В настоящее время, в практике мирового самолетостроения самой популярной является схема — с фюзеляжем, хвостовым оперением (вертикальным и горизонтальным) позади крыла и прочими элементами конструкции, ее называют классической. Данная схема с точки зрения аэродинамики и технологичности конструкции не является идеальной [2]. Для образования подъемной силы необходимо только крыло. Все остальные агрегаты планера самолета представляют собой «плату» за достижение устойчивости и управляемости, обеспечение хороших взлетно-посадочных характеристик, удобство размещения людей и грузов. Главное положительное свойство классической аэродинамической схемы заключается в том, что заднее расположение горизонтального оперения позволяет без особых трудностей обеспечить продольную статическую устойчивость на больших углах атаки самолета. Несмотря на то, что горизонтальное оперение обтекается заторможенным потоком, все-таки удается обеспечить нормальные запасы продольной статической устойчивости, так как срыв потока в первую очередь наступает на крыле.
В то же время размещение оперения сзади крыла позволяет укоротить носовую часть фюзеляжа, что улучшает обзор и дает возможность уменьшить площадь вертикального оперения (носовая часть фюзеляжа создает дестабилизирующий путевой момент).
Однако наряду с преимуществами классической схеме свойственны следующие недостатки [2]:
- горизонтальное оперение работает в условиях скошенного и заторможенного крылом воздушного потока, поэтому истинный угол атаки оперения может стать отрицательным, а скорость обтекающего его потока будет меньше, чем у крыла;
- практически почти на всех режимах полета горизонтальное оперение создает отрицательную подъемную силу. В результате уменьшается подъемная сила всего самолета, причем потери в подъемной силе особенно велики на режимах взлета и посадки.
Рассмотрим несколько нетрадиционных схем.
Аэродинамическая схема «утка»
«Утка» — аэродинамическая схема, при которой у летательного аппарата (ЛА) органы продольного управления (оперение) расположены впереди крыла. Многие самолеты схемы «утка» можно рассматривать как самолеты с тандемными крыльями, переднее крыло которых относительно мало. В этом случае переднее горизонтальное оперение (ПГО), состоящее обычно из неподвижных (стабилизаторы) и подвижных (рули высоты) поверхностей, несет значительную часть аэродинамической нагрузки.
Достоинства
В современном понимании главным преимуществом аэродинамической схемы, «утка» считается повышение маневренности самолета, что привлекает к этой схеме создателей военной техники. Более высокие маневренные качества самолетов такой схемы оказались очень полезными в совершенствовании характеристик некоторых из созданных в последнее время ультралегких летательных аппаратов.
Недостатки
Существенным недостатком схемы «утка» является то, что летательным аппаратам этой схемы присуща продольная неустойчивость. Вместо того чтобы демпфировать движения самолета относительно поперечной оси (по тангажу), как это делает, например, оперение стрелы, воздействие воздушного потока на переднее горизонтальное оперение усиливает соответствующие возмущения. Расположенное спереди подвижное горизонтальное оперение способствует увеличению эффективной площади рассеяния самолёта.
Бесхвостка — аэродинамическая схема, согласно которой у самолёта отсутствуют отдельные плоскости горизонтального управления, а используются только плоскости, установленные на задней кромке крыла. Эти плоскости называются элевонами и комбинируют функции элеронов и рулей высоты. По конструктивным особенностям различаются бесхвостки со стреловидными и треугольными крыльями.Схема бесхвостка появилась как подражание естественным природным формам.
Достоинства
На первый взгляд, самолет схемы «бесхвостка» обладает многими преимуществами по сравнению с традиционными схемами, которые обусловлены значительным снижением массы конструкции, аэродинамического сопротивления и стоимости благодаря исключению хвостовой части фюзеляжа и аэродинамических поверхностей оперения. Кроме этого, вследствие меньшей инерционности повышается маневренность аппарата.
В крупногабаритных конструкциях этой схемы грузы и пассажиры могут размещаться внутри крыла, располагающего значительными объемами. В большинстве построенных самолетов схемы «бесхвостка» силовая установка, экипаж и т. п. размещаются в укороченном по сравнению с обычными фюзеляже, который часто называют гондолой.
Недостатки
Неустойчивость в движении поперечной оси самолета, если положение точки приложения подъемной силы (центр аэродинамического давления) изменяется относительно положения центра масс. Устойчивость такого аппарата легко обеспечить для некоторого расчетного значения скорости, но при изменении скорости или положения центра давления обеспечение устойчивости представляется довольно сложным.
Так как традиционные органы балансировки руливысоты — располагаются очень близко к центру тяжести (для «бесхвосток» с прямым крылом), их эффективность значительно снижается по мере уменьшения величины плеча этих поверхностей управления. Это означает, что для создания требуемой по величине силы они должны отклоняться на больший угол. Поэтому для обеспечения балансировки самолета в горизонтальном полете требуется отклонить рули высоты, что приводит к появлению дополнительного аэродинамического сопротивления, известного под названием балансировочного.
Еще одной проблемой, с которой обычно сталкиваются проектировщики самолетов схемы «бесхвостка», является выбор места для размещения вертикального оперения и руля направления. Лишь очень немногим конструкторам удалось построить самолеты схемы «бесхвостка» без вертикального оперения; большинству все же пришлось использовать эти поверхности — зачастую существенно большей площади из-за их пониженной эффективности вследствие уменьшения плеча вертикального оперения. Некоторые конструкторы удлиняли короткие фюзеляжи этих самолетов для того, чтобы установить в хвостовой части фюзеляжа одиночный руль направления, что позволяет несколько увеличить создаваемый момент; другие устанавливали руль направления на каждую из законцовок крыла.
Аэродинамическая схема «летающее крыло»
«Летающее крыло» — по сути своей разновидность схемы «бесхвостка» с редуцированным фюзеляжем, роль которого играет крыло, несущее все агрегаты, экипаж и полезную нагрузку.
Во время второй мировой воины конструкторы различных стран рассматривали летающее крыло как идеальную схему, обещающую значительное снижение сопротивления и массы. К их числу относились Липпиш и братья Хортен в Германии, Нортроп в США и Ли в Англии.
Данная конфигурация обладает возможностями повышения качества при небольшой массе конструкции, но летные и эксплуатационные характеристики вызывают опасения. Для пассажирского транспортного самолета схема летающее крыло плохо приемлема, но является перспективной при создании специальных летательных аппаратов, например планера, разведывательного самолета или самолета-бомбардировщика большой дальности.
Достоинства
Так как чистая схема летающее крыло не имеет фюзеляжа и горизонтального оперения, на ней могут быть получены малые коэффициенты сопротивления при нулевой подъемной силе. Поскольку аэродинамическое качество самолета обратно пропорционально корню квадратному из этой величины, теоретически возможно его улучшение на 40 % для данного относительного удлинения. Это одновременно относится и к дальности полета при том же запасе топлива, взлетной массе и крейсерской скорости. Масса пустого летающего крыла меньше главным образом в результате более благоприятного распределения массы внутри крыла, что уменьшает изгибающий момент в корневой части. Другим важным положительным качеством самолетов схемы «летающее крыло» является их малая эффективная площадь рассеивания, что является следствием отсутствия дополнительных поверхностей, таки как фюзеляж, горизонтальное или вертикальное оперения. Все это позволяет строить малозаметные машины по стелс-технологии.
Недостатки
Стреловидное крыло большого удлинения неустойчиво в продольном отношении при больших углах атаки. У летающего крыла нет возможности исправить это положение с помощью горизонтального оперения, и проблема устойчивости становится угрожающей. Следовательно, часть аэродинамического выигрыша теряется для схемы летающее крыло, и ее аэродинамическое превосходство над обычной схемой исчезает.
Низкое относительное удлинение крыла заставляет конструктора выбирать толстый профиль для размещения необходимой нагрузки. Кроме сравнения обычной схемы и летающего крыла исходя из условий одинакового относительного удлинения крыла необходимо такое же сравнение при равных объемах. При заданной плотности полезной нагрузки оптимальной будет та конструкция, у которой пространство, ограниченное контурами, используется полнее. При равных объемах обе конфигурации имеют почти одинаковую площадь омываемой потоком поверхности, и преимущество летающего крыла может быть только в несколько большем размахе и хорошо обтекаемых двигателях, что снижает сопротивление.
Другим недостатком летающего крыла является его неспособность достичь максимального коэффициента подъемной силы Эффективные закрылки в хвостовой части крыла при отклонении создают пикирующий момент, который нечем сбалансировать. Низкое значение удельной нагрузки на крыло обязательно для схемы летающее крыло. Это делает ее чувствительной к турбулентности воздуха не столько с точки зрения прочности конструкции, сколько с точки зрения нагрузки на экипаж и комфорта пассажиров.
Летающее крыло можно сделать продольно устойчивым, но его реакция на отклонение рулевых поверхностей будет сопровождаться длиннопериодическими фугоидными и короткопериодическими колебаниями, неприятными для летчика, хотя в настоящее время с этим можно бороться при помощи одной из схем искусственного повышения устойчивости.
Следует, наконец, указать, что летающее крыло не обладает гибкостью в смысле его загрузки, особенно при малой плотности полезной нагрузки Ограничения по размещению полезной нагрузки необходимы как в продольном, так и поперечном направлениях, что нежелательно при эксплуатации транспортного самолета.
В то же время следует отметить, что аэродинамические: формы современных летательных аппаратов приближаются к «летающему крылу». Достаточно сказать, что схему самолетов 4-го поколения, уже трудно назвать «классической», поскольку функции фюзеляжа в большей степени выполняет корпус, выполненный в виде крылового профиля с деформированной срединной поверхностью. В сочетании с интегральным сочленением всех частей планера и мотогондол двигателей самолеты по своей аэродинамической компоновке находятся значительно бляже к «летающему крылу», чем к «классической» схеме.
Аэродинамическая схема «тандем»
Большинство созданных в процессе развития авиационной техники самолетов с тандемными крыльями имели два крыла, которые устанавливались на противоположных концах фюзеляжа. Каждое из этих крыльев создавало, как правило, примерно половину суммарной аэродинамической силы. В истории авиации известно несколько самолетов с крыльями схемы «тандем», у которых в центральной части фюзеляжа устанавливалось третье крыло. Некоторые из этих самолетов летали, но высокие характеристики ни на одном из них достигнуты не были.
Данная схема наиболее широко применялась на этапе становления авиации и в современных легких летательных аппаратах.
Аэродинамическая схема с закольцованными крыльями
Самолет с закольцованными крыльями или так называемый «Кольцеплан» — самолет, схожий по конструктивной схеме с бипланом, но с замкнутыми сами на себя законцовками крыльев [3]. Первый проект кольцеплана был представлен еще в 1936 году студентом МАИ М. Сухановым.
Конвертопланы
Конвертопланы — это летательные аппараты, способные осуществлять вертикальные взлёт и посадку (как это делают вертолёты) и длительный высокоскоростной горизонтальный полет, характерный для обычных самолётов. Так как летательные аппараты этого типа не являются в полной мере ни вертолётами, ни самолётами, это сказывается и на их облике. Кроме того, так как летательные аппараты этого типа характеризуются двумя резко различающимися режимами полёта, при их проектировании приходится постоянно идти на компромиссные решения.
Летательные автомобили
Одной из интересных тенденций в развитии авиации являются попытки создания гибрида самолета и автомобиля. Существуют два основных подхода: сделать из самолета автомобиль и сделать автомобиль из самолета. В обоих случаях возникают определенные проблемы, связанные с трансформацией и избыточностью в одной из ипостасей, но при этом это является одной из возможностей решения вопроса пробок, перенеся дороги из двухмерного пространства в трехмерное. Безусловно, это потребует решение ряда технических и организационных проблем, а так же специальной подготовки водителей, но при современном уровне компьютеризации это выглядит вполне реализуемо.
Глядя на развитие авиационных конструкций в течение более 100 лет их истории, можно заключить, что все не столь очевидно и вполне возможно, переход к воздушно-космическим летательным аппаратам изменит понятия классической компоновки.
Литература:
1. Бауэрс П. Летательные аппараты нетрадиционных схем — М.:Мир, 1991. — 320 с.
2. Соболев Д. А. Самолеты особых схем. — М.:Машиностроение, 1985. — 136с.
3. Скоренко Тим Окольцованный самолет / Популярная механика, 2010 г. № 4, с 156–160
