Схема утка

Большинство самолетов спроектированы по нормальной аэродинамической схеме, поэтому такая схема и называется «нормальная». Но есть и другие самолеты, у которых крыло и хвостовое оперение расположены иначе, с точностью до наоборот.

Компоновка, где горизонтальное оперение находиться впереди крыла самолета, называется «утка». И довольно часто используется даже сейчас, когда самолеты почти невозможно отличить один от другого.

Самолет схемы утка

Аэродинамическая схема утка известна давно, уже более 100 лет прошло с момента первого полета аэроплана 14 Бис созданного Альберту Сантосом.

Аэроплан действительно очень похожий на утку поднялся  воздух в 1906 году, всего через 3 года после полета братьев Райт, чей самолет Флайер 1 тоже справедливо отнести к самолетам с такой компоновкой.

То есть эра авиации начиналась именно с «утки» но дальше самой популярной схемой стала другая.

Самолет нормальной схемы и схемы «утка»

Так как Альберту Сантос создавал свой самолет во Франции, такая аэродинамическая компоновка получила название canard (по-французски это слово означает «утка». И в английском языке компоновка тоже называется canard, а переднее горизонтальное оперение canards.

Аэроплан 14 bis, действительно похож на утку

Но большинство самолетов начала 20-го века были спроектированы по нормальной аэродинамической схеме — крыло впереди, а хвостовое оперение сзади.

Saab 37 Viggen

У Виггена было дельтовидное крыло как и его предшественника Saab 35 Draken, но кроме того появилось и переднее горизонтальное оперение. Раньше так реактивные истребители никто не проектировал.

Впрочем, аэродинамическую схему Viggen можно назвать и биплан-тандем. Ведь это действительно два крыла, только не как у классического биплана, одно над другим, а когда одно крыло расположено позади другого,

Viggen переводится со шведского как «раскат грома».

Самолет получился очень удачным, на вооружение ВВС Швеции он поступил в 1971 году, а снят был только в 2005. Реализовать задуманное у инженеров Сааб получилось благодаря тому, что они внедрили автоматическую систему управления, которая помогала летчику управлять таким необычном самолетом.

Сейчас схема утка используется и в шведском Gripen, и во французском Rafale, и в общеевропейском истребителе Eurofighter.

Достоинства схемы утка

Важно отметить, что в классической схеме стабилизатор расположенный в хвосте создает отрицательную подъемную силу.

Это сделано потому, что крыло самолета создает пикирующий момент, и чтобы самолет не клевал носом, его хвост должен создавать силу в противоположном направлении, то есть вниз. Это называется потери на балансировку. С одной стороны мы пытаемся создать как можно большую подъемную силу, а с другой, горизонтальный стабилизатор отбирает ее часть.

У аэродинамической схемы утка нет потерь на балансировку — стабилизатор впереди и тоже создает подъемную силу.

Второе важное преимущество, это устойчивость к сваливанию*, такой самолет практически невозможно ввести в штопор. Он спроектирован так, что срыв потока происходит раньше на переднем стабилизаторе и нос самолета опускается сам.

Французский истребитель Rafale с передним горизонтальным оперением

*Сваливание, это потеря подъемной силы крыла из-за отрыва потока. Происходит это явление из-за увеличения угла атаки, тогда на крыле образуются зоны в которых движение воздуха тормозиться настолько, что пограничный слой (слой воздуха прилегающий к крылу) отрывается от него и крыло перестает нормально обдуваться воздухом.

А так как это явление может быть неравномерным, то самолет может не только потерять подъемно силу на крыле но и начать закручиваться — сваливается в штопор

Благодаря компоновке с передним горизонтальным оперением, и треугольным крылом самолет может безопасно выходить на большие углы атаки. Что для истребителя очень хорошо, так как увеличивает намеренность.

1. Нет потерь на балансировку
2. Устойчивость к сваливанию
3. Большие углы атаки, большая маневренность

Недостатки схемы утка

Основным недостатком такой компоновки считается плохая продольная устойчивость. Заднее расположение хвостового оперения стабилизирует самолет, а переднее наоборот, создает «лишнее» раскачивание.

Но с тех пор как в системы управлением полета были внедрены автоматические системы, с этим неприятным эффектом бореться бортовой компьютер, а не пилот.

Второй недостаток переднего горизонтального оперения в том, что оно может создавать пикирующий момент (самолет клюет носом), но этот же эффект уже может считаться достоинством, так как не дает ввести самолет в штопор. С другой стороны, если срыв потока на канардах не произойдет, а произойдет сначала на крыле, самолет произвольно увеличит угол атаки и свалиться в штопор.

Часто упоминается, что переднее горизонтальное оперение ухудшает стелс характеристики самолета. Это действительно можно было бы считать недостатком, но он нивелируется использованием радиопрозрачных материалов. Например, у истребителя Rafale канарды в основном из композитных материалов и никак не увеличивают ЭПР самолета.

Ракета схемы утка

Большинство ракет воздух-воздух ближнего боя и зенитных ракет выполнены по схеме утка. Так обеспечивается их высокая маневренность. Ракеты среднего и дальнего радиуса действия наоборот чаще проектируют по нормально аэродинамическое схеме.

Почему же несмотря на все преимущества, схема утка не используется в гражданской авиации. Почему все пассажирские лайнеры спроектированы по классической аэродинамической схеме?

Пассажирскому самолету большинство таких преимуществ как больший угол атаки и маневренность просто не нужны. Потери на балансировку не так значительны, чтобы увеличивать технические риски и проектировать самолет иначе. Проще использовать другие способы увеличения эффективности самолета, менее рискованные.

Впрочем, есть несколько моделей гражданских самолетов:

• Beech Starship
• Rutan Long-EZ and VariEze
• Piaggio P.180 Avanti
• Rutan Voyager

Beech Starship — бизнес джет

Также следует вспомнить сверхзвуковые лайнеры прошлого, Ту-144 и Конкорд. У Конкорда были совсем маленькие аэродинамические поверхности перед крылом, зато у Ту-144 на взлете и посадке выдвигались достаточно большие «уши».

Но все же для крупных пассажирских самолетов переднее горизонтальное оперение практически не применяется.

А вот у инженеров боевой авиации схема утка используется довольно часто. Особенно полюбились канарды в Европе и Китае. Например современные европейские истребители:

• Eurofighter Typhoon
• Dassault Rafale
• Saab Gripen

У всех троих есть переднее горизонтальное оперение. И фактически, это все 100% современных европейских истребителей.

Многие китайские истребители тоже построены по той же схеме:

• Chengdu J-9
• Chengdu J-10
• Chengdu J-20

Китайский J-20

Аэродинамическая схема утка прошла большую эволюцию от первых в мире самолетов, до современных истребителей. Это действительно интересная с точки зрения улучшения летных характеристик компоновка, хотя возможно и не такая перспективная как летающее крыло (где нет ничего лишнего, только крыло).

Возможно, в скором времени начнет возить пассажиров сверхзвуковой но тихий самолет X-59, у которого тоже есть переднее оперение, хотя одновременно есть и заднее.

Но X-59 проектируется именно для того чтобы уменьшить сверхзвуковую ударную волну и так обойти требования к сертификации, а не для улучшения именно летных качеств. Так что скорее всего схему утка продолжат использовать только военные.