Сверхзвуковые самолеты - Эдмунд Цихош

Ввиду этого приходится создавать самолеты с характеристиками, которые оказываются хорошими только для некоторых, точно определенных режимов полета, или самолеты, у которых вследствие компромиссных решений наихудшие летные характеристики повышаются за счет наилучших. Первый подход приводит к созданию самолетов узкого назначения и используется главным образом в военной авиации. Однако практика военных действий показывает, что военной авиации требуются самолеты, обладающие не только хорошими летно-тактическими данными во всем диапазоне используемых скоростей, но также допускающие посадку и взлет с автомобильных дорог и наскоро подготовленных аэродромов. Такие самолеты будут иметь потенциальную возможность достижения преимущества в воздухе, быстрого выполнения боевого задания, проникновения в глубь территории противника на малой высоте (как правило, вне зоны действия наземных радиолокационных станций и прочих элементов системы активной и пассивной противовоздушной обороны) и т.п. Со своей стороны, применение самолетов узкого назначения уменьшает гибкость и эффективность использования большого количества оборудования (большое число одновременно действующих военных самолетов), усложняет обслуживание и материальное обеспечение, а также обучение наземного и летного состава (большое число типов самолетов), требует расширения производства запасных частей и ремонтной базы и т.п. Это означает, что в военной авиации известная универсальность самолета имеет важное значение не только с точки зрения разнообразных условий боевого использования, но также из-за высоких эксплуатационных требований.

На современном этапе развития авиации именно такими свойствами обладают самолеты с изменяемой геометрией крыла, создаваемые в основном как многоцелевые истребители (рис. 1.48). Каким образом это достигается? Известно, что максимальная скорость горизонтального полета зависит от тяги двигательной установки и лобового сопротивления самолета, а посадочная скорость-от подъемной силы и от массы самолета. При данной силовой установке и постоянной массе конструкции самолета увеличение отношения максимальной скорости к посадочной зависит главным образом от аэродинамической формы и конструкции крыла. Поэтому усовершенствования крыла обычно направлены как на увеличение первой из указанных скоростей, так и на уменьшение второй.

Таким образом, завоевание авиацией новых рубежей по скорости и высоте связано не только с использованием более совершенной или принципиально новой двигательной установки и новой компоновки самолетов, но также с изменениями их геометрии в полете. Такие изменения, улучшая характеристики самолета при больших скоростях, не должны ухудшать их качеств, соответствующих малым скоростям, и наоборот. Ввиду этого от упомянутой выше тенденции уменьшения площади крыльев и относительной толщины их профилей, а также увеличения угла стреловидности крыла у самолетов с изменяемой геометрией конструкторы в последнее время отказываются, возвращаясь к крыльям малой стреловидности и большой относительной толщины, если уже достигнуты удовлетворительные величины максимальной скорости и потолка. В таком случае считается важным, чтобы сверхзвуковой самолет имел хорошие летные данные на малых скоростях или на малых высотах. Таким образом, крылья с изменяемой геометрией применяются с целью увеличения подъемной силы самолета при малых скоростях и уменьшения сопротивления при больших скоростях, особенно на малых высотах.

Рис. 1.48. Самолеты изменяемой геометрии польских ВВС.

Возможность достижения указанных качеств в различных диапазонах скоростей в зависимости от конкретных потребностей (фактически это означает выбор угла стреловидности крыла, соответствующего скорости полета) позволяет считать самолеты с изменяемой геометрией самолетами, характеристики которых достаточно хороши на всех этапах полета и во всем диапазоне скоростей.

Принцип изменения геометрии крыла

Все вспомогательные подвижные элементы крыла (кроме поверхностей, используемых в системе управления самолетом), которые каким-либо образом влияют на аэродинамические свойства крыла, носят общее название «механизация». Механизация применяется в самолете в основном с целью уменьшения скорости взлета и посадки и поэтому не обеспечивает необходимых свойств на основных режимах полета. Исключение составляют тормозные щитки, используемые для уменьшения скорости, особенно во время пикирования, а также предкрылки или носовые щитки, иногда применяемые для увеличения кривизны траектории полета при маневре.

Крыло с такого рода механизацией называется крылом постоянной геометрии (обычно это подразумевается само собой и определение «крыло постоянной геометрии» не применяется), несмотря на то что во время полета обычно происходит изменение геометрических параметров крыла, таких, как форма, площадь, кривизна профиля и т.д. К самолетам постоянной геометрии относят также самолеты с крылом переменного угла установки или с крылом, концы которого могут отклоняться в вертикальной плоскости с целью уменьшения площади несущей поверхности и увеличения или уменьшения устойчивости во время сверхзвукового полета. К этой группе относятся также самолеты, у которых, исходя из требований устойчивости на сверхзвуковых скоростях, вместо вертикального оперения большой площади используются подфюзеляжные кили или аэродинамические направляющие, устанавливаемые в задней части фюзеляжа, которые могут выдвигаться наружу из фюзеляжа, складываться или сбрасываться в полете, что позволяет осуществить взлет и посадку самолета с коротким шасси на больших углах атаки. Таким же образом рассматривается изменение геометрии во время убирания шасси и контейнеров неуправляемых ракет или поднятие передней части фюзеляжа, которое выполняется с целью уменьшения сопротивления.

Какой же самолет с учетом изложенного называется самолетом изменяемой геометрии? Поскольку основное влияние на лет- но-технические характеристики самолета оказывает крыло, а у сверхзвукового самолета-стреловидность передней кромки крыла и относительная толщина профиля, в настоящее время самолетом изменяемой геометрии называют самолет, крылья которого изменяют в полете угол стреловидности передней кромки по желанию пилота или по заданной программе 1* . При изменении угла стреловидности изменяются размах и отчасти площадь, а также положение сечений крыла относительно направления потока; в результате изменяются удлинение крыла и относительная толщина профиля, а вместе с ними подвергаются изменению аэродинамические характеристики, особенно качество.

Крыло изменяемой стреловидности в «развернутом» положении обычно практически прямое (иногда с очень малым углом стреловидности), а в «сложенном» положении оно приобретает большую стреловидность. Это означает, что самолеты с изменяемой геометрией крыла сочетают достоинства самолетов с прямым крылом большого удлинения и самолетов с крылом большой стреловидности малого удлинения.

1* Ввиду нечеткости термина «самолет изменяемой геометрии», который употребляет автор, здесь удобнее использовать термин «самолет с изменяемой стреловидностью (геометрией) крыла».- Прим. ред.

Развитие концепции самолета с изменяемой геометрией крыла

Проекты самолетов с изменяемой геометрией крыла появились практически одновременно с проектами обычных самолетов, однако впервые они поднялись в воздух лишь в начале 30-х годов (Павгуста 1930 г. прошел летные испытания самолет М.10 с крылом изменяемого размаха конструкции Махонина). Изменение геометрии крыла, которое в то время должно было выполнять функцию современной механизации крыльев, касалось почти исключительно изменения площади крыла с сохранением угла стреловидности передней кромки. Это и понятно, так как проблема уменьшения волнового сопротивления на том этапе развития авиации еще не существовала.

Как известно, изменение площади крыла (посредством увеличения его размаха, или хорды, или одновременно обоих параметров) может привести к изменению удлинения, относительной толщины профиля и сужения, а отсюда к изменению летных характеристик самолета, которые зависят от этих параметров. Такое изменение геометрии малоэффективно, так как усложняет конструкцию и изготовление крыльев, что дает сравнительно небольшой аэродинамический эффект ценой значительного увеличения массы самолета (достигнутые максимальные скорости для конфигураций максимальной и минимальной площадей различались не более чем на 5-10%).

Первые конструктивные решения, соответствующие современным взглядам на изменение геометрии крыла, были реализованы в период второй мировой войны, при разработке самолета «Мессершмитт» Р-1101 со стреловидным крылом, угол стреловидности которого мог составлять 35 или 45°. Летные испытания этого самолета не были завершены, и в 1945 г. он был захвачен войсками США. В 1948 г. в NACA рассматривалась возможность применения крыла изменяемой геометрии на экспериментальных сверхзвуковых самолетах Х-1 и Х-2. В связи с этим фирме «Белл» было предложено решить эту задачу, используя опыт разработки конструкции прототипа Р-1101. Самолет, обозначенный Х-5, разрабатывался как истреби- тель-штурмовик, поэтому в процессе проектирования принимались во внимание тактико-технические требования военно- воздушных сил США для самолетов такого типа. Первый из двух построенных экземпляров Х-5 совершил полет 20 июня 1951 г. На самолете был установлен один турбореактивный двигатель J35-A-17 фирмы «Эллисон» тягой 2220 даН. В дальнейшем предполагалось использовать двигатель J40-WE-2 фирмы «Вестингауз» с системой дожигания, однако ни двигатель, ни форсажная камера на самолете не устанавливались.