Схема “качка”
Більшість літаків спроєктовані за нормальною аеродинамічною схемою, тому така схема і називається “нормальною”. Але є й інші літаки, їх менше, у них крило та хвостове оперення розташовані інакше, з точністю до навпаки.
Компонування, де горизонтальне оперення розташоване попереду крила літака, називається “качка”. І досить часто використовується навіть зараз, коли літаки майже неможливо відрізнити один від одного.
Літак схеми качка
Аеродинамічна схема качка відома давно, уже понад 100 років минуло з моменту першого польоту аероплана 14 Біс, створеного Альберто Сантосом.
Аероплан, який дійсно дуже схожий на качку, піднявся в повітря в 1906 році, всього через 3 роки після польоту братів Райт, чий літак Флаєр 1 також справедливо можна віднести до літаків із такою схемою.
Тобто ера авіації починалася саме з “качки”, але далі найпопулярнішою схемою стала інша.
Літак нормальної схеми та схеми “качка”
Оскільки Альберто Сантос створював свій літак у Франції, таке аеродинамічне компонування отримало назву canard (французькою це слово означає “качка”). І в англійській мові це також називається canard, а переднє горизонтальне оперення — canards.
Аероплан 14 Біс, дійсно схожий на качку
Але більшість літаків початку 20-го століття були спроєктовані за нормальною аеродинамічною схемою — крило попереду, а хвостове оперення позаду.
Saab 37 Viggen
У Віггена було дельтоподібне крило, як і в його попередника Saab 35 Draken, але крім того з’явилося й переднє горизонтальне оперення. Раніше так реактивні винищувачі ніхто не проектував.
Втім, аеродинамічну схему Viggen можна назвати й біплан-тандем. Адже це дійсно два крила, тільки не як у класичного біплана, одне над іншим, а коли одне крило розташоване позаду іншого.
Viggen перекладається зі шведської як “гуркіт грому”.
Літак вийшов дуже вдалим, на озброєння ВПС Швеції він надійшов у 1971 році, а знятий був лише в 2005. Реалізувати задум вдалося інженерам Saab завдяки тому, що вони впровадили автоматичну систему керування, яка допомагала пілоту управляти таким незвичайним літаком.
Переваги схеми качка
Важливо зазначити, що в класичній схемі стабілізатор, розташований у хвості, створює негативну підйомну силу. Це зроблено тому, що крило літака створює пікірувальний момент, і щоб літак не клював носом, його хвіст має створювати силу в протилежному напрямку, тобто вниз.
Це називається втрати на балансування. З одного боку, ми намагаємося створити якомога більшу підйомну силу, а з іншого — горизонтальний стабілізатор забирає її частину.
У аеродинамічної схеми качка немає втрат на балансування, стабілізатор попереду і також створює підйомну силу.
Друга важлива перевага — це стійкість до звалювання*, такий літак практично неможливо ввести в штопор. Він спроєктований так, що зрив потоку відбувається раніше на передньому стабілізаторі, і ніс літака опускається сам.
Французький винищувач Rafale з переднім горизонтальним оперенням
*Звалювання — це втрата підйомної сили крила через відрив потоку. Це явище виникає через збільшення кута атаки, коли на крилі утворюються зони, в яких рух повітря настільки сповільнюється, що пограничний шар (шар повітря, що прилягає до крила) відривається від нього, і крило перестає нормально обдуватися повітрям.
А оскільки це явище може бути нерівномірним, літак може не лише втратити підйомну силу на крилі, але й почати закручуватися — звалюється в штопор.
Завдяки схемі з переднім горизонтальним оперенням і трикутним крилом літак може безпечно виходити на великі кути атаки. Це для винищувача дуже добре, оскільки це збільшує маневреність.
- Немає втрат на балансування
- Стійкість до звалювання
- Великі кути атаки, більша маневреність
Недоліки схеми качка
Основним недоліком такої компоновки вважається погана поздовжня стійкість. Заднє розташування хвостового оперення стабілізує літак, а переднє, навпаки, створює “зайве” розгойдування.
Але з того часу, як у системи керування польотом були впроваджені автоматичні системи, із цим неприємним ефектом бореться бортовий комп’ютер, а не пілот.
Другий недолік переднього горизонтального оперення в тому, що воно може створювати пікірувальний момент (літак клює носом), але цей же ефект уже може вважатися перевагою, оскільки не дає ввести літак у штопор. З іншого боку, якщо зрив потоку на канардах не відбудеться, а відбудеться спочатку на крилі, літак довільно збільшить кут атаки і звалиться в штопор.
Часто згадується, що переднє горизонтальне оперення погіршує стелс-характеристики літака. Це дійсно можна було б вважати недоліком, але він нівелюється використанням радіопрозорих матеріалів. Наприклад, у винищувача Rafale канарди в основному з вуглепластику і ніяк не збільшують ЕПР літака.
Ракета схеми качка
Більшість ракет повітря-повітря ближнього бою та зенітних ракет виконані за схемою качка. Так забезпечується їхня висока маневровість. Ракети середнього та далекого радіусу дії, навпаки, частіше проектують за нормальною аеродинамічною схемою.
Чому ж, незважаючи на всі переваги, схема качка не використовується в цивільній авіації? Чому всі пасажирські лайнери спроєктовані за класичною аеродинамічною схемою?
Пасажирському літаку більшість таких переваг, як більший кут атаки та маневреність, просто не потрібні. Втрати на балансування не настільки значні, щоб збільшувати технічні ризики та проектувати літак інакше. Простіше використовувати інші способи підвищення ефективності літака, менш ризиковані.
Втім, є кілька моделей цивільних літаків:
- Beech Starship
- Rutan Long-EZ and VariEze
- Piaggio P.180 Avanti
- Rutan Voyager
Beech Starship — бізнес-джет
Також варто згадати надзвукові лайнери минулого, Ту-144 і Конкорд. У Конкорда були зовсім маленькі аеродинамічні поверхні перед крилом, зате у Ту-144 на зльоті та посадці висувалися досить великі “вуха”.
Але все ж для великих пасажирських літаків переднє горизонтальне оперення практично не застосовується.
А от у інженерів бойової авіації схема качка використовується досить часто. Особливо полюбилися канарди в Європі та Китаї. Наприклад, сучасні європейські винищувачі:
- Eurofighter Typhoon
- Dassault Rafale
- Saab Gripen
У всіх трьох є переднє горизонтальне оперення. І фактично, це всі 100% сучасних європейських винищувачів.
Багато китайських винищувачів також побудовані за цією схемою:
- Chengdu J-9
- Chengdu J-10
- Chengdu J-20
Китайський J-20
Аеродинамічна схема качка пройшла велику еволюцію від перших у світі літаків до сучасних винищувачів. Це дійсно цікава з точки зору покращення льотних характеристик компоновка, хоча, можливо, і не така перспективна, як літаюче крило (де немає нічого зайвого, лише крило).
Можливо, незабаром почне возити пасажирів надзвуковий, але тихий літак X-59, у якого також є переднє оперення, хоча водночас є й заднє.
Але X-59 проектується саме для того, щоб зменшити надзвукову ударну хвилю і так обійти вимоги до сертифікації, а не для покращення саме льотних якостей. Тож, швидше за все, схему качка продовжать використовувати лише військові.
