Треугольное крыло — это крыло в форме треугольника. Оно названо так из-за сходства формы с греческой заглавной буквой дельта (Δ).
Хотя он долго изучался, он не нашел значительного применения до эпохи реактивной авиации , когда он оказался пригодным для высокоскоростных дозвуковых и сверхзвуковых полетов. На другом конце шкалы скоростей гибкое крыло Рогалло оказалось практичной конструкцией для дельтаплана и других сверхлегких самолетов . Форма дельтавидного крыла имеет уникальные аэродинамические характеристики и структурные преимущества. За эти годы появилось множество вариаций конструкции, с дополнительными стабилизирующими поверхностями и без них.
Длинная корневая хорда дельта-крыла и минимальная площадь внешней части делают его структурно эффективным. Его можно построить прочнее, жестче и в то же время легче, чем стреловидное крыло эквивалентного удлинения и грузоподъемности. Благодаря этому его легко и относительно недорого строить — существенный фактор успеха серий самолетов МиГ-21 и Мираж . [ необходима цитата ]
Его длинная корневая хорда также позволяет использовать более глубокую структуру для заданного сечения аэродинамического профиля. Это одновременно улучшает его характеристику экономии веса и обеспечивает больший внутренний объем для топлива и других предметов без значительного увеличения сопротивления. Однако в сверхзвуковых конструкциях часто используется возможность использовать более тонкий аэродинамический профиль вместо этого, чтобы фактически уменьшить сопротивление.
Как и любое крыло, на низких скоростях дельта-крыло требует большого угла атаки для поддержания подъемной силы. При достаточно большом угле крыло демонстрирует разделение потока вместе с соответствующим высоким сопротивлением. [1]
Обычно это разделение потока приводит к потере подъемной силы, известной как сваливание . Однако для остростреловидного дельта-крыла, когда воздух выливается вокруг передней кромки, он течет внутрь, создавая характерный вихревой рисунок над верхней поверхностью. Нижняя оконечность этого вихря остается прикрепленной к поверхности и также ускоряет воздушный поток, поддерживая подъемную силу. Для промежуточных углов стреловидности может быть добавлен выдвижной «ус» или фиксированное расширение корня передней кромки (LERX), чтобы поощрять и стабилизировать образование вихря. Двойная кривая Ogee или «рюмка», например, на Concorde , включает это переднее расширение в профиль крыла.
В этом состоянии центр подъемной силы приближается к центру области, охватываемой вихрем.
В дозвуковом режиме поведение дельта-крыла в целом похоже на поведение стреловидного крыла. Возникает характерный боковой элемент воздушного потока. В этом состоянии подъемная сила максимизируется вдоль передней кромки крыла, где воздух поворачивается наиболее резко, следуя его контурам. Особенно для узкой дельты центр подъемной силы приближается к середине пути назад вдоль передней кромки.
Боковой эффект также приводит к общему снижению подъемной силы и в некоторых обстоятельствах может также привести к увеличению сопротивления. Его можно компенсировать с помощью прорезей на передней кромке, ограждений крыльев и связанных с ними устройств.
При достаточно большом угле задней стреловидности в диапазоне скоростей от околозвуковых до малых сверхзвуковых передняя кромка крыла остается за границей ударной волны или ударным конусом, создаваемым корнем передней кромки.
Это позволяет воздуху под передней кромкой выходить, подниматься и обходить ее, а затем возвращаться внутрь, создавая боковой поток, аналогичный дозвуковому потоку. Распределение подъемной силы и другие аэродинамические характеристики сильно зависят от этого бокового потока. [2]
Угол стреловидности крыла назад снижает воздушную скорость по нормали к передней кромке крыла, тем самым позволяя самолету летать на высокой дозвуковой , околозвуковой или сверхзвуковой скорости, при этом сохраняются дозвуковые подъемные характеристики воздушного потока над крылом.
В этом режиме полета опускание передней кромки в пределах конуса ударной волны увеличивает подъемную силу, но не сопротивление в какой-либо значительной степени. [3] Такое коническое опускание передней кромки было введено на серийном Convair F-102A Delta Dagger в то же время, когда конструкция прототипа была переработана для включения управления площадью . Оно также появилось на следующих двух дельтах Convair, F-106 Delta Dart и B-58 Hustler . [4]
На высоких сверхзвуковых скоростях конус скачка уплотнения от корня передней кромки отклоняется дальше назад, чтобы лечь вдоль поверхности крыла за передней кромкой. Боковой поток больше не может возникнуть, и аэродинамические характеристики значительно изменяются. [2] Именно в этом режиме полета конструкция волнореза , используемая на североамериканском XB-70 Valkyrie , становится осуществимой. Здесь ударное тело под крылом создает присоединенную ударную волну, а высокое давление, связанное с волной, обеспечивает значительную подъемную силу без увеличения сопротивления.
Варианты плана дельта-крыла предлагают улучшения базовой конфигурации. [5]
Обрезанная дельта – кончик обрезан. Это помогает поддерживать подъемную силу снаружи и уменьшить отрыв потока на конце крыла (сваливание) при больших углах атаки. Большинство дельт обрезаны по крайней мере до некоторой степени.
Всоставная дельта , двойная дельта или изогнутая стрела , передняя кромка не прямая. Обычно внутренняя секция имеет увеличенную стреловидность, создавая контролируемый вихрь с высокой подъемной силой без необходимости в переднем крыле. Примерами служат истребитель Saab Draken , экспериментальный General Dynamics F-16XL и Hawker Siddeley HS. 138 концепция вертикального взлета и посадки. Дельта Ogee (илиОживальная дельта ), используемая на англо-французском сверхзвуковом авиалайнере «Конкорд», похожа, но с двумя секциями и укороченной законцовкой крыла, объединенными в плавную кривую Ogee .
Tailed delta – добавляет обычный хвостовой стабилизатор (с горизонтальными поверхностями оперения) для улучшения управляемости. Распространен на советских типах, таких как Микоян-Гуревич МиГ-21 .
Дельта-утка – многие современные истребители, такие как JAS 39 Gripen , Eurofighter Typhoon и Dassault Rafale, используют комбинацию переднего оперения «утка » и треугольного крыла.
Как и другие бесхвостые самолеты , бесхвостое дельта-крыло не подходит для высоких нагрузок на крыло и требует большой площади крыла для данного веса самолета. Наиболее эффективные аэродинамические профили нестабильны по тангажу, и бесхвостый тип должен использовать менее эффективную конструкцию и, следовательно, большее крыло. Используемые методы включают:
Главными преимуществами бесхвостого дельта являются структурная простота и малый вес в сочетании с низким аэродинамическим сопротивлением. Эти свойства помогли сделать Dassault Mirage III одним из самых массовых сверхзвуковых истребителей всех времен.
Обычный хвостовой стабилизатор позволяет оптимизировать основное крыло для подъемной силы и, следовательно, сделать его меньше и более нагруженным. Развитие самолетов, оснащенных этой конфигурацией, можно проследить до конца 1940-х годов. [6]
При использовании с Т-образным хвостовым оперением, как в Gloster Javelin , как и другие крылья, треугольное крыло может привести к « глубокому срыву », при котором большой угол атаки при срыве приводит к тому, что турбулентный след затормозившего крыла охватывает хвост. Это делает руль высоты неэффективным, и самолет не может выйти из срыва. [7] В случае с Javelin было разработано и внедрено устройство предупреждения о срыве для Javelin после ранней потери самолета в таких условиях. [8] Как сообщается, конструкторская группа Gloster решила использовать конфигурацию с хвостовым дельта из-за необходимости, стремясь достичь эффективной маневренности на относительно высоких скоростях для той эпохи, а также требуя подходящей управляемости при полете на более медленных желаемых посадочных скоростях. [9]
Подъемно-уточное дельта-крыло может обеспечить меньшее смещение центра подъемной силы при увеличении числа Маха по сравнению с обычной конфигурацией хвостового оперения.
Незагруженный или свободно плавающий кард может обеспечить безопасное восстановление с большого угла атаки. В зависимости от своей конструкции, поверхность кард может увеличивать или уменьшать продольную устойчивость самолета. [10] [11]
Передний планер типа «утка» создает свой собственный вихрь. Если этот вихрь мешает вихрю основного дельта-крыла, это может отрицательно повлиять на воздушный поток над крылом и вызвать нежелательное и даже опасное поведение. В конфигурации с близкой связью вихрь типа «утка» соединяется с основным вихрем, чтобы усилить его преимущества и поддерживать контролируемый воздушный поток в широком диапазоне скоростей и углов атаки. Это позволяет улучшить маневренность и снизить скорость сваливания, но наличие переднего плана может увеличить сопротивление на сверхзвуковых скоростях и, следовательно, снизить максимальную скорость самолета.
Треугольные стабилизирующие ребра для ракет были описаны еще в 1529-1556 годах австрийским военным инженером Конрадом Хаасом , а в 17 веке польско-литовским военным инженером Казимежем Семеновичем . [12] [13] [14] Однако настоящее подъемное крыло в форме дельты появилось только в 1867 году, когда оно было запатентовано Дж. В. Батлером и Э. Эдвардсом в проекте малоудлиненного, дротикообразного ракетного самолета. За этим последовали различные похожие предложения в форме дротика, такие как версия биплана Батлера и Эдвардса и версия с реактивным двигателем русского Николая де Телешеффа. [15] В 1909 году вариант с носовым крылом-уткой был опробован испанским скульптором Рикардо Каусарасом. [16] [17]
Также в 1909 году британский пионер воздухоплавания Дж. У. Данн запатентовал свой бесхвостый устойчивый самолет с коническим крылом. Патент включал широкоразмахную биконическую дельту, каждая сторона которой выпирала вверх к задней части в манере, характерной для современного крыла Рогалло . [18] В течение следующего года в Америке У. Г. Ли и У. А. Даррах запатентовали аналогичный биконический дельта-крыльевой самолет с явно жестким крылом. Он также включал предложение по системе управления полетом и охватывал как планирующий, так и управляемый полет. [19] [20] Ни одна из этих ранних конструкций, как известно, не летала успешно, хотя в 1904 году дельтаплан Лавеццани с независимыми левым и правым треугольными крыльями оторвался от земли, а другие бесхвостые стреловидные конструкции Данна, основанные на том же принципе, летали. [19]
Практическое треугольное крыло было впервые создано немецким авиаконструктором Александром Липпишем в 1930-х годах, он использовал толстое консольное крыло без хвоста. Его первые такие конструкции, для которых он придумал название «Дельта», использовали очень плавный угол, так что крыло казалось почти прямым, а концы крыльев приходилось резко обрезать (см. ниже). Его первый такой дельта-крыло полетел в 1931 году, за ним последовали четыре последовательно улучшенных образца. [21] [22] Эти прототипы были непросты в управлении на низкой скорости, и ни один из них не получил широкого распространения. [23] [24]
В последние годы Второй мировой войны Александр Липпиш усовершенствовал свои идеи о высокоскоростной дельте, существенно увеличив стреловидность передней кромки крыла. Экспериментальный планер DM-1 был построен для проверки аэродинамики предлагаемого высокоскоростного перехватчика P.13a . [25] После окончания военных действий DM-1 был завершен по поручению Соединенных Штатов и отправлен в Лэнгли-Филд в Вирджинии для изучения NACA (Национальный консультативный комитет по аэронавтике, предшественник сегодняшнего NASA ). Он претерпел значительные изменения в США, как правило, для снижения его сопротивления, что привело к замене его большого вертикального стабилизатора на меньший и более традиционный аналог, а также к установке обычного фонаря кабины, взятого у Lockheed P-80 Shooting Star . [26]
Работа французского конструктора Николя Ролана Пайена в некоторой степени напоминала работу Липпиша. В 1930-х годах он разработал тандемную дельта-конфигурацию с прямым передним крылом и крутым дельта-крылом сзади, похожую на ту, что у Каусараса. Начало Второй мировой войны остановило летные испытания Pa -22 , хотя работа продолжалась некоторое время после того, как проект привлек внимание Германии. [27] В послевоенное время Пайен летал на экспериментальном бесхвостом дельта-реактивном самолете Pa.49 в 1954 году, а также на серии бесхвостых толкающих самолетов Arbalète с 1965 года. Были предложены и другие производные, основанные на работе Пайена, но в конечном итоге они остались неразвитыми. [28] [29]
После войны британцы разработали ряд дозвуковых реактивных самолетов, которые использовали данные, собранные в ходе работы Липпиша. Один из таких самолетов, исследовательский самолет Avro 707 , совершил свой первый полет в 1949 году. [30] Британские военные самолеты, такие как Avro Vulcan ( стратегический бомбардировщик ) и Gloster Javelin (всепогодный истребитель), были среди первых самолетов, оснащенных дельта-двигателем, которые поступили в производство. В то время как Vulcan был классической бесхвостой конструкцией, Javelin включал хвостовое оперение для улучшения управляемости на низкой скорости и маневренности на высокой скорости, а также для обеспечения большего диапазона центра тяжести . [31] Gloster предложил усовершенствование Javelin, которое, среди прочих изменений, уменьшило бы толщину крыла для достижения сверхзвуковой скорости до 1,6 Маха. [32]
.jpg/1280px-SSSR-MiG-21SM(DN-ST-82-10891).jpg)
Американский аэродинамик Роберт Т. Джонс , работавший в NACA во время Второй мировой войны, разработал теорию тонкого треугольного крыла для сверхзвукового полета. Впервые опубликованный в январе 1945 года, его подход контрастировал с подходом Липпиша о толстых треугольных крыльях. Тонкое треугольное крыло впервые полетело на Convair XF-92 в 1948 году, сделав его первым реактивным самолетом с треугольным крылом, который полетел. [33] Оно обеспечило успешную основу для всех практических сверхзвуковых дельта-крыльев, и эта конфигурация получила широкое распространение. [34] [35]
В конце 1940-х годов британский производитель самолетов Fairey Aviation заинтересовался дельтавидным крылом, [36] его предложения привели к созданию экспериментального самолета Fairey Delta 1 , произведенного по спецификации Министерства авиации E.10/47 . [37] Последующий экспериментальный самолет Fairey Delta 2 установил новый мировой рекорд скорости полета 10 марта 1956 года, достигнув 1132 миль в час (1811 км/ч) или 1,73 Маха. [38] [39] [40] [41] Это впервые подняло рекорд выше 1000 миль в час и побило предыдущий рекорд на 310 миль в час, или на 37 процентов; никогда ранее рекорд не был поднят с таким большим отрывом. [39] [42]
В своей первоначальной форме без хвоста, тонкий дельта-самолет широко использовался американской авиационной компанией Convair и французским производителем самолетов Dassault Aviation . Сверхзвуковой Convair F-102 Delta Dagger и трансзвуковой Douglas F4D Skyray были двумя из первых действующих реактивных истребителей, которые имели бесхвостое дельта-крыло, когда они поступили на вооружение в 1956 году. [43] Интерес Dassault к дельта-крылу привел к появлению семейства боевых самолетов Dassault Mirage , особенно весьма успешного Mirage III . Помимо других характеристик, Mirage III был первым западноевропейским боевым самолетом, превысившим скорость 2 Маха в горизонтальном полете. [44]
Хвостовая дельта-конфигурация была принята ЦАГИ ( Центральный аэрогидродинамический институт, Москва ), чтобы улучшить управление большим углом атаки , маневренность и диапазон центра тяжести по сравнению с чистой дельта-формой плана. Микоян-Гуревич МиГ-21 («Fishbed») стал самым массовым боевым самолетом 1970-х годов. [45]
В 1960-х годах шведский производитель самолетов Saab AB разработал конфигурацию «утка-дельта» с близкой связью, разместив дельта-носовую часть прямо перед и над основным дельта-крылом. [46] Запатентованная в 1963 году, эта конфигурация была впервые опробована на боевом самолете Viggen компании в 1967 году. Тесная связь изменяет воздушный поток над крылом, особенно существенно при полете под большими углами атаки. В отличие от классических хвостовых рулей высоты, канарды добавляют к общей подъемной силе, а также стабилизируют воздушный поток над основным крылом. Это позволяет выполнять более экстремальные маневры, улучшает управляемость на низкой скорости и снижает скорость разбега и посадки. В 1960-х годах эта конфигурация считалась радикальной, но команда конструкторов Saab посчитала, что это оптимальный подход, позволяющий удовлетворить противоречивые требования к производительности Viggen, включая благоприятные характеристики короткого взлета и посадки , сверхзвуковую скорость, низкую чувствительность к турбулентности во время полета на малых высотах и эффективную подъемную силу для дозвукового полета. [47] [48]
С тех пор схема «утка» с близкой стыковкой стала обычным явлением на сверхзвуковых истребителях. Известными примерами являются многонациональный Eurofighter Typhoon , французский Dassault Rafale , собственный Gripen от Saab (преемник Viggen) и израильский IAI Kfir . Одной из главных причин его популярности был высокий уровень маневренности, на который он способен. [49] [50]
Когда разрабатывались сверхзвуковые транспортные самолеты (SST), для англо-французского Concorde и советского Ту-144 было выбрано бесхвостое оживальное треугольное крыло , первый полет Туполева состоялся в 1968 году. В то время как и прототип Concorde, и Ту-144 имели оживальную треугольную конфигурацию, серийные модели Ту-144 отличались заменой на двойное треугольное крыло. [51] Треугольные крылья требовали от этих авиалайнеров принятия большего угла атаки на низких скоростях, чем у обычных самолетов; в случае с Concorde подъемная сила поддерживалась за счет образования больших вихрей низкого давления по всей верхней поверхности крыла. [52] Его типичная посадочная скорость составляла 170 миль в час (274 км/ч), что значительно выше, чем у дозвуковых авиалайнеров. [53] Сообщается, что многочисленные предлагаемые преемники, такие как гиперзвуковой транспортный самолет с нулевым уровнем выбросов (ZEHST), приняли конфигурацию, похожую на базовую конструкцию Concorde, поэтому крыло Delta остается вероятным кандидатом для будущих сверхзвуковых гражданских проектов. [54]
Во время и после Второй мировой войны Фрэнсис и Гертруда Рогалло разработали идею гибкого крыла, которое можно было бы сложить для хранения. Фрэнсис увидел применение в восстановлении космических аппаратов, и НАСА заинтересовалось. В 1961 году Райан летал на XV-8 , экспериментальном «летающем джипе» или «флее». Гибкое крыло, выбранное для него, имело дельтавидную форму, и при использовании оно раздувалось в двухконусный профиль, что придавало ему аэродинамическую устойчивость. Хотя эта конструкция была испытана, но в конечном итоге никогда не использовалась для восстановления космических аппаратов, она вскоре стала популярной для дельтапланов и сверхлегких самолетов и стала известна как крыло Рогалло.
Липпиш.
[Lippisch Delta I и Horten HI] Оба этих самолета показали, как не надо делать.
