Алға қарай жиектелген қанат конфигурациясы

Кіріспе

Ұшақ қанатының конфигурациясы

Алға қарай бұрылған қанат немесе кері бұрылған қанат – қанаттың төрттен бір аккорды сызығы алға қарай бұрылған ұшақ қанатының конфигурациясы. Әдетте, қанаттың алдыңғы жиегі де алға қарай бұрылады.

Сипаттамалары

Алға қарай бұрылған конфигурацияның қанат бұрышының өсуімен бірге күшейетін бірнеше қасиеттері бар.

Негізгі шпал орналасуы

Басты қанат тірегінің арт жағында орналасуы ішкі кеңістікті тиімдірек ұйымдастыруға және пайдалы көлемді арттыруға мүмкіндік береді.

Ішкі ағысы

Қанат үстінен ағып өтетін ауа, қанаттың артқы жағына қарай бойлық бағытта жылжиды. Артқа қарай бұрылған қанатта бұл жылжу ұшқа қарай сыртқа қарай, ал алға қарай бұрылған қанатта тамырға қарай ішке қарай болады. Осының салдарынан, артқа қарай бұрылған қанаттың қауіпті ұшқы тоқтауы, алға қарай бұрылған қанатта қауіпсіз және басқарылатын тамыр тоқтауына айналады. Бұл көтергіш күш жоғалған жағдайда да толыққанды элеронмен басқаруға мүмкіндік береді, сондай-ақ, қарсылық тудыратын алдыңғы жиектің иікшелері немесе басқа да құрылғылар қажет болмайды. Ұшу жылдамдығының дыбысқа жақын мәндерінде, соққы толқындары ұш емес, тамыр бөлігінде пайда болады, бұл элеронды тиімді басқаруға көмектеседі. Ауа ішке қарай аққандықтан, қанат ұшындағы тұйықтар мен олармен байланысты қарсылық азаяды. Оның орнына, фюзеляж өте үлкен қанатты бөгеуіш ретінде қызмет етеді және қанаттардың тамыр бөлігі көбінесе үлкен болғандықтан, бұл максималды көтеру коэффициентін арттырады, нәтижесінде кішірек қанатты пайдалануға болады. Соның салдарынан, маневрлік қабілеті жақсарады, әсіресе үлкен шабуыл бұрыштарында.

Қисық тұрақсыздығы

Алға қарай бұрылған конструкциядағы бір мәселе – қанат жанына қарай бұрылғанда (тік осьі бойынша қозғалғанда), бір қанат артқа тартылып, екіншісі алға жылжиды. Алға қарай бұрылған конструкцияда бұл артқы қанаттың бұрылуын азайтып, оның кедергісін арттырады және оны одан әрі артқа итеріп, бұрылу мөлшерін ұлғайтады, соның салдарынан бағытталмайтын тұрақсыздыққа алып келеді. Бұл кері голланд айналымын тудыруы мүмкін.

Аэроэластикалық

Алға қарай жиектелген қанаттардың бір кемшілігі – дивергенция қаупінің артуы, бұл алға қарай жиектелген қанаттарға түсетін көтергіш күштің әсерінен ұшқыштың ұшы жоғары қарай бұралуының аэроэластикалық салдары. Алға қарай жиектелген конструкцияда бұл оң кері байланыс циклын тудырады, ол ұшқыштың түсу бұрышын арттырады, көтергіш күшті күшейтеді және одан әрі бұрылуға себеп болады, нәтижесінде көтергіш күш одан да артады және қанат пішінінде қосымша өзгерістер пайда болады. Дивергенцияның әсері жылдамдықпен бірге күшейеді. Бұл құбылыс орын алмауы тиіс ең жоғары қауіпсіз жылдамдық – ұшақтың дивергенциялық жылдамдығы. Жүктеме кезінде ұшқыштың көтергіш күшінің артуы қанаттың бұрылыстарға қарай тартылуына әкеледі және қалпына келтіру мүмкін емес спиральға түсуіне соқтыруы мүмкін. Ең жаман жағдайда, қанат конструкциясы бұзылуға дейін деформациялануы мүмкін. Үлкен жиектелу бұрыштарында және жоғары жылдамдықтарда деформацияға қарсы тұра алатын, бірақ қолдануға жеңіл конструкция құру үшін көміртекті композиттер сияқты жетілдірілген материалдар қажет. Композиттер сонымен қатар талшықтарды бағыттап, деформация сипатын өзгерту арқылы аэроэластикалық қалыптауға мүмкіндік береді, бұл тұрақтандыру және басқа да сипаттамаларға жағымды әсер етеді.

Сауыттың ерекшеліктері

Кез келген сыпырылған қанаттың тоқтау кезінде тұрақсыз болуға бейімділігі бар, себебі қанат ұштары бірінші болып тоқтап, тұрақсыздықты нашарлататын және қалпына келтіруді қиындататын көтерілу күшін тудырады. Алға қарай сыпырылған қанаттарда бұл әсер азырақ болады, өйткені артқы бөлігі көбірек көтерілу күшін жүктеліп, тұрақтылықты қамтамасыз етеді. Дегенмен, аэроэластикалық иілу жеткілікті болса, ол қанат ұштарындағы шабуыл бұрышын осы деңгейге дейін арттыру арқылы бұл тенденцияға қарсы әрекет ете алады, нәтижесінде ұштар бірінші болып тоқтап, конструкцияның басты ерекшелігі жоғалады – дәстүрлі қанатта ұштар әрқашан бірінші болып тоқтайды. Мұндай ұштардың тоқтауы болжамсыз болуы мүмкін, әсіресе бір ұш екіншісінен бұрын тоқтаған жағдайда. Композиттік материалдар аэроэластикалық бейімдеуге мүмкіндік береді, сондықтан қанат тоқтауға жақындағанда иіліп, бұрылады, осылайша ұштардағы шабуыл бұрышын азайтады. Бұл тоқтаудың қанат тамырында жүзеге асуын қамтамасыз етеді, оны болжауға болады және элеронға толық бақылауды сақтап қалуға мүмкіндік береді.

Екінші дүниежүзілік соғысқа дейінгі зерттеулер

Беляев, төменде айтылған DB LK жобасының авторы, 1934 және 1935 жылдары BP 2 және BP 3 алға қарай иілген қанатты ұшқышсыз ұшақтарды сынап көрді. Соғысқа дейінгі басқа да жобалық зерттеулерге поляк PWS Z 17, Z 18 және Z 47 "Sęp" сериялары кірді.

Екінші дүниежүзілік соғыс және оның салдары

Екінші дүниежүзілік соғыста Германия, Кеңес Одағы, Жапония және АҚШ-та бір-бірінен тәуелсіз түрде алға қарай қанаттары бар ұшақтар жасалды. 1940 жылы ұшуға алғашқы үлгі ретінде советтік Беляев DB LK ұшты, ол екі бағаналы конструкциямен, алдыңғы қанат бөлімдері және артқа қарай қанат ұштарымен ерекшеленді. Ол жақсы ұшты. Беляев ұсынған «Бабочка» зерттеу ұшағы неміс шапқышынан кейін тоқтатылды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде көптеген истребительдер, бомбалаушылар және басқа да әскери ұшақтардың қанаттары алға қарай бағытталған деп сипаттауға болады, себебі олардың қанаттарының орташа хордасы алға қарай созылған. Алайда, мұндай конструкциялардың көбінде артқа қарай бұрылған алдыңғы жиегі болды, бұл оларды техникалық тұрғыдан жоғары қатынасты трапеция тәрізді қанаттар ретінде қарастыруға мүмкіндік берді. Америкалық Корнелиус Маллард 1943 жылдың 18 тамызында ұшты. Маллард бір қозғалтқышпен жұмыс істеді, бірақ одан кейін, қуаты жоқ және үлкен ұшақтармен сүйреуге арналған Cornelius XFG 1 прототиптері пайда болды. Корнелиус конструкциялары алға қарай қанаттарымен ғана емес, сонымен қатар құйрықсыз болғандықтан ерекшеленді. Осы уақытта Германияда Ханс Вокке жаңа реактивті қозғалтқыштардың жылдамдығына жақын қанаттардың проблемаларын зерттеді. Ол сол кездегі артқа қарай қанатты конструкцияларға қарағанда алға қарай қанаттың көптеген артықшылықтарын мойындады, сонымен қатар аэроэластикалық иілудің және бағытталмайтын тұрақсыздықтың салдарына түсінді. Оның алғашқы ұшқан үлгісі Junkers Ju 287 болды, ол 1944 жылдың 16 тамызында ұшты. Осы және кейінгі нұсқалардағы ұшу сынақтары төмен жылдамдықтағы артықшылықтарды растады, бірақ көп ұзамай күтілген проблемалар пайда болды, бұл жоғары жылдамдықтағы сынақтарды жүргізуге кедерес келтірді. 1946 жылы ұшақ аяқталып, келесі жылы OKB 1 EF 131 ретінде Мәскеуде ұшырылды. Кейінгі OKB 1 EF 140 ұшағы негізінен сол ұшақ корпусынан тұрды, бірақ оған Микулиннің жобалаған үлкен қуатты советтік реактивті қозғалтқыштары орнатылды. 1948 жылы Кеңес Одағы Цыбин ЛЛ 3 ұшағын жасады. Бұл прототип кейіннен 1982 жылы аяқталған «Сухой СИБ А» ұшағына үлкен әсер етті. Соғыстан кейін неміс зерттеулері АҚШ-қа жеткеннен кейін бірқатар ұсыныстар жасалды. Олардың ішінде Convair XB 53 үстінкү дыбыстық бомбалаушы және Солтүстік Американың P 51 Mustang, Bell X 1 зымыран ұшағы мен Douglas D 558 I ұшақтары болды. Bell ұсынысы жел тоннелінде сынақтан өтті, онда аэроэластикалық проблемалар расталды. Ju 287 сериясы және Bell X 1 зерттеулері растаған құрылымдық проблемалар сол кездегі материалдардың қанатты жеткілікті түрде мықты және қатаң етуіне мүмкіндік бермеді, сонымен қатар оны практикалық тұрғыдан тым ауыр ететін. Нәтижесінде, жоғары жылдамдықты конструкциялар үшін алға қарай қанаттардан бас тартылды, жаңа құрылымдық материалдар қол жетімді болғанға дейін көп жылдар өтті.

Forward swept wings designs, some whose design had begun during the prewar period, were developed during World War II, independently in Germany, the Soviet Union, Japan, and the United States. An early example to fly, in 1940, was the Soviet Belyayev DB LK, a twin boom design with forward swept outer wing sections and backwards swept tips. It reportedly flew well. Belyayev's proposed Babochka research aircraft was cancelled following the German invasion. Throughout World War II, numerous fighter, bomber, and other military aircraft can be described as having forward swept wings, due to the average chord of their wings being forward sweeping. However, these designs almost always utilized a rearward swept leading edge, which would technically render them as high aspect ratio trapezoidal wings. The American Cornelius Mallard flew on 18 August 1943. The Mallard was powered by a single engine, but it was followed by the Cornelius XFG 1 prototypes, which were flying fuel tanks, unpowered and designed for towing by larger aircraft. These Cornelius designs were unusual for being not only forward swept but also tailless. Meanwhile in Germany, Hans Wocke was studying the problems of swept wings at the near sonic speeds of which the new jet engines were capable. He recognised many of the advantages that forward sweep offered over the backwards swept designs then being developed, and also understood the implications of aeroelastic bending and yaw instability. His first such design to fly was the Junkers Ju 287, on 16 August 1944. Flight tests on this and later variants confirmed the low speed advantages but also soon revealed the expected problems, preventing high speed trials. Wocke and the incomplete Ju 287 V3 prototype were captured and, in 1946, taken to Moscow where the aircraft was completed and flown the next year as the OKB 1 EF 131. The later OKB 1 EF 140 was essentially the same airframe re engined with a pair of Mikulin design Soviet jet engines of greater thrust. In 1948, the Soviet Union created the Tsybin LL 3. The prototype would subsequently have a great impact on the Sukhoi SYB A, which was completed in 1982. When the German research reached the United States after the war, a number of proposals were put forward. These included the Convair XB 53 supersonic bomber and forward swept variants of the North American P 51 Mustang, Bell X 1 rocket plane and Douglas D 558 I. The Bell proposal reached the wind tunnel testing stage, where the problems of aeroelasticity were confirmed. The structural problems confirmed by the Ju 287 series and the Bell X 1 studies proved so severe that the materials available at the time could not make a wing strong and stiff enough without also making it too heavy to be practical. As a result, forward sweep for high speed designs was abandoned, until many years later when new structural materials would become available.

Екінші дүниежүзілік соғыстан кейінгі авиация

Кішкене мөлшердегі қанаттың иілуі елеулі проблема тудырмайды, тіпті орташа алға қарай иілу негізгі тіректің бекітілу нүктесін және жалғастыратын құрылымды артқа қарай жылжытуға мүмкіндік береді. 1954 жылы Вокке Германия Демократиялық Республикасына оралды, бірақ көп ұзамай Батыс Германияға көшіп, Hamburger Flugzeugbau (HFB) компаниясында бас дизайнер болып жұмыс істеді. Saab Safari, Bölkow Junior және ARV Super2 ұшақтарында көру мүмкіндігін жақсарту үшін иықша қанаттар қолданылған, бұл қанат тамырының ұшқыштардың басының артына орналасуын қажет етеді, осылайша бүйіргі көрініс бұрмаланбайды. Scaled Composites Boomerang – бір қозғалтқышы істен шыққан жағдайда да қауіпсіз басқаруды қамтамасыз ететін екі поршеньді қозғалтқыштың прототипі. SZD 9 Bocian және PZL Bielsko SZD 50 Puchacz – Польшада жобаланып, салынған көп мақсатты екі орындық желкенді ұшақтар.

Жылдам реактивті ұшақ

Жоғары жылдамдықпен ұшу үшін қажетті үлкен бұрыштар көп жылдар бойы қолдануға мүмкін болмай келді. 1970 жылдардың соңында DARPA аэроэластикалық реттеу арқылы ауытқу жылдамдығының төмендеуін болдырмау үшін жаңа композиттік материалдарды зерттеуді бастады. "Fly by wire" технологиясы конструкцияның динамикалық тұрақсыздығына жол берді және маневрлеуді жақсартты. Grumman екі X-29 технологиялық демонстрациялық ұшағын жасады, олар 1984 жылы алғаш рет ұшты, ал қанаттары және қанатшалары алға қарай бұрылған. Жоғары шабуыл бұрыштарында маневрлеуге қабілетті X-29, 67° шабуыл бұрышында да басқарыла алатын. Тарту векторын басқару технологиясының жетістіктері және әуе шайқасы тактикасының орташа қашықтықтағы зымыранмен ұрысуға қарай өзгеруі жоғары маневрлі истребительдің маңыздылығын азайтты. 1997 жылы "Сухой" Париж әуе шоуында Су-47 истребитель прототипін таныстырды. Ол өндіріске енгізілмеді, бірақ бірқатар ұшу сынақтарынан өтті және бірнеше әуе шоуларында өнер көрсетті. KB SAT SR 10 – Ресейде жасалған бір қозғалтқышты жаттығу ұшағы, алға қарай бұрылған қанаттары бар. Ол алғаш рет 2015 жылы ұшты.

Биологияда

Ірі баслы птерозаврлардың қанаттары ұшу кезінде жақсырақ тепе-теңдік сақтау үшін алға қарай иілген.