В воздухоплаванию , A утка представляет собой механизм , в котором небольшое или переднем крыло носового руля помещаются вперед основного крыла в виде самолетов или оружия. Термин «утка» может использоваться для описания самого летательного аппарата, конфигурации крыла или носовой части. [1] [2] [3] Крылья Canard также широко используются в управляемых ракетах и умных бомбах . [4] [5] [6]
Термин «утка» возник после появления в 1906 году модели Santos-Dumont 14-bis , которая, как говорили, напоминала утку ( по-французски утка ) с вытянутой шеей в полете. [7] [8]
Несмотря на использование утка на первом самолете с двигателем, Wright Flyer 1903 года, конструкции утка не производились в больших количествах до появления реактивного истребителя Saab Viggen в 1967 году. Аэродинамика утка сложна и требует тщательного анализа. .
Вместо того, чтобы использовать обычную конфигурацию хвостового оперения, имеющуюся на большинстве самолетов, конструктор самолета может принять конфигурацию утка, чтобы уменьшить нагрузку на основное крыло, лучше контролировать воздушный поток основного крыла или повысить маневренность самолета, особенно при больших углах атаки или во время полета. стойло . [9] Форпланы Canard, независимо от того, используются ли они в конфигурации « утка» или с тремя поверхностями , имеют важные последствия для характеристик продольного равновесия, статической и динамической устойчивости самолета.
Братья Райт начали экспериментировать с конфигурацией форплана примерно в 1900 году. Их первый кайт имел переднюю поверхность для управления тангажем, и они переняли эту конфигурацию для своего первого Flyer . Они с подозрением относились к кормовому хвосту, потому что Отто Лилиенталь погиб на планере с одним из них. Райт понимал, что носовая часть самолета будет иметь тенденцию дестабилизировать самолет, но ожидали, что это будет лучшая поверхность управления, помимо того, что она будет видна пилоту в полете. [10] Они считали невозможным обеспечить одновременно контроль и стабильность в одной конструкции и выбрали контроль.
Многие пионеры изначально последовали примеру Райтов. Например, Сантос-Дюмон 14-бис самолет 1906 года не был «хвоста», но коробка змей -как набор рулей спереди, поворачиваясь на универсальный шарнир на крайнем носу фюзеляжа, что делает его способным объединявшим рыскание и управление по тангажу. Fabre Hydravion 1910 был первый гидросамолет летать и имел носовой руль.
Но поведение утки не было должным образом понято, и другие европейские пионеры, в том числе Луи Блерио, создавали хвостовой стабилизатор как более безопасную и более «традиционную» конструкцию. Некоторые, включая Райтов, экспериментировали как с носовой, так и с кормовой плоскостями на одном и том же самолете, теперь известном как трехплоскостная конфигурация.
После 1911 года в течение многих десятилетий производилось лишь несколько типов уток. В 1914 году У. Эванс заметил, что «модель типа Canard практически получила смертельный удар в том, что касается научных моделей». [11]
Эксперименты продолжались эпизодически в течение нескольких десятилетий.
В 1917 году де Брюйер сконструировал свой истребитель-биплан C 1 , имевший носовой упор и толкающий винт, установленный сзади. C 1 потерпел неудачу. [12]
Первый полет в 1927 году экспериментальный Focke-Wulf F 19 "Ente" (утка) был более успешным. Было построено два экземпляра, один из которых продолжал летать до 1931 года.
Непосредственно перед и во время Второй мировой войны было запущено несколько экспериментальных истребителей «утка», в том числе Ambrosini SS.4 , Curtiss-Wright XP-55 Ascender и Kyūshū J7W1 Shinden . Это были попытки использования конфигурации «утка» для получения преимуществ в таких областях, как характеристики, расположение вооружения или обзор пилота, но серийный самолет не был завершен. Shinden был заказан в производство «с чертежной доски», но боевые действия прекратились до того, как полетели какие-либо прототипы.
Сразу после окончания Второй мировой войны в Европе в 1945 году то, что могло быть первой уткой, спроектированной и использованной в Советском Союзе, появилось как испытательный самолет - легкий МиГ-8 « Утка» имени Микояна-Гуревича (по-русски «утка»). Сообщается, что он был фаворитом среди летчиков-испытателей ОКБ МиГ за послушную управляемость на малых скоростях и несколько лет летал, использовавшись в качестве испытательного стенда при разработке стреловидного крыла реактивного истребителя МиГ-15 (обычной компоновки) .
С приходом эпохи реактивных двигателей и сверхзвуковых полетов американские конструкторы, в первую очередь North American Aviation , начали экспериментировать со сверхзвуковыми конструкциями «утка», например, North American XB-70 Valkyrie и советский аналог Sukhoi T-4 в качестве прототипа. форма. Но возникшие проблемы со стабильностью и контролем помешали широкому распространению. [13]
В 1963 году шведская компания Saab запатентовала треугольную конструкцию с треугольным крылом, которая решила ранее существовавшие проблемы, получив то, что стало известно как моноблочный уток. [13] [14] Он был построен как Saab 37 Viggen и в 1967 году стал первым современным самолетом-утка, запущенным в производство. Успех этого самолета воодушевил многих конструкторов, и многие его модели были созданы на базе популярного реактивного истребителя Dassault Mirage с треугольным крылом. К ним относятся варианты французского Dassault Mirage III , израильского IAI Kfir и южноафриканского Atlas Cheetah . Комбинированная дельта-утка остается популярной конфигурацией для боевых самолетов.
Viggen также вдохновил американца Берта Рутана на создание двухместного самодельного треугольного крыла, получившего название VariViggen и совершившего полет в 1972 году. Затем Рутан отказался от треугольного крыла как непригодного для таких легких самолетов. Его следующие два проекта «утки», VariEze и Long-EZ, имели крыло большей стреловидности. Эти проекты были не только успешными и были построены в большом количестве, но и радикально отличались от всего, что видели раньше. [15] Идеи Рутана вскоре распространились и на других дизайнеров. С 1980-х годов они завоевали популярность на рынке представительского класса с появлением таких моделей, как OMAC Laser 300 , Avtek 400 и Beech Starship .
Конструкции статических «уток» могут иметь сложные взаимодействия в потоке воздуха между «уткой» и основным крылом, что приводит к проблемам со стабильностью и поведением в стойле. [16] Это ограничивает их применимость. Развитие проводной и искусственной устойчивости к концу века открыло путь компьютеризированному управлению, чтобы начать превращать эти сложные эффекты из проблем стабильности в преимущества маневренности. [15]
Такой подход позволил создать новое поколение военных «уток». Dassault Rafale многоцелевой истребитель первый полет в 1986 году, а затем Saab Gripen (первым вошел службы) в 1988 году, и Eurofighter Typhoon в 1994 году эти три типа и исследования , касающиеся дизайна иногда называют eurocanards или eurocanards. [17] [18] [19] Китайский Chengdu J-10 появился в 1998 году.
Носовая часть "утка" может использоваться для различных целей, таких как подъемная сила, (не) устойчивость, дифферент, управление полетом или для изменения воздушного потока над основным крылом. Анализ конструкции был разделен на два основных класса: подъемный уток и контрольный уток. [20] : 81 Эти классы могут следовать за моноблочным типом или нет, и данная конструкция может обеспечивать либо подъемную силу, либо управление одновременно.
В конфигурации с подъёмным утком вес самолёта распределяется между крылом и носом. Он был описан как крайняя традиционная конфигурация, но с небольшим высоконагруженным крылом и огромным подъемным хвостовым оперением, которое позволяет центру масс находиться очень далеко на корме относительно передней поверхности. [21]
Подъемный уток создает нагрузку, в отличие от обычного хвостового оперения, которое иногда создает отрицательную подъемную силу, которой необходимо противодействовать дополнительной подъемной силой на основном крыле. Поскольку подъемная утка увеличивает общую грузоподъемность самолета, может показаться, что это способствует компоновке утки. В частности, при взлете крыло наиболее загружено, и там, где обычное хвостовое оперение оказывает прижимную силу, ухудшающую нагрузку, утка оказывает восходящее усилие, снимающее нагрузку. Это позволяет использовать основное крыло меньшего размера.
Однако носовая часть также создает поток вниз, который может неблагоприятно повлиять на распределение подъемной силы крыла, поэтому различия в общей подъемной силе и индуцированном сопротивлении не очевидны и зависят от деталей конструкции. [22] [21] [23]
Опасность, связанная с недостаточно загруженным передним углом, т.е. когда центр тяжести находится слишком далеко от кормы, заключается в том, что при приближении к сваливанию основное крыло может сваливаться первым. Это приводит к падению задней части аппарата, что приводит к углублению сваливания и иногда препятствует восстановлению. [24] Чтобы гарантировать безопасную устойчивость по тангажу в сваливании, утка должна сначала сваливаться, [25] поэтому крыло всегда должно оставаться ниже его максимальной подъемной способности. Следовательно, крыло должно быть больше, чем это необходимо, уменьшая или даже обращая вспять уменьшение размера, вызванное подъемной силой утка. [22] [23]
В случае типа подъемно-утка основное крыло должно располагаться дальше от центра тяжести, чем обычное крыло, и это увеличивает момент тангажа вниз, вызываемый отклонением закрылков задней кромки . Высоконагруженные утки не имеют достаточной дополнительной подъемной силы, доступной для уравновешивания этого момента, поэтому самолет с подъемным утком не может быть легко сконструирован с мощными закрылками задней кромки. [20]
Управление тангажем в типе "утка" может быть достигнуто либо поверхностью "утка", как на "утке" управления, либо таким же образом, как у бесхвостого самолета , посредством поверхностей управления в задней части основного крыла, как на Saab Viggen.
В конструкции «утка» большая часть веса самолета приходится на крыло, а «утка» используется в основном для управления тангажем во время маневрирования. Чистая утка управления работает только как поверхность управления и номинально находится под нулевым углом атаки и не несет никакой нагрузки в нормальном полете. Современные боевые самолеты конфигурации "утка" обычно имеют "утку", управляемую компьютеризированной системой управления полетом . [20]
Канарды с небольшой загрузкой или без нее (то есть контрольные канарды) могут использоваться для преднамеренной дестабилизации некоторых боевых самолетов, чтобы сделать их более маневренными. Электронная система управления полетом использует функцию управления по тангажу носовой части «утка» для создания искусственной статической и динамической устойчивости. [22] [23]
Преимущество, достигаемое с помощью контрольного «утка», заключается в коррекции тангажа во время сваливания законцовки крыла. Цельноповоротный уток, способный к значительному отклонению носом вниз, может использоваться для противодействия крену из-за срыва наконечника. В результате можно оптимизировать удлинение и стреловидность крыла без необходимости принимать меры против подъема по тангажу. [20] У высоконагруженного подъемного утса нет достаточной запасной грузоподъемности для обеспечения такой защиты. [ необходима цитата ] [26]
Передняя планка утка может использоваться в качестве горизонтального стабилизатора независимо от того, достигается ли устойчивость статически [27] [28] [29] или искусственно (по проводам). [30]
Располагаясь впереди центра тяжести, носовая часть утка действует непосредственно для уменьшения продольной статической устойчивости (устойчивости по тангажу). Первый самолет с управляемым двигателем, " Райт Флайер" , был задуман как "утка" [31], но в действительности также был нестабильной подъемной "уткой". [32] В то время братья Райт не понимали основ устойчивости по тангажу конфигурации «утка» и в любом случае больше интересовались управляемостью. [33]
Тем не менее, стабилизатор утка может быть добавлен к нестабильной конструкции, чтобы получить общую статическую устойчивость по тангажу. [34] Для достижения этой устойчивости изменение коэффициента подъемной силы утка с углом атаки (крутизна коэффициента подъемной силы) должно быть меньше, чем для основного самолета. [35] На эту характеристику влияет ряд факторов. [20]
Для большинства профилей наклон подъемной силы уменьшается при высоких коэффициентах подъемной силы. Следовательно, наиболее распространенный способ достижения устойчивости по тангажу - увеличение коэффициента подъемной силы (а значит, и нагрузки на крыло) утка. Это приводит к увеличению подъемной-индуктивное сопротивление в носовой руль, который может быть дано высокое соотношение сторон для того , чтобы предельного сопротивления. [35] Такой профиль утки имеет больший изгиб профиля, чем крыло.
Другая возможность состоит в том, чтобы уменьшить удлинение "утки" [36], снова увеличив сопротивление подъемной силы и, возможно, более высокий угол сваливания, чем у крыла. [37]
Конструктивный подход, использованный Бертом Рутаном, - это утка с высоким удлинением и более высоким коэффициентом подъемной силы (нагрузка на крыло на утку в 1,6–2 раза больше нагрузки на крыло) и аэродинамический профиль утка с нелинейным (почти плоским) наклоном коэффициента подъемной силы. от 14 ° до 24 °. [38]
Еще один параметр стабилизации - это силовой эффект. В случае утка- толкающего гребного винта : «поток, вызванный мощностью, очищающий заднюю кромку крыла» [38], увеличивает наклон коэффициента подъемной силы крыла (см. Выше). И наоборот, пропеллер, расположенный впереди утки (увеличивая подъемный наклон утки), имеет сильный дестабилизирующий эффект. [39]
Подъемная утка с большой нагрузкой может не обладать достаточной запасной грузоподъемностью, чтобы выдерживать большие перемещения центра давления или центра тяжести. Триммирование может быть выполнено аналогично бесхвостому судну путем регулировки поверхностей задней кромки. В частности, использование посадочных закрылков на основном крыле вызывает большое изменение дифферента. У Saab Viggen есть закрылки на поверхности утка, которые были открыты одновременно, чтобы отменить изменение отделки салона. В Beech Starship используются носовые части с регулируемой стреловидностью для корректировки положения подъемной силы.
Когда основное крыло наиболее загружено при взлете, чтобы повернуть носовую часть вверх, обычный хвостовой стабилизатор обычно толкает вниз, в то время как носовая часть поднимается. Поэтому для сохранения дифферента основное крыло в конструкции "утка" должно быть расположено дальше в корме относительно центра тяжести, чем в аналогичной традиционной конструкции.
Было показано, что плотно спаренная утка дает преимущества сверхзвуковой конструкции треугольного крыла, которое увеличивает подъемную силу как в околозвуковом полете (например, в суперкруизном режиме ), так и в полете на малой скорости (например, при взлете и посадке). [40]
В хвостовике сдвоенного треугольного крыла носовая часть расположена чуть выше и впереди крыла. Вихри, создаваемые дельтовидным носом, проходят мимо основного крыла и взаимодействуют с его собственными вихрями. Поскольку они имеют решающее значение для подъемной силы, неудачно расположенная носовая часть может вызвать серьезные проблемы. Путем поднесения носовой части к крылу и чуть выше него в плотно сцепленном состоянии взаимодействия могут быть полезными, фактически помогая решать и другие проблемы. [13] Например, при больших углах атаки (и, следовательно, обычно на низких скоростях) поверхность утка направляет воздушный поток вниз над крылом, уменьшая турбулентность, что приводит к уменьшению лобового сопротивления и увеличению подъемной силы. [41]Обычно носовая часть создает вихрь, который прикрепляется к верхней поверхности крыла, стабилизируя и возобновляя поток воздуха над крылом и задерживая или предотвращая срыв. [ необходима цитата ] [42]
Носовая часть "утка" может быть фиксированной, как на IAI Kfir , иметь посадочные закрылки, как на Saab Viggen , или быть подвижной, а также действовать в качестве средства управления во время нормального полета, как на Dassault Rafale .
Свободноплавающая утка предназначена для изменения угла падения на фюзеляж без участия пилота. В нормальном полете распределение давления воздуха сохраняет свой угол атаки по отношению к воздушному потоку и, следовательно, генерируемый им коэффициент подъемной силы на постоянном уровне. Свободно плавающий механизм может повысить статическую устойчивость и обеспечить безопасное восстановление после большого угла атаки . [43] [44] Однако это отрицательно сказывается на характеристиках сваливания, так как основное крыло может сваливаться раньше утка. [45] Поверхности управления могут быть добавлены к свободно плавающему «утку», позволяя входу пилота влиять на создаваемую подъемную силу, таким образом обеспечивая управление по тангажу или регулировку дифферента.
Beechcraft Starship имеет переменную поверхность развертки переднего оперения. Стреловидность варьируется в полете за счет поворота носовых плоскостей вперед для повышения их эффективности и уменьшения эффекта тангажа при опускании носа, вызываемого закрылками при раскрытии. [46]
Усов является небольшой, высокая соотношение сторон носовой руль , который развернут на низкой скорости полета, чтобы улучшить управляемость на больших углах атаки , таких как при взлете и посадке. Он убирается на высокой скорости, чтобы избежать потери волнового сопротивления конструкции утка. Впервые он был замечен на Dassault Milan, а затем на Ту-144 . НАСА также исследовало моноблочный поворотный эквивалент, называемый соответствующим образом убираемым утком [47], где при складывании поверхности одна сторона движется назад, а другая вперед. [48]
Рокуэлл В-1 Lancer имеет небольшие уточные лопасти или ребра по обе стороне от носовой части фюзеляжа , которые образуют часть активной системы демпфирования , которая уменьшает аэродинамическую болтанку во время высокой скорости, низкая высоты полета. В противном случае такой удар вызвал бы утомление экипажа и уменьшил бы срок службы планера во время продолжительных полетов. [49] [50]
Самолеты Canard потенциально могут иметь плохие характеристики невидимости, потому что они имеют большие угловые поверхности, которые имеют тенденцию отражать радиолокационные сигналы вперед. [22] [ нужная страница ] [51] Eurofighter Typhoon использует программное управление его ПГО для того , чтобы уменьшить ее эффективный радиолокационный поперечное сечение . [52] [53]
Canards были встроены в самолеты-невидимки, такие как программа Lockheed Martin Joint Advanced Strike Technology (JAST) . [54] [55] и Макдоннелл Дуглас / исследовательский прототип НАСА X-36 . [56]
Уточки Рутана» изменили мышление, которое могло иметь огромное влияние в будущем..
При заднем положении ЦТ может возникнуть состояние триммирования с высоким AoA (глубокий срыв), из которого восстановление может быть невозможно.
На первом самолете брата Райт горизонтальный стабилизатор был размещен перед крыльями.
... передний стабилизатор, обычно известный как стабилизатор утка ...
X-29 ... в то время как егопередние опоры
- горизонтальные стабилизаторы для контроля тангажа - находились перед крыльями, а не на хвосте..
соответствии с игнорированием условия нулевого чистого (тангажного) момента, Райтс предположил, что в равновесии утка не несла нагрузки и служила только в качестве устройства управления.
... Flyer был очень нестабильным ... Поперечная /курсовая
устойчивость и управляемость Flyer были незначительными..
Им мешало отсталость общей теории и понимания механики полета.
Включение управления креном напереднем ходу
в основном менее эффективно из-за неблагоприятного влияния потока вниз на основное крыло, противодействующего входящему в него крутящему моменту.
|journal=
( помощь )утка лопатки.
утка для контроля плавности хода..
Викискладе есть медиафайлы по теме « Крылья утки» . |