Сверхзвуковые самолеты - Эдмунд Цихош

Рис. 1.18. Характерные формы стреловидного крыла самолетов (масштаб 1 :200).

Рис. 1.19. Характер обтекания модели самолета с трапециевидным крылом с наплывом.

Рис. 1.20. Общий вид американского самолета «Крусейдер» F-8 со сверхкритическим крылом.

Треугольное крыло

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

Недостатками треугольного крыла являются возникновение и развитие волнового кризиса и примерно такая же, как у стреловидного, зависимость аэродинамических характеристик от скорости полета. Кроме того, для треугольного крыла характерны несколько большее сопротивление и более резкое падение максимального аэродинамического качества при изменении угла атаки, что затрудняет достижение большого потолка и радиуса действия. Кроме того, большие значения коэффициента подъемной силы треугольного крыла можно получить лишь на таких больших углах атаки, которые недостижимы при используемых в настоящее время высотах шасси (на обычных для приземления углах атаки коэффициент подъемной силы треугольного крыла на 30-40% меньше, чем у прямого, а возможность механизации такого крыла с целью увеличения коэффициента подъемной силы при посадке ограничена малым его размахом). Названные недостатки усугубляются по мере увеличения угла стреловидности передней кромки и острее всего проявляются во время приземления. Для получения приемлемых посадочных характеристик самолета с треугольным крылом удельная нагрузка на крыло не должна быть большой, а угол стреловидности передней кромки ограничивается значениями 60-65°. Из этого следует, что достоинства треугольного крыла лучше всего проявляются при больших (сверхзвуковых) скоростях полета, когда высокая жесткость конструкции и малая относительная толщина профиля оказывают определяющее влияние на летно-технические характеристики самолета. Диапазон скоростей, в котором треугольное крыло оптимально, распространяется от скорости звука до М ~ 2. Большие скорости требуют увеличения угла стреловидности передней кромки больше используемых в настоящее время углов 60-65° ценой отказа от хороших характеристик передней кромки с умеренным углом стреловидности и закругленным носком при дозвуковых скоростях.

Следовательно, достоинства треугольного крыла особенно привлекательны для сверхзвуковых самолетов, где оно нашло столь же широкое применение, что и стреловидное (создано 38 типов самолетов с треугольным крылом, в том числе четыре с оживальным – модификацией треугольного). Это стало возможным благодаря разработке множества эффективных способов смягчения недостатков треугольного крыла.

Рис. 1.21. Советский самолет с треугольным крылом и треугольным горизонтальным оперением, показанный в День авиации 1967 г.

Помимо конструктивных мер, характерных для стреловидного крыла, в треугольных крыльях используется, например, передняя кромка с изломом или с плавно изменяющимся углом стреловидности вдоль размаха (так было создано оживальное крыло, описанное в главе, посвященной пассажирским самолетам). Применяется также отгиб носка профиля. Излом передней кромки треугольного крыла осуществлен, например, в самолете «Дракен», а отгиб носка профиля-в самолете F-102A (работы проводились в расчете на самолет В-58).

Разработка самолета «Дракен» была начата в 1949 г., т.е. в то время, когда в эксплуатации еще не было истребителей со стреловидным крылом. Первые из них (МиГ-15, F-86, J29) выпущены позднее, а из сверхзвуковых самолетов с ракетным двигателем к тому времени были облетаны только Х-1 и D-588-II. В этой ситуации конструкторский коллектив рассмотрел множество вариантов нового самолета, причем наименьшее внимание уделялось компоновке с треугольным крылом без горизонтального оперения-все находились еще под впечатлением катастроф первых самолетов с такой компоновкой (это были XF-92A и AYR0 707).

Обычно в процессе проектирования нового самолета прежде всего разрабатывается его аэродинамическая схема, а затем соответствующая ей компоновочная схема, обеспечивающая размещение экипажа, двигательной установки, топлива, оборудования и вооружения. Обычно это достигается путем последовательных приближений с использованием компромиссных решений. Шведские конструкторы, проектируя самолет «Дракен», поступили наоборот, исходя из того соображения, что в первую очередь нужно определить наилучшее относительное расположение тех частей самолета, которые ни в коем случае нельзя размещать одну за другой, а потом уже положение тех, которые можно поместить спереди, сзади либо внутри первых. К первым причислялись воздухозаборники, двигатель, крыло и оперение, а ко вторым-кабина пилота, топливные баки, шасси, вооружение, оборудование и т. п. Путем оптимизации компоновки можно получить наименьшее миделево сечение самолета. При этом поперечные сечения воздушных каналов и двигателя оказываются определяющими. Кресло пилота, электроника и другое оборудование были размещены перед двигателем, а топливные баки, главные стойки шасси и часть вооружения-в консолях крыла, за воздухозаборниками. Поскольку самолет с малым сопротивлением формы должен иметь и малое интерференционное сопротивление, была принята схема среднеплана и учтено правило площадей. В результате были определены диаметр и длина фюзеляжа, а также местоположение и минимальный размах крыла.

Следующим шагом был выбор профиля и формы крыла с минимальным сопротивлением при сверхзвуковой скорости полета. Величина полного аэродинамического сопротивления складывается из сопротивления трения (в принципе такого же, как и при дозвуковой скорости), волнового, индуктивного и интерференционного сопротивлений. Волновое сопротивление прямо пропорционально квадрату площади поперечного сечения и обратно пропорционально площади крыла, а сопротивление трения пропорционально площади крыла. Считается, что уменьшение волнового сопротивления должно происходить при уменьшении как площади крыла в плане, так и его поперечного сечения. Поскольку в крыле размещаются топливо, вооружение и шасси, то уменьшить сечение крыла можно было только в его концевых частях. Так получился излом передней кромки (с большим углом стреловидности в корневых частях крыла), который оказался подходящим как для сверхзвуковых скоростей полета, так и для скорости приземления. Дело в том, что треугольное крыло такого типа характеризуется меньшим поперечным сечением при оптимальной несущей поверхности, большим внутренним объемом и большим углом стреловидности прифюзеляжных частей, более близким положением центра тяжести крыла относительно центра давления, более благоприятным распределением площади поперечного сечения в продольном направлении и оптимальным выдвижением воздухозаборников к носу самолета.

Применение излома передней кромки крыла привело к тому, что при малой относительной толщине профиля получена большая строительная высота крыла, позволяющая разместить в нем воздушные каналы, а также топливные баки, шасси и часть оборудования.

Рис. 1.22. Характерные формы треугольного крыла сверхзвуковых самолетов (кроме ХВ-70А, масштаб 1 :200).

Уменьшение же угла стреловидности концевых частей крыла благоприятствовало безотрывному обтеканию при малых скоростях (больших углах атаки). С этой точки зрения аэродинамическая схема самолета «Дракен» оригинальна; она оказала влияние на выбор схем таких самолетов, как YF-12 (SR-71), Ту-144, «Конкорд» и даже F-16, YF-17 и F-18. Большой угол стреловидности передней кромки крыла в прифюзеляжной части обеспечивает малое сопротивление самолета в полете со сверхзвуковыми скоростями, а также незначительное изменение положения центра давления самолета при переходе через скорость звука, а следовательно, и стабильность его балансировки на различных режимах полета.