Стреловидное крыло - Swept wing

Б-52 Stratofortress показывая свои пронеслись крылья.

Стреловидным крылом является крылом , что углы либо назад или иногда вперед от его корня , а не в прямом направлении вбок.

Стреловидные крылья летают с первых дней существования авиации. Стреловидность крыла на высоких скоростях была впервые исследована в Германии еще в 1935 году Альбертом Бецом и Адольфом Буземаном и нашла применение незадолго до окончания Второй мировой войны . Он имеет эффект задержки ударных волн и сопутствующего увеличения аэродинамического сопротивления, вызванного сжимаемостью жидкости, близкой к скорости звука , улучшая характеристики. Поэтому стреловидные крылья почти всегда используются на реактивных самолетах, предназначенных для полета на таких скоростях. Стреловидные крылья также иногда используются по другим причинам, таким как низкое лобовое сопротивление, низкая наблюдаемость, удобство конструкции или обзорность для пилота.

Термин «стреловидное крыло» обычно используется для обозначения «стреловидного назад», но варианты включают прямую стреловидность , крылья переменной стреловидности и наклонные крылья, в которых одна сторона стреловидна вперед, а другая - назад. Треугольное крыло также аэродинамический форма стреловидного крыла.

Характеристики конструкции

Для крыла заданного размаха его стреловидность увеличивает длину лонжеронов, идущих по нему от корня до кончика. Это приводит к увеличению веса и снижению жесткости. Если передний задний пояс крыла также остается прежним, расстояние между передней и задней кромками уменьшается, что снижает его способность противостоять скручивающим (скручивающим) силам. Следовательно, стреловидное крыло данного размаха и хорды должно быть усилено, и оно будет тяжелее, чем эквивалентное крыло без стреловидности.

Стреловидное крыло обычно отклоняется назад от основания, а не вперед. Поскольку крылья сделаны максимально легкими, они склонны гнуться под нагрузкой. Эта аэроупругость под действием аэродинамической нагрузки заставляет наконечники изгибаться вверх при нормальном полете. Вращение назад заставляет наконечники уменьшать угол атаки при изгибе, уменьшая подъемную силу и ограничивая эффект. При движении вперед угол атаки наконечников увеличивается по мере изгиба. Это увеличивает их подъемную силу, вызывая дальнейший изгиб и, следовательно, еще больший подъем за цикл, что может вызвать несанкционированный отказ конструкции. По этой причине стреловидность вперед редка, и крыло должно быть необычно жестким.

Характерный «угол стреловидности» обычно измеряется путем проведения линии от основания до вершины, обычно на 25% пути назад от передней кромки, и сравнения ее с перпендикуляром к продольной оси самолета. Типичные углы стреловидности варьируются от 0 для самолетов с прямым крылом до 45 градусов и более для истребителей и других высокоскоростных конструкций.

Аэродинамика

Дозвуковой и околозвуковой полет

Яковлев Як-25 стреловидное крыло

В трансзвуковой фазе стреловидное крыло также сметает ударную волну, которая находится в верхней задней части крыла. Затрагивается только составляющая скорости, перпендикулярная скачку уплотнения.

Когда самолет выходит на околозвуковую скорость чуть ниже скорости звука, волны давления, связанные с дозвуковым полетом, сходятся и начинают сталкиваться с самолетом. Когда волны давления сходятся, воздух перед самолетом начинает сжиматься. Это создает силу, известную как волновое сопротивление . Это волновое сопротивление резко увеличивается, пока весь самолет не станет сверхзвуковым, а затем уменьшается.

Однако ударные волны могут образовываться на некоторых частях летательного аппарата, движущегося со скоростью ниже скорости звука. Области низкого давления вокруг летательного аппарата вызывают ускорение потока, и на околозвуковых скоростях это локальное ускорение может превышать 1 Маха. Локальный сверхзвуковой поток должен возвращаться к условиям набегающего потока вокруг остальной части самолета, и когда поток входит в неблагоприятный градиент давления. в кормовой части крыла возникает разрыв в виде ударной волны, поскольку воздух вынужден быстро замедляться и возвращаться к атмосферному давлению.

С объектами, у которых наблюдается резкое уменьшение профиля / толщины и местный воздух быстро расширяется, чтобы заполнить пространство, занимаемое твердым объектом, или где быстрое угловое изменение сообщается воздушному потоку, вызывая мгновенное увеличение объема / уменьшение плотности, генерируется косая ударная волна . Поэтому ударные волны часто ассоциируются с частью фонаря кабины истребителя с наибольшей локальной кривизной, возникающей сразу за этой точкой.

В точке, где плотность падает, соответственно падает местная скорость звука и может образоваться ударная волна. Вот почему в обычных крыльях ударные волны образуются первыми после максимальной толщины / хорды и почему все авиалайнеры, предназначенные для крейсерского полета в околозвуковом диапазоне (выше M0,8), имеют сверхкритические крылья, которые имеют более плоскую вершину, что приводит к минимальному угловому изменению потока до верхний приземный воздух. Угловое изменение воздуха, которое обычно является частью подъемной силы, уменьшается, и это уменьшение подъемной силы компенсируется более глубокими изогнутыми нижними поверхностями, сопровождаемыми рефлексной кривой на задней кромке. Это приводит к гораздо более слабой стоячей ударной волне по направлению к задней части верхней поверхности крыла и соответствующему увеличению критического числа Маха.

Для образования ударных волн требуется энергия. Эта энергия забирается из самолета, который должен обеспечивать дополнительную тягу, чтобы компенсировать эту потерю энергии. Таким образом, удары рассматриваются как форма сопротивления . Поскольку ударные волны образуются, когда местная скорость воздуха достигает сверхзвуковых скоростей, существует определенная « критическая скорость Мах », при которой звуковой поток впервые появляется на крыле. Существует следующая точка, называемая числом Маха дивергенции сопротивления, где эффект сопротивления от толчков становится заметным. Обычно это происходит, когда толчки начинают возникать над крылом, которое на большинстве самолетов является самой большой постоянно изогнутой поверхностью и, следовательно, вносит наибольший вклад в этот эффект.

Вращение крыла приводит к уменьшению кривизны корпуса, если смотреть со стороны воздушного потока, на косинус угла стреловидности. Например, у крыла со стреловидностью 45 градусов эффективная кривизна уменьшится примерно до 70% от значения прямого крыла. Это приводит к увеличению критического числа Маха на 30%. Применительно к большим участкам самолета, таким как крылья и оперение , это позволяет ему развивать скорость, близкую к 1 Маху.

Одно из самых простых и лучших объяснений того, как работает стреловидное крыло, было предложено Робертом Т. Джонсом : «Предположим, что цилиндрическое крыло (постоянная хорда, угол падения и т. Д.) Помещено в воздушный поток под углом рыскания, т. Е. Теперь, даже если местная скорость воздуха на верхней поверхности крыла станет сверхзвуковой, там не может образоваться ударная волна, потому что это должна быть обратная стреловидная волна, стреловидная под тем же углом, что и крыло, т. е. это будет косой удар. Такой косой удар не может образоваться, пока нормальная к нему составляющая скорости не станет сверхзвуковой ».

Одним из ограничивающих факторов в конструкции стреловидного крыла является так называемый «эффект середины». Если стреловидное крыло имеет непрерывную стреловидность - крыло с наклонной стреловидностью , изобары давления будут стреловидны под постоянным углом от вершины к вершине. Однако, если левая и правая половины смещены назад одинаково, как это принято на практике, изобары давления на левом крыле теоретически будут встречаться с изобариями давления правого крыла на центральной линии под большим углом. Поскольку изобары не могут пересекаться таким образом, они будут иметь тенденцию изгибаться с каждой стороны по мере приближения к центральной линии, так что изобары пересекают осевую линию под прямым углом к ​​центральной линии. Это вызывает "распускание" изобаров в корневой области крыла. Чтобы справиться с этим, немецкий аэродинамик Дитрих Кюхеманн предложил и проверил местное углубление фюзеляжа над и под корнем крыла. Это оказалось не очень эффективным. Во время разработки авиалайнера Douglas DC-8 в корневой зоне крыла использовались несокрушенные аэродинамические поверхности для борьбы с неавтоматической траекторией. Точно так же перчатка корня крыла без каркаса была добавлена ​​к крылу Boeing 707, чтобы создать Boeing 720 .

Сверхзвуковой полет

На сверхзвуковых скоростях перед передней кромкой крыла возникает косая ударная волна. Составляющая скорости, перпендикулярная скачку уплотнения, различна до и после скачка. Составляющая скорости, параллельная скачку, одинакова по обе стороны от скачка.

Треугольное крыло из Конвэр F-106 Delta Dart является формой стреловидного крыла.

Воздушный поток со сверхзвуковой скоростью создает подъемную силу за счет образования ударных волн, в отличие от воздушных потоков над и под крылом. Эти ударные волны, как и в трансзвуковом случае, создают большое сопротивление. Одна из этих ударных волн создается передней кромкой крыла, но мало способствует подъемной силе. Чтобы свести к минимуму силу этого удара, он должен оставаться «прикрепленным» к передней части крыла, что требует очень острой передней кромки. Чтобы лучше сформировать толчки, которые будут способствовать подъемной силе, остальная часть идеального сверхзвукового аэродинамического профиля имеет в поперечном сечении примерно ромбовидную форму. Для подъема на малых скоростях эти же аэродинамические поверхности очень неэффективны, что приводит к плохой управляемости и очень высоким посадочным скоростям.

Один из способов избежать необходимости в специальном сверхзвуковом крыле - это использовать дозвуковую конструкцию с высокой стреловидностью. Поток воздуха за ударными волнами движущегося тела снижается до дозвуковых скоростей. Этот эффект используется в воздухозаборниках двигателей, предназначенных для работы в сверхзвуковом диапазоне, поскольку реактивные двигатели обычно не могут напрямую поглощать сверхзвуковой воздух. Это также можно использовать для уменьшения скорости воздуха, видимой крылом, за счет ударов, создаваемых носовой частью самолета. Пока крыло находится за конической ударной волной, оно «видит» дозвуковой поток воздуха и работает в обычном режиме. Угол, необходимый для нахождения за конусом, увеличивается с увеличением скорости, при 1,3 Маха угол составляет около 45 градусов, при 2,0 Маха - 60 градусов. Например, при 1,3 Маха угол конуса Маха, образованного от корпуса самолета, будет примерно sinμ = 1 / M (μ - угол стреловидности конуса Маха).

Обычно невозможно расположить крыло так, чтобы оно находилось полностью вне сверхзвукового воздушного потока и при этом имело хорошие дозвуковые характеристики. Некоторые самолеты, такие как English Electric Lightning , почти полностью настроены для высокоскоростного полета и имеют крылья с большой стреловидностью, которые практически не решают проблем с низкой скоростью, которые создает такой профиль. В других случаях использование крыльев с изменяемой геометрией , как на Grumman F-14 Tomcat и Panavia Tornado , позволяет самолету перемещать крыло, чтобы удерживать его под наиболее эффективным углом независимо от скорости, хотя недостатки связаны с повышенной сложностью и весом. привели к тому, что это редкость.

Большинство высокоскоростных самолетов имеют крыло, которое хотя бы часть времени проводит в сверхзвуковом потоке воздуха. Но поскольку ударный конус движется к фюзеляжу с повышенной скоростью (то есть конус сужается), часть крыла в сверхзвуковом потоке также изменяется со скоростью. Поскольку эти крылья имеют стреловидную стреловидность, по мере того как конус амортизатора движется внутрь, вектор подъемной силы перемещается вперед, поскольку внешние задние части крыла создают меньшую подъемную силу. Это приводит к мощным моментам тангажа и связанным с ними необходимым изменениям дифферента.

Недостатки

Продольное течение пограничного слоя

Когда стреловидное крыло движется с высокой скоростью, воздушный поток не успевает среагировать и просто обтекает крыло почти прямо спереди назад. При более низких скоростях воздух делает успевает среагировать, и выталкивается размах со стороны передней кромкой под углом, к кончику крыла. В корневой части крыла, у фюзеляжа, это мало заметно, но по мере движения к законцовке крыла воздушный поток толкается по размаху не только передней кромкой, но и воздухом, движущимся по размаху рядом с ней. В конце крыла воздушный поток движется вдоль крыла, а не над ним, и эта проблема известна как поток по размаху крыла .

Подъемная сила крыла создается за счет воздушного потока над ним спереди назад. При увеличении обтекания по размаху пограничным слоям на поверхности крыла требуется больше времени для прохождения, поэтому они становятся толще и более подвержены переходу к турбулентности или отрыву потока, а также эффективное удлинение крыла меньше, и, следовательно, утечка воздуха "вокруг законцовок крыла, снижая их эффективность. Поток по размаху на стреловидных крыльях создает воздушный поток, который перемещает точку торможения на передней кромке любого отдельного сегмента крыла ниже передней кромки, увеличивая эффективный угол атаки сегментов крыла относительно соседнего переднего сегмента. В результате сегменты крыла, расположенные дальше к задней части, работают под все более высокими углами атаки, способствуя раннему срыву этих сегментов. Это способствует срыву законцовки крыльев с обратной стреловидностью, так как они находятся ближе всего к заднему краю, и задерживает срыв законцовки крыльев с прямой стреловидностью, когда законцовка направлена ​​вперед. Когда крылья стреловидны как вперед, так и назад, сначала заглохнет задняя часть крыла. Это создает давление на самолет. Если пилот не исправляет это, самолет начинает крениться, что приводит к большему срыву крыла, увеличению тангажа и т. Д. Эта проблема стала известна как танец сабли в связи с количеством североамериканских F-100 Super Sabre, которые в результате разбились при приземлении.

Решение этой проблемы принимало разные формы. Одним из них было добавление плавника, известного как ограждение крыла, на верхней поверхности крыла для перенаправления потока назад; на МиГ-15 является одним из примеров летательного аппарата , оснащенного крылом заборов. Другой тесно связанной конструкцией было добавление зубчатой ​​выемки на переднюю кромку, которая присутствует на перехватчике Avro Arrow . В других конструкциях использовался более радикальный подход, в том числе крыло Republic XF-91 Thunderceptor , которое расширялось к вершине, чтобы обеспечить большую подъемную силу на вершине. Хэндлите страницу Виктор был оснащен серповидным крылом , показывая существенную свип-обратно вблизи корневую часть крыла , где крыло было толстым, и постепенно уменьшая размах вдоль пролета, что и толщина крыла уменьшенной к кончику.

Современные решения проблемы больше не требуют таких «нестандартных» конструкций. Добавление предкрылков передней кромки и больших составных закрылков к крыльям в значительной степени решило проблему. На истребителях добавление передних удлинителей , которые обычно используются для достижения высокого уровня маневренности, также служат для увеличения подъемной силы во время приземления и уменьшения проблемы.

У стреловидного крыла есть еще несколько проблем. Во-первых, для любой заданной длины крыла фактический размах от кончика до кончика короче, чем у того же крыла, которое не стреловидно. Сопротивление на низких скоростях сильно коррелирует с удлинением , размахом по сравнению с хордой, поэтому стреловидное крыло всегда имеет большее сопротивление на более низких скоростях. Еще одна проблема - это крутящий момент, прилагаемый крылом к ​​фюзеляжу, поскольку большая часть подъемной силы крыла находится за точкой, где основание крыла соединяется с самолетом. Наконец, в то время как основные лонжероны крыла довольно легко пропустить прямо через фюзеляж при прямой конструкции крыла с использованием единого сплошного куска металла, это невозможно для стреловидного крыла, поскольку лонжероны будут встречаться под углом.

Теория развертки

Теория стреловидности - это авиационно-техническое описание поведения воздушного потока над крылом, когда передняя кромка крыла встречает воздушный поток под косым углом. Развитие теории стреловидности привело к конструкции стреловидного крыла, используемой в большинстве современных реактивных самолетов, поскольку эта конструкция более эффективно работает на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях. В своей развитой форме теория стреловидности привела к экспериментальной концепции наклонного крыла .

Адольф Буземанн представил концепцию стреловидного крыла и представил ее в 1935 году на 5-м Конгрессе Вольта в Риме. Теория стреловидности в целом была предметом разработки и исследования в течение 1930 - х и 1940 - х годах, но прорыв математическое определение теории развертки обычно приписывают NACA «s Роберт Т. Джонс в 1945 году теории Развертки опирается на другие теории подъемной силы крыла. Теория подъемной линии описывает подъемную силу, создаваемую прямым крылом (крыло, в котором передняя кромка перпендикулярна воздушному потоку). Теория Вайссинджера описывает распределение подъемной силы для стреловидного крыла, но не позволяет учесть распределение давления по хорде. Есть и другие методы, описывающие хордовые распределения, но у них есть другие ограничения. Теория стреловидности Джонса обеспечивает простой и всесторонний анализ характеристик стреловидного крыла.

Чтобы наглядно представить себе основную концепцию теории простой стреловидности, рассмотрим прямое, не стреловидное крыло бесконечной длины, которое встречает воздушный поток под перпендикулярным углом. Полученное распределение давления воздуха эквивалентно длине хорды крыла (расстоянию от передней кромки до задней кромки). Если бы мы начали сдвигать крыло вбок (по размаху ), то боковое движение крыла относительно воздуха было бы добавлено к ранее перпендикулярному воздушному потоку, что привело бы к воздушному потоку над крылом под углом к ​​передней кромке. Этот угол приводит к тому, что воздушный поток проходит большее расстояние от передней кромки до задней кромки, и, таким образом, давление воздуха распределяется на большее расстояние (и, следовательно, уменьшается в любой конкретной точке на поверхности).

Этот сценарий идентичен воздушному потоку, который испытывает стреловидное крыло, когда оно движется по воздуху. Воздушный поток над стреловидным крылом встречает крыло под углом. Этот угол можно разбить на два вектора, один перпендикулярный крылу, а второй - параллельный крылу. Поток, параллельный крылу, не влияет на него, а поскольку перпендикулярный вектор короче (то есть медленнее), чем фактический воздушный поток, он, следовательно, оказывает меньшее давление на крыло. Другими словами, крыло испытывает воздушный поток, который медленнее и при более низком давлении, чем реальная скорость самолета.

Одним из факторов, который необходимо учитывать при проектировании высокоскоростного крыла, является сжимаемость , то есть эффект, который действует на крыло, когда оно приближается и проходит через скорость звука . Значительные отрицательные эффекты сжимаемости сделали ее главной проблемой для авиационных инженеров. Теория развертки помогает смягчить эффекты сжимаемости в околозвуковых и сверхзвуковых самолетах из-за пониженного давления. Это позволяет летательному аппарату быть выше числа Маха, чем реально испытывает крыло.

У теории развертки есть и отрицательный аспект. Подъемная сила, создаваемая крылом, напрямую связана со скоростью воздуха над крылом. Поскольку скорость воздушного потока, испытываемая стреловидным крылом, ниже, чем фактическая скорость самолета, это становится проблемой на этапах медленного полета, таких как взлет и посадка. Существовали различные способы решения этой проблемы, в том числе конструкция крыла с изменяемым углом атаки на Vought F-8 Crusader и поворотное крыло на таких самолетах, как F-14 , F-111 и Panavia Tornado .

Варианты дизайна

Термин «стреловидное крыло» обычно используется для обозначения «стреловидного назад», но другие варианты стреловидности включают прямую стреловидность , крылья переменной стреловидности и наклонные крылья, в которых одна сторона стреловидна вперед, а другая - назад. Треугольное крыло также включает в себя то же преимущество , как часть его расположения.

Прямая развертка

LET L-13 двухместный планер с крылом обратной стреловидности

Экспериментальный самолет Grumman X-29 , экстремальный образец крыла прямой стреловидности

Подвиг крыла вперед имеет примерно такой же эффект, как и задний, с точки зрения уменьшения лобового сопротивления, но имеет другие преимущества с точки зрения управляемости на низких скоростях, когда проблемы сваливания крыла просто исчезают. В этом случае низкоскоростной воздух течет к фюзеляжу, который действует как очень большая ограда крыла. Кроме того, крылья обычно больше у основания, что позволяет им иметь лучшую подъемную силу на малых скоростях.

Однако это устройство также имеет серьезные проблемы со стабильностью. Самая задняя секция крыла сначала свалится, вызывая момент тангажа, толкающий самолет дальше в сваливание, аналогично конструкции крыла со стреловидным задним крылом. Таким образом, стреловидные крылья нестабильны, подобно проблемам с малой скоростью обычного стреловидного крыла. Однако, в отличие от крыльев со стреловидной задней стреловидностью, наконечники на конструкции с стреловидностью вперед будут сваливаться в последнюю очередь, сохраняя контроль крена.

Крылья с прямой стреловидностью также могут испытывать опасные эффекты изгиба по сравнению с крыльями с задней стреловидностью, которые могут свести на нет преимущество сваливания законцовки, если крыло недостаточно жесткое. В конструкциях с задней стреловидностью, когда самолет маневрирует с высоким коэффициентом нагрузки, нагрузка и геометрия крыла скручивают крыло таким образом, чтобы создать размытие (законцовка поворачивает переднюю кромку вниз). Это уменьшает угол атаки законцовки, тем самым уменьшая изгибающий момент на крыле, а также несколько снижая вероятность срыва законцовки. Однако тот же эффект на крыльях с прямой стреловидностью дает эффект размыва, который увеличивает угол атаки, способствуя срыву законцовки.

Небольшая стреловидность не вызывает серьезных проблем и использовалась на различных самолетах для перемещения лонжерона в удобное место, как на Junkers Ju 287 или HFB 320 Hansa Jet . Однако большая стреловидность, подходящая для высокоскоростных самолетов, таких как истребители, была, как правило, невозможна до появления систем « летающих по проводам» , которые могли бы достаточно быстро реагировать, чтобы гасить эти нестабильности. Grumman X-29 была экспериментальная технология демонстрационный проект предназначен для проверки обратной стреловидности крыла для повышенной маневренности в течение 1980 - х годов. Су-47 Беркут является еще одним заметным демонстратор самолета реализации этой технологии для достижения высокого уровня маневренности. На сегодняшний день в производство не поступило ни одной очень прогрессивной конструкции.

История

Ранняя история

Первые успешные самолеты придерживались базовой конструкции прямоугольных крыльев, расположенных под прямым углом к ​​корпусу машины, но были экспериментаторы, которые исследовали другие геометрические формы для достижения лучших аэродинамических результатов. Стреловидная геометрия крыла появилась еще до Первой мировой войны и была задумана как средство, позволяющее создавать безопасные и стабильные самолеты. Лучшая из этих конструкций придавала бесхвостому стреловидному крылу присущую "самозатухающую" устойчивость. Они послужили вдохновением для создания нескольких летающих планеров и некоторых самолетов с двигателем в межвоенные годы.

Бесхвостый биплан Берджесс-Данн: угол стреловидности преувеличен из-за бокового обзора, с размывом на законцовках крыла.

Первым, кто достиг стабильности, был британский конструктор Дж. У. Данн, который был одержим идеей стабильности в полете. Он успешно применил стреловидное крыло в своем бесхвостом самолете (который, что особенно важно, использовал размыв ) как средство создания положительной продольной статической устойчивости . Для низкоскоростного самолета стреловидные крылья могут использоваться для решения проблем с центром тяжести , для перемещения лонжерона крыла в более удобное место или для улучшения бокового обзора с места пилота. К 1905 году Данн уже построил модель планера со стреловидным крылом, а к 1913 году он сконструировал успешные варианты с двигателем, которые могли пересечь Ла-Манш . Данна Г.5 был исключительно аэродинамический стабильна в течение времени, и Г.8 был продан в Royal Flying Corps ; он также производился по лицензии компанией Starling Burgess для ВМС США среди других заказчиков.

Работа Данна прекратилась с началом войны в 1914 году, но впоследствии идея была подхвачена GTR Hill в Англии, который разработал серию планеров и самолетов в соответствии с рекомендациями Данна, в частности серию Westland-Hill Pterodactyl . Однако в то время теории Данна не встретили особого признания среди ведущих авиаконструкторов и авиационных компаний.

Немецкие разработки

Адольф Буземанн предложил использовать стреловидные крылья для уменьшения лобового сопротивления на высокой скорости на конференции в Вольте в 1935 году.

Идея использования стреловидных крыльев для уменьшения сопротивления на высоких скоростях была разработана в Германии в 1930-х годах. На конференции Volta Conference в 1935 году в Италии доктор Адольф Буземанн предложил использовать стреловидные крылья для сверхзвукового полета. Он отметил, что в воздушной скорости над крылом преобладает нормальная составляющая воздушного потока, а не скорость набегающего потока, поэтому, установив крыло под углом, поступательная скорость, при которой будут формироваться ударные волны, будет выше (то же самое было отмечено. от Макса Мунка в 1924 году, хотя и не в контексте высокой скорости полета). Альберт Бец сразу предположил, что тот же эффект будет одинаково полезен в трансзвуке. После презентации ведущий встречи Артуро Крокко в шутку нарисовал «самолет будущего Буземана» на обратной стороне меню, пока они все обедали. На эскизе Крокко был показан классический истребитель 1950-х годов со стреловидными крыльями и хвостовым оперением, хотя он также нарисовал стреловидный винт, приводящий его в действие.

Однако в то время не было возможности довести самолет до такой скорости, и даже самые быстрые самолеты той эпохи разгонялись только до 400 км / ч (249 миль / ч). Презентация вызвала в значительной степени академический интерес, и вскоре забыли. Даже известные участники, включая Теодора фон Кармана и Истмана Якобса , не помнили презентацию 10 лет спустя, когда она была им вновь представлена.

Хуберт Людвиг из отделения аэродинамики высоких скоростей в AVA Göttingen в 1939 году провел первые испытания в аэродинамической трубе для исследования теории Буземана. Два крыла, одно без стреловидности и одно с стреловидностью 45 градусов, были испытаны при числах Маха 0,7 и 0,9 в аэродинамической трубе размером 11 x 13 см. Результаты этих испытаний подтвердили снижение лобового сопротивления, обеспечиваемое стреловидными крыльями на околозвуковых скоростях. Результаты испытаний были переданы Альберту Бецу, который затем передал их Вилли Мессершмитту в декабре 1939 года. В 1940 году испытания были расширены и теперь включают крылья с 15, 30 и -45 градусами стреловидности и числами Маха до 1,21.

С появлением реактивных двигателей во второй половине Второй мировой войны стреловидное крыло стало все более подходящим для оптимального удовлетворения аэродинамических потребностей. Немецкий реактивный самолет Messerschmitt Me 262 и реактивный самолет Messerschmitt Me 163 страдали от эффектов сжимаемости , из-за которых оба самолета очень трудно было управлять на высоких скоростях. Кроме того, скорости переводят их в режим волнового сопротивления , и все, что может уменьшить это сопротивление, повысит характеристики их самолета, в частности, печально известное короткое время полета, измеряемое в минутах. Это привело к аварийной программе по внедрению новой конструкции стреловидного крыла как для истребителей, так и для бомбардировщиков . Blohm & Voss P 215 был разработан , чтобы в полной мере использовать аэродинамические свойства стреловидностью крыла в; однако заказ на три прототипа был получен всего за несколько недель до окончания войны, и ни одного экземпляра так и не было построено. Фокке-Вульф Та 183 был другой прокатилась конструкции крыла истребителя, но также не было произведено до конца войны. В послевоенное время Курт Танк развил Ta 183 в IAe Pulqui II , но это оказалось безуспешным.

Опытный образец испытательного самолета, Messerschmitt Me P.1101 , был построен для исследования компромиссов конструкции и разработки общих правил относительно того, какой угол стреловидности использовать. Когда он был готов на 80%, P.1101 был захвачен американскими войсками и возвращен в Соединенные Штаты , где два дополнительных экземпляра с двигателями американского производства продолжили исследования как Bell X-5 . Опыт Германии во время войны со стреловидным крылом и его высокая ценность для сверхзвукового полета резко контрастировали с преобладающими взглядами союзных экспертов той эпохи, которые обычно разделяли свою веру в невозможность пилотируемых транспортных средств, путешествующих с такой скоростью.

Послевоенные достижения

Впечатление художника от Miles M.52

В период сразу после войны несколько стран проводили исследования в области высокоскоростных самолетов. В Соединенном Королевстве, работа началась в течение 1943 года на Miles M.52 , в экспериментальной авиации высокоскоростной снабженной прямым крылом , который был разработан совместно с Frank Уитл «s Силовые Jets компании, Royal Aircraft создание (RAE) в Фарнборо , и Национальная физическая лаборатория . Предполагалось, что M.52 будет способен развивать скорость 1000 миль в час (1600 км / ч) в горизонтальном полете, что позволит летательному аппарату потенциально стать первым в мире, превышающим скорость звука. В феврале 1946 года программа была внезапно прекращена по неясным причинам. С тех пор было широко признано, что отказ от M.52 стал серьезным препятствием на пути британского прогресса в области сверхзвуковых разработок.

Другой, более успешной программой был американский Bell X-1 , который также был оснащен прямым крылом. По словам главного аэродинамика Майлза Денниса Бэнкрофта, компании Bell Aircraft был предоставлен доступ к чертежам и исследованиям M.52. 14 октября 1947 года Bell X-1 выполнил первый сверхзвуковой пилотируемый полет, пилотируемый капитаном Чарльзом «Чаком» Йегером. Он был запущен из бомбового отсека самолета Boeing B-29 Superfortress и достиг рекордной скорости в Махах. 1,06 (700 миль в час (1100 км / ч; 610 кН)). Известие об успешном сверхзвуковом самолете с прямым крылом удивило многих авиационных экспертов по обе стороны Атлантики, поскольку все больше считалось, что конструкция со стреловидным крылом не только очень полезна, но и необходима для преодоления звукового барьера.

Де Havilland DH 108 , прототип стреловидным крылом самолета

В последние годы Второй мировой войны авиаконструктор сэр Джеффри де Хэвилленд начал разработку de Havilland Comet , который стал первым в мире реактивным авиалайнером. Первоначально при проектировании рассматривался вопрос о том, следует ли применять новую конфигурацию крыла со стреловидным крылом. Таким образом, экспериментальный самолет для изучения этой технологии, de Havilland DH 108 , был разработан фирмой в 1944 году под руководством инженера-проектировщика Джона Карвера Медоуза Фроста с командой из 8–10 чертежников и инженеров. DH 108 в основном состоял из соединения передней части фюзеляжа De Havilland Vampire со стреловидным крылом и компактным коротким вертикальным оперением; это был первый британский реактивный самолет со стреловидным крылом, неофициально известный как «Ласточка». Первый полет он совершил 15 мая 1946 года, всего через восемь месяцев после одобрения проекта. Пилот-испытатель компании и сын строителя Джеффри де Хэвилленд-младший пилотировал первый из трех самолетов и обнаружил, что он очень быстр - достаточно быстро, чтобы попытаться установить мировой рекорд скорости. 12 апреля 1948 года DH108 установил мировой рекорд скорости 973,65 км / ч (605 миль в час), впоследствии он стал первым реактивным самолетом, который превысил скорость звука.

Примерно в то же время министерство авиации представило программу экспериментальных самолетов для изучения влияния стреловидности крыльев, а также конфигурации треугольного крыла . Кроме того, Королевские военно-воздушные силы (RAF) определили пару предлагаемых истребителей, оснащенных стреловидными крыльями от Hawker Aircraft и Supermarine , Hawker Hunter и Supermarine Swift соответственно, и успешно добились размещения заказов `` с чертежной доски '' в 1950 году. 7 сентября 1953 года единственный Hunter Mk 3 (модифицированный первый прототип, WB 188 ), пилотируемый Невиллом Дьюком, побил мировой рекорд воздушной скорости для реактивных самолетов, достигнув скорости 727,63 миль в час (1171,01 км / ч) над Литтлхэмптоном. , Западный Сассекс . Этот мировой рекорд продержался менее трех недель, прежде чем был побит 25 сентября 1953 года первым соперником «Охотника», «Супермарин Свифт», на котором летал Майкл Литгоу.

В феврале 1945 года инженер NACA Роберт Т. Джонс начал изучать треугольные крылья с высокой стреловидностью и V-образные формы и обнаружил те же эффекты, что и Буземан. Он закончил подробный отчет о концепции в апреле, но обнаружил, что его работа подверглась резкой критике со стороны других членов NACA Лэнгли , в частности Теодора Теодорсена, который назвал это «фокус-покусом» и потребовал немного «настоящей математики». Однако Джонс уже выделил некоторое время для моделей свободного полета под руководством Роберта Гилрута , отчеты которого были представлены в конце мая и показали четырехкратное снижение лобового сопротивления на высоких скоростях. Все это было собрано в отчет, опубликованный 21 июня 1945 года, который через три недели был отправлен в промышленность. По иронии судьбы к этому моменту работы Буземана уже разошлись.

Первый американский самолет со стреловидным крылом - Boeing B-47 Stratojet

В мае 1945 года американская операция «Скрепка» достигла Брауншвейга , где американский персонал обнаружил несколько моделей стреловидного крыла и массу технических данных из аэродинамических труб. Одним из членов американской команды был Джордж С. Шайрер , который в то время работал в компании Boeing. Он немедленно отправил письмо Бену Кону в Boeing, в котором рассказал о ценности концепции стреловидного крыла. Он также посоветовал Кону распространить письмо и среди других компаний, хотя только Boeing и North American сразу же им воспользовались.

Компания Boeing разрабатывала B-47 Stratojet , и первоначальная модель 424 имела конструкцию с прямым крылом, аналогичную B-45 , B-46 и B-48, с которыми она конкурировала. Анализ, проведенный инженером Boeing Виком Ганцером, показал, что оптимальный угол стреловидности составляет около 35 градусов. К сентябрю 1945 года данные Брауншвейга были учтены в конструкции, которая вновь появилась как Модель 448, более крупная конструкция с шестью двигателями и более прочными крыльями, стреловидными под углом 35 градусов. Другая переделка переместила двигатели в установленные на стойках блоки под крыльями из-за опасений, что отказ внутреннего двигателя может потенциально разрушить самолет из-за пожара или вибрации. Получившийся в результате B-47 был провозглашен самым быстрым в мире в своем классе в конце 1940-х годов и побил конкурентов с прямыми крыльями. С тех пор повсеместно применяется формула реактивного транспорта Boeing со стреловидным крылом и установленными на пилоне двигателями.

В области истребителей компания North American Aviation работала над военно-морским истребителем с прямым крылом и реактивным двигателем, тогда известным как FJ-1 ; Позже он был представлен ВВС США как XP-86 . Ларри Грин, который мог читать по-немецки, изучил отчеты Буземанна и убедил руководство разрешить модификацию конструкции, начиная с августа 1945 года. Характеристики F-86A позволили ему установить первый из нескольких официальных мировых рекордов скорости , достигнув 671 мили в час (1080 км / ч) 15 сентября 1948 года, пилотировал майор Ричард Л. Джонсон . С появлением МиГ-15 F-86 бросился в бой, в то время как реактивные самолеты с прямым крылом, такие как Lockheed P-80 Shooting Star и Republic F-84 Thunderjet, были быстро переведены в задачи наземной атаки. Некоторые из них, такие как F-84 и Grumman F-9 Cougar , позже были модернизированы со стреловидными крыльями от самолетов с прямыми крыльями. Более поздние самолеты, такие как North American F-100 Super Sabre , с самого начала будут проектироваться со стреловидными крыльями, хотя для овладения сверхзвуковым полетом потребуются дополнительные инновации, такие как форсаж, правила площади и новые поверхности управления.

А МиГ-15 в ВВС Польши

Советский Союз также был заинтригован об идее стреловидного крыла на самолете, когда их «захватили авиационные технологии» аналоги западных союзников распространились по всему побежденному Третьему рейху. Советское правительственное авиационное научно-исследовательское управление ЦАГИ обратилось к Артему Микояну с просьбой разработать испытательный самолет для исследования идеи стреловидного крыла. Результатом стал необычный пилотируемый в конце 1945 года самолет МиГ-8 " Утка" с толкающей уткой и расположен в задней части. крылья развернуты для такого рода исследований. Стреловидное крыло было применено к МиГ-15 , раннему истребителю с реактивным двигателем, его максимальная скорость 1075 км / ч (668 миль / ч) превосходила американские самолеты с прямым крылом и истребители с поршневым двигателем, первоначально развернутые во время Корейской войны . Считается, что МиГ-15 был одним из самых производимых реактивных самолетов ; в конечном итоге будет произведено более 13000 штук.

МиГ-15, который не мог безопасно превышать 0,92 Маха, послужил основой для МиГ-17 , который был разработан для управления на более высоких числах Маха. Его крыло имело сложную форму "серповидной стреловидности", чем-то напоминающую F-100 Super Sabre , с углом 45 ° возле фюзеляжа и 42 ° для внешней части крыльев. Другой вариант конструкции, получивший обозначение МиГ-19 , отличался относительно тонким крылом, пригодным для сверхзвуковых полетов, которое было разработано в ЦАГИ, Советском Центральном аэрогидродинамическом институте ; Стрела назад под углом 55 градусов, это крыло имело одностворчатые ограждения с каждой стороны. Специализированный высотный вариант, МиГ-19СВ, помимо других изменений, отличался регулировкой закрылка для обеспечения большей подъемной силы на больших высотах, что помогло увеличить потолок самолета с 17 500 м (57 400 футов) до 18 500 м (60 700 футов).

Немецкие исследования стреловидного крыла также были проданы шведскому производителю самолетов SAAB , предположительно через группу бывших инженеров Messerschmitt, бежавших в Швейцарию в конце 1945 года. В то время SAAB стремилась к достижению авиационных успехов, особенно в новой области. реактивного движения. Компания использовала как реактивный двигатель, так и стреловидное крыло, чтобы произвести истребитель Saab 29 Tunnan ; 1 сентября 1948 года первый прототип провел свой первый полет, пролетел английский летчик - испытатель S / L Robert A. «Bob» Мур, DFC и бар, хотя не очень хорошо известны за пределами Швеции, Tunnan был первый западноевропейский истребитель быть представлен с такой конфигурацией крыла. Параллельно с этим SAAB также разработала еще один самолет со стреловидным крылом, Saab 32 Lansen , в первую очередь для использования в качестве стандартного штурмовика Швеции. Его крыло, которое имело 10-процентный ламинарный профиль и стреловидность 35 °, имело треугольные ограждения возле корней крыла для улучшения воздушного потока, когда самолет летел под большим углом атаки . 25 октября 1953 года SAAB 32 Lansen во время мелкого погружения достиг числа Маха не менее 1,12, превысив звуковой барьер .

Avro Vulcan , летающий в Фарнборо , 1958.

Драматические успехи таких самолетов, как Hawker Hunter, B-47 и F-86, олицетворяли широкое признание исследований стреловидного крыла, полученных в Германии. В конце концов, почти все усовершенствованные разработки должны были включать стреловидную конфигурацию крыла. Классический Boeing B-52, разработанный в 1950-х годах, продолжает служить в качестве высокодозвукового тяжелого бомбардировщика большой дальности, несмотря на разработку североамериканского B-70 Valkyrie с тройным звуком , сверхзвукового качающегося крыла Rockwell B-1 Lancer , и конструкции летающего крыла. В то время как Советы никогда не сравнивали характеристики Boeing B-52 Stratofortress с реактивным самолетом, турбовинтовой бомбардировщик межконтинентального диапазона Tupolev Tu-95 с его максимальной скоростью около реактивного класса 920 км / ч, сочетая стреловидное крыло с винтовой силовой установкой, также остается на вооружении и сегодня, являясь самым быстрым серийным винтовым самолетом. В Великобритании был разработан ряд бомбардировщиков со стреловидным крылом: Vickers Valiant (1951 г.), Avro Vulcan (1952 г.) и Handley Page Victor (1952 г.).

К началу 1950-х годов почти каждый новый истребитель либо перестраивался, либо проектировался с нуля со стреловидным крылом. К 1960-м годам большинство гражданских самолетов также получили стреловидные крылья. Douglas A-4 Skyhawk и Дуглас F4D Skyray были примеры треугольных крыльев , которые также охвативших передние кромки с или без хвоста. В большинстве ранних околозвуковых и сверхзвуковых самолетов, таких как МиГ-19 и F-100, использовались длинные крылья с большой стреловидностью. Стреловидные крылья будут достигать 2 Маха в самолетах BAC Lightning со стреловидными крыльями и короткокрылых Republic F-105 Thunderchief , которым не хватало поворачиваемости во вьетнамских боях. К концу 1960-х годов истребители F-4 Phantom и МиГ-21 Микояна-Гуревича, которые оба использовали варианты с треугольным хвостовым крылом, стали доминировать в авиации на линии фронта. Крылья с изменяемой геометрией использовались на американских F-111 , Grumman F-14 Tomcat и советских МиГ-27 Микоян , хотя от этой идеи отказались бы в пользу американской конструкции SST. После 1970-х годов большинство истребителей нового поколения, оптимизированных для маневрирования в воздухе, начиная с F-15 ВВС США и советского МиГ-29 Микояна , использовали относительно короткие размах фиксированных крыльев с относительно большой площадью крыла.

Смотрите также

• Дельта-крыло
• Теодор фон Карман , первым осознавший важность стреловидного крыла
• Трапециевидное крыло
• Конфигурация крыла

использованная литература

Цитаты

Список используемой литературы

дальнейшее чтение

• «Скоростная форма: ускорение и паллиативы, принятые на самолетах со стреловидным крылом» , Flight International , 2 января 1964 г.

внешние ссылки

• Стреловидные крылья и эффективный двугранный угол
• Развитие стреловидного крыла
• Математика простой теории развертки
• Продвинутая математика стреловидных и наклонных крыльев
• Исследование L-39 и стреловидного крыла
• Теория развертки в трехмерной среде
• Результаты CFD, показывающие трехмерный сверхзвуковой пузырь над крылом A 320. Другой результат CFD, показывающий MDXX и то, как ударная волна исчезает вблизи фюзеляжа, где крыло более тонкое.