Тандемное крыло — это конфигурация крыла , при которой летательный аппарат или животное имеет два или более набора крыльев , расположенных один за другим. Все крылья способствуют подъемной силе .
Тандемное крыло отличается от биплана , в котором крылья расположены друг над другом, или от конфигурации « утка » или конфигурации «хвост вперед», где передняя поверхность намного меньше и не вносит существенного вклада в общую подъемную силу.
В авиации уже давно экспериментируют с тандемными крыльями, но лишь немногие конструкции были запущены в производство.
Тандемные крылья в природе встречаются только у насекомых и летающих рыб, хотя в прошлом существовали летающие рептилии с тандемными крыльями.
Тандемная конфигурация крыла имеет две основные плоскости крыла : одна расположена вперед, а другая сзади. Разница больше хорды крыла, поэтому между ними имеется явный зазор и центр тяжести (ЦТ) самолета находится между крыльями. [1] По сравнению с традиционной компоновкой, где хвостовое оперение оказывает небольшую вертикальную силу или вообще не оказывает ее в крейсерском полете, оба тандемных крыла вносят существенный вклад в подъемную силу.
В базовой тандемной конфигурации используются крылья одинакового размера, расположенные на одной линии друг с другом. Примеры летали успешно, например, планер Пейре 1922 года. Однако заднее крыло обычно размещается либо над, либо под передним крылом, чтобы избежать его турбулентного следа. Одно крыло часто делают немного меньше другого, в зависимости от деталей конструкции. Действительно, не существует четких разделительных линий между обычной и тандемной конфигурациями или между тандемной и «уточной» конфигурациями. [2] Высоко расположенное переднее крыло и низко расположенное заднее крыло также иногда рассматривают как биплан с крайне шахматным расположением и называют бипланом Ненандовича. [3]
Эффекты помех между двумя крыльями могут сделать тандемную компоновку менее эффективной в крейсерском режиме, чем аналогичная традиционная конструкция, однако такие примеры, как Scaled Composites Proteus , способны к исключительной эффективности.
Тандемная компоновка создает «эффект прорези», при котором переднее крыло отклоняет воздух вниз над задним крылом, уменьшая угол атаки (AoA) заднего крыла. При большом угле атаки самолета это приводит к срыву переднего крыла первым, что обеспечивает более безопасный полет на низких скоростях, чем при аналогичной традиционной компоновке. Он также обеспечивает хорошие характеристики взлета и посадки. [1]
Тандемные крылья также использовались на экранопланах , где переднее крыло используется для направления воздуха вниз под заднее крыло, чтобы создать подъемную воздушную подушку.
В тандемном крыле подъемные силы двух крыльев разделены в продольном направлении, что позволяет им действовать вместе для достижения устойчивости, управления и балансировки. Механизмы устойчивости и управления тандемного крыла аналогичны механизмам устойчивости и управления хвостовым оперением или уткой ; различие заключается главным образом в относительном размере передней поверхности. [4]
Однако более высокие доступные силы дифферента по сравнению с меньшим хвостовым оперением или носовой частью означают, что тандемная конструкция может предложить более широкий диапазон условий дифферента и, следовательно, расположения центра тяжести (ЦТ), чем другие компоновки, что может предложить практическое решение, когда вес нагрузки и распределения могут меняться в ходе эксплуатации. Однако широкий диапазон центровок приводит к другим проблемам, включая совместимую компоновку ходовой части и характеристики безопасного сваливания. [1]
Соединенное крыло представляет собой тандемную схему крыла, в которой переднее крыло смещается назад и/или заднее крыло смещается вперед так, что они соединяются на концах или рядом с ними, образуя непрерывную поверхность в форме полого ромба или треугольника. [5] [6] Присоединенное крыло также является примером закрытого крыла .
Ligeti Stratos — редкий экземпляр летательного аппарата. [7]
В традиционной компоновке плечо момента подъемной нагрузки внешней секции велико, и это создает нагрузку на корневую секцию. Однако в тандемной конструкции каждое крыло меньше по размеру и внешняя нагрузка отсутствует. Это позволяет сделать конструкцию крыла в целом легче.
В традиционной конструкции фюзеляж опирается только в одном месте, от него консольно выступают носовая и хвостовая части фюзеляжа. Это создает значительные напряжения изгиба. Тандемное крыло поддерживает один и тот же фюзеляж в двух местах, уменьшая изгибающие напряжения. Однако скручивающие напряжения в центральной части между крыльями больше. [1]
Поскольку конструкция тандемного крыла более компактна, в целом она более жесткая, а это означает, что необходимо делать меньшие допуски на изгиб, а также возможен меньший запас прочности по уровням напряжений, что позволяет еще больше снизить вес и стоимость. [1]
Конфигурация тандемного крыла предшествовала успешным пилотируемым полетам. Еще в пятнадцатом веке Тито Ливио Буррайтни экспериментировал с моделью тандемного крыла. Четыре набора крыльев, соединенных в тандеме, по-разному обеспечивали подъемную силу и движение, а кот Буррайтни стал первым воздухоплавателем, летавшим по тандемной конструкции. [1]
Сэмюэл Пирпонт Лэнгли , также управлявший более простыми тандемными моделями с продольным и продольным размахом размаха до 14 футов (4,3 м), в 1903 году построил полноразмерный моноплан с тандемным крылом Aerodrome и запустил его с крыши плавучего дома. . Лететь не удалось. После его смерти Смитсоновский институт стремился доказать, что он летал за несколько недель до братьев Райт , и нанял успешного авиастроителя Гленна Кертисса , чтобы тайно модифицировать аэродром до тех пор, пока он не сможет летать, в качестве «доказательства» того, что он летал в 1903 году. Кертисс добавил плавает и внес другие улучшения, позволившие ему совершать короткие прыжки как настоящий гидросамолет в 1914 году. Уловка в конечном итоге была раскрыта, однако Смитсоновский институт все еще пытался заявить, что версия 1902 года была «способна летать». Пройдет еще много лет, прежде чем они откажутся. [8]
Несколько пионеров уже давно создали успешные планеры. В 1905 году Джон Дж. Монтгомери управлял тандемным планером-монопланом, подтвердив, что аэродинамический принцип верен.
Полет с двигателем последовал два года спустя. В 1906 году Луи Блерио построил свой третий самолет с тандемными эллиптическими закрытыми крыльями, позже модифицировав его как тип IV с передним крылом, преобразованным в обычный биплан. Но только в следующем году его тип VI , колесный тандемный моноплан, по конфигурации во многом схожий с аэродромом Лэнгли, стал первым самолетом с тандемным крылом, совершившим полет.
Между 1907 и 1911 годами аэродинамические исследования Гюстава Эйфеля показали, что тандемная компоновка по своей сути менее аэродинамически эффективна, чем более традиционная. [4] Используя работу Эйфеля, Стефан Дризевицкий разработал и испытал в аэродинамической трубе устойчивую по своей сути конструкцию тандемного крыла. Затем в конце 1912 года он построил и успешно совершил полет на полноразмерном экземпляре .
Экспериментальные самолеты с тандемным крылом продолжали строиться и после Первой мировой войны.
Прототип летающей лодки Caproni Ca.60 имел длинный пассажирский корпус, к которому были прикреплены тандемно три группы трипланных крыльев от успешной линейки тяжелых бомбардировщиков и авиалайнеров Ca.4 , за что он получил прозвище «Капрониссимо». Однако он распался при первой попытке взлета в 1921 году.
Первым полностью управляемым типом тандемного крыла был построенный во Франции тандемный планер Пейре , который выиграл первые британские соревнования по планерному спорту в 1922 году. Новая система управления Пейре включала полноразмахные поверхности задней кромки на всех четырех крыльях. Они работали попарно с каждой стороны как элероны, попарно вперед и назад как рули высоты и синхронно как закрылки для полета на малой скорости. Система оказалась эффективной и, несмотря на то, что планер был менее эффективным, чем обычные модели с большим удлинением, он оказался более управляемым и маневренным. Это позволило пилоту М. Манейролу дольше остальных оставаться в восходящих потоках. [4] Хотя Пейре продолжал развивать конструкцию как планеров, так и двигателей, они оставались диковинкой.
SFCA продолжил дело Пейре после его смерти, приняв его систему управления . Их Taupin впервые поднялся в воздух в 1933 году. Его конструкция оказалась практичной, и было выпущено около 52 экземпляров.
Тем временем Анри Минье использовал совершенно другой подход к управлению полетом. Его Pou-du-Ciel (летающая блоха) , предназначенный для любителей собирать дома, имел новую двухосную систему управления, облегчающую полет. Никаких элеронов не требовалось, потому что при работе руля направления соединение рыскания и крена гарантировало вхождение самолета в разворот. Для управления тангажем все переднее крыло наклонялось, действуя как руль высоты. Представленный почти в то же время, что и Taupin, он стал повальным увлечением, были построены сотни автомобилей и разработаны его вариации во многих странах. Однако проблемы со стабильностью, связанные с изменяемым передним крылом, могли привести к смертельным авариям в руках начинающего пилота, и этот тип в конечном итоге вышел из моды.
В конце 1930-х годов Морис Деланн работал над конструкциями тандемного крыла. Он предложил истребитель Delanne 10 с передним крылом с чашкой и двумя килями на законцовках низко посаженного и немного более короткого размаха заднего крыла. Сначала он построил два экземпляра меньшего аэродинамического испытательного самолета Delanne 20-T , который поднялся в воздух в 1938 году. Затем Arsenal de l'Aéronautique построил прототип истребителя Arsenal-Delanne 10 . Он был завершен и испытан после вторжения Германии во Францию, а затем был доставлен в Германию для дальнейших испытаний.
Тем временем компания Westland Aircraft рассматривала возможность модификации легкого самолета наблюдения и связи Lysander путем добавления задней артиллерийской башни, чтобы обеспечить некоторую защиту от атак. У «Лизандра» уже было подходящее основное крыло, поэтому, чтобы выдержать вес башни, Вестленд подумал о добавлении заднего крыла типа Деланна. К этому времени военные действия уже начались, но Франция еще не пала. Главный конструктор WEW «Тедди» Петтер и главный летчик-испытатель Харальд Пенроуз вылетели в Париж, где Пенроуз управлял одним из 20-Т и положительно отозвался о его управляемости. [9] Тандем «Лисандр» не был завершен до 1941 года, когда Пенроуз начал испытательные полеты. Хотя он работал безупречно (он писал, что «это был военный прототип, который не нуждался в доработках»), в производство его не запустили. [10]
Джордж Майлз увидел тандем «Лисандр» на авиабазе британских ВВС в Боскомб-Дауне и осознал его потенциал как военно-морского истребителя с коротким размахом и коротким взлетом. Последующий испытательный самолет Miles M.35 Libellula отличался от конструкции Деланна крыльями примерно равного размаха, но задним крылом с более длинной хордой и стреловидностью назад. Хотя проект был отвергнут, он летал достаточно хорошо, чтобы побудить к разработке более крупного M.39B , подкласса испытательного самолета для предлагаемого высокоскоростного бомбардировщика M.39, соответствующего спецификации B.11/41. На этот раз переднее крыло было меньше и располагалось низко, а стреловидное заднее крыло располагалось высоко, а под ним находились сдвоенные мотогондолы. В полетах в 1943 году он показал хорошие результаты, но впоследствии требования к бомбардировщикам были отменены.
После Второй мировой войны интерес вернулся к концепции наклона переднего крыла Летающей Блохи, и, поскольку ее худшие опасности теперь поняты и устранены, дизайнеры продолжили развивать эту идею, как правило, все еще для домашнего строительства. [1]
Curtiss -Wright X-19 1963 года ознаменовал выход на арену вертикального взлета и посадки тандемной конфигурации крыла как квадромоторный конвертоплан с большими наклоняемыми винтами, установленными на каждой законцовке крыла. Для технологий того времени он оказался слишком сложным и ненадежным.
Другие тандемные подходы, такие как Delanne, были в значительной степени забыты, пока Дэвид Локспайзер не задумал свой самолет для освоения земель - недорогой общественный транспорт. Предполагалось использовать три взаимозаменяемых компонента крыла; по одному на левом и правом задних крыльях, а третье переднее крыло установлено по центру под носом. Его прототип LDA-01 поднялся в воздух в 1971 году. Он оказался достаточно успешным, чтобы его можно было запустить в производство, но проект завершился до того, как его удалось модифицировать.
Следующий прорыв в производстве снова произошел на рынке домостроения. Многообещающий дизайнер-индивидуал Берт Рутан работал над маломощным, но очень эффективным самолетом для жилищного строительства. Тандемная компоновка предполагала установку фиксированной ходовой части с низким лобовым сопротивлением за счет размещения основных колес в кожухах на концах переднего крыла и применения углового угла для поднятия фюзеляжа достаточно высоко для установки пропеллера. Высоко расположенное заднее крыло имело компенсирующий двугранный угол. Quickie впервые поднялся в воздух в 1977 году, а в следующем году получил награду EAA за выдающийся новый дизайн в Ошкоше. Он стал популярным, и впоследствии появилось несколько вариантов.
Рутан основал Scaled Composites , и некоторые из более поздних разработок компании также были тандемами.
Несколько отрядов летающих насекомых используют тандемные крылья, каждое из которых имеет свою характерную анатомию и режимы полета.
К насекомым с тандемными взмахами крыльев относятся Odonata ( стрекозы и стрекозы ), чешуекрылые ( бабочки и мотыльки ) и некоторые Thysanoptera или трипсы . Виды Odonata обычно имеют длинные и тонкие крылья и могут синхронизировать взмахи передних и задних пар в различных режимах, что позволяет им быть быстрыми и очень маневренными. Для сравнения, у чешуекрылых более широкие крылья, которые машут синхронно и могут даже перекрываться в полете, и они лучше подходят для полетов на выносливость. Трипсы — более мелкие насекомые, летающие виды имеют относительно жесткие крылья. Из-за своего небольшого размера они создают подъемную силу за счет хлопков и взмахов , а не за счет обычного вихря на передней кромке, как у большинства насекомых.
Многие летающие жуки, такие как божья коровка , имеют передние крылья, которые раскрываются в полете, но не сильно машут. На земле они защищают хрупкие основные и задние крылья, а в воздухе их можно использовать для изменения аэродинамики машущего главного крыла. [12]
Летучие рыбы имеют увеличенные грудные плавники и способны к планирующему полету, но не к махающему полету. Некоторые виды, такие как лентокрылые, также имеют достаточно увеличенные брюшные плавники , расположенные дальше назад вдоль тела, чтобы образовать тандемное расположение.
Микрораптор — род динозавров с тандемными крыльями , возможно, единственный вид. Он известен только по летописи окаменелостей, главным образом в Китае. И передние, и задние конечности были покрыты маховыми перьями, и считается, что он был способен как к полету, так и к планированию. Режим его полета неизвестен.