Серповидное крыло — это конфигурация самолета с фиксированным крылом, в которой стреловидное крыло имеет больший угол стреловидности на внутренней части, чем на внешней, что придает крылу форму серпа.
Форма плана направлена на уменьшение нескольких неприятных побочных эффектов конструкции стреловидного крыла, в частности, его тенденции к « задиранию тангажа », иногда резкому, когда он приближается к сваливанию .
Когда самолет входит в трансзвуковую область, близкую к скорости звука , ускорение воздуха на искривленных участках может привести к тому, что поток станет сверхзвуковым . Это создает ударную волну и создает значительное сопротивление , известное как волновое сопротивление . Увеличение сопротивления настолько быстрое и мощное, что оно порождает концепцию звукового барьера .
Скорость, при которой этот эффект становится заметным, известная как критическое число Маха , основана на скорости кривизны на верхней и нижней поверхностях; аэродинамические профили с большей кривизной будут иметь более низкую критическую скорость Маха и, таким образом, сильнее страдать от волнового сопротивления. Крыло, разработанное для хороших трансзвуковых и сверхзвуковых характеристик, должно распространять кривизну крыла на большее расстояние. Это, естественно, приводит к тонким, длиннохордным конструкциям с низким удлинением, таким как крыло на Lockheed F-104 Starfighter . Такие конструкции страдают от гораздо большего индуктивного сопротивления , что делает их менее эффективными на более низких скоростях. У них также есть практические недостатки, в частности, нехватка места для топлива и хранения шасси .
Стреловидные крылья — это способ снизить величину эффективной кривизны крыла без использования более длинной физической хорды . Вместо того, чтобы напрямую соответствовать кривизне передней кромки , стреловидность крыла удлиняет путь воздушного потока над крылом на синус угла стреловидности, увеличивая эффективную хорду. Это позволяет более толстому крылу иметь тот же критический Маха, что и более тонкая нестреловидная конструкция. Большинство трансзвуковых конструкций используют стреловидность по этой причине, что позволяет им использовать крыло, которое достаточно толстое для практического внутреннего хранения без значительного штрафа за волновое сопротивление.
В реальных конструкциях корень крыла , где крыло встречается с фюзеляжем, толще, чем законцовка крыла . Это связано с тем, что лонжерон крыла должен выдерживать силы от всего крыла снаружи, то есть на лонжерон на кончике действует очень малая сила, а подъемная сила всего крыла на корне. Лонжероны обычно становятся намного больше по мере приближения к корню, чтобы учесть эти силы, и обтекание профиля крыла вокруг таких конструкций обычно требует, чтобы крыло было намного толще и было сильнее изогнуто у корня, чем на кончике.
Если кто-то хочет сохранить критическое число Маха близким к постоянному в такой конструкции, более тонкие внешние секции крыла должны иметь меньшую стреловидность, чем более толстая корневая часть. Формирование крыла для включения постоянного критического числа Маха вдоль размаха естественным образом придает ему форму полумесяца. Конструкция имеет два дополнительных преимущества, которые связаны друг с другом. Сочетание этих эффектов позволяет крылу полумесяца иметь лучшие характеристики управляемости в более широком диапазоне скоростей.
Когда воздух обтекает стреловидное крыло, он сталкивается с силой, направленной к кончику крыла. На высоких скоростях эта сила слишком мала, чтобы оказать влияние до того, как воздух пройдет мимо крыла. На более низких скоростях это боковое движение становится более очевидным, и по мере того, как боковое движение толкает воздух снаружи него, этот поток по размаху становится все более и более заметным по направлению к кончикам крыла. На очень низких скоростях поток может стать настолько боковым, что поток спереди назад, который и создает подъемную силу, больше не превышает скорость сваливания аэродинамического профиля, и кончики крыла могут сваливаться. Поскольку стреловидность означает, что кончики находятся позади центра тяжести , эта потеря подъемной силы в задней части самолета вызывает силу, поднимающую нос, которая может вызвать дальнейшее сваливание. Может возникнуть опасный эффект разгона, известный как подъем тангажа .
Крыло в форме полумесяца уменьшает эту проблему. Поскольку угол стреловидности на конце меньше, чем на корне, боковая сила уменьшается. Если рассматривать по всей ширине крыла, это может значительно уменьшить поток по размаху и, таким образом, снизить скорости, при которых происходит срыв потока на концах. Более того, даже когда происходит срыв потока на концах крыла, они расположены более спереди, чем в случае прямого стреловидного крыла. Это означает, что потеря подъемной силы происходит ближе к центру тяжести, и, таким образом, уменьшается величина сил тангажа. [1]
На противоположном конце диапазона скоростей в игру вступает другой эффект. Когда крыло нагружается, оно изгибается вверх. В случае стреловидного крыла, поскольку эти нагрузки находятся позади средней хорды, эта направленная вверх сила становится крутящим моментом вокруг лонжерона, заставляя кончики вращаться кончиками вниз. Это снижает величину подъемной силы на кончиках, поскольку они становятся более плоскими к воздушному потоку, или «вымываются» . Это вызывает ту же силу подъема носа, что и в случае низкой скорости, а на высоких скоростях задействованные силы могут быть очень большими и приводить к структурным проблемам. Опять же, поскольку кончики серповидного крыла находятся ближе к центру давления, эти силы уменьшаются. [1]
Элероны , расположенные на концах крыла, также создают большую крутящую силу при приведении в действие. Это может вызвать проблему, известную как реверс элеронов , когда крутящее движение всего крыла приводит к приложению противоположной силы. Эта проблема была хорошо известна на Supermarine Spitfire и требовала значительного усиления его крыла для противодействия этому эффекту. В случае серповидного крыла этот эффект не более и не менее выражен, чем на других конструкциях. Однако он устанавливает минимальное требование к прочности на кручение, которое может быть выше, чем было бы необходимо в противном случае из-за снижения маневренных нагрузок серповидной формой, таким образом потенциально компенсируя это преимущество. [2]
Способность к самовыравниванию, часто упоминаемая в обсуждениях Handley Page Victor , не присуща крылу с серповидным расположением хвоста, но может возникнуть на любом самолете с высоким хвостом и некоторой стреловидностью крыла. Этот эффект вызван тем, что крыло входит в эффект земли раньше хвоста, который установлен высоко в случае с Т-образным хвостом. Это создает кратковременный период дополнительной подъемной силы на крыле, которому не противодействует хвост, заставляя нос подниматься. Это вращение прекращается, как только самолет опускается достаточно низко, чтобы хвост также начал входить в эффект земли. [2]
Крыло в форме полумесяца было изобретено немецкими аэродинамиками, дипломированным инженером Рюдигером Косиным и Вальтером Леманном во время работы на Arado Flugzeugwerke Gmbh во время Второй мировой войны. Прототип крыла был построен к апрелю 1945 года с намерением установить его на прототип планера самолета Arado Ar 234 V16. Однако, прежде чем его удалось установить, британская армия захватила место, и крыло было уничтожено.
Конструкторский состав британской авиастроительной компании Handley Page , среди сотрудников которой был инженер Густав Лахманн , был отправлен в Германию, где они были впечатлены работой Arado. Впоследствии они включили конфигурацию в свое предложение по бомбардировщику HP.80 V, который позже получил название Victor .
Хэндли Пейдж предложил исследовательский планер в масштабе одной трети, HP.87, но вскоре отказался от него в пользу исследовательского самолета с двигателем, HP.88 с крылом в масштабе 0,36. HP.88 впервые поднялся в воздух 21 июня 1951 года. За время своей короткой карьеры он проявил тенденцию к колебаниям по тангажу, и 26 августа 1951 года это стало происходить все более и более интенсивно, прежде чем самолет развалился в воздухе.
К тому времени конструкция Victor уже была достаточно продвинутой: первый прототип поднялся в воздух 24 декабря 1952 года, а серийные образцы поступили в эксплуатацию в апреле 1958 года. Проблема, обнаруженная на HP.88, в конечном итоге была связана с сервомеханизмом на хвостовом управлении, а не с проблемой, присущей компоновке бомбардировщика.
Тем временем во Франции компания Bréguet предложила проект Br.978A для авиалайнера с серповидным крылом, который они назвали «круассаном». Проект не был построен. [3] Эта же компоновка была выбрана для Supermarine 545 , сверхзвуковой версии Supermarine Swift , но она не была запущена в производство.
Ранние версии Avro Vulcan имели прямые передние кромки, и это вызывало проблемы на высоких околозвуковых скоростях. Это включало расширения на передней кромке, которые давали внутренним частям меньшую стреловидность. Результатом стала пересмотренная компоновка крыла, которая по сути является дельта-версией серповидного крыла.
Victor был единственным типом с серповидным крылом, запущенным в производство. Он служил в Королевских ВВС много лет, выполняя различные функции помимо бомбардировщика, в том числе в качестве дозаправщика в воздухе во время Фолклендской войны .
Профиль и форма серповидного крыла подверглись значительной доработке и изменениям на ранних этапах разработки, в частности, для устранения неблагоприятного поведения самолета по тангажу в полете.
Во время летных испытаний первого прототипа Victor доказал свои аэродинамические характеристики, поднявшись до скорости 0,98 Маха без проблем с управлением или тряской; между прототипом и серийным самолетом не было практически никаких аэродинамических изменений. Серийный самолет отличался автоматизированной работой носового закрылка, чтобы противодействовать тенденции самолета к задиранию вверх при низких и средних числах Маха. Одной из необычных летных характеристик раннего Victor была его способность к самостоятельной посадке; после выравнивания с взлетно-посадочной полосой самолет естественным образом разворачивался , когда крыло входило в эффект земли , в то время как хвост продолжал опускаться, обеспечивая мягкую посадку без какой-либо команды или вмешательства со стороны пилота. [4] [5]
Victor имел хорошую управляемость и превосходные летные характеристики, а также благоприятные характеристики полета на малых скоростях и был описан как маневренный самолет, нетипичный для большого бомбардировщика; в 1958 году Victor выполнил несколько петель и бочку во время тренировок для показательного полета на авиашоу в Фарнборо . [6]
Victor был разработан для полета на высоких дозвуковых скоростях, хотя имели место многочисленные случаи, когда звуковой барьер был преодолен. [7]