.jpg/1280px-Piaggio_P-180_Avanti_Rennes_2010_(cropped).jpg)
Самолет с тремя поверхностями или иногда с тремя подъемными поверхностями имеет носовую часть , центроплан и хвостовое оперение . Центральная поверхность крыла всегда обеспечивает подъемную силу и обычно является самой большой, в то время как функции передней и задней плоскостей могут различаться в зависимости от типа и могут включать подъемную силу, управление и/или устойчивость.
В гражданских самолетах может использоваться трехповерхностная конфигурация для обеспечения характеристик безопасного сваливания и характеристик короткого взлета и посадки (КВП). Утверждается также, что это позволяет минимизировать общую площадь поверхности крыла, уменьшая сопутствующее сопротивление обшивки. В боевых самолетах эта конфигурация также может использоваться для повышения маневренности как до, так и после сваливания, часто в сочетании с векторной тягой .
Раннее обозначение, использовавшееся в 1911 году, было «трехплоскостная система». [1] Проекты Fernic 1920-х годов назывались «тандемами». Хотя на самом деле существуют две несущие поверхности крыла, расположенные тандемно, хвостовое оперение образует третью горизонтальную поверхность.
В годы зарождения авиации ряд самолетов летал как с носовыми, так и с кормовыми вспомогательными поверхностями. Проблема контроля и устойчивости была плохо изучена, и обычно управление тангажем осуществлялось на передней поверхности, а задняя поверхность также поднималась, что приводило к нестабильности тангажа. Кресс Драхенфлигер 1901 года и триплан Дюфо 1908 года не имели достаточной мощности для взлета. Среди наиболее успешных типов были Voisin-Farman I (1907 г.) и Curtiss No. 1 (1909 г.). Братья Райт тоже экспериментировали с базовой конструкцией флаера, стремясь добиться как управляемости, так и устойчивости, летая на нем в разное время сначала в «утке», затем в трех надводных и, наконец, в обычных конфигурациях. [2] [3] К началу Первой мировой войны в 1914 году основное крыло с меньшей задней поверхностью хвостового оперения стало обычной конфигурацией, и в течение многих лет летали несколько трех типов поверхности. Оба самолета Fokker V.8 1917 года и Caproni Ca.60 Noviplano 1921 года потерпели неудачу.
.jpg/1280px-Triplane_%22Molniya%22._(10221510626).jpg)
В 1920-х годах Джордж Ферник разработал идею двух тандемных несущих поверхностей вместе с обычным хвостовым оперением. Небольшой носовой самолет был сильно нагружен, и по мере увеличения угла атаки он был спроектирован так, чтобы сваливаться первым, вызывая опускание носовой части и позволяя самолету безопасно восстанавливаться без сваливания основного крыла. Это «мягкое» стойло обеспечивает уровень безопасности в стойле, который обычно не присутствует в обычных конструкциях. Fernic T-9 , трехпланный моноплан, поднялся в воздух в 1929 году. Ферник погиб в результате несчастного случая во время полета на своем преемнике FT-10 Cruisaire. [4]
Такого мягкого сваливания можно добиться с помощью чистой конструкции «утка» , но тогда будет трудно контролировать качку, и могут возникнуть колебания, поскольку носовая часть самолета неоднократно поднимает нос, сваливается и возвращается в исходное положение. Кроме того, при проектировании необходимо соблюдать осторожность, чтобы турбулентный след от заглохшей носовой части сам по себе не нарушал воздушный поток над основным крылом в достаточной степени, чтобы вызвать значительную потерю подъемной силы и нейтрализовать момент кабрирования при пикировании. В трехповерхностной схеме третья, хвостовая, не сваливается и обеспечивает лучшую управляемость. [ нужна цитата ]
В 1950-х годах Джеймс Робертсон разработал свой экспериментальный Skyshark. Это была в целом традиционная конструкция, но с множеством особенностей, включая небольшую носовую часть с уткой, призванную обеспечить не только безопасное сваливание, но и хорошие характеристики короткого взлета и посадки (КВП). Носовая часть самолета позволила достичь характеристик взлета и посадки без больших углов атаки и сопутствующей опасности сваливания, требуемой обычными конструкциями взлета и посадки. Самолет прошел оценку армии США. [5] Система Робертсона была коммерциализирована как Wren 460 , модифицированный легкий самолет Cessna. Позже он, в свою очередь, был лицензирован и производился в 1980-х годах как Peterson 260SE , а с передней частью только как 230SE. В 2006 году в производство поступил усиленный вариант Peterson Katmai . Во многом аналогичный подход использован в Eagle-XTS 1988 года [6] и его производных, серии Eagle 150 .
Примерно в 1979 году конструкторы военных реактивных самолетов начали изучать трехповерхностную конфигурацию как способ обеспечить повышенную маневренность и управляемость, особенно на низких скоростях и больших углах атаки, например, во время взлета и боя. [7] В Соединенных Штатах экспериментальный Grumman X-29 поднялся в воздух в 1984 году и модифицированный McDonnell Douglas F-15 , F-15 STOL/MTD , в 1988 году, но эти проекты не получили дальнейшего развития. В Советском Союзе Су -27 , модифицированный носовой частью «утка», поднялся в воздух в 1985 году [8], и производные от этой конструкции стали единственными военными трехпалубными самолетами, поступившими в производство.
.jpg/1280px-Scaled_Composites_Triumph_(N143SC).jpg)
Также в 1979 году Piaggio начала исследования по проектированию гражданского двухместного турбовинтового самолета с тремя поверхностями, который в сотрудничестве с Learjet стал называться Piaggio P.180 Avanti . Этот тип впервые поднялся в воздух в 1986 году и поступил на вооружение в 1990 году, производство продолжается и сегодня. Утверждается, что в Avanti конфигурация с тремя поверхностями значительно уменьшает размер, вес и сопротивление крыла по сравнению с традиционным эквивалентом. [9]
Два экспериментальных самолета, принявших эту конфигурацию, были впоследствии построены компанией Scaled Composites под руководством Берта Рутана и совершили полет в 1988 году. Triumph представлял собой очень легкий реактивный самолет с двумя турбовентиляторными двигателями, разработанный для Beechcraft . Летные испытания подтвердили целевой диапазон характеристик. [10] [11] Catbird был одномоторным винтовым самолетом, задуманным Рутаном как замена Beechcraft Bonanza . Ему принадлежит мировой рекорд скорости по замкнутому кругу на расстояние 5000 км (3100 миль) без полезной нагрузки 334,44 км/ч (207,81 миль в час), установленный в 2014 году .
Некоторые современные реактивные самолеты имеют конфигурацию с тремя поверхностями, часто в сочетании с управлением вектором тяги . Обычно это предназначено для улучшения управления и маневренности, особенно на очень больших углах атаки за пределами точки сваливания основного крыла. Некоторые сложные боевые маневры, такие как «Кобра Пугачева» и «Кульбит», впервые были выполнены на самолетах Сухого с тремя поверхностями.
Экспериментальный Grumman X-29 имел базовую конфигурацию «утка» с расположением хвоста вперед, с крыльями необычной стреловидности вперед и полосами, идущими назад от корней основных крыльев. Подвижные закрылки на концах ремней фактически создавали трехповерхностную конструкцию. [13] X-29 продемонстрировал исключительную маневренность при атаке под большим углом. [14]
Более простая конструкция с тремя поверхностями наблюдается в нескольких вариантах обычного Су-27 . После успешного добавления носовых самолетов «утка» к опытному самолету они были включены в ряд последующих серийных вариантов, включая военно-морской Су-33 (Су-27К), некоторые Су-30, Су-35 и Су-37. Китайский Shenyang J-15 также наследует конфигурацию Су-33.
McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD представлял собой планер F-15, модифицированный носовой частью «утка» и системой управления вектором тяги, предназначенный для демонстрации этих технологий как для характеристик взлета и посадки, так и для высокой маневренности.
Утверждается, что конфигурация с тремя поверхностями уменьшает общую площадь аэродинамической поверхности по сравнению с обычной конфигурацией и конфигурацией «утка», [9] [15] , что позволяет снизить сопротивление и вес.
На большинстве самолетов центр давления крыла перемещается вперед и назад в зависимости от условий полета. Если он не совпадает с центром тяжести , необходимо применить корректирующую или триммирующую силу, чтобы предотвратить качку самолета и, таким образом, сохранить равновесие. [16]
На обычном самолете эта сила балансировки по тангажу применяется хвостовым оперением . Во многих современных конструкциях центр давления крыла обычно находится позади центра тяжести, поэтому хвостовое оперение должно оказывать направленную вниз силу. [17] Любая такая отрицательная подъемная сила, создаваемая хвостом, должна компенсироваться дополнительной подъемной силой основного крыла, что увеличивает требования к площади крыла, лобовому сопротивлению и весу.
На самолете с тремя поверхностями силы балансировки по тангажу при необходимости в полете могут распределяться между носовой частью и хвостовым оперением. Равновесие может быть достигнуто за счет подъемной силы носовой части, а не прижимной силы хвостового оперения. Оба эффекта, уменьшенная прижимная сила и дополнительная подъемная сила, уменьшают нагрузку на основное крыло.
Piaggio P.180 Avanti имеет закрылки как на переднем, так и на основном крыле. Оба закрылка раскрываются одновременно для поддержания нейтрального тангажа при взлете и посадке. [9]
На самолете-утке , чтобы обеспечить естественную статическую устойчивость по тангажу в нормальном полете, носовая часть должна обеспечивать подъемную силу. Кроме того, для того, чтобы самолет имел характеристики безопасного сваливания , передняя часть самолета должна свалиться перед основным крылом, наклоняя самолет вниз и позволяя ему восстановиться. Это означает, что на основной площади крыла необходимо использовать запас прочности, чтобы на практике никогда не достигались максимальный коэффициент подъемной силы и нагрузка на крыло. Это, в свою очередь, означает, что основное крыло необходимо увеличить в размерах.
На трехплановом самолете хвостовое оперение выполняет роль обычного горизонтального стабилизатора . В состоянии сваливания, даже если основное крыло заглохло, хвостовое оперение может создать момент тангажа и обеспечить выход. Таким образом, крыло можно использовать до максимального коэффициента подъемной силы, что может привести к уменьшению его площади и веса.
Подъемная носовая часть расположена впереди центра тяжести, поэтому ее подъемный момент действует в том же направлении, что и любое движение по тангажу. Если самолет должен быть естественно устойчивым, размер носовой части, наклон подъемной силы и плечо момента должны быть выбраны так, чтобы они не преобладали над стабилизирующим моментом, создаваемым крылом и хвостовым оперением. Таким образом, ограничения устойчивости ограничивают объем носовой части самолета (показатель ее эффективности с точки зрения дифферента и устойчивости), что, в свою очередь, может ограничивать его способность распределять усилия балансировки по тангажу, как описано выше.
Минимальный размер подъемных крыльев самолета определяется: весом самолета, силой, необходимой для противодействия отрицательной подъемной силе, создаваемой горизонтальным стабилизатором, заданными скоростями взлета и посадки, а также коэффициентом подъемной силы крыльев. .
В большинстве современных самолетов на основном крыле используются закрылки задней кромки для увеличения коэффициента подъемной силы крыла при взлете и посадке; таким образом позволяя крылу быть меньше, чем нужно было бы в противном случае. Это может уменьшить вес крыла и всегда уменьшает площадь поверхности крыла. Уменьшение площади поверхности пропорционально снижает сопротивление обшивки на всех скоростях.
Недостатком использования закрылков с задней кромкой является то, что при использовании они создают значительный отрицательный момент тангажа. Чтобы сбалансировать этот момент тангажа, горизонтальный стабилизатор должен быть несколько больше, чем он был бы в противном случае, чтобы он мог создавать достаточную силу для уравновешивания отрицательного момента тангажа, создаваемого закрылками задней кромки. Это, в свою очередь, означает, что основное крыло должно быть несколько больше, чем в противном случае, чтобы уравновешивать большую отрицательную подъемную силу, создаваемую более крупным горизонтальным стабилизатором.
На самолете-утке носовая часть может обеспечивать положительную подъемную силу при взлете, частично уменьшая прижимную силу, которую в противном случае пришлось бы создавать заднему стабилизатору. Однако основное крыло должно быть достаточно большим, чтобы не только поднять оставшийся вес самолета при взлете, но и обеспечить достаточный запас безопасности для предотвращения сваливания. В самолете с тремя поверхностями ни один из этих недостатков отсутствует, и основное крыло можно уменьшить в размерах, что также уменьшит вес и сопротивление. Утверждается, что общая площадь всех поверхностей крыла самолета с тремя поверхностями может быть меньше, чем у эквивалентного самолета с двумя поверхностями, что снижает как вес, так и сопротивление.
Минимальная площадь в крейсерском режиме может быть дополнительно уменьшена за счет использования обычных устройств подъемной силы, таких как закрылки, что позволяет конструкции с тремя поверхностями иметь минимальную площадь поверхности во всех точках зоны полета. [9]
Примеры самолетов с тремя поверхностями уменьшенной площади включают Piaggio P.180 Avanti , а также Scaled Composites Triumph и Catbird . Эти самолеты были спроектированы так, чтобы подвергать воздействию встречного потока минимальную общую площадь поверхности; [ нужна цитация ], тем самым уменьшая сопротивление поверхности для повышения скорости и топливной экономичности. В нескольких обзорах сравнивается максимальная скорость и практический потолок Avanti с реактивными самолетами более низкого уровня и отмечается значительно лучшая топливная экономичность на крейсерской скорости. [18] [19] Пьяджио отчасти объясняет такие характеристики компоновкой самолета, утверждая, что общая площадь крыла уменьшена на 34% по сравнению с традиционной компоновкой. [9] [15]
Когда органы управления установлены так, что результирующие силы и моменты вокруг центра тяжести равны нулю, говорят, что самолет находится в балансировке , что просто означает статическое равновесие.