Бесхвостый самолет - Tailless aircraft

У бесхвостого самолета нет хвостового оперения и другой горизонтальной поверхности, кроме основного крыла. Функции аэродинамического управления и стабилизации по тангажу и крену встроены в основное крыло. Бесхвостый тип может по-прежнему иметь обычное вертикальное оперение ( вертикальный стабилизатор ) и руль направления .

Теоретические преимущества бесхвостой конфигурации включают низкое паразитное сопротивление, как на парящем планере Horten H.IV, и хорошие характеристики скрытности, как на бомбардировщике Northrop B-2 Spirit .

Самой удачной бесхвостой конфигурацией была бесхвостая дельта , особенно для боевых самолетов, хотя наиболее знакомой бесхвостой дельтой является авиалайнер Concorde .

НАСА использовало описание «бесхвостого» для нового исследовательского самолета X-36, который имеет носовую часть утка, но не имеет вертикального оперения.

Летающие крылья

Летающее крыло является дизайном бесхвостым , который также не имеет отчетливый фюзеляж , имеющий пилот - сигнал, двигатели и т.д. , расположенный непосредственно в или на крыле.

Аэродинамика

Тащить

Обычный самолет с неподвижным крылом имеет горизонтальную стабилизирующую поверхность, отдельную от его основного крыла. Эта дополнительная поверхность вызывает дополнительное сопротивление, требующее более мощного двигателя, особенно на высоких скоростях. Если продольная (тангажная) устойчивость и управляемость могут быть достигнуты каким-либо другим способом (см. Ниже), стабилизатор может быть удален и сопротивление уменьшено.

Продольная устойчивость

Бесхвостый самолет не имеет отдельного горизонтального стабилизатора. Из-за этого аэродинамический центр обычного крыла будет располагаться впереди центра тяжести самолета, создавая нестабильность по тангажу . Чтобы переместить аэродинамический центр назад и сделать самолет устойчивым, необходимо использовать какой-то другой метод . У дизайнера есть два основных способа добиться этого, первый из которых был разработан летчиком-первооткрывателем Дж . В. Данном .

Сдвиг передней кромки крыла назад, в виде стреловидного или треугольного крыла , и уменьшение угла наклона внешней секции крыла позволяет внешнему крылу действовать как обычный стабилизатор хвостового оперения. Если это делается постепенно по размеру внешней секции, это называется смывом наконечника . Данн добился этого, придав верхней поверхности крыла коническую кривизну. В горизонтальном полете самолет должен быть сбалансирован таким образом, чтобы его концы не создавали подъемной силы: им может даже потребоваться небольшой толчок вниз. Это снижает общую эффективность крыла, но для многих конструкций - особенно для высоких скоростей - это перевешивается снижением лобового сопротивления, веса и стоимости по сравнению с обычным стабилизатором. Большой размах крыла также снижает маневренность, и по этой причине конструкция Данна была отклонена британской армией.

Альтернативой является использование аэродинамических поверхностей с низким или нулевым моментом тангажа , которые можно увидеть, например, в планерах и истребителях серии Horten . В них используется необычная аэродинамическая часть крыла с рефлекторным или обратным развалом задней части или всего крыла. При рефлекторном изгибе более плоская сторона крыла находится сверху, а сильно изогнутая сторона - снизу, поэтому передняя часть представляет собой большой угол атаки, в то время как задняя часть более горизонтальна и не способствует подъемной силе, поэтому действует как хвостовое оперение. или размытые кончики стреловидного крыла. Рефлекторный развал можно смоделировать, установив большие рули высоты на обычный аэродинамический профиль и заметно уменьшив их вверх; центр тяжести также должен быть перемещен вперед по сравнению с обычным положением. Из-за эффекта Бернулли рефлекторный изгиб имеет тенденцию создавать небольшой рывок вниз, поэтому угол атаки крыла увеличивается для компенсации. Это, в свою очередь, создает дополнительное сопротивление. Этот метод позволяет более широкий выбор формы крыла в плане, чем стреловидность и размывка, а конструкции включают прямые и даже круглые (Arup) крылья. Но сопротивление, присущее большому углу атаки, обычно считается неэффективным, и только несколько серийных планеров, таких как серии планеров Fauvel и Marske Aircraft , использовали его.

Более простой подход состоит в том, чтобы преодолеть нестабильность, разместив основную массу самолета на значительном расстоянии ниже крыла, чтобы гравитация поддерживала самолет в горизонтальном положении и таким образом противодействовала любой аэродинамической нестабильности, как в параплане . Однако на практике этого редко бывает достаточно для обеспечения устойчивости самого по себе, и обычно это дополняется описанными аэродинамическими методами. Классическим примером является крыло- дельтаплан Rogallo, в котором используется та же стреловидность, размывка и коническая поверхность, что и у Dunne.

Стабильность также может быть обеспечена искусственно. Есть компромисс между стабильностью и маневренностью. Высокая маневренность требует низкой устойчивости. Некоторые современные высокотехнологичные боевые самолеты аэродинамически нестабильны по тангажу и для обеспечения устойчивости полагаются на компьютерное управление по проводам. Northrop B-2 Spirit летающее крыло является примером.

Управление по каналу тангажа

Многие ранние конструкции не могли обеспечить эффективный контроль тангажа для компенсации отсутствующего стабилизатора. Некоторые экземпляры были стабильными, но их высоту можно было контролировать только с помощью мощности двигателя. Другие могут резко и неконтролируемо качаться вверх или вниз, если с ними не обращаться осторожно. Это дало бесхвостым конструкциям репутацию нестабильных. Лишь после более позднего успеха бесхвостой дельта-конфигурации в эпоху реактивных двигателей эта репутация была широко признана незаслуженной.

Обычно принимаемое решение состоит в том, чтобы обеспечить большую поверхность руля высоты и / или элевона на задней кромке крыла. Если крыло не имеет большой стреловидности, они должны создавать большие управляющие силы, поскольку их расстояние от аэродинамического центра мало, а моменты меньше. Таким образом, бесхвостый тип может испытывать более высокое сопротивление во время маневров по тангажу, чем его традиционный эквивалент. В треугольном крыле с высокой стреловидностью расстояние между задней кромкой и аэродинамическим центром больше, поэтому увеличенные поверхности не требуются. Дассо Мираж серия бесхвостой дельты и его производные были один из наиболее широко используемых боевых самолетов. Однако даже в Mirage управление тангажем на больших углах атаки во время взлета и посадки могло быть проблематичным, и некоторые более поздние версии имели дополнительные поверхности утка .

Устойчивость по рысканью

Обычный самолет нестабилен на рысканье, и ему нужен хвостовой стабилизатор, чтобы держать его прямо. Движение элеронов создает неблагоприятное рыскание, выводящее его из поворота, которое также должно компенсироваться рулем направления . Несмотря на то, что стреловидное крыло устойчиво в прямом полете, оно все же испытывает сильный рыскание во время поворота. Одним из решений является достаточный поворот крыла для того, чтобы внешняя часть наклонилась вниз и создавала отрицательную подъемную силу. Это устраняет неблагоприятное рыскание элеронов, помогая самолету войти в поворот и устраняя необходимость в вертикальном руле направления или интерцепторах с дифференциальным сопротивлением.

Также было показано, что колоколообразное распределение подъемной силы, которое это создает, минимизирует индуцированное сопротивление для данного веса (по сравнению с эллиптическим распределением, которое минимизирует его для данного пролета).

История

См. Также История летающего крыла.

Дж. В. Данн

Биплан Берджесс-Данн в армии США в 1917 году.

Между 1905 и 1913 годами офицер и воздухоплаватель британской армии Дж. У. Данн разработал серию бесхвостых самолетов, которые по своей сути должны были быть устойчивыми и демонтированными. Вдохновленные его исследованиями чаек в полете, они характеризовались стреловидными крыльями с конической верхней поверхностью. Конус был устроен так, что крыло постепенно закручивалось наружу к законцовкам, создавая отрицательный угол падения и, следовательно, отрицательную подъемную силу во внешних частях, создавая общую устойчивость как по тангажу, так и по рысканью. Единая поверхность управления на задней кромке каждой законцовки крыла действовала как комбинированный элерон и руль высоты. Данн хорошо разбирался в аэродинамических принципах и даже понимал, как отрицательная подъемная сила на законцовках крыла в сочетании с крутым наклоном вниз в поперечном направлении повышает курсовую устойчивость.

Первоначально он задумывался как моноплан , но первоначальные конструкции Данна для армии должны были быть бипланами , обычно с фюзеляжной гондолой между самолетами с установленным сзади толкающим винтом и фиксированными ребрами концевых пластин между каждой парой законцовок крыла.

После того, как его армейская работа закончилась, в 1910 году биплан D.5 был засвидетельствован в стабильном полете Орвиллом Райтом и Гриффитом Брюэром , которые представили официальный отчет Королевскому авиационному обществу по этому поводу . Таким образом, он стал первым самолетом, когда-либо достигшим естественной устойчивости в полете, а также первым практичным бесхвостым самолетом. Более поздний D.8 был построен по лицензии и коммерчески продавался У. Старлинг Берджессом в Америке как Берджесс-Данн.

Он также вернулся в свой моноплан. D.6 1911 был толкатель типа высокого крыла монопланом который также показал выраженный ксеноморфным или свисать к кончикам крыла. Поверхности управления теперь также выполняли роль рулей направления.

Многие идеи Данна о стабильности остаются в силе, и известно, что он оказал влияние на более поздних конструкторов, таких как Джон К. Нортроп (отец стелс-бомбардировщика Northrop Grumman B-2 Spirit ).

Между войной и Второй мировой войной

GTR Hill и птеродактили

После Первой мировой войны пилот Джеффри Т. Р. Хилл также искал стабильную, разборную конструкцию. Первоначально Данн оказал некоторую помощь, и Хилл продолжил производство серии бесхвостых самолетов Pterodactyl, начиная с 1920-х годов. Хилл также начал разрабатывать теорию стабильного крыла и включил ее в свои конструкции.

Дельты Липпиша

Немецкие теоретики развили теорию устойчивого крыла. Дизайнер Александр Липпиш создал свою первую бесхвостую модель Delta I в 1931 году. Он продолжал создавать серию все более сложных моделей, а в конце Второй мировой войны был доставлен в Америку, чтобы продолжить свою работу .

Мессершмитт Ме 163 Комет

Во время Второй мировой войны Липпиш работал у немецкого конструктора Вилли Мессершмитта над первым запущенным в производство бесхвостым самолетом Me 163 Komet . Это был единственный ракетный перехватчик, который когда-либо был поставлен на передовую, и был самым быстрым самолетом, поступившим на вооружение во время войны.

Northrop

Параллельно с Липпишем в США Джек Нортроп разрабатывал собственные идеи бесхвостых конструкций. N-1М летал в 1941 году и последовательность видов бесхвостых следовали, некоторые из них настоящие летающие крылья.

Послевоенный

de Havilland DH 108 Ласточка

В 1940-х годах британский авиаконструктор Джон Карвер Медоуз Фрост разработал бесхвостый исследовательский самолет с реактивным двигателем под названием de Havilland DH.108 Swallow , построенный с использованием носовой части фюзеляжа реактивного истребителя de Havilland Vampire . Один из них, возможно, был одним из первых самолетов, преодолевших звуковой барьер - он сделал это во время мелкого пикирования, и звуковой удар был слышен несколькими свидетелями. Все три построенные были потеряны в результате аварий со смертельным исходом.

Нортроп X-4 Bantam

Подобно DH.108, Northrop X-4 постройки 1948 года выпуска был одним из серии послевоенных экспериментальных самолетов X- plane, разработанных в Соединенных Штатах после Второй мировой войны для выполнения исследовательских программ по исследованию сложных проблем. -скорость околозвукового полета и дальше. У него были аэродинамические проблемы, аналогичные тем, что у DH.108, но оба построенных экземпляра X-4 пережили программы летных испытаний без серьезных инцидентов в ходе примерно 80 полных исследовательских полетов в 1950-1953 годах, достигнув максимальной скорости только в 640 миль в час (1035 км / ч). час).

Dassault Mirage

Французская серия сверхзвуковых реактивных истребителей Mirage была примером конфигурации «бесхвостый треугольник» и стала одной из самых широко производимых среди всех западных реактивных самолетов. В отличие от советского аналога широко производимого истребителя с треугольным крылом, МиГ-21 Микояна-Гуревича , есть стабилизатор хвостового оперения.

Convair F2Y Sea Dart

В 1950-х годах прототип Convair F2Y Sea Dart стал единственным гидросамолетом, который превышал скорость звука. Компания Convair построила несколько других успешных бесхвостых дельта-типов.

Сверхзвуковые авиалайнеры

Англо-французский транспортный самолет Concorde Supersonic и его советский аналог, Туполев Ту-144 , были бесхвостыми сверхзвуковыми реактивными авиалайнерами с гордо- треугольным крылом. Часто отмечали изящество и красоту этих самолетов в полете.

Локхид SR-71 Блэкберд

Американский стратегический разведывательный самолет Lockheed SR-71 Blackbird - самый быстрый самолет с реактивным двигателем, развивающий скорость выше 3 Маха.

НАСА PRANDTL-D

Крыло PRANDTL-D для предварительных исследований аэродинамического дизайна NASA для снижения лобового сопротивления (PRANDTL-D) было разработано Элом Бауэрсом в Центре летных исследований НАСА Армстронг . Бауэрс был вдохновлен работами Людвига Прандтля и, как и Данн, наблюдением за полетом птиц. Как и в случае с конструкцией Данна, у него есть поворот крыла, достаточный для того, чтобы установить концы крыла под отрицательным углом и создать такое же положительное соединение качения и рыскания. Бауэрс разработал количественный анализ подъемных характеристик, что привело к его более общему открытию колоколообразного распределения подъемной силы, которое минимизирует индуцированное сопротивление для веса самолета. Он применил это распределение в серии дизайнов «Прандтль-Д». К концу 2017 года он управлял тремя такими исследовательскими моделями.

Смотрите также

использованная литература

Встроенные цитаты

Общие ссылки

внешние ссылки