В воздухоплавании бесхвостый самолет — самолет , у которого нет другой горизонтальной аэродинамической поверхности, кроме основного крыла . [1] Он может по-прежнему иметь фюзеляж , вертикальное хвостовое оперение ( вертикальный стабилизатор ) и/или вертикальный руль направления .
Теоретические преимущества бесхвостой схемы включают низкое паразитное сопротивление , как у парящего планера Horten H.IV , и хорошие характеристики малозаметности, как у бомбардировщика Northrop B-2 Spirit . К недостаткам можно отнести потенциальную чувствительность к обрезке .
Бесхвостые самолеты летают со времен пионеров; Первым стабильным самолетом, совершившим полет, был бесхвостый Dunne D.5 в 1910 году. Наиболее успешной бесхвостой конфигурацией была бесхвостая дельта-конфигурация , особенно для боевых самолетов, хотя авиалайнер Concorde также имеет дельта-конфигурацию.
НАСА использовало название «бесхвостый» для нового исследовательского самолета X-36 , который имеет носовую часть «утка», но не имеет вертикального киля.
У бесхвостого самолета нет другой горизонтальной поверхности, кроме основного крыла. Функции аэродинамического управления и стабилизации как по тангажу , так и по крену встроены в основное крыло. Бесхвостый тип может по-прежнему иметь обычный вертикальный хвостовой стабилизатор ( вертикальный стабилизатор ) и руль направления . [2] [3] [4]
Летающее крыло представляет собой бесхвостую конструкцию, в которой также отсутствует отдельный фюзеляж , в котором пилот, двигатели и т. д. полностью или частично расположены в крыле.
Обычный самолет с неподвижным крылом имеет поверхность горизонтального стабилизатора , отдельную от основного крыла. Эта дополнительная поверхность вызывает дополнительное сопротивление, требующее более мощного двигателя, особенно на высоких скоростях. Если продольная (тангажная) устойчивость и управляемость могут быть достигнуты каким-либо другим методом (см. ниже), стабилизатор можно снять и уменьшить сопротивление.
Бесхвостый самолет не имеет отдельного горизонтального стабилизатора. Из-за этого аэродинамический центр обычного крыла будет располагаться впереди центра тяжести самолета, создавая нестабильность тангажа . Необходимо использовать какой-то другой метод, чтобы переместить аэродинамический центр назад и сделать самолет устойчивым . У конструктора есть два основных способа добиться этого, первый из которых был разработан авиатором-первопроходцем Дж. У. Данном .
Отвод передней кромки крыла назад (как стреловидное крыло , так и треугольное крыло ) и уменьшение угла падения внешней секции крыла позволяют внешнему крылу действовать как обычный стабилизатор хвостового оперения. Если это делается постепенно по всей длине внешней секции, это называется вымыванием наконечника . Данн добился этого, придав верхней поверхности крыла коническую кривизну. В горизонтальном полете самолет следует балансировать так, чтобы законцовки не создавали подъемной силы: возможно, им даже придется создать небольшую тягу вниз. Это снижает общую эффективность крыла, но для многих конструкций – особенно для высоких скоростей – это перевешивается снижением лобового сопротивления, веса и стоимости по сравнению с обычным стабилизатором. Большой размах крыла также снижает маневренность, и по этой причине конструкция Данна была отвергнута британской армией.
Альтернативой является использование профилей с низким или нулевым моментом тангажа , которые можно увидеть, например, в планерах и истребителях серии Horten . В них используется необычная аэродинамическая часть крыла с рефлекторным или обратным изгибом задней части или всего крыла. При рефлекторном изгибе более плоская сторона крыла находится вверху, а сильно изогнутая сторона - внизу, поэтому передняя часть имеет большой угол атаки, а задняя часть более горизонтальна и не создает подъемной силы, поэтому действует как хвостовое оперение. или размытые кончики стреловидного крыла. Рефлекторный развал можно смоделировать, установив большие рули высоты на обычный аэродинамический профиль и заметно подрезав их вверх; центр тяжести также необходимо переместить вперед от обычного положения. Из-за эффекта Бернулли рефлекторный развал имеет тенденцию создавать небольшую тягу вниз, поэтому для компенсации угол атаки крыла увеличивается. Это, в свою очередь, создает дополнительное сопротивление. Этот метод позволяет более широкий выбор формы крыла в плане , чем стреловидность и размыв, а конструкции включают прямые и даже круглые (Arup) крылья. Но сопротивление, присущее большому углу атаки, обычно считается, что делает конструкцию неэффективной, и только несколько серийных типов, таких как планеры серий Fauvel и Marske Aircraft , использовали ее.
Более простой подход состоит в том, чтобы преодолеть нестабильность, разместив основной вес самолета на значительном расстоянии ниже крыла, так что сила тяжести будет стремиться удерживать самолет в горизонтальном положении и таким образом противодействовать любой аэродинамической нестабильности, как в параплане . Однако на практике этого редко бывает достаточно для обеспечения устойчивости само по себе, и обычно это дополняется описанными аэродинамическими методами. Классическим примером является дельтаплан с крылом Rogallo , в котором используется та же стреловидность, размыв и коническая поверхность, что и у Dunne.
Стабильность также можно обеспечить искусственно. Существует компромисс между стабильностью и маневренностью. Высокий уровень маневренности требует низкого уровня устойчивости. Некоторые современные высокотехнологичные боевые самолеты аэродинамически нестабильны по тангажу и для обеспечения устойчивости полагаются на электродистанционное компьютерное управление. Примером может служить летающее крыло Northrop Grumman B-2 Spirit .
Многие ранние конструкции не могли обеспечить эффективный контроль шага, чтобы компенсировать отсутствие стабилизатора. Некоторые экземпляры были устойчивыми, но их высоту можно было контролировать только с помощью мощности двигателя. Другие могли резко и бесконтрольно качнуться вверх или вниз, если с ними не обращаться осторожно. Из-за этого бесхвостые конструкции заслужили репутацию нестабильных. Лишь после более позднего успеха бесхвостой дельта-конфигурации в эпоху реактивных самолетов эта репутация была признана незаслуженной.
Обычно принимаемое решение состоит в том, чтобы обеспечить большие поверхности руля высоты и/или элевонов на задней кромке крыла. Если крыло не имеет большой стреловидности, они должны создавать большие силы управления, поскольку их расстояние от аэродинамического центра мало, а моменты меньше . Таким образом, бесхвостый тип может испытывать большее сопротивление во время маневров по тангажу, чем его обычный аналог. В треугольном крыле с большой стреловидностью расстояние между задней кромкой и аэродинамическим центром больше, поэтому увеличенные поверхности не требуются. Серия бесхвостых самолетов Dassault Mirage Delta и ее производные были одними из наиболее широко используемых боевых самолетов. Однако даже в «Мираже» контроль тангажа на больших углах атаки, возникающих при взлете и посадке, мог быть проблематичным, а некоторые более поздние модификации имели дополнительные поверхности «утка» .
Обычный самолет неустойчив при рыскании, и для удержания его в прямом положении требуется хвостовой стабилизатор. Движение элеронов создает неблагоприятное рыскание, вырывающее его из разворота, которое также приходится компенсировать рулем направления . Хотя стреловидное крыло устойчиво в прямолинейном полете, оно все равно испытывает нежелательное рыскание во время разворота. Одним из решений является придание крылу достаточного поворота, чтобы внешняя часть наклонялась вниз и создавала отрицательную подъемную силу. Это устраняет неблагоприятное рыскание элеронов, помогая самолету войти в поворот и устраняя необходимость в вертикальном руле направления или интерцепторах с дифференциальным сопротивлением.
Было также показано, что полученное таким образом колоколообразное распределение подъемной силы минимизирует индуцированное сопротивление для данного веса (по сравнению с эллиптическим распределением, которое минимизирует его для данного пролета). [5]
Между 1905 и 1913 годами офицер британской армии и аэронавт Дж. У. Данн разработал серию бесхвостых самолетов, которые должны были быть устойчивыми и неуправляемыми. Вдохновленный его исследованиями чаек в полете, они характеризовались стреловидными крыльями с конической верхней поверхностью. Конус был устроен так, что крыло постепенно выкручивалось наружу по направлению к законцовкам, создавая отрицательный угол наклона и, следовательно, отрицательную подъемную силу во внешних секциях, создавая общую устойчивость как по тангажу, так и по рысканию. Единственная поверхность управления на задней кромке каждой законцовки крыла выполняла функции элеронов и руля высоты. Данн хорошо разбирался в принципах аэродинамики и даже понимал, как отрицательная подъемная сила на законцовках крыла в сочетании с крутым углом наклона вниз повышает курсовую устойчивость. [6]
Хотя первоначально Данн задумывался как моноплан , первоначальные проекты Данна для армии должны были быть бипланами , обычно с гондолой фюзеляжа между плоскостями с установленным сзади толкающим винтом и фиксированными концевыми стабилизаторами между каждой парой законцовок крыла.
После того, как его работа в армии закончилась, в 1910 году биплан D.5 был засвидетельствован в стабильном полете Орвиллом Райтом и Гриффитом Брюэром , которые представили официальный отчет Королевскому аэронавтическому обществу по этому поводу. [7] Таким образом, он стал первым самолетом, когда-либо достигшим естественной устойчивости в полете, а также первым практически бесхвостым самолетом. Более поздний D.8 был построен по лицензии и коммерчески продан У. Старлинг Берджесс в Америке как Burgess-Dunne.
Он также вернулся к своему моноплану. D.6 1911 года представлял собой моноплан толкающего типа с высоким крылом, который также отличался ярко выраженным угловым наклоном или свисанием законцовок крыла. Рули теперь выполняли еще и роль рулей направления.
Многие идеи Данна о стабильности остаются в силе, и известно, что он оказал влияние на более поздних конструкторов, таких как Джон К. Нортроп (отец бомбардировщика-невидимки Northrop Grumman B-2 Spirit ). [ нужна цитата ]
После Первой мировой войны пилот Джеффри Т.Р. Хилл также искал устойчивую, неустойчивую конструкцию. Первоначально Данн оказал некоторую помощь, и Хилл , начиная с 1920-х годов, продолжил производство серии бесхвостых самолетов «Птеродактиль» . Хилл также начал разрабатывать теорию внутренне стабильного аэродинамического профиля и включил ее в свои проекты.
Немецкие теоретики развили теорию устойчивого аэродинамического профиля. Конструктор Александр Липпиш создал свою первую бесхвостую модель «Дельта I» в 1931 году. Он продолжал строить серию все более сложных моделей, а в конце Второй мировой войны был доставлен в Америку, чтобы продолжить свою работу .
Во время Второй мировой войны Липпиш работал у немецкого конструктора Вилли Мессершмитта над первым пошедшим в производство бесхвостым самолетом — Me 163 Komet . Это был единственный перехватчик с ракетным двигателем, когда-либо использовавшийся на передовой, и самый быстрый самолет, поступивший на строй во время войны.
В 1930-х годах Уолтер и Реймар Хортен начали строить простые бесхвостые планеры, первый из которых поднялся в воздух в 1933 году. Хортены разработали первое в мире летающее крыло с реактивным двигателем — Horten Ho 229.
Параллельно с Липпишем в США Джек Нортроп развивал собственные идеи бесхвостых конструкций. Н -1М поднялся в воздух в 1941 году, за ним последовала череда бесхвостых типов, некоторые из которых были настоящими летающими крыльями.
В 1940-х годах британский авиаконструктор Джон Карвер Медоуз Фрост разработал бесхвостый исследовательский самолет с реактивным двигателем под названием de Havilland DH.108 Swallow , построенный с использованием носовой части фюзеляжа реактивного истребителя de Havilland Vampire . Один из них, возможно, был одним из первых самолетов, когда-либо преодолевших звуковой барьер – он сделал это во время неглубокого пикирования, и звуковой удар услышали несколько свидетелей. [ нужна цитация ] Все три построенных самолета были потеряны в результате катастроф со смертельным исходом.
DINFIA IA 38 — аргентинский четырехмоторный экспериментальный бесхвостый транспортный самолет 1960-х годов , разработанный под руководством Реймара Хортена на основе немецкого проекта Horten H.VIII и построенный DINFIA .
Подобно DH.108, двухреактивный самолет Northrop X-4 выпуска 1948 года был одним из серии послевоенных экспериментальных самолетов X-plane, разработанных в Соединенных Штатах после Второй мировой войны для участия в исследовательских программах по изучению проблем высоких технологий. -скоростной околозвуковой полет и выше. У него были аэродинамические проблемы, аналогичные проблемам DH.108, но оба построенных экземпляра X-4 пережили программы летных испытаний без серьезных происшествий, совершив около 80 исследовательских полетов в 1950-1953 годах, достигнув максимальной скорости только 640 миль в час (1035 км/ч). час).
Серия французских сверхзвуковых реактивных истребителей «Мираж» представляла собой пример бесхвостой дельта-конфигурации и стала одним из наиболее широко производимых среди всех западных реактивных самолетов. Напротив, широко производимый в Советском Союзе истребитель с треугольным крылом МиГ-21 имеет хвостовой стабилизатор.
В 1950-х годах прототип Convair F2Y Sea Dart стал единственным гидросамолетом , превысившим скорость звука. Компания Convair создала еще несколько успешных бесхвостых дельта-типов.
Англо-французский сверхзвуковой транспортный самолет «Конкорд» и его советский аналог Ту-144 представляли собой бесхвостый сверхзвуковой реактивный авиалайнер с стрельчато- треугольными крыльями. Часто отмечались грация и красота этих самолетов в полете. [8]
Американский стратегический разведывательный самолет Lockheed SR-71 Blackbird является самым быстрым самолетом с реактивным двигателем, развивающим скорость выше 3 Маха.
Крыло предварительной исследовательской аэродинамической конструкции для снижения лобового сопротивления НАСА (PRANDTL-D) было разработано Элом Бауэрсом в Центре летных исследований НАСА Армстронга . Бауэрс был вдохновлен работами Людвига Прандтля и, как и Данн, наблюдениями за полетом птиц. Как и в конструкции Данна, он имеет поворот крыла , достаточный для установки законцовок крыла под отрицательным углом и создания такого же положительного сцепления с рысканьем. [9] [10] [11] Бауэрс разработал количественный анализ подъемных характеристик, что привело к его более общему открытию колоколообразного распределения подъемной силы, которое минимизирует индуцированное сопротивление для веса самолета. Это распределение он применил в серии проектов «Прандтль-Д». [5] К концу 2017 года он совершил полет на трех таких исследовательских моделях. [12] [13]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )