Издательство Военно-морского института. ISBN  1-59114-933-9 .
• Уиткомб, Рэндалл. Самолеты Avro и авиация холодной войны. Сент-Катарин, Онтарио: Ванвелл, 2002. ISBN   1-55125-082-9 .
• Винчестер, Джим. «Белл Х-5». Концептуальный самолет: прототипы, X-Planes и экспериментальные самолеты . Кент, Великобритания: Grange Books plc., 2005. ISBN   1-84013-809-2 .
• Вуд, Дерек. Проект отменен . Индианаполис: Компания Bobbs-Merrill Company Inc., 1975. ISBN   0-672-52166-0 .

Дальнейшее чтение

• «Высокоскоростная форма: повышение тангажа и паллиативы, принятые на самолетах со стреловидным крылом» , Flight International , 2 января 1964 г.

Внешние ссылки

• Стреловидные крылья и эффективный двугранник
• Развитие стреловидных крыльев
• Простая математика теории развертки
• Продвинутая математика стреловидных и наклонных крыльев
• Исследование L-39 и стреловидного крыла
• Теория развертки в 3D-среде
• Результаты CFD, показывающие трехмерный сверхзвуковой пузырь над крылом A 320. Другой результат CFD, показывающий MDXX и то, как ударная волна исчезает вблизи фюзеляжа, где аэродинамическая часть более тонкая.