В аэронавтике бесхвостый самолет — это самолет , не имеющий другой горизонтальной аэродинамической поверхности, кроме основного крыла . [1] Он может иметь фюзеляж , вертикальный хвостовой киль ( вертикальный стабилизатор ) и/или вертикальный руль направления .
Теоретические преимущества конфигурации «без хвоста» включают низкое паразитное сопротивление , как на парящем планере Horten H.IV , и хорошие характеристики скрытности, как на бомбардировщике Northrop B-2 Spirit . Недостатки включают потенциальную чувствительность к дифференту .
Бесхвостые самолеты летали со времен первых самолетов; первым устойчивым самолетом, поднявшимся в воздух в 1910 году, был бесхвостый Dunne D.5 . Самой успешной конфигурацией бесхвостого самолета была бесхвостая дельта , особенно для боевых самолетов, хотя авиалайнер Concorde также имеет дельтаобразную конфигурацию.
НАСА использовало определение «бесхвостый» для нового исследовательского самолета X-36 , который имеет переднее оперение типа «утка», но не имеет вертикального киля.
Бесхвостый самолет не имеет другой горизонтальной поверхности, кроме своего основного крыла. Функции аэродинамического управления и стабилизации как по тангажу, так и по крену включены в основное крыло. Бесхвостый тип может по-прежнему иметь обычный вертикальный хвостовой плавник ( вертикальный стабилизатор ) и руль направления . [2] [3] [4]
Летающее крыло — это конструкция без хвоста, у которой также отсутствует отдельный фюзеляж , а пилот, двигатели и т. д. полностью или частично расположены в крыле.
Обычный самолет с фиксированным крылом имеет горизонтальную стабилизирующую поверхность, отделенную от основного крыла. Эта дополнительная поверхность вызывает дополнительное сопротивление, требующее более мощного двигателя, особенно на высоких скоростях. Если продольная (тангажная) устойчивость и управление могут быть достигнуты каким-либо другим методом (см. ниже), стабилизатор можно снять и уменьшить сопротивление.
Бесхвостый самолет не имеет отдельного горизонтального стабилизатора. Из-за этого аэродинамический центр обычного крыла будет находиться впереди центра тяжести самолета, создавая неустойчивость по тангажу . Должен быть использован какой-то другой метод, чтобы переместить аэродинамический центр назад и сделать самолет устойчивым . У конструктора есть два основных способа добиться этого, первый из которых был разработан пионером авиации Дж. У. Данном .
Смещение передней кромки крыла назад, как стреловидного крыла или дельта-крыла , и уменьшение угла атаки внешней секции крыла позволяет внешнему крылу действовать как обычный стабилизатор хвостового оперения. Если это делается постепенно вдоль размаха внешней секции, это называется смывом кончика . Данн добился этого, придав верхней поверхности крыла коническую кривизну. В горизонтальном полете самолет должен быть обрезан так, чтобы кончики не вносили никакой подъемной силы: им даже может потребоваться обеспечить небольшую тягу вниз. Это снижает общую эффективность крыла, но для многих конструкций — особенно для высоких скоростей — это перевешивается снижением сопротивления, веса и стоимости по сравнению с обычным стабилизатором. Большой размах крыла также снижает маневренность, и по этой причине конструкция Данна была отклонена британской армией.
Альтернативой является использование аэродинамических профилей с низким или нулевым моментом тангажа , например, в серии планеров и истребителей Horten . Они используют необычную секцию аэродинамического профиля крыла с рефлексным или обратным изгибом на задней части или на всем крыле. При рефлексном изгибе более плоская сторона крыла находится сверху, а сильно изогнутая сторона — снизу, поэтому передняя часть имеет высокий угол атаки, в то время как задняя часть более горизонтальна и не создает подъемной силы, поэтому действует как хвостовое оперение или размытые кончики стреловидного крыла. Рефлексный изгиб можно имитировать, устанавливая большие рули высоты на обычный аэродинамический профиль и заметно подрезая их вверх; центр тяжести также должен быть смещен вперед от обычного положения. Из-за эффекта Бернулли рефлексный изгиб имеет тенденцию создавать небольшую тягу вниз, поэтому угол атаки крыла увеличивается для компенсации. Это, в свою очередь, создает дополнительное сопротивление. Этот метод позволяет более широкий выбор формы крыла в плане , чем стреловидность и вымывание, и конструкции включают прямые и даже круглые (Arup) крылья. Но сопротивление, присущее большому углу атаки, обычно считается фактором, делающим конструкцию неэффективной, и только несколько серийных типов, таких как серии планеров Fauvel и Marske Aircraft , использовали ее.
Более простой подход заключается в преодолении неустойчивости путем размещения основного веса самолета на значительном расстоянии под крылом, так что гравитация будет стремиться поддерживать самолет в горизонтальном положении и таким образом противодействовать любой аэродинамической неустойчивости, как в параплане . Однако на практике этого редко бывает достаточно для обеспечения устойчивости самого по себе, и обычно это дополняется описанными аэродинамическими приемами. Классическим примером является дельтаплан Rogallo , в котором используется та же стреловидность, вымывание и коническая поверхность, что и у Dunne.
Устойчивость также может быть обеспечена искусственно. Существует компромисс между устойчивостью и маневренностью. Высокий уровень маневренности требует низкого уровня устойчивости. Некоторые современные высокотехнологичные боевые самолеты аэродинамически неустойчивы по тангажу и полагаются на управление компьютером по проводам для обеспечения устойчивости. Примером может служить летающее крыло Northrop Grumman B-2 Spirit .
Многие ранние конструкции не обеспечивали эффективного управления тангажем, чтобы компенсировать отсутствие стабилизатора. Некоторые образцы были устойчивы, но их высоту можно было контролировать только с помощью мощности двигателя. Другие могли резко и неконтролируемо подниматься или опускаться, если с ними не обращались осторожно. Это дало бесхвостым конструкциям репутацию неустойчивых. Только после более позднего успеха конфигурации «треугольник» без хвоста в реактивную эпоху эта репутация была широко признана незаслуженной.
Обычно принятое решение заключается в том, чтобы обеспечить большие поверхности руля высоты и/или элевона на задней кромке крыла. Если крыло не сильно стреловидное, они должны создавать большие силы управления, так как их расстояние от аэродинамического центра мало, а моменты меньше. Таким образом, бесхвостый тип может испытывать большее сопротивление во время маневров по тангажу, чем его обычный эквивалент. В сильно стреловидном треугольном крыле расстояние между задней кромкой и аэродинамическим центром больше, поэтому увеличенные поверхности не требуются. Серия Dassault Mirage Tailless Delta и ее производные были одними из наиболее широко используемых боевых реактивных самолетов. Однако даже в Mirage управление тангажем на больших углах атаки, испытываемых во время взлета и посадки, могло быть проблематичным, и некоторые более поздние производные имели дополнительные поверхности «утка» .
Обычный самолет нестабилен в рыскании и нуждается в хвостовом плавнике, чтобы удерживать его прямо. Движение элеронов создает неблагоприятное рыскание, выводя его из поворота, что также должно компенсироваться рулем направления . В то время как стреловидное крыло устойчиво в прямолинейном полете, оно все равно испытывает неблагоприятное рыскание во время поворота. Одним из решений является придание крылу достаточного крутящего момента, чтобы внешняя секция наклонилась вниз и дала отрицательную подъемную силу. Это меняет неблагоприятное рыскание элеронов, помогая самолету войти в поворот и устраняя необходимость в вертикальном руле направления или интерцепторах с дифференциальным сопротивлением.
Было также показано, что колоколообразное распределение подъемной силы, которое создается в результате этого, минимизирует индуцированное сопротивление для заданного веса (по сравнению с эллиптическим распределением, которое минимизирует его для заданного размаха). [5]
Между 1905 и 1913 годами офицер британской армии и воздухоплаватель Дж. У. Данн разработал серию бесхвостых самолетов, которые должны были быть изначально устойчивыми и не срывающимися. Вдохновленные его исследованиями чаек в полете, они характеризовались стреловидными крыльями с конической верхней поверхностью. Конус был устроен таким образом, что крыло постепенно закручивалось наружу к концам, создавая отрицательное падение и, следовательно, отрицательную подъемную силу во внешних секциях, создавая общую устойчивость как по тангажу, так и по рысканию. Одна управляющая поверхность на задней кромке каждого конца крыла действовала как комбинированный элерон и руль высоты. Данн имел передовую качественную оценку задействованных аэродинамических принципов, даже понимая, как отрицательная подъемная сила на концах крыла в сочетании с крутым наклонным вниз анэдральным профилем повышала курсовую устойчивость. [6]
Хотя изначально самолет задумывался как моноплан , первоначальные проекты Данна для армии должны были представлять собой бипланы , обычно с фюзеляжной гондолой между плоскостями, с установленным сзади толкающим винтом и фиксированными концевыми килями между каждой парой законцовок крыла.
После окончания его армейской работы в 1910 году биплан D.5 был засвидетельствован в устойчивом полете Орвиллом Райтом и Гриффитом Брюэром , которые представили официальный отчет в Королевское общество аэронавтики по этому поводу. [7] Таким образом, он стал первым самолетом, когда-либо достигшим естественной устойчивости в полете, а также первым практическим бесхвостым самолетом. Более поздний D.8 был построен по лицензии и продавался коммерчески У. Старлингом Берджессом в Америке под названием Burgess-Dunne.
Он также вернулся к своему моноплану. D.6 1911 года был монопланом с высокорасположенным крылом толкающего типа, который также отличался выраженной угловой формой или свисанием концов крыла. Управляющие поверхности теперь также действовали как рули направления.
Многие из идей Данна об устойчивости остаются актуальными, и известно, что он оказал влияние на более поздних конструкторов, таких как Джон К. Нортроп (отец бомбардировщика-невидимки Northrop Grumman B-2 Spirit ). [ необходима цитата ]
После Первой мировой войны пилот Джеффри Т. Р. Хилл также искал устойчивую, неустойчивую конструкцию. Данн изначально оказал некоторую помощь, а Хилл продолжил производить серию бесхвостых самолетов Pterodactyl с 1920-х годов. Хилл также начал разрабатывать теорию внутренне устойчивого аэродинамического профиля и включил ее в свои проекты.
Немецкие теоретики развили теорию устойчивого аэродинамического профиля. Конструктор Александр Липпиш создал свою первую конструкцию без хвоста, Delta I, в 1931 году. Он продолжил строить серию все более сложных конструкций, и в конце Второй мировой войны был доставлен в Америку, чтобы продолжить свою работу .
Во время Второй мировой войны Липпиш работал на немецкого конструктора Вилли Мессершмитта над первым бесхвостым самолетом, который был запущен в производство, Me 163 Komet . Это был единственный перехватчик с ракетным двигателем, когда-либо поступивший на фронт, и самый быстрый самолет, поступивший в эксплуатацию во время войны.
В 1930-х годах Вальтер и Реймар Хортены начали строить простые бесхвостые планеры, первый из которых поднялся в воздух в 1933 году. Хортены спроектировали первый в мире реактивный летающий планер — Horten Ho 229.
Параллельно с Липпишем в США Джек Нортроп разрабатывал собственные идеи бесхвостых конструкций. N-1M полетел в 1941 году, а затем последовала череда бесхвостых типов, некоторые из которых были настоящими летающими крыльями.
В 1940-х годах британский авиаконструктор Джон Карвер Медоуз Фрост разработал реактивный исследовательский самолет без хвоста под названием de Havilland DH.108 Swallow , построенный с использованием передней части фюзеляжа реактивного истребителя de Havilland Vampire . Один из них, возможно, был одним из первых самолетов, когда-либо преодолевших звуковой барьер — он сделал это во время неглубокого пикирования, и звуковой удар был услышан несколькими очевидцами. [ необходима цитата ] Все три построенных самолета были потеряны в фатальных катастрофах.
DINFIA IA 38 — аргентинский экспериментальный четырёхмоторный бесхвостый транспортный самолёт 1960-х годов , спроектированный под руководством Реймара Хортена на основе немецкого проекта Horten H.VIII и построенный DINFIA .
Подобно DH.108, двухреактивный Northrop X-4 1948 года выпуска был одним из серии послевоенных экспериментальных самолетов X-planes, разработанных в Соединенных Штатах после Второй мировой войны для полетов в исследовательских программах, изучающих проблемы высокоскоростного трансзвукового полета и более. У него были аэродинамические проблемы, аналогичные проблемам DH.108, но оба построенных образца X-4 пережили свои программы летных испытаний без серьезных инцидентов в течение примерно 80 исследовательских полетов с 1950 по 1953 год, достигнув максимальной скорости только 640 миль в час (1035 км/ч).
Французская серия сверхзвуковых реактивных истребителей Mirage была примером конфигурации «бесхвостка-дельта» и стала одним из наиболее широко производимых среди всех западных реактивных самолетов. В отличие от этого, эквивалентный широко производимый в Советском Союзе истребитель с треугольным крылом, Микоян-Гуревич МиГ-21 , имеет хвостовой стабилизатор.
В 1950-х годах прототип Convair F2Y Sea Dart стал единственным гидросамолетом, превысившим скорость звука. Convair построила несколько других удачных типов дельтавидных бесхвостых самолетов.
Англо-французский сверхзвуковой транспортный самолет Concorde и его советский аналог, Туполев Ту-144 , были бесхвостыми сверхзвуковыми реактивными авиалайнерами с оживальными треугольными крыльями. Изящество и красота этих самолетов в полете часто отмечались. [8]
Американский стратегический разведывательный самолет Lockheed SR-71 Blackbird является самым быстрым реактивным самолетом, развивающим скорость свыше 3 Махов.
Крыло NASA Preliminary Research Aerodynamic Design To Lower Drag (PRANDTL-D) было разработано Элом Бауэрсом в NASA Armstrong Flight Research Center . Бауэрс был вдохновлен работой Людвига Прандтля и, как и Данн, наблюдением за полетом птиц. Как и в конструкции Данна, она имеет закрутку крыла , достаточную для установки концов крыла под отрицательным углом и создания той же положительной связи крена и рыскания. [9] [10] [11] Бауэрс разработал количественный анализ подъемных характеристик, что привело к его более общему открытию распределения подъемной силы в форме колокола, которое минимизирует индуцированное сопротивление для веса самолета. Он применил это распределение в серии конструкций «Prandtl-D». [5] К концу 2017 года он летал на трех таких исследовательских моделях. [12] [13]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )