Крыло изменяемой стреловидности , в просторечии называемое « крылом качания », представляет собой крыло самолета или набор крыльев, которые могут быть изменены во время полета, отклонены назад и затем возвращены в предыдущее прямое положение. Поскольку это позволяет изменять форму самолета, это пример самолета с изменяемой геометрией .
Прямое крыло наиболее эффективно для низкоскоростного полета, но для самолета, предназначенного для околозвукового или сверхзвукового полета, необходимо, чтобы крыло было стреловидным. Большинство самолетов, которые летают на таких скоростях, обычно имеют крылья (либо стреловидное крыло , либо треугольное крыло ) с фиксированным углом стреловидности. Это простые и эффективные конструкции крыла для высокоскоростного полета, но есть компромиссы в производительности. Один из них заключается в том, что увеличивается скорость сваливания, что требует длинных взлетно-посадочных полос (если только не встроены сложные устройства крыла с большой подъемной силой). Другой заключается в том, что расход топлива самолета во время дозвукового крейсерского полета выше, чем у нестреловидного крыла. Эти компромиссы особенно актуальны для военно-морских палубных самолетов . Крыло с изменяемой стреловидностью позволяет пилоту использовать оптимальный угол стреловидности для скорости самолета в данный момент, будь то медленная или быстрая. Более эффективные доступные углы стреловидности компенсируют потери веса и объема, налагаемые механическими механизмами стреловидности крыла. Его большая сложность и стоимость делают его практичным в основном для военных самолетов .
В период с 1940-х по 1970-е годы было представлено несколько самолетов, как экспериментальных, так и серийных. Большинство серийных самолетов, оснащенных крыльями изменяемой стреловидности, были самолетами ударного назначения, такими как МиГ-27 Микояна-Гуревича , Ту-22М и Panavia Tornado . Эта конфигурация также использовалась для нескольких истребителей/ перехватчиков , включая МиГ-23 Микояна-Гуревича , Grumman F-14 Tomcat и Panavia Tornado ADV . Начиная с 1980-х годов разработка таких самолетов была ограничена достижениями в области технологий управления полетом и конструкционных материалов, которые позволили конструкторам тщательно подгонять аэродинамику и структуру самолета, устраняя необходимость в изменяемом угле стреловидности для достижения требуемых характеристик; вместо этого крылья снабжаются управляемыми компьютером закрылками как на передней, так и на задней кромках, которые автоматически увеличивают или уменьшают изгиб или хорду крыла для адаптации к режиму полета; эта техника является еще одной формой переменной геометрии .
Прямое, нестреловидное крыло испытывает высокое сопротивление по мере приближения к скорости звука из-за постепенного нарастания звуковых ударных волн. Стреловидность крыла под углом, будь то назад или вперед, задерживает их начало и снижает их общее сопротивление. Однако это также уменьшает общий размах данного крыла, что приводит к низкой эффективности крейсерского полета и высоким скоростям взлета и посадки.
Фиксированное крыло должно быть компромиссом между этими двумя требованиями. Изменение стреловидности в полете позволяет оптимизировать его для каждой фазы полета, предлагая меньший самолет с более высокими летными характеристиками. Однако у него есть недостатки, которые необходимо учитывать. По мере того, как крыло меняет стреловидность, его центр подъемной силы перемещается вместе с ним. Для компенсации изменений и поддержания горизонтального полета необходимо включить какой-то механизм, например, скользящую корневую часть крыла или более крупный хвостовой стабилизатор. Дополнительный вес механизмов стреловидности и триммера съедает выигрыш в летных характеристиках, в то время как их сложность увеличивает стоимость и обслуживание.
Благодаря перемещению шарниров крыла наружу и использованию только стреловидной части крыла уменьшаются изменения дифферента, но также уменьшаются изменения размаха и сопутствующая эксплуатационная гибкость.
Британский инженер Барнс Уоллис разработал радикальную конфигурацию самолета для высокоскоростного полета, которую он считал отличной от обычного самолета с фиксированным крылом и назвал ее аэродинамом с управлением крылом. Его предыдущая работа по устойчивости дирижаблей произвела на него впечатление о высоких силах управления, которые можно было приложить к корпусу самолета с помощью очень малых отклонений. Он задумал простой ихтиоидный (рыбоподобный) фюзеляж с изменяемым крылом. Никаких других поверхностей управления не требовалось. Тонкие движения крыльев могли вызывать небольшие отклонения, которые управляли направлением полета, в то время как балансировка поддерживалась путем регулировки угла стреловидности для компенсации изменяющегося положения центра подъемной силы на разных скоростях. [1] [2]
Для сверхзвукового полета дельта-планообразное подъемное тело более подходит, чем простой ихтиоид. Возникает также конфликт между углом стреловидности крыла, необходимым для балансировки, и оптимальным углом для сверхзвукового крейсерского полета. Уоллис решил эту проблему, переместив массу, обычно двигатели, к концам крыла и поворачивая их по мере стреловидности крыла, чтобы сохранить линию тяги. В асимметричном состоянии с выключенным двигателем оставшиеся двигатели можно было поворачивать, чтобы отвести линию тяги ближе к центру давления и уменьшить асимметрию до управляемых уровней. [1]
Не обязательно, чтобы левое и правое крылья были стреловидными в одном и том же направлении — одно из них может быть стреловидным назад, а другое вперед, как в косом крыле .
Асимметричное изменение стреловидности на небольшие величины также имело основополагающее значение для принципа управляемого крыла.
Самым ранним применением переменной стреловидности было триммирование самолета для горизонтального полета. Westland-Hill Pterodactyl IV 1931 года был бесхвостой конструкцией, чьи слегка стреловидные крылья могли изменять свою стреловидность на небольшой угол во время полета. [3] Это позволяло производить продольное триммирование при отсутствии отдельного горизонтального стабилизатора. [4] Позднее эта концепция была включена в управляемый крылом аэродинам Барнса Уоллиса. [5]
Во время Второй мировой войны исследователи в нацистской Германии обнаружили преимущества стреловидного крыла для околозвукового полета, а также его недостатки на более низких скоростях. Messerschmitt Me P.1101 был экспериментальным реактивным истребителем , который был частично разработан для исследования преимуществ изменяющейся стреловидности крыла. [6] Его механизм угла стреловидности, который можно было регулировать только на земле между тремя отдельными положениями 30, 40 и 45 градусов, был предназначен только для испытаний и был непригоден для боевых действий. [6] Однако ко Дню Победы в Европе единственный прототип был готов только на 80 процентов. [7] [8]
После окончания конфликта частично завершенный P.1101 был восстановлен и перевезен в Соединенные Штаты , где он был подробно изучен Bell Aircraft . Однако из-за отсутствия документации, а также некоторых структурных повреждений, [9] [8] Bell решила не достраивать сам самолет. Вместо этого была построена близкая копия, известная как Bell X-5 , с крыльями, которые позволяли изменять угол стреловидности в полете. Когда крыло отклонялось назад, корневая часть также скользила вперед, поддерживая центр подъемной силы в постоянном положении. [10] Крыло изменяемой стреловидности этого скользящего типа было использовано на прототипе Grumman XF10F Jaguar в 1952 году. Однако летные испытания F10F оказались неприемлемыми, хотя и по другим факторам, таким как нехватка мощности двигателя и значительные проблемы с управляемостью. [11] [12]
В конце 1940-х годов британский инженер Л. Э. Бейнс начал изучать крыло с изменяемой стреловидностью. Он также разработал метод изменения геометрии хвоста для стабилизации центра подъемной силы; скользящий механизм не был необходим, вместо этого след крыла взаимодействовал с изменяемым хвостом для осуществления необходимых изменений дифферента. В 1949 и 1951 годах Бейнс подал патентные заявки, связанные с этой работой. [13] [14] Хотя проект достиг стадии физического моделирования и прошел полный цикл испытаний в аэродинамической трубе, британское правительство не смогло обеспечить финансовую поддержку работы, предположительно из-за бюджетных ограничений того времени . [ требуется ссылка ]
Независимо от Бейнса, британский инженер Барнс Уоллис также разрабатывал более радикальную концепцию изменяемой геометрии, которую он назвал крылатым управляемым аэродинамом, чтобы максимизировать экономичность высокоскоростного полета. Его первым исследованием был проект Wild Goose. [5] Впоследствии Барнс разработал Swallow , [5] бесхвостый самолет со смешанным крылом , который, как предполагалось, был способен совершать обратные рейсы между Европой и Австралией в течение десяти часов. Позже Swallow все чаще рассматривался как потенциальный сверхзвуковой преемник дозвукового Vickers Valiant , одного из бомбардировщиков RAF V. [15] В 1950-х годах несколько модификаций Swallow были подвергнуты многообещающим испытаниям, включая шестифутовую масштабную модель , на скоростях до 2 Маха. Однако в 1957 году британское правительство решило отозвать поддержку многих авиационных программ, включая работу Уоллиса. [16] [15]
Несмотря на отсутствие поддержки, Swallow на некоторое время привлек международное внимание. В конце 1958 года исследовательские работы были временно возобновлены благодаря сотрудничеству с Программой разработки взаимного оружия НАТО , в рамках которой все исследования Уоллиса в области изменяемой геометрии были переданы американцам. [15] По словам автора по авиации Джеймса Р. Хансена, американский аэрокосмический инженер Джон Стэк был в восторге от этой концепции, как и многочисленные инженеры НАСА ; однако Министерство обороны США выступило против выделения каких-либо ресурсов на проект. [17] Уоллис сотрудничал с Лабораторией Лэнгли НАСА в исследовании конструкции истребителя с изменяемой стреловидностью. Хотя он использовал разработанный им поворотный механизм, НАСА также настаивало на внедрении обычного горизонтального стабилизатора, чтобы облегчить проблемы с балансировкой и маневренностью. Хотя это уже не был управляемый крылом аэродинам, который представлял себе Уоллис, он оказался бы более практичным решением, чем его или Белла. Исследования Swallow привели к нескольким новым конфигурациям, включая принятие компактной складной хвостовой части и переднего оперения . [18]
Работа Барнса вдохновила ряд дальнейших исследований, включая управляемый крылом аэродинам в ответ на OR.346 для сверхзвукового истребителя-бомбардировщика с коротким взлетом и посадкой, а затем в качестве BAC еще два представления: Type 583 для соответствия военно-морскому ER.206 и Type 584 для соответствия требованиям НАТО NBMR.3, оба также являлись требованиями V/STOL. [1] В 1960 году Морис Бреннан присоединился к Folland Aircraft в качестве ее главного инженера и директора; вскоре он приступил к использованию своего опыта в области крыльев с изменяемой геометрией. [19] Соответственно, такое крыло было объединено с легким истребителем Folland Gnat этой же фирмы для двух различных концепций — одной без хвоста и одной с обычным хвостом — для многоцелевого истребителя/ударного/учебного самолета, обозначенного как Fo. 147. Он имел уникальный механизм стреловидности крыла, который объединял дорожки на боковинах фюзеляжа и нижней стороне крыльев, который приводился в действие гидравлически приводимыми шариковыми винтами, расположенными на внутренних концах крыла. [20] Крылья могли иметь стреловидность от 20 до 70 градусов; в положении 70 градусов продольное управление поддерживалось элевонами , установленными на законцовках крыла , в то время как это обеспечивалось убирающимся расположением утка при стреловидности в положении 20 градусов, используя полную автостабилизацию . Обеспечивая функциональность триммирования через уток, необходимость в большом хвостовом оперении была устранена. [21] Fo. 147, как утверждалось, был способен развивать скорость свыше 2 Маха, будучи ограниченным накоплением тепла, генерируемого высокоскоростным полетом. [22] В конечном итоге, концепция не была разработана до стадии прототипа, поскольку Королевские ВВС не проявили большого интереса к перспективному учебному самолету с изменяемой геометрией. [22]
В 1960-х годах начались первые программы по производству серийных самолетов с изменяемой стреловидностью крыла. В Соединенных Штатах такая конфигурация для программы TFX (Tactical Fighter Experimental) привела к разработке General Dynamics F-111 , большого двухмоторного самолета, предназначенного для выполнения нескольких задач. [23] [24] F-111 является первым серийным самолетом, оснащенным крылом с изменяемой геометрией, и оно, наряду с другими системами, такими как радар слежения за рельефом местности и турбовентиляторные двигатели, оснащенные форсажными камерами , были инновационными технологиями для той эпохи. [25] [26]
Несмотря на этот форсированный старт в этой области, разработка F-111 затянулась; летные испытания модели F-111A закончились только в 1973 году. [27] В 1968 году в узлах крепления крыла F-111 были обнаружены трещины , эта проблема также была связана с потерей F-111 в следующем году. [28] Соответственно, узлы крепления были структурно переработаны и подвергнуты интенсивному тестированию как конструкции, так и качества изготовления. [29] F-111B, предназначенный для ВМС США , был отменен в 1968 году из-за проблем с весом и характеристиками самолета, а также его несоответствия требованиям истребителя этой службы. [30] [31] Несколько вариантов, таких как модель стратегического бомбардировщика FB-111A , имели удлиненные крылья, чтобы обеспечить большую дальность полета и грузоподъемность. [32] Крыло F-111 имело поворотные пилоны (по два под каждым крылом), которые автоматически подстраивались под угол стреловидности. Последующие самолеты с поворотным крылом, такие как Panavia Tornado и Sukhoi Su-24 , также были оснащены аналогичным образом. [ необходима цитата ]
В Советском Союзе военные планировщики также сформулировали схожие требования, что привело к тому, что ЦАГИ , советское аэродинамическое бюро, провело обширные исследования крыльев с изменяемой геометрией. ЦАГИ разработало две различные конструкции, отличающиеся в основном расстоянием (выраженным в процентах от общего размаха крыла ) между шарнирами крыла. Приняв более широкий интервал, это не только уменьшило отрицательные аэродинамические эффекты изменения стреловидности крыла, но и обеспечило большую фиксированную секцию крыла, которую можно было использовать для опор шасси или подвесок . Это, по сути, можно было адаптировать к более или менее существующим планерам, что Советы и сделали, например, с Су-17 (на основе более раннего стреловидного крыла Су-7 ). Однако ограничением широкого интервала было то, что он уменьшал преимущества изменяемой геометрии в той же степени, что и уменьшал их технические трудности. [ необходима цитата ]
Таким образом, создание новых, «чистых» советских конструкций оставалось желательным. Для этого ЦАГИ разработал более узкое расположение, несколько похожее на то, что было у F-111. Эта конструкция использовалась, хотя и в разных масштабах, для истребителя Микояна-Гуревича МиГ-23 и тактического бомбардировщика Су-24, оба из которых летали в виде прототипов в конце 1960-х годов и поступили на вооружение в начале 1970-х годов. В 1962 году конструкторская группа Туполева, осознавая возможности для улучшения недавно представленного бомбардировщика Ту-22 , начала работу над существенно переработанной производной, которая включала крыло изменяемой геометрии, предназначенное скорее для решения плохих характеристик управляемости Ту-22, чем для повышения его эффективности на высоких скоростях. [33] [34] По состоянию на 2014 год в эксплуатации находится [обновлять]более 100 стратегических бомбардировщиков Ту-22М . [35]
В конце 1950-х и начале 1960-х годов Великобритания разрабатывала BAC TSR-2 , сверхзвуковой стратегический бомбардировщик малой высоты. Более поздние варианты этого типа должны были быть оснащены крыльями с изменяемой геометрией. [36] Однако 1 апреля 1965 года разработка TSR-2 была прекращена на этапе летных испытаний, в первую очередь из-за стремительно растущих расходов на программу. [37] [38] Для замены TSR-2 Министерство авиации первоначально выдвинуло вариант на американский самолет General Dynamics F-111K ; [39] [40] хотя F-111K рекламировался как более дешевый, [41] он также был прекращен в январе 1968 года по причине высокой стоимости. [42]
После отмены TSR-2 BAC перенесла свою работу по изменяемой геометрии в Уортон, где представила легкий штурмовик/учебный самолет P.45 в AST 362. Эта работа вошла в совместную англо-французскую программу по разработке ударного самолета с изменяемой геометрией — Anglo French Variable Geometry Aircraft (AFVG). Этот многоцелевой самолет должен был быть оснащен крылом с изменяемой геометрией и предназначался для выполнения ударных , разведывательных и перехватывающих функций. [43] [44] Однако уже в 1966 году французский производитель самолетов Dassault начал активно подрывать AFVG, поскольку он работал над двумя конкурирующими внутренними проектами: Mirage G с изменяемой геометрией и Mirage F1 . [45] По словам авиационного автора Дерека Вуда, и Dassault, и французские ВВС не проявили энтузиазма в отношении участия в проекте AFVG, первый хотел создать свой собственный самолет с изменяемой геометрией, в то время как последний решил, что этот тип не соответствует его будущим планам по оснащению. [44] В июне 1967 года французское правительство объявило о своем выходе из проекта AFVG, якобы по причине его стоимости. [N 1] [47]
Несмотря на провал программы AFVG, BAC переделала проект в более крупный ударный самолет с изменяемой геометрией. BAC были выданы контракты на поддержку проекта, который был переименован в самолет с изменяемой геометрией Соединенного Королевства (UKVG). [48] [49] В ноябре 1967 года BAC выпустила брошюру по предложению UKVG; различные предложения должны были быть выпущены для охвата использования нескольких различных двигателей. Также обсуждалось быстрое производство демонстрационного самолета, оснащенного парой турбовентиляторных двигателей Rolls-Royce/MAN Turbo RB153 . [49] Поскольку финансирование UKVG было нереальным, британское правительство обратилось за помощью к партнерам среди своих коллег по НАТО, [N 2] продвигая концепцию разработки и закупки общего ударного самолета НАТО. В июле 1968 года был подписан меморандум о взаимопонимании между Великобританией, Западной Германией , Италией , Нидерландами , Бельгией и Канадой . [51] Этот меморандум в конечном итоге привел к запуску многонационального проекта многоцелевого боевого самолета (MRCA), в рамках которого был успешно создан самолет с изменяемой геометрией крыла для ударных, разведывательных и перехватных миссий под названием Panavia Tornado. [50] [52] [53]
После усилий AFVG, Dassault Aviation построила прототип истребителя, Mirage G, завершив два самолета, Mirage G4 и G8, в 1968 году. [54] Кроме того, Dassault также работала в сотрудничестве с американским производственным интересом Ling-Temco-Vought над разработкой LTV V-507 , который был представлен для проекта VFX ВМС США . [55] Из представленных VFX ВМС США закупили Grumman F-14 Tomcat для замены отмененного перехватчика флота F-111B в 1970-х годах. F-14 был более маневренным истребителем, чем F-4 Phantom II, и, в отличие от F-111, его крылья с изменяемой стреловидностью автоматически регулировались в диапазоне скоростей и могли перемещаться даже во время поворотов. Кроме того, крылья могли быть стреловидными вперед для крутых поворотов «летучей мыши» в ближнем воздушном бою, а также назад для скоростей рывка. [56] [57]
Rockwell приняла изменяемую геометрию для гораздо более крупной программы Advanced Manned Strategic Bomber (AMSA), которая создала бомбардировщик B-1 Lancer , призванный обеспечить оптимальное сочетание высокой крейсерской эффективности и высокой сверхзвуковой скорости проникновения на чрезвычайно низкой высоте. Крылья B-1 с изменяемой стреловидностью обеспечивают относительно высокий уровень подъемной силы во время взлета и посадки, а также создают небольшое сопротивление во время высокоскоростного рывка. [58] Когда крылья были установлены в максимально широкое положение, самолет имел значительно лучшую подъемную силу и мощность, чем B-52, что позволяло B-1 действовать с гораздо большего количества баз. [58] Rockwell представила свое предложение в январе 1970 года, конкурируя с заявками Boeing и General Dynamics. [59] [60] Разработка B-1 была одобрена в октябре 1981 года в качестве временной меры между все более уязвимым B-52 и более способным Advanced Technology Bomber (ATB). [58] [61] Первоначальная боеготовность была достигнута 1 октября 1986 года, и B-1B был переведен в состояние ядерной готовности. [62] [63]
Советский Союз также решил разработать большой стратегический бомбардировщик, оснащенный крыльями изменяемой геометрии. В начале 1970-х годов конструкция Туполева, которая изначально была обозначена как Самолет 160М , имела удлиненную смешанную компоновку крыла и включала некоторые элементы Ту-144 , конкурировала с конструкциями Мясищева М-18 и Сухого Т-4 . [64] Обозначенный как Туполев Ту-160 , он поступил на вооружение 184-го гвардейского тяжелого бомбардировочного полка, расположенного на авиабазе Прилуки , Украинская ССР , в апреле 1987 года. [65] Самолет является самым большим и тяжелым боевым самолетом, самым быстрым бомбардировщиком в эксплуатации и самым большим и тяжелым самолетом с изменяемой стреловидностью крыла, когда-либо летавшим по состоянию на 2020 год. [66]
.jpg/1280px-2013_Moscow_Victory_Day_Parade_(57).jpg)
Крыло изменяемой стреловидности было выбрано в качестве победившей конструкции, использованной Boeing в исследовании FAA для сверхзвукового транспортного самолета , 2707. Однако на этапе проектирования он претерпел несколько изменений, в конце концов добавив утку, и в конечном итоге стало ясно, что конструкция будет настолько тяжелой, что не сможет вместить достаточно полезной нагрузки для необходимого топлива. Позднее от этой конструкции отказались в пользу более традиционного хвостового треугольного крыла . [67]
Появление систем управления полетом с ослабленной устойчивостью в 1970-х годах свело на нет многие недостатки конфигурации с фиксированным крылом. После Ту-160 не было построено ни одного нового самолета с изменяемой стреловидностью крыла.
В 2015 году Министерство обороны России объявило о планах возобновить производство Ту-160, сославшись на старение нынешнего самолета и вероятную затяжную разработку его возможной замены — проекта ПАК ДА . [68] Производство возобновилось в 2021 году, что стало первым выпуском новых планеров изменяемой стреловидности за 29 лет. [69] [70]
