Стреловидное крыло — это крыло , наклоненное назад или иногда вперед от своего основания, а не перпендикулярно фюзеляжу.
Стреловидные крылья использовались с первых дней авиации. Стреловидность крыла на высоких скоростях была впервые исследована в Германии еще в 1935 году Альбертом Бецом и Адольфом Буземаном , найдя применение как раз перед окончанием Второй мировой войны . Она имеет эффект задержки ударных волн и сопутствующего роста аэродинамического сопротивления , вызванного сжимаемостью жидкости около скорости звука , что улучшает летные характеристики. Поэтому стреловидные крылья почти всегда используются на реактивных самолетах, предназначенных для полетов на этих скоростях.
Термин «стреловидное крыло» обычно используется в значении «стреловидное назад», но варианты включают стреловидность вперед , крылья переменной стреловидности и косые крылья , в которых одна сторона направлена вперед, а другая назад. Треугольное крыло также аэродинамически является формой стреловидного крыла.
Существует три основные причины для подметания крыла: [1]
1. расположить центр тяжести самолета и аэродинамический центр крыла так, чтобы они совпадали более точно для продольного баланса, например, Messerschmitt Me 163 Komet и Messerschmitt Me 262. Хотя крыло не было стреловидным, панели крыла на Douglas DC-1 за пределами гондол также имели небольшую стреловидность по аналогичным причинам. [2]
2. для обеспечения продольной устойчивости бесхвостых самолетов, например Messerschmitt Me 163 Kometuu. [2]
3. чаще всего для увеличения числа Маха путем задержки эффекта сжимаемости (резких изменений плотности воздушного потока) до более высокой скорости, например, боевые самолеты, авиалайнеры и бизнес-джеты.
Другие причины включают в себя:
1. возможность установки сквозного отсека в крыле для достижения желаемого размера салона, например, HFB 320 Hansa Jet .
2. обеспечение статического аэроупругого облегчения, которое уменьшает изгибающие моменты при высоких перегрузках и может позволить сделать конструкцию крыла более легкой. [3]
Для крыла заданного размаха его стреловидность увеличивает длину лонжеронов, идущих вдоль него от корня до кончика. Это имеет тенденцию увеличивать вес и уменьшать жесткость. Если продольная хорда крыла также остается прежней, расстояние между передней и задней кромками уменьшается, снижая его способность противостоять скручивающим (торсионным) силам. Поэтому стреловидное крыло заданного размаха и хорды должно быть усилено и будет тяжелее эквивалентного нестреловидного крыла.
Стреловидное крыло обычно наклонено назад от своего корня, а не вперед. Поскольку крылья сделаны максимально легкими, они имеют тенденцию изгибаться под нагрузкой. Эта аэроупругость под аэродинамической нагрузкой заставляет кончики изгибаться вверх в нормальном полете. Обратная стреловидность заставляет кончики уменьшать свой угол атаки при изгибе, уменьшая их подъемную силу и ограничивая эффект. Прямая стреловидность заставляет кончики увеличивать свой угол атаки при изгибе. Это увеличивает их подъемную силу, вызывая дальнейший изгиб и, следовательно, еще большую подъемную силу в цикле, что может вызвать неуправляемое разрушение конструкции. По этой причине прямая стреловидность встречается редко, и крыло должно быть необычайно жестким.
Существуют два важных угла стреловидности, один на передней кромке для сверхзвуковых самолетов и другой на 25% пути назад от передней кромки для дозвуковых и околозвуковых самолетов. Стреловидность передней кромки важна, поскольку передняя кромка должна находиться позади конуса Маха, чтобы уменьшить волновое сопротивление. [4] Линия четверти хорды (25%) используется, поскольку дозвуковая подъемная сила из-за угла атаки действует там, и до введения сверхкритических секций гребень обычно был близок к четверти хорды. [5]
Типичные углы стреловидности варьируются от 0 для самолетов с прямым крылом до 45 градусов и более для истребителей и других высокоскоростных конструкций.
Ударные волны могут образовываться на некоторых частях самолета, движущегося со скоростью ниже скорости звука. Области низкого давления вокруг самолета вызывают ускорение потока, и на околозвуковых скоростях это локальное ускорение может превышать 1 Маха. Локализованный сверхзвуковой поток должен вернуться к условиям свободного потока вокруг остальной части самолета, и когда поток попадает в неблагоприятный градиент давления в задней части крыла, возникает разрыв в виде ударной волны, поскольку воздух вынужден быстро замедляться и возвращаться к давлению окружающей среды.
В точке, где плотность падает, локальная скорость звука соответственно падает, и может образоваться ударная волна. Вот почему в обычных крыльях ударные волны образуются первыми после максимальной толщины/хорды, и вот почему все авиалайнеры, предназначенные для крейсерского полета в трансзвуковом диапазоне (выше M0,8), имеют сверхкритические крылья, которые более плоские сверху, что приводит к минимизации углового изменения потока воздуха на верхней поверхности. Угловое изменение воздуха, которое обычно является частью создания подъемной силы, уменьшается, и это уменьшение подъемной силы компенсируется более глубоко изогнутыми нижними поверхностями, сопровождаемыми рефлекторной кривой на задней кромке. Это приводит к гораздо более слабой ударной волне в направлении задней части верхней поверхности крыла и соответствующему увеличению критического числа Маха.
Для образования ударных волн требуется энергия. Эта энергия извлекается из самолета, который должен обеспечить дополнительную тягу , чтобы компенсировать эту потерю энергии. Таким образом, удары рассматриваются как форма сопротивления . Поскольку удары образуются, когда локальная скорость воздуха достигает сверхзвуковых скоростей, существует определенная « критическая скорость Маха », при которой звуковой поток впервые появляется на крыле. Существует следующая точка, называемая числом Маха дивергенции сопротивления , где эффект сопротивления от ударов становится заметным. Обычно это происходит, когда удары начинают образовываться над крылом, которое на большинстве самолетов является самой большой непрерывно изогнутой поверхностью и, следовательно, вносит наибольший вклад в этот эффект.
Стреловидность крыла приводит к уменьшению кривизны тела, видимой со стороны воздушного потока, на косинус угла стреловидности. Например, крыло со стреловидностью 45 градусов увидит уменьшение эффективной кривизны примерно до 70% от значения прямого крыла. Это приводит к увеличению критического числа Маха на 30%. При применении к большим областям самолета, таким как крылья и хвостовое оперение , это позволяет самолету достигать скоростей, близких к числу Маха 1.
Одним из ограничивающих факторов в конструкции стреловидного крыла является так называемый «средний эффект». Если стреловидное крыло непрерывное — косоугольное стреловидное крыло — изобары давления будут стреловидны под непрерывным углом от кончика до кончика. Однако, если левая и правая половины стреловидны одинаково, как это обычно бывает, изобары давления на левом крыле в теории будут встречаться с изобарами давления правого крыла на центральной линии под большим углом. Поскольку изобары не могут встретиться таким образом, [ почему? ] они будут иметь тенденцию изгибаться с каждой стороны по мере приближения к центральной линии, так что изобары пересекают центральную линию под прямым углом к центральной линии. Это вызывает «нестреловидность» изобар в корневой области крыла. Чтобы бороться с этой нестреловидностью, немецкий аэродинамик Дитрих Кюхеманн предложил и испытал локальное углубление фюзеляжа выше и ниже корневой части крыла. Это оказалось не очень эффективным. [7] Во время разработки авиалайнера Douglas DC-8 в корневой части крыла использовались неизогнутые аэродинамические профили для борьбы с нестреловидностью. [8] [9]
Стреловидные крылья на сверхзвуковых самолетах обычно лежат внутри конусообразной ударной волны, создаваемой в носовой части самолета, поэтому они будут «видеть» дозвуковой поток воздуха и работать как дозвуковые крылья. Угол, необходимый для нахождения за конусом, увеличивается с ростом скорости, при числе Маха 1,3 угол составляет около 45 градусов, при числе Маха 2,0 он составляет 60 градусов. [10] Угол конуса Маха , образованного корпусом самолета, будет около sin μ = 1/M (μ — угол стреловидности конуса Маха) [11]
Когда стреловидное крыло движется с высокой скоростью, у воздушного потока мало времени, чтобы отреагировать, и он просто обтекает крыло почти прямо спереди назад. На более низких скоростях у воздуха есть время, чтобы отреагировать, и он выталкивается по размаху наклонной передней кромкой к законцовке крыла. У корня крыла, фюзеляжем, это имеет малозаметный эффект, но по мере движения к законцовке крыла воздушный поток выталкивается по размаху не только передней кромкой, но и движущимся по размаху воздухом рядом с ней. На кончике воздушный поток движется вдоль крыла, а не над ним, проблема, известная как поток по размаху .
Подъемная сила крыла создается потоком воздуха над ним спереди назад. С увеличением потока по размаху пограничные слои на поверхности крыла должны проходить больше времени, поэтому они толще и более восприимчивы к переходу к турбулентности или разделению потока, также эффективное удлинение крыла меньше, и поэтому воздух «просачивается» вокруг законцовок крыла, снижая их эффективность. Поток по размаху на стреловидных крыльях создает поток воздуха, который перемещает точку торможения на передней кромке любого отдельного сегмента крыла дальше под переднюю кромку, увеличивая эффективный угол атаки сегментов крыла относительно соседнего переднего сегмента. Результатом является то, что сегменты крыла, расположенные дальше назад, работают под все более высокими углами атаки, способствуя раннему срыву потока этих сегментов. Это способствует срыву потока на концах крыльев обратной стреловидности, поскольку законцовки находятся максимально сзади, в то же время задерживая срыв потока на концах крыльев прямой стреловидности, где законцовки находятся спереди. Как с прямыми, так и с обратными стреловидными крыльями задняя часть крыла будет срываться первой, создавая момент подъема носа на самолете. Если пилот не исправит ситуацию, самолет поднимется, что приведет к большему сваливанию крыла и большему тангажу в расходящемся направлении. Эта неконтролируемая нестабильность стала известна как танец Sabre в связи с количеством североамериканских F-100 Super Sabre, которые в результате разбились при посадке. [12] [13]
Уменьшение тангажа до приемлемого уровня было сделано разными способами, такими как добавление плавника, известного как ограждение крыла, на верхней поверхности крыла, чтобы перенаправить поток в продольном направлении. МиГ-15 был одним из примеров самолета, оснащенного ограждениями крыла. [14] Другой тесно связанной конструкцией было добавление зубчатой выемки на передней кромке, используемой на перехватчике Avro Arrow . [15] Другие конструкции использовали более радикальный подход, включая крыло Republic XF-91 Thunderceptor , которое становилось шире к кончику, чтобы обеспечить большую подъемную силу на кончике. Handley Page Victor был оснащен серповидным крылом с тремя значениями стреловидности, около 48 градусов около корня крыла, где крыло было самым толстым, 38 градусов переходной длины и 27 градусов для оставшейся части до кончика. [16] [17]
Современные решения этой проблемы больше не требуют «индивидуальных» конструкций, подобных этим. Добавление предкрылков и больших составных закрылков к крыльям в значительной степени решило проблему. [18] [19] [20] В конструкциях истребителей добавление удлинителей передней кромки , которые обычно включаются для достижения высокого уровня маневренности, также служит для увеличения подъемной силы во время посадки и уменьшения проблемы. [21] [22]
Помимо тангажа, существуют и другие осложнения, присущие конфигурации стреловидного крыла. Для любой заданной длины крыла фактический размах от кончика до кончика короче, чем у того же крыла, но без стреловидности. Существует сильная корреляция между сопротивлением на низкой скорости и удлинением , размахом по сравнению с хордой, поэтому стреловидное крыло всегда имеет большее сопротивление на более низких скоростях. Кроме того, существует дополнительный крутящий момент, прилагаемый крылом к фюзеляжу, который необходимо учитывать при установлении передачи нагрузок от кессона крыла к фюзеляжу. Это происходит из-за значительной части подъемной силы крыла, которая лежит за длиной крепления, где крыло встречается с фюзеляжем.
Теория стреловидности — это описание поведения воздушного потока над крылом в авиационной технике , когда передняя кромка крыла сталкивается с воздушным потоком под косым углом. Развитие теории стреловидности привело к конструкции стреловидного крыла, используемой большинством современных реактивных самолетов, поскольку эта конструкция работает более эффективно на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях. В своей продвинутой форме теория стреловидности привела к экспериментальной концепции косого крыла .
Адольф Буземан ввел концепцию стреловидного крыла и представил ее в 1935 году на Пятой конференции Вольта в Риме. [23] Теория стреловидности в целом была предметом разработки и исследования на протяжении 1930-х и 1940-х годов, но прорывное математическое определение теории стреловидности обычно приписывают Роберту Т. Джонсу из NACA в 1945 году. Теория стреловидности основывается на других теориях подъемной силы крыла. Теория подъемной линии описывает подъемную силу, создаваемую прямым крылом (крылом, в котором передняя кромка перпендикулярна воздушному потоку). Теория Вайссингера описывает распределение подъемной силы для стреловидного крыла, но не имеет возможности включать распределение давления по хорде. Существуют и другие методы, которые описывают распределения по хорде, но у них есть другие ограничения. Теория стреловидности Джонса обеспечивает простой, всесторонний анализ характеристик стреловидного крыла.
Объяснение того, как работает стреловидное крыло, было предложено Робертом Т. Джонсом : «Предположим, что крыло представляет собой цилиндр с равномерным поперечным сечением профиля, хордой и толщиной, и помещено в воздушный поток под углом рыскания, т. е. оно стреловидно. Теперь, даже если локальная скорость воздуха на верхней поверхности крыла становится сверхзвуковой, ударная волна не может образоваться там, потому что это должен быть стреловидный скачок уплотнения, стреловидный под тем же углом, что и крыло, т. е. это был бы косой скачок уплотнения. Такой косой скачок уплотнения не может образоваться, пока нормальная к нему компонента скорости не станет сверхзвуковой». [24]
Чтобы визуализировать основную концепцию теории простой стреловидности, рассмотрим прямое, нестреловидное крыло бесконечной длины, которое встречает воздушный поток под перпендикулярным углом. Результирующее распределение давления воздуха эквивалентно длине хорды крыла (расстоянию от передней кромки до задней кромки). Если бы мы начали скользить крылом вбок (по размаху), боковое движение крыла относительно воздуха было бы добавлено к ранее перпендикулярному воздушному потоку, что привело бы к воздушному потоку над крылом под углом к передней кромке. Этот угол приводит к тому, что воздушный поток проходит большее расстояние от передней кромки до задней кромки, и, таким образом, давление воздуха распределяется на большее расстояние (и, следовательно, уменьшается в любой конкретной точке поверхности).
Этот сценарий идентичен потоку воздуха, который испытывает стреловидное крыло, когда оно движется по воздуху. Поток воздуха над стреловидным крылом сталкивается с крылом под углом. Этот угол можно разбить на два вектора, один перпендикулярный крылу, а другой параллельный крылу. Поток, параллельный крылу, не оказывает на него никакого влияния, и поскольку перпендикулярный вектор короче (то есть медленнее), чем фактический поток воздуха, он, следовательно, оказывает меньшее давление на крыло. Другими словами, крыло испытывает поток воздуха, который медленнее — и при более низком давлении — чем фактическая скорость самолета.
Одним из факторов, которые необходимо учитывать при проектировании высокоскоростного крыла, является сжимаемость , которая является эффектом, действующим на крыло, когда оно приближается к скорости звука и проходит через нее. Значительные отрицательные эффекты сжимаемости сделали ее главной проблемой для авиационных инженеров. Теория стреловидности помогает смягчить эффекты сжимаемости в околозвуковых и сверхзвуковых самолетах из-за пониженного давления. Это позволяет числу Маха самолета быть выше, чем фактически испытываемое крылом.
У теории стреловидности есть и отрицательный аспект. Подъемная сила, создаваемая крылом, напрямую связана со скоростью воздуха над крылом. Поскольку скорость воздушного потока, испытываемая стреловидным крылом, ниже фактической скорости самолета, это становится проблемой на фазах медленного полета, таких как взлет и посадка. Были различные способы решения этой проблемы, включая конструкцию крыла с изменяемым углом атаки на Vought F-8 Crusader [ 25] и качающиеся крылья на таких самолетах, как F-14 , F-111 и Panavia Tornado [26] [27 ]
Термин «стреловидное крыло» обычно используется для обозначения «стреловидного назад», но другие варианты стреловидности включают стреловидность вперед , крылья переменной стреловидности и косые крылья, в которых одна сторона стреловидна вперед, а другая назад. Треугольное крыло также включает те же преимущества как часть своей компоновки.
Смещение крыла вперед дает примерно тот же эффект, что и назад, с точки зрения снижения сопротивления, но имеет другие преимущества с точки зрения управления на низкой скорости, где проблемы срыва на конце просто исчезают. В этом случае низкоскоростной воздух течет к фюзеляжу, который действует как очень большое крыловое ограждение. Кроме того, крылья, как правило, больше у основания, что позволяет им иметь лучшую подъемную силу на низкой скорости.
Однако эта конструкция также имеет серьезные проблемы со стабильностью. Самая задняя часть крыла будет сваливаться первой, вызывая момент тангажа, толкающий самолет дальше в сваливание, аналогично конструкции с крылом со стреловидностью назад. Таким образом, крылья со стреловидностью вперед нестабильны в манере, похожей на проблемы низкой скорости обычного стреловидного крыла. Однако в отличие от крыльев со стреловидностью назад, законцовки крыла с прямой стреловидностью будут сваливаться последними, сохраняя управление креном.
Крылья с прямой стреловидностью также могут испытывать опасные эффекты изгиба по сравнению с крыльями с задней стреловидностью, которые могут свести на нет преимущество срыва на конце, если крыло недостаточно жесткое. В конструкциях с задней стреловидностью, когда самолет маневрирует с высоким коэффициентом нагрузки, нагрузка на крыло и геометрия скручивают крыло таким образом, что создается смыв (кончик скручивает переднюю кромку вниз). Это уменьшает угол атаки на конце, тем самым уменьшая изгибающий момент на крыле, а также несколько уменьшая вероятность срыва на конце. [28] Однако тот же эффект на крыльях с прямой стреловидностью создает эффект смыва, который увеличивает угол атаки, способствуя срыву на конце.
Небольшие величины стреловидности не вызывают серьезных проблем и использовались на различных самолетах для перемещения лонжерона в удобное место, как на Junkers Ju 287 или HFB 320 Hansa Jet . [29] [30] Однако большая стреловидность, подходящая для высокоскоростных самолетов, таких как истребители, была, как правило, невозможна до внедрения систем управления по проводам , которые могли реагировать достаточно быстро, чтобы гасить эти нестабильности. Grumman X-29 был экспериментальным демонстрационным проектом технологии, разработанным для испытания крыла с обратной стреловидностью для повышения маневренности в 1980-х годах. [31] [32] Sukhoi Su-47 Berkut является еще одним заметным демонстрационным самолетом, реализующим эту технологию для достижения высокого уровня маневренности. [33] На сегодняшний день ни одна конструкция с большой стреловидностью вперед не была запущена в производство.
Первые успешные самолеты придерживались базовой конструкции прямоугольных крыльев под прямым углом к корпусу машины. Такая компоновка изначально нестабильна; если распределение веса самолета изменится даже немного, крыло захочет повернуться так, чтобы его передняя часть переместилась вверх (вес переместится назад) или вниз (вперед), и это вращение изменит развитие подъемной силы и заставит его двигаться дальше в этом направлении. Чтобы сделать самолет устойчивым, обычное решение — поместить вес на один конец и компенсировать его противоположной направленной вниз силой на другом — это приводит к классической компоновке с двигателем спереди и управляющими поверхностями на конце длинной балки с крылом посередине. Давно известно, что такая компоновка неэффективна. Направленная вниз сила управляющих поверхностей требует дополнительной подъемной силы от крыла для компенсации. Величину силы можно уменьшить, увеличив длину балки, но это приводит к большему поверхностному трению и весу самой балки.
Эта проблема привела ко многим экспериментам с различными компоновками, которые исключают необходимость в направленной вниз силе. Одна из таких геометрий крыла появилась до Первой мировой войны , что привело к ранним конструкциям стреловидного крыла. В этой компоновке крыло стреловидно так, что части лежат далеко впереди и позади центра тяжести (CoG), а поверхности управления находятся позади него. Результатом является распределение веса, похожее на классическую компоновку, но компенсирующая сила управления больше не является отдельной поверхностью, а частью крыла, которое существовало бы в любом случае. Это устраняет необходимость в отдельной структуре, делая самолет имеющим меньшее сопротивление и требующим меньше общей подъемной силы для того же уровня производительности. Эти компоновки вдохновили несколько планеров с летающим крылом и некоторые самолеты с двигателем в межвоенные годы. [34]
Первым, кто добился устойчивости, был британский конструктор Дж. У. Данн, который был одержим идеей достижения внутренней устойчивости в полете. Он успешно применил стреловидные крылья в своем бесхвостом самолете (который, что особенно важно, использовал вымывание ) как средство создания положительной продольной статической устойчивости . [35] Для низкоскоростного самолета стреловидные крылья могут использоваться для решения проблем с центром тяжести , для перемещения лонжерона крыла в более удобное положение или для улучшения бокового обзора с места пилота. [34] К 1905 году Данн уже построил модель планера со стреловидными крыльями, за которой последовала модель Dunne D.5 с двигателем , а к 1913 году он построил успешные варианты с двигателем, которые смогли пересечь Ла-Манш . Dunne D.5 был исключительно аэродинамически устойчивым для того времени, [36] а модель D.8 была продана Королевскому летному корпусу ; он также производился по лицензии компанией Starling Burgess для ВМС США среди других клиентов. [37]
Работа Данна прекратилась с началом войны в 1914 году, но впоследствии идея была подхвачена Г. Т. Р. Хиллом в Англии, который спроектировал серию планеров и самолетов по указаниям Данна, в частности серию Westland-Hill Pterodactyl . [38] Однако теории Данна не получили широкого признания среди ведущих авиаконструкторов и авиационных компаний того времени. [39]
Идея использования стреловидных крыльев для снижения сопротивления на высокой скорости была разработана в Германии в 1930-х годах. На конференции Вольта в 1935 году в Италии Адольф Буземан предложил использовать стреловидные крылья для сверхзвукового полета. Он отметил, что скорость воздуха над крылом определяется нормальной составляющей воздушного потока, а не скоростью набегающего потока, поэтому при установке крыла под углом поступательная скорость, при которой будут формироваться ударные волны, будет выше (то же самое было отмечено Максом Мунком в 1924 году, хотя и не в контексте высокоскоростного полета). [40] Альберт Бетц немедленно предположил, что тот же эффект будет одинаково полезен в околозвуковом полете. [41] После презентации ведущий встречи Артуро Крокко в шутку набросал «самолет будущего Буземана» на обороте меню, пока они все обедали. Эскиз Крокко показал классический дизайн истребителя 1950-х годов со стреловидными крыльями и хвостовым оперением, хотя он также набросал стреловидный пропеллер, приводящий его в движение. [40]
Однако в то время не было способа разогнать самолет до таких скоростей, и даже самые быстрые самолеты той эпохи приближались лишь к 400 км/ч (249 миль/ч). Презентация имела в основном академический интерес и вскоре была забыта. Даже известные участники, включая Теодора фон Кармана и Истмана Якобса, не помнили презентацию 10 лет спустя, когда она была им представлена повторно. [42]
Хуберт Людвиг из отделения высокоскоростной аэродинамики в AVA Göttingen в 1939 году провел первые испытания в аэродинамической трубе для исследования теории Буземана. [7] Два крыла, одно без стреловидности, а другое с 45 градусами стреловидности, были испытаны при числах Маха 0,7 и 0,9 в аэродинамической трубе 11 x 13 см. Результаты этих испытаний подтвердили снижение сопротивления, обеспечиваемое стреловидными крыльями на околозвуковых скоростях. [7] Результаты испытаний были переданы Альберту Бецу , который затем передал их Вилли Мессершмитту в декабре 1939 года. Испытания были расширены в 1940 году, чтобы включить крылья с 15, 30 и -45 градусами стреловидности и числами Маха до 1,21. [7]
С появлением реактивных самолетов во второй половине Второй мировой войны стреловидное крыло стало все более применимым для оптимального удовлетворения аэродинамических потребностей. Немецкие реактивные самолеты Messerschmitt Me 262 и ракетные самолеты Messerschmitt Me 163 страдали от эффектов сжимаемости , из-за которых оба самолета было очень трудно контролировать на высоких скоростях. Кроме того, скорости вводили их в режим волнового сопротивления , и все, что могло уменьшить это сопротивление, увеличивало производительность их самолетов, в частности, печально известное короткое время полета, измеряемое минутами. Это привело к ускоренной программе по внедрению новых конструкций стреловидного крыла, как для истребителей, так и для бомбардировщиков . Blohm & Voss P 215 был разработан, чтобы в полной мере использовать аэродинамические свойства стреловидного крыла; однако заказ на три прототипа был получен всего за несколько недель до окончания войны, и ни один экземпляр так и не был построен. [43] Focke -Wulf Ta 183 был еще одним проектом истребителя со стреловидным крылом, но также не производился до конца войны. [44] В послевоенное время Курт Танк усовершенствовал Ta 183 в IAe Pulqui II , но это оказалось неудачным. [45]
Опытный образец самолета Messerschmitt Me P.1101 был построен для исследования компромиссов конструкции и разработки общих правил относительно того, какой угол стреловидности использовать. [46] Когда он был готов на 80%, P.1101 был захвачен американскими войсками и возвращен в Соединенные Штаты , где два дополнительных экземпляра с двигателями американского производства продолжили исследования как Bell X-5 . [47] Военный опыт Германии со стреловидными крыльями и их высокая ценность для сверхзвукового полета резко контрастировали с преобладающими взглядами экспертов союзников той эпохи, которые обычно поддерживали свою веру в невозможность пилотируемых транспортных средств, летающих на таких скоростях. [48]
В послевоенный период несколько стран проводили исследования в области высокоскоростных самолетов. В Соединенном Королевстве в 1943 году началась работа над Miles M.52 , высокоскоростным экспериментальным самолетом, оснащенным прямым крылом, который был разработан совместно с компанией Frank Whittle 's Power Jets , Королевским авиастроительным заводом (RAE) в Фарнборо и Национальной физической лабораторией . [49] Предполагалось, что M.52 сможет развивать скорость 1000 миль в час (1600 км/ч) в горизонтальном полете, что позволит самолету потенциально стать первым в мире самолетом, превысившим скорость звука. [49] В феврале 1946 года программа была внезапно прекращена по неясным причинам. [50] С тех пор широко признается, что отмена M.52 стала серьезным препятствием для британского прогресса в области сверхзвукового проектирования. [34]
Другой, более успешной, программой был американский Bell X-1 , который также был оснащен прямым крылом. По словам главного аэродинамика Miles Денниса Банкрофта, компания Bell Aircraft получила доступ к чертежам и исследованиям по M.52. [51] 14 октября 1947 года Bell X-1 выполнил первый пилотируемый сверхзвуковой полет, пилотируемый капитаном Чарльзом «Чаком» Йегером , будучи сброшенным с бомбоотсека Boeing B-29 Superfortress и достигнув рекордной скорости 1,06 Маха (700 миль в час (1100 км/ч; 610 узлов)). [34] Новость об успешном сверхзвуковом самолете с прямым крылом удивила многих экспертов по аэронавтике по обе стороны Атлантики, поскольку все больше считалось, что конструкция со стреловидным крылом не только очень выгодна, но и необходима для преодоления звукового барьера. [48]
В последние годы Второй мировой войны авиаконструктор сэр Джеффри де Хэвилленд начал разработку de Havilland Comet , который должен был стать первым в мире реактивным авиалайнером. Первоначальным соображением при проектировании было применение новой конфигурации стреловидного крыла. [52] Таким образом, экспериментальный самолет для исследования технологии, de Havilland DH 108 , был разработан фирмой в 1944 году под руководством инженера проекта Джона Карвера Медоуза Фроста с командой из 8–10 чертежников и инженеров. DH 108 в первую очередь состоял из сопряжения передней части фюзеляжа de Havilland Vampire со стреловидным крылом и небольшим вертикальным хвостом; это был первый британский реактивный самолет со стреловидным крылом, неофициально известный как «Ласточка». [53] Он впервые поднялся в воздух 15 мая 1946 года, всего через восемь месяцев после одобрения проекта. Летчик-испытатель компании и сын строителя, Джеффри де Хэвилленд-младший , управлял первым из трех самолетов и нашел его чрезвычайно быстрым — достаточно быстрым, чтобы попытаться установить мировой рекорд скорости. 12 апреля 1948 года DH108 установил мировой рекорд скорости в 973,65 км/ч (605 миль/ч), впоследствии он стал первым реактивным самолетом, превысившим скорость звука. [54]
Примерно в это же время Министерство авиации представило программу экспериментальных самолетов для изучения эффектов стреловидных крыльев, а также конфигурации треугольного крыла . [55] Кроме того, Королевские военно-воздушные силы (RAF) определили пару предлагаемых истребителей, оснащенных стреловидными крыльями от Hawker Aircraft и Supermarine , Hawker Hunter и Supermarine Swift соответственно, и успешно настояли на том, чтобы заказы были сняты с чертежной доски в 1950 году. [56] 7 сентября 1953 года единственный Hunter Mk 3 (модифицированный первый прототип, WB 188 ), пилотируемый Невиллом Дьюком, побил мировой рекорд скорости полета для реактивных самолетов, достигнув скорости 727,63 миль в час (1171,01 км/ч) над Литлхэмптоном , Западный Суссекс . [57] Этот мировой рекорд продержался менее трех недель, прежде чем был побит 25 сентября 1953 года ранним конкурентом Hunter, Supermarine Swift, которым управлял Майкл Литгоу. [58]
В феврале 1945 года инженер NACA Роберт Т. Джонс начал изучать сильно стреловидные дельта-крылья и V-образные формы и обнаружил те же эффекты, что и Буземан. Он закончил подробный отчет о концепции в апреле, но обнаружил, что его работа подверглась резкой критике со стороны других членов NACA Langley , в частности Теодора Теодорсена, который назвал ее «фокусом-покусом» и потребовал немного «реальной математики». [40] Однако Джонс уже выделил некоторое время для моделей свободного полета под руководством Роберта Гилрута , отчеты которого были представлены в конце мая и показали четырехкратное снижение сопротивления на высоких скоростях. Все это было собрано в отчет, опубликованный 21 июня 1945 года, который был разослан в промышленность три недели спустя. [59] По иронии судьбы, к этому моменту работа Буземана уже была распространена.
В мае 1945 года американская операция «Скрепка» достигла Брауншвейга , где американские военные обнаружили ряд моделей стреловидного крыла и массу технических данных из аэродинамических труб. Одним из членов американской команды был Джордж С. Шайрер , который в то время работал в компании Boeing. Он немедленно переслал письмо Бену Кону в Boeing, сообщая о ценности концепции стреловидного крыла. [60] [61] Он также сказал Кону распространить письмо и среди других компаний, хотя только Boeing и North American немедленно воспользовались им. [ необходима цитата ]
Boeing находился в процессе проектирования B-47 Stratojet , и первоначальная модель 424 имела конструкцию с прямым крылом, похожую на B-45 , B-46 и B-48, с которыми она конкурировала. Анализ, проведенный инженером Boeing Виком Ганцером, показал оптимальный угол стреловидности около 35 градусов. [62] К сентябрю 1945 года данные из Брауншвейга были включены в конструкцию, которая вновь появилась как Model 448, более крупная конструкция с шестью двигателями и более прочными крыльями, стреловидность которых составляла 35 градусов. [40] Еще одна переделка переместила двигатели в установленные на стойках гондолы под крыльями из-за опасений, что неконтролируемый отказ внутреннего двигателя мог потенциально уничтожить самолет из-за пожара или вибрации. [63] Получившийся в результате B-47 был провозглашен самым быстрым в своем классе в мире в конце 1940-х годов, [64] и разгромил конкурентов с прямым крылом. Формула реактивного транспорта компании Boeing со стреловидными крыльями и двигателями, установленными на пилонах, с тех пор была принята повсеместно. [ необходима цитата ]
Что касается истребителей, то компания North American Aviation работала над военно-морским истребителем с прямым крылом и реактивным двигателем, тогда известным как FJ-1 ; позднее он был представлен ВВС США как XP-86 . [65] Ларри Грин, который мог читать по-немецки, изучил отчеты Буземанна и убедил руководство разрешить перепроектирование, начиная с августа 1945 года. [40] [66] [67] Летные характеристики F-86A позволили ему установить первый из нескольких официальных мировых рекордов скорости , достигнув 671 мили в час (1080 км/ч) 15 сентября 1948 года под управлением майора Ричарда Л. Джонсона . [68] С появлением МиГ-15 F-86 был срочно введен в бой, в то время как реактивные самолеты с прямым крылом, такие как Lockheed P-80 Shooting Star и Republic F-84 Thunderjet, были быстро переведены на задачи по атаке наземных целей. Некоторые из них, такие как F-84 и Grumman F-9 Cougar , были позже перепроектированы с прямыми самолетами со стреловидными крыльями. [69] [70] Более поздние самолеты, такие как North American F-100 Super Sabre , изначально проектировались со стреловидными крыльями, хотя для освоения сверхзвукового полета потребовались дополнительные инновации, такие как форсажная камера, правило площади и новые поверхности управления. [71] [12]
Советский Союз также быстро исследовал преимущества стреловидных крыльев на высокоскоростных самолетах, когда их аналоги «захваченной авиационной технологии» западных союзников распространились по побежденному Третьему рейху. Артем Микоян получил от ЦАГИ советского правительства задание разработать испытательный самолет для исследования идеи стреловидного крыла — результатом стал необычный самолет МиГ-8 «Утка » с толкающим крылом компоновки «утка», совершивший полет в конце 1945 года , с крыльями, расположенными сзади, стреловидными назад для этого типа исследований. [72] Стреловидное крыло было применено на МиГ-15 , раннем реактивном истребителе, его максимальная скорость 1075 км/ч (668 миль/ч) превосходила американские реактивные самолеты с прямым крылом и поршневые истребители, первоначально развернутые во время Корейской войны . [73] Считается, что МиГ-15 был одним из самых производимых реактивных самолетов ; в конечном итоге будет изготовлено более 13 000 экземпляров. [74]
МиГ-15, который не мог безопасно превышать число Маха 0,92, послужил основой для МиГ-17 , который был разработан с учетом возможности управления при более высоких числах Маха. [75] Стреловидность его крыла, 45° около фюзеляжа (такая же, как у F-100 Super Sabre ), была изменена на 42° для внешней части крыла. [76] Еще одна производная от конструкции, обозначенная как МиГ-19 , отличалась относительно тонким крылом, подходящим для сверхзвукового полета, которое было разработано в ЦАГИ, советском Центральном аэрогидродинамическом институте ; стреловидное назад под углом 55 градусов, это крыло имело по одному крыльевому ограждению с каждой стороны. [77] Специализированный высотный вариант МиГ-19СВ, помимо прочих изменений, отличался регулируемым закрылком для создания большей подъемной силы на больших высотах, что помогло увеличить потолок самолета с 17 500 м (57 400 футов) до 18 500 м (60 700 футов). [78] [79]
Исследования Германии в области стреловидного крыла были также получены шведским производителем самолетов SAAB с помощью бывших инженеров Messerschmitt, которые бежали в Швейцарию в конце 1945 года. [80] [81] В то время SAAB увидела необходимость в достижении авиационных успехов, особенно в новой области реактивного движения. [82] Компания объединила как реактивный двигатель, так и стреловидное крыло для производства истребителя Saab 29 Tunnan ; 1 сентября 1948 года первый прототип совершил свой первый полет, которым управлял английский летчик-испытатель S/L Роберт А. «Боб» Мур, DFC и бар, [83] Хотя Tunnan не был хорошо известен за пределами Швеции, он был первым западноевропейским истребителем, представленным с такой конфигурацией крыла. [84] [85] Параллельно SAAB также разработала еще один самолет со стреловидным крылом, Saab 32 Lansen , в первую очередь для использования в качестве стандартного шведского штурмовика. [86] Его крыло, имевшее 10-процентный ламинарный профиль и стреловидность 35°, имело треугольные ограждения около корней крыла для улучшения воздушного потока, когда самолет летал под большим углом атаки . [86] [87] 25 октября 1953 года самолет SAAB 32 Lansen достиг числа Маха не менее 1,12 во время пологого пикирования, превысив звуковой барьер . [87]
Успехи таких самолетов, как Hawker Hunter, B-47 и F-86, показали ценность исследований стреловидного крыла, полученных из Германии. В конечном итоге, почти все передовые разработки высокоскоростных самолетов включали крыло со стреловидной передней кромкой, либо с стреловидным крылом, либо с треугольным крылом в плане . Boeing B-52, разработанный в 1950-х годах, продолжает эксплуатироваться как дозвуковой тяжелый бомбардировщик дальнего действия. [88] [89] Хотя Советы так и не смогли сравниться с производительностью Boeing B-52 Stratofortress с реактивным самолетом, межконтинентальный турбовинтовой бомбардировщик Туполев Ту-95 с его максимальной скоростью почти реактивного класса 920 км/ч, сочетающий стреловидное крыло с винтовой тягой, также остается в эксплуатации сегодня, являясь самым быстрым серийным самолетом с винтовым двигателем. [90] В Великобритании на вооружение поступили два бомбардировщика со стреловидным крылом: Vickers Valiant (1955) [91] и Handley Page Victor (1958). [92]
К началу 1950-х годов почти каждый новый истребитель имел стреловидное крыло. К 1960-м годам большинство гражданских самолетов также приняли стреловидные крылья. Большинство ранних околозвуковых и сверхзвуковых конструкций, таких как МиГ-19 и F-100, использовали длинные, сильно стреловидные крылья. Стреловидные крылья достигали скорости 2 Маха на BAC Lightning и Republic F-105 Thunderchief , построенных для работы на низкой высоте и очень высокой скорости, в первую очередь для ядерного удара, но с вторичной возможностью «воздух-воздух». [93] К концу 1960-х годов McDonnell F-4 Phantom II в больших количествах использовался военно-воздушными силами, находившимися под влиянием Соединенных Штатов. Крылья с изменяемой геометрией использовались на американских F-111 , Grumman F-14 Tomcat и советских Микоян МиГ-27 , хотя эта идея была заброшена для американской конструкции SST. После 1970-х годов большинство истребителей нового поколения, оптимизированных для маневренного воздушного боя, начиная с американского F-15 и советского МиГ-29, использовали относительно короткое фиксированное крыло с относительно большой площадью крыла. [ необходима цитата ]
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)