Тандемное крыло — это конфигурация крыла , при которой летательный аппарат или животное имеет два или более комплекта крыльев, расположенных друг за другом. Все крылья способствуют подъемной силе .
Тандемное крыло отличается от биплана , в котором крылья расположены одно над другим, или от конфигурации «утка» или «хвост вперед», где передняя поверхность намного меньше и не вносит существенного вклада в общую подъемную силу.
В авиации эксперименты с тандемными крыльями ведутся уже давно, но лишь немногие из них были запущены в производство.
В природе тандемные крылья встречаются только у насекомых и летучих рыб, хотя в прошлом существовали летающие рептилии с тандемными крыльями.
Конфигурация тандемного крыла имеет две основные плоскости крыла , одна из которых расположена спереди, а другая сзади. Разница больше, чем хорда крыла, поэтому между ними есть явный зазор, а центр тяжести самолета (ЦТ) находится между крыльями. [1] По сравнению с обычной компоновкой, где хвостовое оперение оказывает небольшое или вообще не оказывает вертикального усилия в крейсерском полете, оба тандемных крыла вносят существенный вклад в подъемную силу.
Базовая тандемная конфигурация использует крылья, которые равны по размеру и находятся на одной линии друг с другом. Примеры успешно летали, например, планер Пейре 1922 года. Однако заднее крыло обычно размещается либо выше, либо ниже переднего крыла, чтобы избежать его турбулентного следа. Одно крыло часто делается немного меньше другого, в зависимости от деталей конструкции. Действительно, нет четких разделительных линий между обычной и тандемной или тандемной и уткой конфигурациями. [2] Высоко расположенное переднее крыло и низко расположенное заднее крыло также иногда рассматриваются как экстремально смещенный биплан и называются бипланом Ненандовича. [3]
Эффекты интерференции между двумя крыльями могут сделать тандемную компоновку менее эффективной в крейсерском полете, чем эквивалентная традиционная конструкция, однако такие образцы, как Scaled Composites Proteus, способны обеспечить исключительную эффективность.
Тандемная компоновка создает «эффект щели», при котором переднее крыло отклоняет воздух вниз над задним крылом, уменьшая угол атаки (AoA) задней части. При высоком угле атаки самолета это заставляет переднее крыло сваливаться первым, обеспечивая более безопасный полет на низких скоростях, чем эквивалентная обычная компоновка. Она также обеспечивает хорошие характеристики STOL. [1]
Тандемные крылья также используются на экранопланах , где переднее крыло используется для направления воздуха вниз под заднее крыло, создавая подъемную воздушную подушку.
В тандемном крыле подъемные силы на двух крыльях разделены продольно, что позволяет им действовать вместе для достижения устойчивости, контроля и балансировки. Механизмы устойчивости и контроля для тандемного крыла аналогичны механизмам для схем хвост-вперед или утка ; различие в основном заключается в относительном размере передней поверхности. [4]
Однако большие силы балансировки, доступные по сравнению с меньшим хвостовым или передним оперением, означают, что тандемная конструкция может предложить больший диапазон условий балансировки и, следовательно, расположения центра тяжести (ЦТ), чем другие компоновки, которые могут предложить практическое решение, когда весовые нагрузки и распределения могут меняться во время операций. Однако широкий диапазон ЦТ приводит к другим проблемам, включая совместимую компоновку шасси и безопасные характеристики сваливания. [1]
Соединённое крыло представляет собой схему тандемного крыла, в которой переднее крыло направлено назад и/или заднее крыло направлено вперёд таким образом, что они соединяются на концах или около них, образуя непрерывную поверхность в форме полого ромба или треугольника. [5] [6] Соединённое крыло также является примером замкнутого крыла .
Ligeti Stratos — редкий пример, который летал. [7]
В обычной компоновке плечо момента подъемной нагрузки внешней секции велико, и это напрягает корневую секцию. Однако в тандемной конструкции каждое крыло меньше, и внешняя нагрузка отсутствует. Это позволяет сделать конструкцию крыла в целом легче.
В обычной конструкции фюзеляж поддерживается только в одном месте, а передняя и задняя секции фюзеляжа консольно вынесены из него. Это создает значительные изгибающие напряжения. Тандемное крыло поддерживает тот же фюзеляж в двух местах, уменьшая изгибающие напряжения. Однако крутильные напряжения в центральной секции между крыльями больше. [1]
Поскольку конструкция с тандемным крылом более компактна, она в целом жестче, а это означает, что требуется меньший допуск на изгиб и возможен меньший запас прочности по уровням напряжения, что позволяет еще больше снизить вес и стоимость. [1]
Конфигурация тандемного крыла предшествовала успешному пилотируемому полету. Еще в пятнадцатом веке Тито Ливио Буррайтни экспериментировал с моделью тандемного крыла. Четыре набора крыльев в тандеме по-разному обеспечивали подъемную силу и тягу, и кот Буррайтни стал первым воздухоплавателем, совершившим полет в тандемной конструкции. [1]
Также полетав на более простых тандемных моделях с передним и задним расположением крыльев до 14 футов (4,3 м) в размахе, в 1903 году Сэмюэл Пирпонт Лэнгли построил полноразмерный тандемный моноплан Aerodrome и запустил его с крыши плавучего дома. Он не смог взлететь. После его смерти Смитсоновский институт попытался доказать, что он летал за несколько недель до братьев Райт , и нанял успешного авиастроителя Гленна Кертисса, чтобы тайно модифицировать аэродром до тех пор, пока он не смог летать, как «доказательство» того, что он летал в 1903 году. Кертисс добавил поплавки и внес другие усовершенствования, что позволило ему совершать короткие прыжки как настоящему гидроплану в 1914 году. Уловка в конечном итоге была раскрыта, однако Смитсоновский институт все еще пытался утверждать, что версия 1902 года была «способна летать». Прошло еще много лет, прежде чем они отказались от своих слов. [8]
Несколько пионеров уже давно создали успешные планеры. В 1905 году Джон Дж. Монтгомери совершил полет на тандемном моноплане, подтвердив, что аэродинамический принцип был верен.
Два года спустя последовал полет с двигателем. В 1906 году Луи Блерио построил свой третий самолет с тандемными эллиптическими закрытыми крыльями, позже модифицировав его как свой тип IV с передним крылом, преобразованным в обычный биплан. Но только в следующем году его тип VI , колесный тандемный моноплан, в целом похожий на аэродром Лэнгли, стал первым самолетом с тандемным крылом, который поднялся в воздух.
Между 1907 и 1911 годами аэродинамические исследования Гюстава Эйфеля показали, что тандемная компоновка изначально менее эффективна с точки зрения аэродинамики, чем более традиционная. [4] Параллельно с работой Эйфеля Стефан Дриезевицкий разработал и испытал в аэродинамической трубе изначально стабильную конструкцию тандемного крыла. Затем он построил и успешно поднял в воздух полноразмерный образец в конце 1912 года. [1]
Экспериментальные самолеты с тандемным крылом продолжали строить и после Первой мировой войны.
Прототип летающей лодки Caproni Ca.60 состоял из длинного пассажирского корпуса, к которому были прикреплены последовательно три ряда крыльев-трипланов из успешной линейки тяжелых бомбардировщиков и авиалайнеров Ca.4 , за что получил прозвище «Capronissimo». Однако он разбился при первой попытке взлета в 1921 году.
Первым полностью управляемым типом тандемного крыла был построенный во Франции тандемный планер Пейре , который выиграл первое британское соревнование по планеризму в 1922 году. Новая система управления Пейре включала в себя полноразмерные поверхности задней кромки на всех четырех крыльях. Они работали парами с каждой стороны как элероны, парами спереди и сзади как рули высоты и синхронно как закрылки для полета на низкой скорости. Система оказалась эффективной, и, несмотря на то, что планер был менее эффективен, чем обычные самолеты с большим удлинением, он оказался более управляемым и маневренным. Это позволило пилоту М. Манейролю оставаться в восходящих потоках дольше, чем другие. [4] Хотя Пейре продолжал развивать конструкцию, как в планерах, так и в моторных типах, они оставались диковинкой.
SFCA продолжила работу Пейре после его смерти, переняв его систему управления. Их Taupin впервые взлетел в 1933 году. Его конструкция оказалась практичной, и было выпущено около 52 экземпляров .
Тем временем Анри Минье применял совершенно иной подход к управлению полетом. Его Pou-du-Ciel (летающая блоха), предназначенный для любительской сборки дома, имел новую двухосевую систему управления, облегчающую управление. Элероны не требовались, поскольку при управлении рулем направления связь рыскания и крена обеспечивала вираж самолета. Для управления тангажем все переднее крыло наклонялось, чтобы действовать как утка высоты. Представленный почти в то же время, что и Taupin, он стал модным, были построены сотни и разработаны модификации во многих странах. Однако проблемы со стабильностью, связанные с изменяемым передним крылом, могли привести к смертельным авариям в руках начинающего пилота, и этот тип в конечном итоге вышел из моды.
В конце 1930-х годов Морис Деланн работал над проектами тандемного крыла. Он предложил истребитель Delanne 10, отличающийся передним крылом с выемкой и двумя килями на концах низкорасположенного и немного более короткого заднего крыла. Сначала он построил два образца меньшего аэродинамического испытательного самолета Delanne 20-T , который поднялся в воздух в 1938 году. Затем Arsenal de l'Aéronautique построил прототип истребителя Arsenal-Delanne 10. Он был завершен и испытан после немецкого вторжения во Францию, а затем был доставлен в Германию для дальнейших испытаний.
Тем временем Westland Aircraft рассматривали возможность модификации легкого самолета наблюдения и связи Lysander , добавив заднюю орудийную башню, чтобы обеспечить ему некоторую защиту от атак. Lysander уже имел подходящее основное крыло, поэтому, чтобы выдержать вес башни, Westland подумала о добавлении заднего крыла типа Delanne. К этому времени начались военные действия, но Франция еще не пала. Главный конструктор WEW «Тедди» Петтер и главный летчик-испытатель Харальд Пенроуз вылетели в Париж, где Пенроуз летал на одном из 20-T и дал положительный отзыв о его управлении. [9] Тандемный Lysander не был завершен до 1941 года, когда Пенроуз начал испытательные полеты. Хотя он работал безупречно — он писал, что «это был военный прототип, который не нуждался в изменении», — он не был заказан в производство. [10]
Джордж Майлз увидел тандемный Lysander на авиабазе Королевских ВВС Боскомб-Даун и осознал его потенциал как короткого морского истребителя с коротким взлетом. Последующий испытательный самолет Miles M.35 Libellula отличался от конструкции Delanne крыльями примерно одинакового размаха, но заднее крыло имело более длинную хорду и было стреловидным. Хотя конструкция была отклонена, она летала достаточно хорошо, чтобы побудить к разработке более крупного M.39B , испытательного самолета в уменьшенном масштабе для предлагаемого высокоскоростного бомбардировщика M.39, чтобы соответствовать спецификации B.11/41. На этот раз переднее крыло было меньше и установлено низко, в то время как стреловидное заднее крыло было установлено высоко с двумя гондолами двигателей, подвешенными под ним. В полете в 1943 году он показал себя хорошо, но требование к бомбардировщику впоследствии было отменено.
После Второй мировой войны интерес к концепции наклонного переднего крыла Flying Flea возобновился, и, поскольку ее самые большие опасности теперь были поняты и устранены, конструкторы продолжили развивать эту идею, как правило, по-прежнему для строительства домов. [1]
Curtiss -Wright X-19 1963 года ознаменовал выход конфигурации тандемного крыла на арену VTOL, как квадрокоптерный конвертоплан с большими наклонными пропеллерами, установленными на каждом конце крыла. Он оказался слишком сложным и ненадежным для технологий того времени.
Другие тандемные подходы, такие как Delanne, были в значительной степени забыты, пока Дэвид Локспайзер не задумал свой Land Development Aircraft, недорогой транспортный самолет общего назначения. Он должен был использовать три взаимозаменяемых компонента крыла: по одному для каждого левого и правого заднего крыла, и третье переднее крыло, установленное по центру под носом. Его прототип LDA-01 полетел в 1971 году. Он оказался достаточно успешным, чтобы разработать его для производства, но проект был завершен до того, как его удалось модифицировать.
Следующий прорыв в производстве снова произошел на рынке самодельных самолетов. Подающий надежды независимый дизайнер Берт Рутан работал над маломощным, но высокоэффективным самолетом для самодельных самолетов. Тандемная компоновка предлагала установку фиксированного шасси с низким сопротивлением, размещая основные колеса в кожухах на концах переднего крыла и применяя ксеноморфный угол, чтобы поднять фюзеляж достаточно высоко для пропеллера. Высоко расположенное заднее крыло имело компенсирующий ксеноморфный угол. Quickie впервые поднялся в воздух в 1977 году, а в следующем году получил премию EAA за выдающийся новый дизайн в Ошкоше. Он стал популярным, и впоследствии появилось несколько его вариантов.
Рутан основал Scaled Composites , и некоторые из более поздних проектов компании также были тандемными.
Несколько отрядов летающих насекомых используют тандемные крылья, каждый из которых имеет свою характерную анатомию и способы полета.
Насекомые с тандемно машущими крыльями включают Odonata ( стрекозы и равнокрылые стрекозы ), Lepidoptera ( бабочки и моли ) и некоторые Thysanoptera или Thrips . Виды Odonata обычно имеют длинные тонкие крылья и могут синхронизировать взмахи передней и задней пар в различных режимах, что позволяет им быть как быстрыми, так и очень маневренными. Для сравнения, у Lepidoptera более широкие крылья, которые машут синхронно и могут даже перекрываться в полете, и они лучше подходят для длительных полетов. Трипсы — более мелкие насекомые, а летающие виды имеют относительно жесткие крылья. Из-за своего небольшого размера они создают подъемную силу с помощью хлопающих и швыряющих взмахов, а не обычного вихревого движения на передней кромке большинства насекомых.
Многие летающие жуки, такие как божья коровка , имеют передние надкрылья, которые раскрываются в полете, но не машут ими значительно. На земле они защищают нежные основные задние крылья, а в воздухе могут использоваться для изменения аэродинамики машущего основного крыла. [12]
Летучие рыбы имеют увеличенные грудные плавники и способны к планирующему полету, хотя и не к настоящему машущему полету. Некоторые виды, такие как полосатокрылые, также имеют достаточно увеличенные брюшные плавники , расположенные дальше назад вдоль тела, чтобы сформировать тандемную компоновку.
Microraptor был родом динозавров с тандемными крыльями , возможно, единственным видом. Он известен только по ископаемым останкам, в основном в Китае. Передние и задние конечности были покрыты маховыми перьями, и считается, что он был способен к настоящему машущему полету, а также к планированию. Его режим полета неизвестен.