.jpg/1280px-Piaggio_P-180_Avanti_Rennes_2010_(cropped).jpg)
Трехплоскостной самолет или иногда трехподъёмный самолет имеет переднюю плоскость , центральное крыло и хвостовое оперение . Центральная поверхность крыла всегда обеспечивает подъёмную силу и обычно является самой большой, в то время как функции передней и задней плоскостей могут различаться в зависимости от типа и могут включать подъёмную силу, управление и/или устойчивость.
В гражданских самолетах конфигурация из трех поверхностей может использоваться для обеспечения безопасных характеристик сваливания и характеристик короткого взлета и посадки (STOL). Также утверждается, что она 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, используемое в 1911 году, было «система из трех плоскостей». [1] Проекты Fernic 1920-х годов назывались «тандемными». Хотя на самом деле есть две несущие поверхности крыла, расположенные тандемом, хвостовое оперение образует третью горизонтальную поверхность.
В первые годы авиации ряд самолетов летали как с передними, так и с задними вспомогательными поверхностями. Проблема управления и устойчивости была плохо изучена, и обычно управление по тангажу осуществлялось на передней поверхности, а задняя поверхность также поднималась, что приводило к неустойчивости по тангажу. Kress Drachenflieger 1901 года и триплан Dufaux 1908 года имели недостаточную мощность для взлета. Более успешными типами были Voisin-Farman I (1907) и Curtiss No. 1 (1909). Братья Райт также экспериментировали с базовой конструкцией Flyer, пытаясь получить как управляемость, так и устойчивость, летая на нем в разное время сначала в конфигурации «утка», затем в трехповерхностной и, наконец, в обычной конфигурации. [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 летало несколько трехповерхностных типов. Fokker V.8 1917 года и Caproni Ca.60 Noviplano 1921 года оба оказались неудачными.
.jpg/1280px-Triplane_%22Molniya%22._(10221510626).jpg)
В 1920-х годах Джордж Ферник разработал идею двух несущих поверхностей в тандеме вместе с обычным хвостовым оперением. Небольшой носовой самолет был сильно загружен, и по мере увеличения угла атаки он был спроектирован так, чтобы сваливаться первым, заставляя нос опускаться и позволяя самолету безопасно восстанавливаться без сваливания основного крыла. Этот «мягкий» сваливание обеспечивает уровень безопасности при сваливании, который обычно отсутствует в обычных конструкциях. Fernic T-9 , трехплоскостной моноплан, поднялся в воздух в 1929 году. Ферник погиб в результате несчастного случая во время полета на его преемнике FT-10 Cruisaire. [4]
Достичь такого мягкого сваливания можно с помощью чистого дизайна «утка» , но тогда трудно контролировать тангаж, и могут возникнуть колебания, поскольку передний планер многократно поднимает нос, срывается и восстанавливается. Кроме того, при проектировании необходимо позаботиться о том, чтобы турбулентный след от застопорившегося переднего плана сам по себе не нарушал воздушный поток над основным крылом в достаточной степени, чтобы вызвать значительную потерю подъемной силы и нейтрализовать момент тангажа носа вниз. В трехповерхностной конструкции третья, хвостовая поверхность, не срывается и обеспечивает лучшую управляемость. [ необходима цитата ]
В 1950-х годах Джеймс Робертсон разработал свой экспериментальный Skyshark. Это была в целом обычная конструкция, но с различными особенностями, включая небольшой носовой оперение, предназначенный для обеспечения не только безопасного сваливания, но и хороших характеристик короткого взлета и посадки (STOL). Носовой оперение позволяло достигать характеристик STOL без больших углов атаки и сопутствующих опасностей сваливания, требуемых обычными конструкциями STOL. Самолет был оценен армией США. [5] Система Робертсона была коммерциализирована как Wren 460 , модифицированный легкий самолет Cessna. Он, в свою очередь, был позже лицензирован и произведен в 1980-х годах как Peterson 260SE и с модификацией носового оперения только как 230SE. В 2006 году в производство поступила усиленная версия Peterson Katmai . В целом аналогичный подход используется в Eagle-XTS 1988 года [6] и его производных, серии Eagle 150 .
Около 1979 года военные конструкторы реактивных самолетов начали изучать конфигурации с тремя поверхностями как способ обеспечения повышенной маневренности и управления, особенно на низких скоростях и больших углах атаки, таких как во время взлета и боя. [7] В Соединенных Штатах экспериментальный Grumman X-29 полетел в 1984 году, а модифицированный McDonnell Douglas F-15 , F-15 STOL/MTD , в 1988 году, но эти проекты не были продолжены. В Советском Союзе модифицированный Су -27 с носовыми крыльями-утками полетел в 1985 году [8], и производные от этой конструкции стали единственными военными типами с тремя поверхностями, поступившими в производство.
.jpg/1280px-Scaled_Composites_Triumph_(N143SC).jpg)
Также в 1979 году Piaggio начала проектные исследования по гражданскому двухмоторному турбовинтовому самолету с тремя поверхностями, который в сотрудничестве с Learjet появился как Piaggio P.180 Avanti . Этот тип впервые поднялся в воздух в 1986 году и поступил в эксплуатацию в 1990 году, производство продолжается и по сей день. В Avanti конфигурация с тремя поверхностями, как утверждается, значительно уменьшает размер крыла, вес и сопротивление по сравнению с обычным эквивалентом. [9]
Два экспериментальных самолета, принявших эту конфигурацию, были впоследствии построены Scaled Composites под руководством Берта Рутана и подняты в воздух в 1988 году. Triumph был двухтурбинным очень легким реактивным самолетом, разработанным для Beechcraft . Летные испытания подтвердили целевой диапазон производительности. [10] [11] Catbird был одномоторным винтовым самолетом, задуманным Рутаном как замена Beechcraft Bonanza . Он удерживает мировой рекорд скорости по замкнутому контуру в 5000 км (3100 миль) без полезной нагрузки в 334,44 км/ч (207,81 миль/ч) , установленный в 2014 году. [12]
Некоторые современные реактивные самолеты имеют конфигурацию из трех поверхностей, часто в сочетании с вектором тяги . Это обычно предназначено для улучшения управления и маневренности, особенно на очень больших углах атаки за пределами точки сваливания основного крыла. Некоторые современные боевые маневры, такие как «Кобра Пугачева» и «Кульбит», были впервые выполнены на самолетах Сухого с тремя поверхностями.
Экспериментальный Grumman X-29 имел базовую конфигурацию «хвост-вперед» с необычными крыльями с прямой стреловидностью и выступающими назад от корней основного крыла поясами. Подвижные закрылки на концах поясов фактически делали его трехповерхностной конструкцией. [13] X-29 продемонстрировал исключительную маневренность при большом угле атаки. [14]
Более простая конструкция с тремя поверхностями наблюдается в нескольких вариантах в остальном обычного самолета Сухой Су-27 . После успешного добавления носовых рулей-уток к опытному самолету они были включены в ряд последующих серийных вариантов, включая морской Су-33 (Су-27К), некоторые Су-30, Су-35 и Су-37. Китайский Shenyang J-15 также унаследовал конфигурацию Су-33.
McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD — планер самолета F-15, модифицированный передним горизонтальным оперением и вектором тяги, разработанный для демонстрации этих технологий как для характеристик короткого взлета и посадки, так и для высокой маневренности.
Утверждается, что трехповерхностная конфигурация уменьшает общую аэродинамическую площадь поверхности по сравнению с обычной и уткообразной конфигурациями [9] [15] , что позволяет снизить сопротивление и вес.
На большинстве самолетов центр давления крыла перемещается вперед и назад в соответствии с условиями полета. Если он не совпадает с центром тяжести , необходимо применить корректирующую или балансировочную силу, чтобы предотвратить тангаж самолета и, таким образом, сохранить равновесие. [16]
На обычном самолете эта сила балансировки тангажа 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, тем самым увеличивая площадь крыла, сопротивление и требования к весу.
На самолете с тремя поверхностями силы балансировки тангажа могут быть разделены, по мере необходимости в полете, между носовой частью и хвостовым оперением. Равновесие может быть достигнуто подъемной силой носовой части, а не прижимной силой 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 согласованно, чтобы поддерживать нейтральность тангажа при взлете и посадке. [9]
На самолете-утке , чтобы обеспечить естественную статическую устойчивость тангажа в нормальном полете, переднее крыло должно обеспечивать подъемную силу. Кроме того, для того, чтобы самолет имел безопасные характеристики сваливания , переднее крыло должно сваливаться раньше основного крыла, опуская самолет вниз и позволяя самолету восстановиться. Это означает, что запас безопасности должен быть использован на площади основного крыла, чтобы его максимальный коэффициент подъемной силы и нагрузка на крыло никогда не достигались на практике. Это, в свою очередь, означает, что основное крыло должно быть увеличено в размере.
На трехплоскостном самолете хвостовое оперение действует как обычный горизонтальный стабилизатор . В состоянии сваливания, даже если основное крыло сваливается, хвостовое оперение может обеспечить момент тангажа вниз и обеспечить восстановление. Таким образом, крыло может использоваться до максимального коэффициента подъемной силы, преимущество, которое может выражаться в уменьшении его площади и веса.
Подъемный носовой самолет расположен впереди центра тяжести, поэтому его подъемный момент действует в том же направлении, что и любое движение по тангажу. Если самолет должен быть естественно устойчивым, размер носового самолета, наклон подъемной силы и плечо момента должны быть выбраны так, чтобы они не перевешивали стабилизирующий момент, обеспечиваемый крылом и хвостовым оперением. Таким образом, ограничения устойчивости ограничивают объемное отношение носового самолета (меру его эффективности с точки зрения балансировки и устойчивости), что, в свою очередь, может ограничить его способность разделять силы балансировки по тангажу, как описано выше.
Минимальный размер подъемных крыльев самолета определяется: массой самолета, силой, необходимой для противодействия отрицательной подъемной силе, создаваемой горизонтальным стабилизатором, целевыми скоростями взлета и посадки, а также коэффициентом подъемной силы крыльев.
Большинство современных самолетов используют закрылки на задней кромке основного крыла для увеличения коэффициента подъемной силы крыла во время взлета и посадки; таким образом позволяя крылу быть меньше, чем оно должно было бы быть в противном случае. Это может уменьшить вес крыла, и это всегда уменьшает площадь поверхности крыла. Уменьшение площади поверхности пропорционально уменьшает сопротивление обшивки на всех скоростях.
Недостатком использования закрылков задней кромки является то, что они создают значительный отрицательный момент тангажа при использовании. Для того чтобы уравновесить этот момент тангажа, горизонтальный стабилизатор должен быть несколько больше, чем он был бы в противном случае, чтобы он мог производить достаточно силы для уравновешивания отрицательного момента тангажа, создаваемого закрылками задней кромки. Это, в свою очередь, означает, что основное крыло должно быть несколько больше, чем оно должно было бы быть в противном случае, чтобы уравновесить большую отрицательную подъемную силу, создаваемую большим горизонтальным стабилизатором.
На самолете-утке переднее крыло может обеспечить положительную подъемную силу при взлете, уменьшая часть прижимной силы, которую в противном случае должен был бы создать задний стабилизатор. Однако основное крыло должно быть достаточно большим, чтобы не только поднять оставшийся вес самолета при взлете, но и обеспечить достаточный запас прочности для предотвращения сваливания. На самолете с тремя поверхностями ни один из этих недостатков не присутствует, и основное крыло может быть уменьшено в размере, что также снижает 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.
Минимальную площадь в крейсерском режиме можно дополнительно уменьшить за счет использования обычных устройств для увеличения подъемной силы, таких как закрылки, что позволяет конструкции с тремя поверхностями иметь минимальную площадь поверхности во всех точках зоны полета. [9]
Примерами самолетов с уменьшенной площадью трех поверхностей являются Piaggio P.180 Avanti , а также Scaled Composites Triumph и Catbird . Эти самолеты были спроектированы так, чтобы подвергать минимальной общей площади поверхности воздействию скользящего потока; [ требуется ссылка ] тем самым уменьшая поверхностное сопротивление для скорости и топливной эффективности. Несколько обзоров сравнивают максимальную скорость и практический потолок Avanti с показателями более дешевых реактивных самолетов и сообщают о значительно лучшей топливной эффективности на крейсерской скорости. [18] [19] Piaggio отчасти приписывает эту производительность компоновке самолета, заявляя о 34%-ном уменьшении общей площади крыла по сравнению с обычной компоновкой. [9] [15]
Когда органы управления установлены так, что результирующие силы и моменты относительно центра тяжести равны нулю, говорят, что самолет находится в состоянии балансировки , что просто означает статическое равновесие.