Летающее крыло - Flying wing

В Northrop B-2 Spirit Stealth бомбардировщик

Летающее крыло является бесхвостым неподвижным крылом самолета , который не имеет определенную части фюзеляжа , с его экипажем, полезная нагрузка, топливо и оборудованием , размещенное внутри основной конструкции крыла. Летающее крыло может иметь различные небольшие выступы, такие как гондолы , гондолы , пузыри, стрелы или вертикальные стабилизаторы .

Подобные конструкции самолетов, которые технически не являются летающими крыльями, иногда небрежно упоминаются как таковые. Эти типы включают самолеты со смешанным крылом и самолеты с подъемным фюзеляжем, которые имеют фюзеляж и не имеют определенных крыльев. Базовая конфигурация летающего крыла стала объектом значительных исследований в течение 1920-х годов, часто в сочетании с другими бесхвостыми конструкциями.

История

Раннее исследование

Опытный образец бомбардировщика Northrop YB-35 начал разрабатываться во время Второй мировой войны.

С бесхвостыми самолетами экспериментировали с самых первых попыток летать. Британский Дж. В. Данн был одним из первых пионеров, его конструкции биплана и моноплана со стреловидным крылом демонстрировали присущую им устойчивость еще в 1910 году. Его работа оказала непосредственное влияние на нескольких других конструкторов, включая GTR Hill , которые разработали серию экспериментальных конструкций бесхвостых самолетов , известных под общим названием Птеродактили Вестланд-Хилла в 1920-х и начале 1930-х годов. Несмотря на попытки выполнить заказы Министерства авиации , программа Pterodactyl была в конечном итоге отменена в середине 1930-х годов еще до того, как поступил какой-либо заказ на Mk. VI был выпущен.

Немец Хьюго Юнкерс запатентовал свою собственную концепцию воздушного транспорта только с крыльями в 1910 году, рассматривая ее как естественное решение проблемы постройки авиалайнера, достаточно большого, чтобы перевозить разумный пассажирский груз и достаточное количество топлива для регулярного пересечения Атлантики . Он считал, что потенциально большой внутренний объем летающего крыла и низкое сопротивление сделали его очевидным дизайном для этой роли. Его крыло - моноплан с глубокими хордами было включено в обычный Junkers J 1 в декабре 1915 года. В 1919 году он начал работу над своей конструкцией "Giant" JG1 , предназначенной для размещения пассажиров внутри толстого крыла, но два года спустя Союзная авиационная комиссия Управление приказало уничтожить неполный JG1 за превышение послевоенных предельных размеров для немецких самолетов. Юнкерс изобрел футуристические летающие крылья вместимостью до 1000 пассажиров; Ближайшим к реализации этого был 34-местный авиалайнер Grossflugzeug 1931 года Junkers G.38 , который отличался большим толстокордным крылом, обеспечивающим место для топлива, двигателей и двумя пассажирскими кабинами. Однако для размещения экипажа и дополнительных пассажиров требовался короткий фюзеляж.

Советский Борис Иванович Черановский начал испытания бесхвостых летающих планеров в 1924 году. После 1920-х годов советские конструкторы, такие как Черановский, работали независимо и тайно при Сталине . Благодаря значительному прорыву в материалах и методах изготовления стали возможны такие самолеты, как БИЧ-3 , БИЧ-14 , БИЧ-7А . Такие люди, как Чижевский и Антонов, также оказались в центре внимания Коммунистической партии, разработав такие самолеты, как бесхвостый БОК-5 (Чижевский) и ОКА-33 (первый из когда-либо построенных Антоновым), которые были обозначены как «моторизованные планеры» из-за их схожести. популярным планерам того времени. BICh-11, разработанный Черановским в 1932 году, соревновался с братьями Хортенами H1 и Адольфом Галландом на Девятых соревнованиях планеров в 1933 году, но не был продемонстрирован на летних Олимпийских играх 1936 года в Берлине.

В Германии , Липпиш работал первым по видам бесхвостых , прежде чем постепенно двигаться к летающее крыло, в то время как братья Horten разработали серию летающих крыльев планеров через 1930 - х годов. Планер H1 летал с частичным успехом в 1933 году, а последующий H2 успешно летал как в планерном, так и в моторизованном вариантах.

Northrop YB-49 был YB-35 бомбардировщик преобразуется в реактивной мощности.

В Соединенных Штатах с 1930-х годов Джек Нортроп и Честон Л. Эшелман независимо друг от друга работали над своими собственными проектами. Northrop N-1М , масштабный прототип для дальнего бомбардировщика, первый полет в 1940 году Эшелман FW-5 , который обычно называют The Wing , была экспериментальная кабина моноплан. Другие примеры истинно летающих крыльев 1930-х годов включают планер AV3 француза Шарля Фовеля 1933 года и американский планер Freel Flying Wing 1937 года с самостабилизирующимся аэродинамическим профилем на прямом крыле.

Вторая мировая война

Во время Второй мировой войны вопросы аэродинамики стали достаточно понятными, чтобы начать работу над целым рядом типичных прототипов. В нацистской Германии , то братья Horten были увлеченными сторонниками летающей конфигурации крыла, разрабатывают свои собственные конструкции вокруг него - однозначно за время использования птичьего Прандтля «распределения подъемного колокольчиковидного». Одним из таких самолетов, которые они произвели, был планер Horten H.IV , который производился небольшими партиями в период с 1941 по 1943 год. Несколько других немецких военных конструкций в конце войны были основаны на концепции летающего крыла или ее вариациях в качестве предлагаемого решения. увеличить дальность действия самолетов с очень малой дальностью полета, оснащенных ранними реактивными двигателями .

Немецкий Horten Ho 229 летал в последние дни Второй мировой войны и был первым летающим крылом с реактивным двигателем.
Часть Horten Ho 229 V3, не реставрированная по состоянию на 2007 год, на заводе Пола Гарбера Смитсоновского института.

Самым известным примером этих проектов может быть истребитель Horten Ho 229 , который впервые поднялся в воздух в 1944 году. Он сочетал в себе конструкцию летающего крыла, или Nurflügel , с парой реактивных двигателей Junkers Jumo 004 во втором, или «V2» (V для Versuch ) прототип планера; Таким образом, это было первое в мире чисто летающее крыло, оснащенное сдвоенными реактивными двигателями. По сообщениям , он впервые был запущен в марте 1944 года. V2 пилотировал Эрвин Циллер, который погиб, когда возгорание одного из его двигателей привело к аварии. Планировалось произвести модель Gotha Go 229 на завершающей стадии конфликта. Несмотря на намерения разработать Go 229 и улучшенный Go P.60 для нескольких ролей, в том числе в качестве ночного истребителя , построенные Gotha Go 229 или P.60 так и не были завершены. Неработающий, почти завершенный уцелевший «V3» или третий прототип был захвачен американскими войсками и отправлен обратно для изучения; он оказался на хранении в Смитсоновском институте .

Союзники также добились нескольких важных успехов в этой области, используя обычное эллиптическое распределение подъемной силы с вертикальными поверхностями оперения. В декабре 1942 года Нортроп управлял Н-9М , самолетом-разработчиком в масштабе одной трети предлагаемого дальнего бомбардировщика; несколько были произведены, все, кроме одного, были списаны после завершения программы бомбардировщика. В Великобритании планер Baynes Bat летал во время войны; Это был экспериментальный самолет в масштабе одной трети, предназначенный для проверки конфигурации для потенциального преобразования танков во временные планеры .

Британский Armstrong Whitworth AW52 G 1944 года представлял собой испытательную площадку для испытаний планера для бесхвостых исследований. Компания имела амбиции разработать большой авиалайнер с летающим крылом, способный обслуживать трансатлантические маршруты. Позже за AW52G последовала Armstrong Whitworth AW52 , цельнометаллическая модель с реактивным двигателем, способная развивать высокие скорости для той эпохи; Большое внимание уделялось ламинарному течению . Первый полет 13 ноября 1947 года AW52 дал неутешительные результаты; первый прототип разбился без человеческих жертв 30 мая 1949 года, когда британский пилот впервые воспользовался катапультируемым сиденьем . Второй AW52 продолжал летать в Royal Aircraft Establishment до 1954 года.

Послевоенный

Проекты продолжали исследовать летающее крыло в послевоенную эпоху. Работа над Northrop N-1M привела к созданию дальнего бомбардировщика YB-35 , предсерийные машины которого летали в 1946 году. В следующем году он был заменен на реактивный бомбардировщик YB-49 1947 года. Конструкция не давала большого преимущества по дальности действия, представляла ряд технических проблем и не была запущена в производство. В Советском Союзе БИЧ-26 стал одной из первых попыток создания сверхзвукового реактивного летающего крыла в 1948 году; Автор авиации Билл Ганстон назвал BICh-26 опередившим свое время. Однако самолет не был принят советскими военными, и конструкция погибла вместе с Черановским.

Несколько других стран также решили заняться проектами летающих крыльев. Одной из таких стран была Турция, Turk Hava Kurumu Ucak Fabrikasi, производившая бесхвостый планер THK-13 в 1948 году. В то время эту концепцию также изучали несколько британских производителей. В ранних предложениях по Avro Vulcan , стратегическому бомбардировщику с ядерным вооружением, разработанному Роем ​​Чедвиком , также было исследовано несколько вариантов конструкции летающего крыла, хотя окончательный проект имел фюзеляж.

После появления сверхзвуковых самолетов в 1950-х годах интерес военных к летающему крылу резко снизился, поскольку концепция использования толстого крыла, в котором размещались экипаж и оборудование, напрямую противоречила оптимальному тонкому крылу для сверхзвукового полета.

Интерес к летающим крыльям возобновился в 1980-х годах из-за их потенциально низкого радиолокационного сечения отражения. Технология Stealth основана на формах, отражающих радиолокационные волны только в определенных направлениях, что затрудняет обнаружение самолета, если приемник радара не находится в определенном положении относительно самолета - положении, которое постоянно меняется по мере движения самолета. Этот подход в конечном итоге привел к созданию Northrop Grumman B-2 Spirit , бомбардировщика- невидимки с летающим крылом . В этом случае аэродинамические преимущества летающего крыла не являются первопричиной принятия конструкции. Однако современные управляемыми компьютера летать по проводам система позволяет для многих из аэродинамических недостатков летающего крыла , чтобы свести к минимуму, что делает для эффективного и стабильного эффективного бомбардировщика дальнего действия.

Из-за практической потребности в глубоком крыле концепция летающего крыла наиболее практична для дозвуковых самолетов . Был постоянный интерес к его использованию в больших транспортных функциях, когда крыло достаточно глубоко, чтобы удерживать груз или пассажиров. Ряд компаний, включая Boeing , McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth , на сегодняшний день выполнили значительные работы по проектированию авиалайнеров с летающим крылом, по состоянию на 2020 год такие авиалайнеры еще не поступили в производство.

После окончания холодной войны было произведено множество беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с летающим крылом. Страны обычно использовали такие платформы для воздушной разведки ; К таким БПЛА относятся Lockheed Martin RQ-170 Sentinel , Northrop Grumman Tern и крыло Nanning Huishi Flying . Гражданские компании также экспериментировали с БЛА, такими как Facebook Aquila , в качестве атмосферных спутников . Были произведены различные прототипы беспилотных боевых летательных аппаратов (БЛА), в том числе Dassault nEUROn , Sukhoi S-70 Okhotnik-B и BAE Systems Taranis .

Дизайн

Обзор

Чистое летающее крыло иногда представляется как теоретически наиболее аэродинамически эффективная (с наименьшим сопротивлением) конструктивная конфигурация для самолета с неподвижным крылом. Он также обеспечит высокую конструктивную эффективность для заданной глубины крыла, что приведет к легкому весу и высокой топливной эффективности .

Поскольку у него отсутствуют обычные стабилизирующие поверхности и связанные с ними поверхности управления, летающее крыло в чистом виде страдает присущими ему недостатками, заключающимися в нестабильности и сложности управления. Эти компромиссы трудно согласовать, и усилия по их достижению могут уменьшить или даже свести на нет ожидаемые преимущества конструкции летающего крыла, такие как уменьшение веса и сопротивления . Более того, решения могут привести к окончательному дизайну, который все еще будет слишком небезопасным для определенных целей, например для коммерческой авиации.

Дальнейшие трудности возникают из-за проблемы размещения пилота, двигателей, летного оборудования и полезной нагрузки в пределах глубины секции крыла. Другие известные проблемы с конструкцией летающего крыла относятся к тангажу и рысканью . Вопросы тангажа обсуждаются в статье о бесхвостых самолетах . Проблемы рыскания обсуждаются ниже.

Инженерный дизайн

Крыло, которое сделано достаточно глубоким, чтобы вместить пилота, двигатели, топливо, шасси и другое необходимое оборудование, будет иметь увеличенную лобовую площадь по сравнению с обычным крылом и длинным тонким фюзеляжем. Фактически это может привести к более высокому лобовому сопротивлению и, следовательно, более низкой эффективности по сравнению с традиционной конструкцией. Обычно в этом случае принимается решение, чтобы крыло было достаточно тонким, и затем самолет оснащался набором блистеров, гондол, гондол, килей и т. Д., Чтобы удовлетворить все потребности практического самолета.

Проблема обостряется на сверхзвуковых скоростях, когда сопротивление толстого крыла резко возрастает и очень важно, чтобы крыло было тонким. Сверхзвукового летающего крыла еще не построили.

Направленная устойчивость

Чтобы любой самолет мог летать без постоянной коррекции, он должен иметь курсовую устойчивость по рысканью.

У летающих крыльев нет места, чтобы прикрепить эффективный вертикальный стабилизатор или оперение. Любой плавник должен прикрепляться непосредственно к задней части крыла, создавая небольшой рычаг момента от аэродинамического центра, что, в свою очередь, означает, что плавник неэффективен, а для эффективности его площадь должна быть большой. Такой большой плавник имеет ограничения по весу и лобовому сопротивлению и может свести на нет преимущества летающего крыла. Проблему можно свести к минимуму, увеличив стреловидность крыла и разместив сдвоенные ребра за бортом около законцовок, как, например, в треугольном крыле с низким удлинением, но с учетом соответствующего снижения эффективности многие летающие крылья имеют более мягкую стреловидность и, следовательно, лучшая, предельная стабильность.

Другое решение состоит в том, чтобы наклонить или повернуть секции законцовки крыла вниз со значительным углом наклона , увеличивая площадь в задней части самолета, если смотреть сбоку.

Соотношение сторон стреловидного крыла, если смотреть в направлении воздушного потока, зависит от угла рыскания относительно воздушного потока. Рыскание увеличивает удлинение переднего крыла и уменьшает удлинение заднего крыла. При достаточной обратной стреловидности дифференциальное сопротивление, вызванное концевыми вихрями и поперечным потоком, достаточно для естественного выравнивания летательного аппарата. Эта схема стабилизации использовалась в ранних летающих крыльях Northrop в сочетании с вертикальными гондолами двигателей (YB-35) или миниатюрными стабилизаторами (YB-49).

Дополнительный подход использует дифференциальное кручение или размывку вместе со стреловидной формой крыла в плане и подходящим сечением аэродинамического профиля. Прандтль, Панконин и другие обнаружили, что вымывание было основополагающим для устойчивости к рысканью летающих крыльев братьев Хортен в 1930-х и 1940-х годах. При обычном эллиптическом распределении подъемной силы опускающийся элевон вызывает повышенное индуцированное сопротивление, которое заставляет самолет отклоняться от поворота ("неблагоприятный рыскание"). Гортенс описал «колоколообразное распределение подъемной силы» по размаху крыла с большей подъемной силой в центральной части и нулевой на концах, вызванной их отрицательным углом падения из-за сильного вымывания. Восстановление внешней подъемной силы элевоном создает небольшую индуцированную тягу для задней (внешней) части крыла при развороте. Этот вектор по существу тянет заднее крыло вперед, вызывая "обратный рыскание", создавая естественно скоординированный поворот. Хотя Реймар Хортен так и не доказал существование обратного рыскания, в конечном итоге это было подтверждено бесхвостым демонстратором PRANDTL-D НАСА на базе Hortex-Xc.

Контроль рыскания

В некоторых конструкциях летающих крыльев любые стабилизирующие кили и связанные с ними управляющие рули будут расположены слишком далеко вперед, чтобы иметь большой эффект, поэтому иногда предусмотрены альтернативные средства управления рысканием .

Одним из решений проблемы управления является дифференциальное лобовое сопротивление: сопротивление около одной законцовки крыла искусственно увеличивается, в результате чего самолет отклоняется от курса в направлении этого крыла. Типичные методы включают:

  • Разделенные элероны . Верхняя поверхность движется вверх, а нижняя поверхность движется вниз. Разделение элеронов на одну сторону вызывает рыскание, создавая эффект дифференциального воздушного торможения.
  • Спойлеры . Поверхность спойлера в верхней обшивке крыла приподнята, чтобы нарушить воздушный поток и увеличить сопротивление. Этот эффект обычно сопровождается потерей подъемной силы, которую должен компенсировать либо пилот, либо сложные конструктивные особенности.
  • Спойлероны . Спойлер на верхней поверхности, который также снижает подъемную силу (эквивалентен отклонению элерона вверх), заставляя самолет крениться в направлении разворота - угол крена заставляет подъемную силу крыла действовать в направлении разворота, уменьшая величина сопротивления, необходимая для поворота продольной оси самолета.

Следствием метода дифференциального сопротивления является то, что если самолет часто маневрирует, он часто создает сопротивление. Таким образом, летающие крылья наиболее эффективны при крейсерском движении в неподвижном воздухе: в турбулентном воздухе или при смене курса самолет может быть менее эффективным, чем самолет традиционной конструкции.

Двунаправленное летающее крыло

Двунаправленное летающее крыло, вид сверху

Конструкция сверхзвукового двунаправленного летающего крыла состоит из низкоскоростного крыла с большим размахом и высокоскоростного крыла с коротким размахом, соединенных в виде неравноправного креста.

Предлагаемый аппарат будет взлетать и приземляться с низкоскоростным крылом поперек воздушного потока, а затем вращаться на четверть оборота так, чтобы высокоскоростное крыло было обращено к воздушному потоку для сверхзвукового полета. НАСА профинансировало исследование предложения.

Утверждается, что конструкция отличается низким волновым сопротивлением, высокой дозвуковой эффективностью и небольшим или отсутствующим звуковым ударом.

Предлагаемое низкоскоростное крыло будет иметь толстый закругленный аэродинамический профиль, способный удерживать полезную нагрузку, и большой размах для высокой эффективности, в то время как высокоскоростное крыло будет иметь тонкий аэродинамический профиль с острыми краями и более короткий размах для низкого сопротивления на сверхзвуковых частотах. скорость.

Связанные дизайны

Некоторые связанные самолеты, которые не являются строго летающими крыльями, были описаны как таковые.

Некоторые типы, такие как Northrop Flying Wing (NX-216H) , по-прежнему имеют хвостовой стабилизатор, установленный на хвостовых балках, хотя у них нет фюзеляжа.

Многие дельтапланы и сверхлегкие самолеты бесхвостые. Хотя иногда их называют летающими крыльями, они несут пилота (и двигатель, если он установлен) ниже конструкции крыла, а не внутри него, и поэтому не являются настоящими летающими крыльями.

Самолет с резко стреловидным треугольником в плане и глубоким центральным сечением представляет собой пограничный случай между летающим крылом, составным корпусом крыла и / или конфигурациями подъемного корпуса .

Смотрите также

использованная литература

Цитаты

Библиография

  • Ганстон, Билл (1996). «По ту сторону границ: летающие крылья Нортропа». Крылья славы . Лондон: Aerospace Publishing (Том 2): 24–37. ISBN 1-874023-69-7. ISSN  1361-2034 ..
  • Кон, Лео Дж. (1974). Летающие крылья Нортропа . Милуоки, Висконсин: Авиационные публикации. ISBN 0-87994-031-X.
  • Мэлони, Эдвард Т. (1975). Нортроп Летающие Крылья . Буэна-Парк, Калифорния: Издатели Planes Of Fame. ISBN 0-915464-00-4.
  • О'Лири, Майкл (июнь 2007 г.). «Форма грядущих крыльев». Самолет . Vol. 35 нет. 6, Issue 410. С. 65–68.
  • Иллюстрированная энциклопедия воздушных судов (часть работы 1982-1985) . Издательство Орбис.
  • Пеллетье, Ален Дж. «К идеальному самолету? Жизнь и времена летающего крыла, часть первая: начало 1945 года». Air Enthusiast (64, июль – август 1994 г.): 2–17. ISSN  0143-5450 ..
  • Меттам, штат Вашингтон (26 марта 1970 г.), «История птеродактиля» , Flight International , 97 (3185): 514–518.
  • Мойр, Ян; Сибридж, Аллан Г. (2008), Авиационные системы: интеграция механических, электрических и авионических подсистем , Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, ISBN 978-0-4700-5996-8.
  • Стуртивант Р. (1990). Британский научно-исследовательский самолет . GT Foulis. п. 45. ISBN 0854296972..
  • Sweetman, Билл (2005), Lockheed Stealth , North Branch, Миннесота: Zenith Imprint, ISBN 978-0-7603-1940-6.
  • Ламинг, Тим (2002). Вулканская история: 1952–2002 . Эндерби, Лестер, Великобритания: Silverdale Books. ISBN 1-85605-701-1..

внешние ссылки