Бұрылыс қанатты ұшақтар: Эксперименттік әзірлемелер

Кіріспе

Эксперименталды ұшақ қанатының дизайны

Көлбеу қанат (немесе бұрылған қанат) – өзгермелі геометриялы қанат концепциясы. Мұндай жабдықталған ұшақта қанат ортақ осьтің айналасында бұрылуға арналған, сонда бір ұшы алға қарай, ал қарсы ұшы артқа қарай сырғанап тұрады. Осылайша, оның сырғанау бұрышын өзгерту арқылы, қанат сырғанағанда жоғары жылдамдықта кедергіні азайтуға болады, ал қанат тік тұрғанда төмен жылдамдықтағы өнімділікті сақтап қалуға болады. Бұл классикалық қанатты қозғалту дизайнының нұсқасы, құрылысты жеңілдету және сырғанау бұрышы өзгерген кезде ауырлық орталығын сақтау мақсатында жасалған.

Тарих

Бұл технологияның ең көне мысалдары – 1944 жылғы Messerschmitt патентіне негізделген, іске асырылмаған неміс ұшақ жобалары Blohm & Voss P.202 және Messerschmitt Me P.1009 01. Соғыстан кейін конструктор доктор Ричард Вогт «Кәдеге тігіс» операциясы барысында АҚШ-қа жеткізілді. Көлбеу қанат концепциясын 1950 жылдары Калифорния штатындағы Моффетт Филдте орналасқан NASA Ames Research Center-дің авиациялық инженеры Роберт Т. Джонс жаңғыртты. Джонс Аймста бастаған талдамалық және жел тоннеліндегі зерттеулер 1.4 Мах жылдамдығына (дыбыс жылдамдығынан 1.4 есе жоғары) дейін ұшатын көлденең қанатты ұшақтың, дәстүрлі қанаттары бар ұшақтарға қарағанда айтарлықтай жақсы аэродинамикалық сипаттамалары болатынын көрсетті. 1970 жылдары Моффетт Филдте пилотсыз, винтпен қозғалатын ұшақ құралып, сынақтан өтті. NASA Oblique Wing деп аталған жоба, ұшақтың үлкен бұрыштағы қанаттарының қиындықтарын көрсетті. Қазірге дейін осы концепцияны зерттеу үшін жасалған жалғыз адам басқаратын ұшақ – NASA AD 1. Ол 1979 жылдан бастап бірнеше сынақ ұшуларын жүргізді. Бұл ұшақ бірқатар күрделі рульдік байланыс түрлерін көрсетті, содан кейін қосымша тәжірибелер тоқтатылды.

Теория

Жалпы тәсіл – ұшудан круизге дейінгі уақыт аралығында Мах санының артуымен жоғары тиімділікпен жұмыс істейтін ұшақты жобалау (коммерциялық ұшақ үшін М ~ 0.8). Осы екі ұшу режимінің әрқайсысында әртүрлі екі типті қарсылық басымдық танытатындықтан, әрбір режим үшін жоғары өнімділік дизайнын бір ұшақ корпусында біріктіру қиындық тудырады. Төмен Мах сандарында индукциялық қарсылық қарсылық мәселелерінің арасында басым болады. Ұшып тұрған ұшақтар мен жолсермелер индукциялық қарсылыққа ең көп мән береді. Индукциялық қарсылықты азайтудың бір жолы – көтеру бетінің тиімді қанат ұзындығын арттыру. Сондықтан жолсермелердің қанаттары ұзын және тар болады. Идеал қанаттың ұзындығы шексіз болып табылады және индукциялық қарсылық екі өлшемді қасиетке дейін төмендейді. Төмен жылдамдықтарда, ұшып көтерілу және қону кезінде, максималды көтеру күші мен басқару сапасын қамтамасыз ету үшін көлбеу қанат фюзеляжға перпендикуляр орналастырылады, дәл сияқты әдеттегі қанат сияқты. Ұшақ жылдамдық алғанда, қанат көлбеу бұрышын арттыру үшін бұрылады, осылайша ылғалданған бетке байланысты қарсылықты азайтады және жанармай тұтынуды төмендетеді. Балама ретінде, Мах саны дыбыс жылдамдығына жақындағанда және одан асып кеткенде, толқындық қарсылық дизайн мәселелерінің арасында басымдық алады. Ұшақ ауаны ығыстырғанда, дыбыстық толқын пайда болады. Қанаттарды ұшақтың мұртынан алыстату қанаттарды дыбыстық толқынның артында ұстауға мүмкіндік береді, бұл қарсылықты айтарлықтай азайтады. Алайда, берілген қанат дизайны үшін, қанаттың бұрылысын арттыру, қанаттың қанаттылығын азайтады. Жоғары жылдамдықтарда, дыбыс астындағы және дыбыс жоғары жылдамдықтарда, көлбеу қанат ұшақтың фюзеляжына қарай 60 градусқа дейін бұрылуы мүмкін, бұл жоғары жылдамдықта жақсы өнімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді. Зерттеулер көрсеткендей, бұл бұрыштар аэродинамикалық қарсылықты азайтады, соның салдарынан бірдей жанармай шығынымен жылдамдықты арттыруға және ұшу қашықтығын ұзартуға мүмкіндік береді. Негізінен, ешқандай дизайн екі ұшу режимі үшін де толықтай оңтайландырылуы мүмкін емес сияқты. Дегенмен, көлбеу қанат екі режимге де жақындауға үміт береді. Мах санының артуымен қанаттың бұрылысын белсенді түрде арттыру арқылы, жылдамдықтардың кең ауқымында жоғары тиімділікке қол жеткізуге болады. Роберт Т. Джонс көлбеу қанатты ұшақ коммерциялық әуе тасымалын күрт жақсартатынын, жанармай шығындарын және әуежайлар маңындағы шуды азайтатынын болжады. Әскери қолданысқа ұзаққа созылатын истребитель/шабуылдаушы ұшағы кіруі мүмкін.

The general approach is to design an aircraft that performs with high efficiency as the Mach number increases from takeoff to cruise conditions (M ~ 0.8, for a commercial aircraft). Since two different types of drag dominate in each of these two flight regimes, uniting high performance designs for each regime into a single airframe is problematic. At low Mach numbers induced drag dominates drag concerns. Airplanes during takeoff and gliders are most concerned with induced drag. One way to reduce induced drag is to increase the effective wingspan of the lifting surface. This is why gliders have such long, narrow wings. An ideal wing has infinite span and induced drag is reduced to a two–dimensional property. At lower speeds, during takeoffs and landings, an oblique wing would be positioned perpendicular to the fuselage like a conventional wing to provide maximum lift and control qualities. As the aircraft gained speed, the wing would be pivoted to increase the oblique angle, thereby reducing the drag due to wetted area, and decreasing fuel consumption. Alternatively, at Mach numbers increasing towards the speed of sound and beyond, wave drag dominates design concerns. As the aircraft displaces the air, a sonic wave is generated. Sweeping the wings away from the nose of the aircraft can keep the wings aft of the sonic wave, greatly reducing drag. Unfortunately, for a given wing design, increasing sweep decreases the aspect ratio. At high speeds, both subsonic and supersonic, an oblique wing would be pivoted at up to 60 degrees to the aircraft's fuselage for better high speed performance. The studies showed these angles would decrease aerodynamic drag, permitting increased speed and longer range with the same fuel expenditure. Fundamentally, it appears that no design can be completely optimised for both flight regimes. However, the oblique wing shows promise of getting close. By actively increasing sweep as Mach number increases, high efficiency is possible for a wide range of speeds. Robert T. Jones theorised that an oblique flying wing could drastically improve commercial air transportation, reducing fuel costs and noise in the vicinity of airports. Military operations include the possibility of a long–endurance fighter/attack vehicle.

NASA OFW авиакомпаниясының зерттеулері

OFW платформасының құрлысы трансконтиненталдық авиалайнерге айналуы мүмкіндігі зерттелді. 1991 жылы NASA Ames осы концепцияны пайдаланып, теориялық 500 орындық үстін дыбыстық жылдамдықпен ұшатын авиалайнердің алдын ала жобалауын зерттеді. Осы зерттеуден кейін NASA 6,1 метр қанат кеңдігі бар, қашықтан басқарылатын шағын демонстрациялық ұшақ құрастырды. Ол 1994 жылдың мамыр айында бір рет, төрт минутқа ұшты, бірақ осы ұшу барысында 35 градустан 50 градусқа дейін қанатты бұрып, тұрақты ұшуды қамтамасыз етті. Осы жетістікке қарамастан, NASA жоғары жылдамдық зерттеу бағдарламасы және одан әрі қанатты бұру зерттеулері тоқтатылды.

DARPA-ның көлбеу ұшу қанаты (OFW) жобасы

АҚШ Қорғаныс ғылыми-зерттеу жобалары агенттігі (DARPA) Northrop Grumman компаниясына тәуекелді азайту және X ұшақ OFW демонстраторының алдын ала жоспарлау жөнінде 10,3 миллион АҚШ доллары көлемінде келісімшарт берді. Бұл бағдарлама бақылау жүйелерімен байланысты қиындықтарға байланысты тоқтатылды. Бағдарламаның мақсаты – радикалды жобалаудың әртүрлі қиындықтарын зерттеуге арналған технологиялық демонстрациялық ұшақ құру болды. Ұсынылған ұшақ – құйрығы, қанаттары немесе фюзеляжы сияқты қосымша беттері жоқ таза ұшу қанаты, онда қанаттың бір жағы ұшақтың алға қарай, екінші жағы кері қарай асимметриялық бұрылысқа ие болады. Бұл ұшақ конфигурациясы оған жоғары жылдамдық, ұзақ қашықтық және ұзаққа созылатын ұшу қабілетін сыйлайды деп есептеледі. Бағдарлама екі кезеңнен тұрды. Бірінші кезең теорияны зерттеу және тұжырымдамалық жобалаумен аяқталды, ал екінші кезең ұшақтың жобалауын, өндірісін және ұшу сынағын қамтыды. Бағдарлама болашақтағы әскери ұшақтардың дизайнын қарастырғанда пайдаланылатын деректер жинағын жасауды көздеді. Ұшақ дизайны үшін жел тоннеліндегі сынақтар аяқталды. Дизайнның «жұмыс істеуге жарамды және берік» екені атап өтілді. Бағдарлама ұшу демонстрациялық үлгісі құрылмас бұрын аяқталды.