Серповидное крыло представляет собой конфигурацию самолета с неподвижным крылом, в которой стреловидное крыло имеет больший угол стреловидности на внутренней части, чем на внешней, что придает крылу серповидную форму.
Форма в плане пытается уменьшить несколько неприятных побочных эффектов конструкции стреловидного крыла, в частности, его склонность к « кирпованию », иногда резкому, когда оно приближается к сваливанию .
Когда самолет входит в трансзвуковую область, близкую к скорости звука , ускорение воздуха над искривленными участками может привести к тому, что поток станет сверхзвуковым . Это порождает ударную волну и создает значительное сопротивление , известное как волновое сопротивление . Увеличение сопротивления настолько быстрое и мощное, что порождает концепцию звукового барьера .
Скорость, при которой этот эффект становится заметным, известная как критическое число Маха , основана на скорости кривизны верхней и нижней поверхностей; Профили с большей кривизной будут иметь более низкую критическую скорость Маха и, следовательно, сильнее пострадают от волнового сопротивления. Крыло, рассчитанное на хорошие трансзвуковые и сверхзвуковые характеристики, должно распределять кривизну крыла на большее расстояние. Это, естественно, приводит к созданию тонких конструкций с длинной хордой и малым удлинением, таких как крыло Lockheed F-104 Starfighter . Такие конструкции страдают от гораздо большего индуктивного сопротивления , что делает их менее эффективными на более низких скоростях. У них есть и практические недостатки, в частности, отсутствие места для топлива и хранения шасси .
Стреловидные крылья — это способ уменьшить эффективную кривизну крыла без увеличения физической хорды . Вместо того, чтобы напрямую встречаться с кривизной передней кромки , стреловидность крыла удлиняет путь воздушного потока над крылом на синус угла стреловидности, увеличивая эффективную хорду. Это позволяет более толстому крылу иметь такое же критическое число Маха, как и более тонкое нестреловидное крыло. По этой причине в большинстве трансзвуковых конструкций используется стреловидность, что позволяет им использовать крыло, достаточно толстое для практического внутреннего хранения, не подвергаясь при этом сильному волновому сопротивлению.
В реальных конструкциях основание крыла , где крыло соединяется с фюзеляжем, толще, чем законцовка крыла . Это связано с тем, что лонжерон крыла должен поддерживать силы, исходящие от всего внешнего крыла, а это означает, что на лонжерон на кончике действует очень небольшая сила, но подъемная сила всего крыла у основания. Лонжероны обычно становятся намного больше по мере приближения к основанию, чтобы учитывать эти силы, а для оптимизации профиля крыла вокруг таких конструкций обычно требуется, чтобы крыло было намного толще и было более сильно изогнуто у основания, чем у кончика.
Если кто-то желает сохранить критическое число Маха близким к постоянному в такой конструкции, более тонкие внешние секции крыла должны иметь меньшую стреловидность, чем более толстая корневая часть. Форма крыла, обеспечивающая постоянную критическую скорость Маха по размаху, естественным образом придает ему серповидную форму. Данная конструкция имеет два дополнительных преимущества, связанных друг с другом. Комбинация этих эффектов позволяет серповидному крылу иметь лучшие характеристики управляемости в более широком диапазоне скоростей.
Когда воздух обтекает стреловидное крыло, он сталкивается с силой, направленной к законцовке 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 выталкивает воздух за пределы него, этот поток по размаху становится все более и более заметным по направлению к законцовкам крыла. На очень низких скоростях поток может стать настолько боковым, что поток вперед-назад, который и вызывает подъемную силу, больше не превышает скорость сваливания профиля, и законцовки крыла могут заглохнуть. Поскольку стреловидность означает, что законцовки находятся позади центра тяжести , потеря подъемной силы в задней части самолета вызывает подъем носа, что может привести к дальнейшему сваливанию. Может возникнуть опасный эффект неуправляемого движения, известный как повышение тангажа .
Серповидное крыло уменьшает эту проблему. Поскольку угол стреловидности на кончике меньше, чем у основания, боковая сила уменьшается. Если рассматривать всю ширину крыла, это может значительно уменьшить поток по размаху и тем самым снизить скорости, при которых законцовки срываются. Более того, даже когда законцовки крыла все-таки сваливаются, они расположены дальше вперед, чем в случае с крылом прямой стреловидности. Это означает, что потеря подъемной силы происходит ближе к центру тяжести, и тем самым уменьшается величина сил тангажа. [1]
На противоположном конце диапазона скоростей в игру вступает еще один эффект. Когда крыло нагружено, оно изгибается вверх. В случае стреловидного крыла, поскольку эти нагрузки находятся позади средней хорды, эта направленная вверх сила становится крутящим моментом вокруг лонжерона, заставляя законцовки вращаться кончиками вниз. Это снижает подъемную силу кончиков, поскольку они становятся более плоскими по отношению к потоку воздуха или «вымываются» . Это вызывает ту же силу подъема носа, что и в случае с низкой скоростью, а на высоких скоростях задействованные силы могут быть очень высокими и приводить к структурным проблемам. Опять же, поскольку кончики серповидного крыла приближаются к центру давления, эти силы уменьшаются. [1]
Элероны , расположенные на законцовках крыла, также создают при срабатывании большую крутящую силу. Это может вызвать проблему, известную как реверс элеронов , когда скручивающее движение всего крыла приводит к приложению противоположной силы. Эта проблема была хорошо известна на Supermarine Spitfire , и для противодействия этому эффекту потребовалось значительно усилить его крыло. В случае серповидного крыла этот эффект выражен не более и не менее выражено, чем в других конструкциях. Тем не менее, он устанавливает минимальные требования к прочности на кручение, которые могут быть выше, чем было бы необходимо в противном случае, из-за снижения маневренных нагрузок серповидной формы, что потенциально нивелирует это преимущество. [2]
Способность самовоспламенения, часто упоминаемая в обсуждениях Handley Page Victor , не присуща серповидному крылу, но может возникнуть на любом самолете с высоким хвостом и некоторой стреловидностью крыла. Этот эффект вызван тем, что крыло входит в эффект земли раньше хвостового оперения, которое высоко установлено в Т-образном корпусе. Это создает короткий период дополнительной подъемной силы крыла, которой не противодействует хвост, в результате чего нос поднимается. Это вращение прекращается, как только самолет опускается достаточно низко, чтобы хвост тоже начал входить в эффект земли. [2]
Серповидную форму крыла в плане изобрел немецкий аэродинамик, дипломированный инженер. Рюдигер Косин и Вальтер Леманн во время работы в компании Arado Flugzeugwerke Gmbh во время Второй мировой войны. Прототип крыла был построен к апрелю 1945 года с намерением установить его на планер прототипа Arado Ar 234 V16. Однако прежде чем его удалось установить, британская армия захватила это место, и крыло было разрушено.
Конструкторский состав британского производителя самолетов Handley Page , среди сотрудников которого был инженер Густав Лахманн , был отправлен в Германию, где они были впечатлены работой в Арадо. Впоследствии они включили эту конфигурацию в свое предложение по бомбардировщику HP.80 V, позже получившему название Victor .
Хэндли Пейдж предложил исследовательский планер HP.87 в масштабе одной трети, но вскоре отказался от него в пользу исследовательского самолета с двигателем HP.88 , имеющего крыло масштаба 0,36. HP.88 впервые поднялся в воздух 21 июня 1951 года. За свою недолгую карьеру он продемонстрировал склонность к колебаниям тангажа, и 26 августа 1951 года это наблюдалось все более резко, прежде чем самолет развалился в воздухе.
К тому времени конструкция Victor уже была хорошо развита: первый прототип поднялся в воздух 24 декабря 1952 года, а серийные образцы поступили на вооружение в апреле 1958 года. Проблема, обнаруженная на HP.88, в конечном итоге была связана с сервомеханизмом на хвостовом органе управления, а не с проблемой. свойственна компоновке бомбардировщика.
Тем временем во Франции Бреге предложил проект Br.978A авиалайнера с серповидным крылом, который они назвали «круассаном». Проект не был построен. [3] Компоновка была также выбрана для Supermarine 545 , сверхзвуковой версии Supermarine Swift , но она не была запущена в производство.
Ранние версии Avro Vulcan имели прямые передние кромки, что вызывало проблемы на высоких околозвуковых скоростях. Сюда входили расширения передней кромки, которые придавали внутренним частям меньшую стреловидность. Результатом стала пересмотренная компоновка крыла, которая по сути представляет собой дельта-версию серповидного крыла.
Victor был единственным самолетом с серповидным крылом, поступившим в производство. Он служил в Королевских ВВС в течение многих лет, выполняя различные функции, помимо бомбардировщика, в том числе в качестве заправщика в воздухе во время Фолклендской войны .
Профиль и форма серповидного крыла подвергались значительной доработке и изменениям на ранних стадиях разработки, особенно для противодействия неблагоприятному поведению по тангажу в полете.
Во время летных испытаний первого прототипа Victor доказал свои аэродинамические характеристики, разогнавшись до 0,98 Маха без проблем с управлением и тряской; Аэродинамических изменений между прототипом и серийным самолетом практически не было. Серийный самолет имел автоматизированную работу носового закрылка, чтобы противодействовать тенденции самолета к тангажу вверх при низких и средних числах Маха. Одной из необычных характеристик полета раннего Виктора была его способность к самостоятельной посадке; После выравнивания с взлетно-посадочной полосой самолет естественным образом расширялся , когда крыло вступало в контакт с землей, в то время как хвост продолжал опускаться, обеспечивая мягкую посадку без какой-либо команды или вмешательства пилота. [4] [5]
«Виктор» имел хорошую управляемость и отличные характеристики, а также хорошие летные характеристики на малой скорости и был описан как маневренный самолет, нетипичный для большого бомбардировщика; В 1958 году Виктор выполнил несколько петель и бочку во время тренировок перед демонстрационным полетом на авиашоу в Фарнборо . [6]
«Виктор» был спроектирован для полета на высоких дозвуковых скоростях, хотя было зафиксировано несколько случаев нарушения звукового барьера . [7]