Сверхзвуковые самолеты - Эдмунд Цихош

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

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

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

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

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

Крыло с наплывом

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

Рис. 1.17. Характерные формы прямого крыла сверхзвуковых самолетов (масштаб 1 :200).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сверхкритическое крыло

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