Летающее крыло — это бесхвостый самолет с фиксированным крылом , не имеющий определенного фюзеляжа , с экипажем, полезной нагрузкой, топливом и оборудованием, размещенными внутри основной конструкции крыла. Летающее крыло может иметь различные небольшие выступы, такие как стручки, гондолы , блистеры, балки или вертикальные стабилизаторы .
Подобные конструкции самолетов, которые технически не являются летающими крыльями, иногда небрежно называют таковыми. К этим типам относятся самолеты с корпусом смешанного крыла и самолеты с подъемным корпусом , которые имеют фюзеляж и не имеют определенных крыльев.
Чистое летающее крыло теоретически является самой низколобовой конфигурацией конструкции для самолета с фиксированным крылом. Однако, поскольку в нем отсутствуют обычные стабилизирующие поверхности и связанные с ними поверхности управления, в своей чистейшей форме летающее крыло страдает от нестабильности и сложности управления.
Базовая конфигурация летающего крыла стала объектом значительного изучения в 1920-х годах, часто в сочетании с другими конструкциями без хвоста. Во время Второй мировой войны и нацистская Германия , и союзники добились успехов в разработке летающих крыльев. Военный интерес к летающему крылу угас в 1950-х годах с развитием сверхзвуковых самолетов, но возобновился в 1980-х годах из-за их потенциала для технологии малозаметности . Этот подход в конечном итоге привел к созданию бомбардировщика- невидимки Northrop Grumman B-2 Spirit . Был постоянный интерес к использованию его в качестве крупного транспортного средства для перевозки грузов или пассажиров. Boeing , McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth провели исследования по проектированию авиалайнеров с летающим крылом ; однако ни один такой авиалайнер до сих пор не был построен.
Концепция летающего крыла в основном подходит для дозвуковых самолетов . Сверхзвуковое летающее крыло никогда не было построено.
Летающее крыло — это самолет , не имеющий определенного фюзеляжа или хвостового оперения , с экипажем, полезной нагрузкой, топливом и оборудованием, размещенными внутри основной конструкции крыла. Летающее крыло может иметь различные небольшие выступы, такие как стручки, гондолы , блистеры, балки или вертикальные стабилизаторы . [1]
Чистое летающее крыло иногда представляется как теоретически наиболее аэродинамически эффективная (с наименьшим сопротивлением) конфигурация конструкции для самолета с фиксированным крылом. Оно также обеспечивает высокую структурную эффективность для заданной высоты крыла, что приводит к малому весу и высокой топливной эффективности . [2]
Поскольку в нем отсутствуют обычные стабилизирующие поверхности и связанные с ними поверхности управления, в своей чистейшей форме летающее крыло страдает от присущих ему недостатков нестабильности и сложности управления. Эти компромиссы трудно примирить, и попытки сделать это могут уменьшить или даже свести на нет ожидаемые преимущества конструкции летающего крыла, такие как снижение веса и сопротивления . Более того, решения могут привести к окончательной конструкции, которая все еще слишком небезопасна для определенных применений, таких как коммерческая авиация.
Дополнительные трудности возникают из-за проблемы размещения пилота, двигателей, летного оборудования и полезной нагрузки в глубине секции крыла. Другие известные проблемы с конструкцией летающего крыла связаны с тангажем и рысканием . Проблемы тангажа обсуждаются в статье о бесхвостых самолетах . Проблемы рыскания обсуждаются ниже.
Крыло, которое сделано достаточно глубоким, чтобы вместить пилота, двигатели, топливо, шасси и другое необходимое оборудование, будет иметь увеличенную лобовую площадь по сравнению с обычным крылом и длинным тонким фюзеляжем. Это может фактически привести к большему сопротивлению и, следовательно, к меньшей эффективности, чем у обычной конструкции. Обычно в этом случае принимают решение сделать крыло достаточно тонким, а затем самолет оснащают набором блистеров, гондол, гондол, килей и т. д., чтобы удовлетворить все потребности практического самолета.
Проблема становится более острой на сверхзвуковых скоростях, где сопротивление толстого крыла резко возрастает и необходимо сделать крыло тонким. Сверхзвуковое летающее крыло никогда не было построено.
Для того чтобы любой самолет мог летать без постоянной коррекции, он должен обладать курсовой устойчивостью по рысканию.
Летающим крыльям некуда прикрепить эффективный вертикальный стабилизатор или плавник. Любой плавник должен крепиться непосредственно к задней части крыла, давая небольшой момент плеча от аэродинамического центра, что, в свою очередь, означает, что плавник неэффективен, и чтобы быть эффективным, площадь плавника должна быть большой. Такой большой плавник имеет штрафы за вес и сопротивление и может свести на нет преимущества летающего крыла. Проблему можно минимизировать, увеличив стреловидность крыла и разместив два плавника снаружи около кончиков, как, например, в дельта-крыле с малым удлинением , но, учитывая соответствующее снижение эффективности, многие летающие крылья имеют более мягкую стреловидность и, следовательно, в лучшем случае имеют предельную устойчивость.
Соотношение сторон стреловидного крыла, если смотреть в направлении воздушного потока, зависит от угла рыскания относительно воздушного потока. Рыскание увеличивает соотношение сторон ведущего крыла и уменьшает соотношение сторон ведомого крыла. При достаточной стреловидности дифференциальное индуцированное сопротивление, возникающее из-за концевых вихрей и поперечного потока, достаточно для естественного перевыравнивания самолета.
Дополнительный подход использует закручивание или вымывание, уменьшая угол атаки по направлению к концам крыла, вместе со стреловидной формой крыла в плане. Dunne D.5 включил этот принцип, и его конструктор Дж. В. Данн опубликовал его в 1913 году. [3] Вымывание уменьшает подъемную силу на концах, создавая колоколообразную кривую распределения по размаху, описанную Людвигом Прандтлем в 1933 году, и это может быть использовано для оптимизации веса и сопротивления для заданной величины подъемной силы.
Другое решение — наклонить или выгнуть секции законцовок крыла вниз со значительным углом наклона , увеличивая площадь в задней части самолета при взгляде сбоку. В сочетании с обратной стреловидностью и вымыванием это может решить другую проблему. При обычном эллиптическом распределении подъемной силы нисходящий элевон вызывает повышенное индуцированное сопротивление, которое заставляет самолет рыскать из поворота («неблагоприятное рыскание»). Вымывание наклоняет чистый аэродинамический вектор (подъемная сила плюс сопротивление) вперед по мере уменьшения угла атаки, и, в крайнем случае, это может создать чистую прямую тягу. Восстановление внешней подъемной силы элевоном создает небольшую индуцированную тягу для задней (внешней) секции крыла во время поворота. Этот вектор по существу тянет заднее крыло вперед, вызывая «обратное рыскание», создавая естественно скоординированный поворот. В своей лекции 1913 года в Авиационном обществе Великобритании Данн описал этот эффект как «тангенциальное усиление». [3] Существование рыскания по оси вращения не было доказано, пока НАСА не запустило свой бесхвостый демонстрационный аппарат Prandtl-D . [4]
В некоторых конструкциях летающего крыла любые стабилизирующие кили и связанные с ними рули управления расположены слишком далеко вперед, чтобы оказывать существенное влияние, поэтому иногда предусматриваются альтернативные средства управления рысканием .
Одним из решений проблемы управления является дифференциальное сопротивление: сопротивление вблизи одного конца крыла искусственно увеличивается, заставляя самолет рыскать в направлении этого крыла. Типичные методы включают:
Следствием метода дифференциального сопротивления является то, что если самолет часто маневрирует, то он часто будет создавать сопротивление. Поэтому летающие крылья лучше всего работают при полете в неподвижном воздухе: в турбулентном воздухе или при изменении курса самолет может быть менее эффективным, чем традиционная конструкция.
Некоторые родственные самолеты, которые не являются строго летающими крыльями, были описаны именно так.
Некоторые типы, такие как Northrop Flying Wing (NX-216H) , по-прежнему имеют хвостовой стабилизатор, установленный на хвостовых балках, хотя у них отсутствует фюзеляж.
Многие дельтапланы и сверхлегкие самолеты — бесхвостые. Хотя их иногда называют летающими крыльями, эти типы несут пилота (и двигатель, если он установлен) под конструкцией крыла, а не внутри нее, и поэтому не являются настоящими летающими крыльями.
Самолет с резко стреловидной дельтовидной формой плана и глубоким центропланом представляет собой пограничный случай между конфигурациями летающего крыла, крыла смешанного типа и/или несущего корпуса .
Бесхвостые самолеты экспериментировали с самых ранних попыток полета. Британский Дж. У. Данн был одним из первых пионеров, его конструкции биплана и моноплана со стреловидным крылом демонстрировали присущую им устойчивость еще в 1910 году. Его работа напрямую повлияла на нескольких других конструкторов, включая Г. Т. Р. Хилла , который разработал серию экспериментальных конструкций бесхвостых самолетов , известных под общим названием « Птеродактили Уэстленд-Хилла» , в 1920-х и начале 1930-х годов. [5] Несмотря на попытки получить заказы от Министерства авиации , программа «Птеродактиль» была в конечном итоге отменена в середине 1930-х годов до того, как был выдан какой-либо заказ на Mk. VI. [6]
В 1910 году немец Хуго Юнкерс запатентовал собственную концепцию воздушного транспорта с одним крылом, рассматривая ее как естественное решение проблемы создания авиалайнера, достаточно большого для перевозки разумной пассажирской нагрузки и достаточного количества топлива для регулярного пересечения Атлантики . Он считал, что потенциально большой внутренний объем и низкое сопротивление летающего крыла делают его очевидным проектом для этой роли. Его крыло моноплана с большой хордой было включено в обычный Junkers J 1 в декабре 1915 года. В 1919 году он начал работу над своим проектом «Гигант» JG1, предназначенным для размещения пассажиров внутри толстого крыла, но два года спустя Союзная авиационная контрольная комиссия приказала уничтожить незавершенный JG1 за превышение послевоенных ограничений по размеру для немецких самолетов. Юнкерс задумал футуристические летающие крылья для перевозки до 1000 пассажиров; Ближе всего к реализации это было в 1931 году в 34-местном авиалайнере Junkers G.38 Grossflugzeug , который отличался большим крылом с толстой хордой, обеспечивающим пространство для топлива, двигателей и двух пассажирских салонов. Однако ему все еще требовался короткий фюзеляж для размещения экипажа и дополнительных пассажиров.
Советский Борис Иванович Черановский начал испытывать бесхвостые планеры с летающим крылом в 1924 году. После 1920-х годов советские конструкторы, такие как Черановский, работали независимо и тайно под руководством Сталина . [7] Благодаря значительному прорыву в материалах и методах строительства, стали возможны такие самолеты, как БИЧ-3 , [8] БИЧ-14 , БИЧ-7А . Такие люди, как Чижевский и Антонов, также попали в центр внимания Коммунистической партии, спроектировав такие самолеты, как бесхвостый БОК-5 [9] (Чижевский) и ОКА-33 [10] (первый, когда-либо построенный Антоновым), которые были обозначены как «моторизованные планеры» из-за их сходства с популярными планерами того времени. БИЧ-11, разработанный Черановским в 1932 году [11] , соревновался с планерами братьев Хортен H1 и Адольфа Галланда на Девятых соревнованиях по планеризму в 1933 году, но не демонстрировался на летних Олимпийских играх 1936 года в Берлине.
В Германии Александр Липпиш сначала работал над бесхвостыми типами, прежде чем постепенно перейти к летающим крыльям, в то время как братья Хортен разработали серию планеров с летающим крылом в 1930-х годах. Планер H1 был запущен с частичным успехом в 1933 году, а последующий H2 успешно летал как в планере, так и в моторном варианте. [12]
В Соединенных Штатах , начиная с 1930-х годов, Джек Нортроп независимо работал над своими собственными проектами. Northrop N-1M , масштабный прототип дальнего бомбардировщика, впервые поднялся в воздух в 1940 году. В 1941 году Northrop получил контракт на разработку двух образцов YB-35 «летающее крыло», очень большого 4-моторного «летающего крыла» с размахом 172 фута. Разработка и строительство этого самолета продолжались в течение всей Второй мировой войны. [13] [14]
Другие примеры настоящих летающих крыльев 1930-х годов включают планер AV3 француза Шарля Фовеля 1933 года и американский планер Freel Flying Wing, полетевший в 1937 году . [15] с самостабилизирующимся аэродинамическим профилем на прямом крыле. [ требуется ссылка ]
Во время Второй мировой войны аэродинамические проблемы стали достаточно понятны для начала работы над рядом прототипов, представляющих собой производство. В нацистской Германии братья Хортен были ярыми сторонниками конфигурации летающего крыла, разрабатывая свои собственные конструкции вокруг нее - уникально для того времени, используя птичье "колоколообразное распределение подъемной силы" Прандтля. [16] Одним из таких самолетов, которые они произвели, был планер Хортен H.IV , который производился в небольших количествах между 1941 и 1943 годами. [17] Несколько других немецких военных проектов конца войны были основаны на концепции летающего крыла или ее вариациях в качестве предлагаемого решения для увеличения дальности полета самолетов с очень малой дальностью полета, оснащенных ранними реактивными двигателями .
Прототип реактивного истребителя Horten Ho 229 впервые поднялся в воздух в 1944 году. [18] Он объединил конструкцию летающего крыла, или Nurflügel , с парой реактивных двигателей Junkers Jumo 004 во втором, или «V2» (V от Versuch ), прототипе планера; таким образом, это был первый в мире чисто летающее крыло, оснащенное двумя реактивными двигателями , первый полет которого, как сообщается, состоялся в марте 1944 года. V2 пилотировал Эрвин Циллер, который погиб, когда срыв пламени в одном из двигателей привел к аварии. Планировалось производить этот тип как Gotha Go 229 на завершающих этапах конфликта. Несмотря на намерения разработать Go 229 и улучшенный Go P.60 для нескольких ролей, в том числе в качестве ночного истребителя , ни один построенный Gotha Go 229 или P.60 так и не был завершен. Неиспользованный, почти завершенный сохранившийся «V3», или третий прототип, был захвачен американскими войсками и отправлен обратно для изучения; в итоге он оказался на хранении в Смитсоновском институте . [19] [20]
Союзники также добились нескольких важных достижений в этой области, используя обычное эллиптическое распределение подъемной силы с вертикальными хвостовыми поверхностями. В декабре 1942 года Northrop летал на N-9M , опытном самолете в масштабе одна треть для предполагаемого дальнего бомбардировщика; [21] было произведено несколько экземпляров, все, кроме одного, были списаны после прекращения программы бомбардировщиков. [22] В Великобритании во время войны летал планер Baynes Bat ; это был экспериментальный самолет в масштабе одна треть, предназначенный для проверки конфигурации для потенциального преобразования танков во временные планеры . [23]
British Armstrong Whitworth AW52 G 1944 года был испытательным стендом планера для предлагаемого большого авиалайнера с летающим крылом, способного обслуживать трансатлантические маршруты. [24] [25] Позднее за AW52G последовал Armstrong Whitworth AW52 , цельнометаллическая модель с реактивным двигателем, способная развивать высокие скорости для той эпохи; большое внимание уделялось ламинарному потоку . [25] [26] Первый полет AW52 состоялся 13 ноября 1947 года, и он дал неутешительные результаты; первый прототип разбился без человеческих жертв 30 мая 1949 года, что стало первым случаем аварийного использования катапультируемого кресла британским пилотом. Второй AW52 оставался в эксплуатации в Королевском авиационном управлении до 1954 года . [25]
Проекты продолжали изучать летающее крыло в послевоенную эпоху. Работа над дальним бомбардировщиком YB-35 , начатая в 1941 году, продолжалась на протяжении всей войны, предсерийные машины летали в 1946 году. Это было заменено в следующем году преобразованием типа в реактивный двигатель как YB-49 1947 года.
Первоначально эта конструкция не обеспечивала большого преимущества в дальности по сравнению с более медленными поршневыми бомбардировщиками, в первую очередь из-за высокого расхода топлива ранних турбореактивных двигателей, однако она проложила новые пути в скорости для большого самолета.
9 февраля 1949 года он был перелетен с авиабазы Эдвардс в Калифорнии на авиабазу Эндрюс недалеко от Вашингтона, округ Колумбия, для демонстрации воздушной мощи президента Гарри Трумэна. Полет был совершен за четыре часа и 20 минут, установив трансконтинентальный рекорд скорости. [27] У YB-49 были некоторые незначительные проблемы с боковой устойчивостью, которые были исправлены новой системой автопилота, когда бомбардировочная версия была отменена в пользу гораздо более крупного, но более медленного B-36. Разведывательная версия продолжала разрабатываться в течение некоторого времени, но самолет не был запущен в производство.
В Советском Союзе БИЧ-26 стал одной из первых попыток создания сверхзвукового реактивного самолета с летающим крылом в 1948 году; [28] авиационный автор Билл Ганстон назвал БИЧ-26 опередившим свое время. [29] Однако самолет не был принят советскими военными, и проект умер вместе с Черановским.
Несколько других стран также решили заняться проектами летающего крыла. Турция была одной из таких стран, Turk Hava Kurumu Ucak Fabrikasi производила бесхвостый планер THK-13 в 1948 году. [30] [31] Несколько британских производителей также исследовали эту концепцию в то время. Ранние предложения по Avro Vulcan , стратегическому бомбардировщику с ядерным вооружением , разработанному Роем Чедвиком , также исследовали несколько схем летающего крыла, хотя окончательный проект имел фюзеляж. [32]
Постоянно существует интерес к летающему крылу для крупных транспортных задач для грузов или пассажиров. Boeing , McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth провели проектные исследования авиалайнеров с летающим крылом ; однако, ни один такой авиалайнер еще не был построен. [25]
После появления сверхзвуковых самолетов в 1950-х годах интерес военных к летающему крылу быстро угас, поскольку концепция толстого крыла, вмещающего экипаж и оборудование, напрямую противоречила идее оптимального тонкого крыла для сверхзвукового полета.
Интерес к летающим крыльям возобновился в 1980-х годах из-за их потенциально низкого сечения отражения радара . Технология Stealth основана на формах, которые отражают радиолокационные волны только в определенных направлениях, что делает самолет труднообнаружимым, если только приемник радара не находится в определенном положении относительно самолета — положении, которое постоянно меняется по мере движения самолета. [33] Этот подход в конечном итоге привел к созданию Northrop Grumman B-2 Spirit , бомбардировщика- невидимки с летающим крылом . [34] [35] В этом случае аэродинамические преимущества летающего крыла не являются основными причинами принятия конструкции. Однако современные системы управления по проводам с компьютерным управлением позволяют свести к минимуму многие аэродинамические недостатки летающего крыла, что делает его эффективным и эффективно устойчивым бомбардировщиком дальнего действия. [36] [37]
Из-за практической необходимости в глубоком крыле концепция летающего крыла в основном принята для дозвуковых самолетов . Существует постоянный интерес к использованию его в роли большого транспорта, где крыло достаточно глубокое, чтобы вмещать груз или пассажиров. Ряд компаний, включая Boeing , McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth , провели проектные исследования авиалайнеров с летающим крылом на сегодняшний день; однако, [25] ни один такой авиалайнер еще не был построен по состоянию на 2023 год. [ необходима цитата ]
Двунаправленное летающее крыло — это концепция изменяемой геометрии, включающая в себя длинное дозвуковое крыло и короткое сверхзвуковое крыло, соединенные в форме неравного креста. Предложенное в 2011 году, низкоскоростное крыло будет иметь толстый, закругленный аэродинамический профиль, способный удерживать полезную нагрузку, и большой размах для высокой эффективности, в то время как высокоскоростное крыло будет иметь тонкий, острый аэродинамический профиль и более короткий размах для низкого сопротивления на сверхзвуковой скорости. Аппарат будет взлетать и приземляться с низкоскоростным крылом поперек воздушного потока, затем поворачиваться на четверть оборота так, чтобы высокоскоростное крыло было обращено к воздушному потоку для сверхзвукового полета. [38] НАСА профинансировало исследование предложения. [39] Утверждается, что конструкция обеспечивает низкое волновое сопротивление, высокую дозвуковую эффективность и уменьшенный звуковой удар.
После окончания Холодной войны было произведено множество беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с летающим крылом. Страны обычно использовали такие платформы для воздушной разведки ; такие БПЛА включают Lockheed Martin RQ-170 Sentinel [40] [41] и Northrop Grumman Tern . [42] [43] Гражданские компании также экспериментировали с БПЛА, такими как Facebook Aquila , в качестве атмосферных спутников . [44] [45] Были произведены различные прототипы беспилотных боевых летательных аппаратов (БПЛА), включая Dassault nEUROn , [46] Sukhoi S-70 Okhotnik-B , [47] DRDO Ghatak , DRDO SWIFT и BAE Systems Taranis . [48]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )ten. H-II И планерная, и моторная версии - (см. рисунки 19 и 20)
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )