rss twitter

13 июл. 2015 г.

Обратная стреловидность крыла

Крыло обратной стреловидности производит огромное впечатление на нас, привыкших к традиционной стреловидности. В маркетинге это называется "Wow-эффект". Выглядит очень необычно, "крылья задом на перед" удивится обыватель. Но для специалистов в этом нет ничего необычного уже более 70 лет.
Су-47, крыло обратной стреловидности
Интересно, что в английской терминологии, такое крыло называется forward-swept wing, то есть "крыло загнутое вперед" или если хотите "крыло развернутое вперед". У нас же это крыло обратной стреловидности, тогда как его антипод называется просто "стреловидное крыло" или "крыло прямой стреловидности".

Зачем же нужно крыло обратной стреловидности (КОС)? С точки зрения аэродинамики, применение "крыла развернутого вперед" имеет не одно, а ряд неоспоримых преимуществ. 

Первое, для такого крыла отсутствует так называемый "концевой эффект стреловидного крыла".

Но тут надо остановиться по подробнее и объяснить в чем же проблема.

Вот простое объяснение. Для обычного стреловидного крыла дело обстоит так. Пограничный слой (слой воздуха заторможенный благодаря трению о крыло) "сползает" в сторону законцовок крыла, там "набухает". При повышении угла атаки происходить срыв потока (отрыв пограничного слоя). Происходит он именно в том месте где обычно расположены элементы управления — элероны. Отрыв пограничного слоя означает, что обтекание крыла было нарушено, а если по-простому, то в этом месте нормального контакта крыла и воздуха уже нет, элементы управления становятся неэффективны, да еще и пропадает подъемная сила.
Вот в чем разница
Конечно, это плохо, самолет теряет устойчивость и управляемость на больших углах атаки и малых скоростях не говоря уже о том что, если продолжать увеличивать угол атаки, это приведет к увеличению зоны отрыва пограничного слоя и к сваливанию, а дальше — штопор.

Теперь взгляните на рисунок крыла обратной стреловидности, здесь все то же самое, кроме того, что "вредный" пограничный слой движется в противоположную сторону, к корню крыла. Вуаля, от вредного эффекта избавились. В результате самолет с таким крылом способен на полеты на больших углах атаки и на меньших скоростях, в то же время крыло остается стреловидным по сути, позволяя летать и на высоких скоростях. 

Хотите еще преимуществ? Пожалуйста.

Преимущества крыла обратной стреловидности

Очевидно, что при аналогичной площади подъемная сила у такого крыла больше на больших углах атаки, за счет отсутствия концевых срывов. Значит и взлетную скорость и дистанцию пробега можно уменьшить.

Индуктивное сопротивление, создаваемое таким крылом меньше, чем создаваемое традиционным стреловидным. Вихрь, образующийся на конце крыла "прямой" стреловидности более интенсивный и создает большее индуктивное сопротивление.

Важная деталь в случае истребителя, использование крыла обратной стреловидности увеличивает маневренность, так как позволяет летать на больших углах атаки.

Еще такое "ненормальное" крыло лучше распределяет давление между собой и передним горизонтальным оперением.

Также применение такого крыла снижает радиолокационную заметность в передней полусфере, за счет изменения характера отражения радиоволны. Получается, что от передней кромки крыла радиоволны отражаются в сторону фюзеляжа и частично экранируются.

Казалось бы одни плюсы, но как мы увидим из истории, практически ни в одном серийном самолете КОС не применяется (за исключением планеров). Значит, пора переходить от плюсов к минусам.

Недостатки крыла обратной стреловидности


Встречайте, главный недостаток, который не позволяет использовать КОС — аэродинамическая дивергенция. По простому, на кончик такого крыла начинает действовать такая большая сила, что он начинает изгибаться. Причем с увеличением угла атаки крыло изгибается вверх, увеличивая за счет изгиба угол атаки еще больше.

Чтобы избежать этого, крыло приходится делать жестче, а это значит, что оно должно быть либо тяжелее ( для самолета это плохо), либо нужно применять более прочные и менее тяжелые материалы. Именно отсутствие одновременно легких, прочных и недорогих материалов и ограничивало применение такого, казалось бы, эффективного решения.

Также такое крыло имеет большее волновое сопротивление, что снижает его эффективность на сверхзвуковых скоростях полета.

Вот теперь можно перейти и к истории.

История крыла обратной стреловидности


Так-как преимущества "развернутого вперед" крыла были очевидны с точки зрения аэродинамики, крылом обратной стреловидности начали интересоваться еще до второй мировой войны.

В 1934 году советский конструктор Виктор Беляев продемонстрировал на соревнованиях планер БП-3 с крылом обратной стреловидности.
Планер ПБ-3
В 1938 инженеры Беляев и Юханин  спроектировали бомбардировщик ДБ-ЛК который был оснащен крылом обратной стреловидности. К 1941 году был построен один бомбардировщик.

Уже в 1944 году в Германии был создан бомбардировщик Ju-287, которых было выпущено всего 7 штук. Кроме того, что Юнкерс 287 обладал крылом обратной стреловидности, это был еще и реактивный самолет. Два самолета испытывались в в СССР с 1946 по 1949 годы, но советские инженеры пришли к выводу, что проблемы со статической неустойчивостью самолета с таким крылом делают применение крыла обратной стреловидности не целесообразным.
Ju-287. В СССР признали неперспективным

В том же 1944 в США совершил первый полет планер Cornelius XFG-1 с крылом обратной стреловидности.
Американский XFG-1
В 1945 в воздух поднялся планер ЛЛ-3 конструктора Цибина.
Планер ЛЛ-3
В 1964 году в Германии совершил первый полет гражданский пассажирский самолет с крылом обратной стреловидности HFB-320 Hansa Jet. В серию он был запущен уже в 1966 году, но выпущено таких самолетов было всего 47 штук.
Пассажирский HFB-320
Следующий шаг был сделан гораздо позднее в США, когда в 1984 году первый полет совершил экспериментальный самолет X-29. В то время уже появились композитные материалы, обладавшие хорошими показателями прочности при небольшой удельной массе. 

Уникальным этот самолет делало не только крыло обратной стреловидности, но и использование в системе управления 3-х аналоговых компьютеров управляющих полетом (в сущности, постоянно "подруливающих") методом голосования. Хотя каждый из компьютеров мог самостоятельно управлять полетом. С самого начала самолет проектировался как статически неустойчивый, поэтому компьютер помогающий пилоту его пилотировать был вещью необходимой.
Экспериментальный X-29A
Крыло X-29 было сконструировано с использованием композитных материалов (углепластика), а по всему его удлинению были расположены трехсекционные двухсегментные флапероны, а кроме того закрылки были перенесены на корневые наплывы позади крыла. Для управления вихрями,  образующимися у корня крыла, имелись специальные щитки на фюзеляже.

На втором экземпляре самолета планировалась установка двигателя с управляемым вектором тяги и плоским соплом. Также X-29 был первым сверхзвуковым самолетом с КОС. 

С какой стороны не глянь, самолет уникальный, тем не менее программа X-29 была признана неудачной из-за проблем с управляемостью и устойчивостью и закрыта. Скорее всего и дивергенцию победить не удалось. Всего было построено 2 таких самолета. Первый из них закончил программу испытаний в 1988 году, а второй в 1991.

Через 15 лет, в 1997 году первый полет совершил экспериментальный истребитель С-37-1 "Беркут". Интересно, что разработки начались еще в 1988, а заказчиков выступали ВВС СССР, но через 5 лет программа ВВС была закрыта, а заказчик изменился. Теперь С-37 разрабатывался для флота (в то время он имел индекс Су-27 МК, а еще раньше — С-22/С-32).

Индекс С-37 был дан самолет у 1999 году, а в 2001 самолет переименовали уже в Су-47.

В отличие от X-29, Су-47 имеет и переднее и заднее горизонтальное оперение, это триплан. В конструкции крыла также применяются композитные материалы. Но, как и американский самолет, Су-47 так и остался экспериментальным (хотя продолжает летать, в отличие от коллеги). "Беркут" должен был стать истребителем пятого поколения, но, в итоге, было принято решение начать разработку Т-50 с традиционным взглядом на стреловидность крыла.

Преодолеть все проблемы крыла обратной стреловидности Су-47 так и не удалось. Это доказывает тот факт, что ни на одном авиа шоу "Беркут" не демонстрирует положенною ему в теории сверхманевренность.  Вероятно, к описанным выше проблемам добавились и вопросы живучести и усталостной прочности, ведь поврежденную композитную панель необходимо заменять целиком, она не подлежит ремонту в отличии от металлической конструкции. Сейчас Су-47 имеет статус летающей лаборатории и нулевые перспективы стать серийным самолетом.
С-22/32, С-37, Су-47. Он так и не стал самолетом пятого поколения
Впрочем, в 90-е годы существовали проекты самолетов с обратно стреловидностью и в гражданской авиации. В Японии Honda MH02, в США VisionAire VA-10 Vantage, но и они не пошли дальше прототипов.
VA-10 Vantage
В настоящее время интерес к обратной стреловидности явно сошел на нет. Возможно, потребуется очередное обновление технологий, и мы снова получим возможность удивится "вывернутому наизнанку" крылу.