Бесхвостый самолет

DH108 Ласточка

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 . ^{[1] [2] [3]}

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 . ^{[ необходима цитата ]}

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

Летающие крылья [ править ]

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 [ править ]

Перетащите [ редактировать ]

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 [ править ]

У бесхвостого самолета нет отдельного горизонтального стабилизатора. Из-за этого аэродинамический центр обычного крыла будет располагаться впереди центра тяжести самолета, создавая нестабильность по тангажу . Чтобы сместить 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-первопроходцем 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 части, это называется смывом наконечника . Данн добился этого, придав верхней поверхности крыла коническую форму.кривизна. 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 обеспечивает подъемной силы, поэтому действует как хвостовое оперение. или размытые кончики стреловидного крыла. Рефлекторный развал можно смоделировать, установив большие лифты.к обычному профилю и подрезая их заметно кверху; 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 самолетов , 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. Нортроп B-2 Дух летающее крыло является примером.

Управление высотой звука [ править ]

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 бесконтрольно 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. Dassault MirageБесхвостая дельта-серия и ее производные были одними 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 [ править ]

Обычный самолет нестабилен на рысканье, и ему нужен хвостовой киль, 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). ^[4]

История [ править ]

См. Также История летающего крыла.

Дж. В. Данн [ править ]

Между 1905 и 1913 годами офицер британской армии и воздухоплаватель Дж. В. Даннразработала серию бесхвостых летательных аппаратов, которые изначально 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 стабильность 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. ^[5]

Первоначально он задумывался как моноплан , но первоначальные проекты 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 Брюером , которые представили официальный отчет Королевскому авиационному обществу по этому поводу . ^[6] 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 войнами и Второй Мировой [ править ]

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 конструкций, 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.

Послевоенное [ править ]

de Havilland DH 108 Ласточка

В 1940-х годах британский авиаконструктор Джон Карвер Медоуз Фрост разработал бесхвостый исследовательский самолет с реактивным двигателем, названный de Havilland DH.108 Swallow . Построен 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. ^{[ необходима цитата ]} Все три построенных самолета были потеряны в результате катастрофы со смертельным исходом.

Нортроп X-4 Bantam

Подобно DH 108, двухреактивный Northrop X-4 постройки 1948 года был одним из серии послевоенных экспериментальных самолетов X-plane, разработанных в Соединенных Штатах после Второй мировой войны для выполнения исследовательских программ по исследованию проблем высоких технологий. скорость околозвукового полета и не только. У него были аэродинамические проблемы, аналогичные тем, что у DH108, но оба построенных экземпляра X-4 пережили свои программы летных испытаний без серьезных инцидентов в течение примерно 80 полных исследовательских полетов с 1950 по 1953 год, достигнув максимальной скорости только 640 миль в час (1035 км / ч). .

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, когда-либо превышавшим скорость звука. Convair построил несколько других успешных бесхвостых дельта-типов.

Сверхзвуковые авиалайнеры

Англо-французский Concorde сверхзвуковой транспорт и его советский аналог Ту-144 были бесхвостые сверхзвуковые реактивные самолеты, с изящно изогнутыми стрельчатой дельта - крыльями. Часто отмечали изящество и красоту этих самолетов в полете. ^[7]

Локхид SR-71 Блэкберд

Американский самолет- разведчик Lockheed SR-71 Blackbird был самым быстрым самолетом с реактивным двигателем на тот момент, когда он был выведен из эксплуатации, достигая скорости 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. ^{[8] [9] [10]} 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». ^[4]К концу 2017 года он управлял тремя такими исследовательскими моделями. ^{[11] [12]}

См. Также [ править ]

• Движение центра давления
• Продольная статическая устойчивость
• Список бесхвостых самолетов

Ссылки [ править ]

Встроенные цитаты [ править ]

Общие ссылки [ править ]

• Поулсен, К.М. «Бесхвостые испытания, дань уважения британскому первопроходцу: бипланы и монопланы Данна». , "стр. 557." , "стр. 558." Flight , 27 мая 1943 г., стр. 556–558.

Внешние ссылки [ править ]

• Бесхвостый самолет - обсуждение конструкции и устойчивости.