Кіріспе

Құйрығы жоқ, тұрақты қанатты ұшақ, нақты фюзеляжы жоқ, канадалық футбол формациясы.

Ұшушы қанат – бұл нақты фюзеляжы жоқ құйрықсыз, тұрақты қанатты ұшақ, оның экипажы, жүгі, жанармайы және жабдықтары негізгі қанат құрылымында орналасқан. Ұшушы қанатта әртүрлі кішкентай ілмектер болуы мүмкін, мысалы, қаптар, гондолалар, көпіршіктер, балкалар немесе тік стабилизаторлар. Техникалық жағынан ұшушы қанат болып табылмайтын ұшақтардың ұқсас конструкциялары кейде осылай аталса да болады. Бұл типтерге қанатты корпус ұшақтары және көтергіш корпус ұшақтары жатады, олардың фюзеляжы бар, бірақ нақты қанаттары жоқ. Таза ұшушы қанат теориялық тұрғыдан алғанда, тұрақты қанатты ұшақ үшін ең төмен созылу конфигурациясы болып табылады. Алайда, оның дәстүрлі тұрақтандыру және басқару беттері болмағандықтан, таза түрінде ұшушы қанат тұрақсыз және басқару қиын. 1920 жылдары ұшушы қанаттың негізгі конфигурациясы, көбінесе басқа құйрықсыз конструкциялармен бірге, маңызды зерттеу нысаны болды. Екінші дүниежүзілік соғыста нацистік Германия да, одақтастар да ұшушы қанаттарды дамытуда жетістіктерге жетті. 1950 жылдары үстінкү дыбыстық ұшақтардың дамуымен ұшушы қанатқа деген әскери қызығушылық азайды, бірақ 1980 жылдары олардың жасырын технологияға деген әлеуетіне байланысты қайта жаңартылды. Бұл тәсіл ақырында Northrop Grumman B-2 Spirit стелс бомбалаушы ұшағына әкелді. Оны жүк немесе жолаушыларды тасымалдау үшін үлкен көлемде пайдалануға деген қызығушылық үздіксіз жалғасуда. Boeing, McDonnell Douglas және Armstrong Whitworth ұшушы қанатты жолаушылар ұшақтарының жобаларын зерттеді, бірақ мұндай жолаушылар ұшақтары әлі жасалмаған. Ұшушы қанат тұжырымы көбінесе дыбыс астындағы ұшақтарға арналған. Дыбыс жолындағы ұшушы қанат ешқашан жасалмаған.

Шолу

Ұшушы қанат – негізгі қанатының құрылымында экипажы, жүгі, отыны және жабдықтары орналасқан, анық фюзеляжы мен құйрық қанаты жоқ ұшақ. Ұшушы қанатта түрлі шағын сыртқы элементтер болуы мүмкін, мысалы, қораптар, гондолалар, көпіршіктер, балкалар немесе тік стабилизаторлар. Таза ұшушы қанат теориялық тұрғыдан алғанда, қанаттары бар ұшақтар үшін ең аэродинамикалық тиімді (ең төмен соққысы бар) конструкциялық схема ретінде ұсынылады. Бұған қоса, берілген қанат тереңдігі үшін жоғары құрылымдық тиімділік қамтамасыз етіледі, бұл жеңіл салмаққа және отынның үнемді жұмсалуына әкеледі. Дәстүрлі тұрақтандыру және басқару беттері болмағандықтан, таза түріндегі ұшушы қанат тұрақсыздық пен басқарудың қиындығы сияқты кемшіліктерге ұшырайды. Бұл шарттарды қанағаттандыру қиын, және осыған бағытталған әрекеттер ұшушы қанаттың дизайнының күтілетін артықшылықтарын – салмақ пен соққыны азайту сияқты – азайтуы немесе тіпті жоққа шығаруы мүмкін. Сонымен қатар, шешімдер коммерциялық авиация сияқты кейбір қолданулар үшін тым қауіпті соңғы дизайнға әкелуі мүмкін. Басқа да қиындықтар ұшқышты, қозғалтқыштарды, ұшу жабдықтарын және жүктерді қанаттың тереңдігіне орналастыру мәселесінен туындайды. Ұшушы қанат дизайнымен байланысты басқа белгілі проблемалар – крен және рыскау. Крен мәселелері құйрықсыз ұшақтар туралы мақалада талқыланады. Рыскау мәселелері төменде қарастырылады.

Инженерлік жобалау

Ұшқыш, қозғалтқыштар, отын, шасси және басқа да қажетті жабдықтарды сыйдыруға жеткілікті тереңдікте жасалған қанат, дәстүрлі қанат пен ұзын, жіңішке фюзеляжға қарағанда үлкен алдыңғы бетіне ие болады. Бұл, шындығында, жоғары сүйреуге және осылайша дәстүрлі конструкцияға қарағанда төмен тиімділікке әкелуі мүмкін. Әдетте, мұндай жағдайда қанатты салыстырмалы түрде жұқа ұстап, ұшақтың барлық қажеттіліктерін қамтамасыз ету үшін түрлі дөңгелектер, гондолалар, қондырғылар, қанатшалар және т.б. орнатылады. Дыбыс жылдамдығынан асып түсетін жылдамдықтарда бұл мәселе одан да күшейеді, онда қалың қанаттың сүйреуі күрт өседі және қанаттың жұқа болуы аса маңызды. Қазіге дейін ешқандай да ұшатын қанат (flying wing) құрылмаған.

Бағытты тұрақтылық

Ұшақтың тұрақты ұшуы үшін, ол үнемі түзетусіз бағытталған тұрақтылыққа ие болуы керек. Ұшатын қанаттарда тиімді тік қанат немесе стабилизаторды орнатуға орын жоқ. Кез келген қанатты қанаттың артқы бөлігіне тікелей бекіту қажет, бұл аэродинамикалық орталықтан шамалы моментті қол береді, нәтижесінде қанат тиімсіз болады және тиімді болу үшін үлкен ауданы болуы керек. Мұндай үлкен қанат салмағы мен сүйреуге байланысты кемшіліктерге ие, және ұшатын қанаттың артықшылықтарын жоя алады. Бұл мәселені қанаттың артқа қарай иілгенін арттыру және екі қанатты ұштарына жақын орналастыру арқылы азайтуға болады, мысалы, төмен қатынасты дельта қанатында. Бірақ тиімділіктің төмендеуін ескере отырып, көптеген ұшатын қанаттар жұмсақ иілген және ең жақсы жағдайда маргиналды тұрақтылыққа ие. Иілген қанаттың қатынасы, ауа ағынына қатысты бағытқа байланысты өзгереді. Бағыт бұрышы қанаттың алдыңғы бөлігінің қатынасын арттырады және артқы бөлігінікіні азайтады. Жеткілікті иілгендік болғанда, ұшқыштардың ұштарындағы айналмалы және көлденең ағыннан туындаған дифференциалдық сүйреу ұшақты табиғи түрде туралауға жеткілікті. Қосымша тәсіл – қанаттың ұштарына шабуыл бұрышын азайту арқылы бұрылу немесе жуу, сондай-ақ артқа иілген қанат пішінін қолдану. Дунн D.5 осы принципті қолданды және оның авторы Дж. В. Дунн 1913 жылы оны жариялады. Жуу ұштардағы көтергіш күшін азайтады, нәтижесінде Людвиг Прандтль 1933 жылы сипаттаған, қанаттың бойымен қоңырау тәрізді таралу қисығы пайда болады. Бұл берілген көтергіш күші үшін салмақ пен сүйреуді оңтайландыруға мүмкіндік береді. Тағы бір шешім – қанаттың ұш бөліктерін айтарлықтай андедралмен төмен қарай бұру, бұл ұшақтың бүйінен қарағанда артқы жағындағы ауданын арттырады. Бұл иілгендік және жуумен біріктірілгенде, тағы бір мәселені шеше алады. Дәстүрлі эллипстік көтергіш таралуында, төмен қарай бұрылу бұрылыстан шығуға себеп болатын артық сүйреуді тудырады ("кері бұрылыс"). Жуу, шабуыл бұрышы азайғанда, аэродинамикалық векторды (көтергіш пен сүйреу) алға қарай бұрады, және шекті жағдайда, бұл алға қарай итермелеуді тудыруы мүмкін. Элевонмен сыртқы көтергіш күшін қалпына келтіру бұрылыс кезінде қанаттың артқы (сыртқы) бөлігіне аздап итермелеуді тудырады. Бұл вектор, негізінен, артқы қанатты алға тартады, "проверс бұрылысын" тудырады, табиғи үйлесімді бұрылыс жасайды. 1913 жылы Ұлыбританияның Әуе кемелер қоғамындағы лекциясында Дунн бұл әсерді "жанама пайда" деп сипаттады.

Ескіруді басқару

Кейбір ұшу қанатының конструкциясында кез келген тұрақтандырушы қанаттар мен байланысты басқару рульдері тиімді болу үшін тым алшақ орналасқан болуы мүмкін, сондықтан кейде иілуді басқарудың баламалы тәсілдері қолданылады. Басқару мәселесін шешудің бір жолы – дифференциалдық қарсылық: бір қанат ұшының жанындағы қарсылық күші жасанды түрде арттырылады, бұл ұшақты сол қанаттың бағытына қарай бұруға мәжбүр етеді. Типик әдістерге мыналар жатады:
Бөлінген элерон. Жоғарғы беті жоғары, ал төменгі беті төмен қарай жылжиды. Бір жағынан элеронды бөлу дифференциалдық ауа тежегішінің әсерін туғызып, иілуге себеп болады. Спойлерлер. Жоғарғы қанаттың бетіндегі спойлер беті көтеріледі, бұл ауа ағынын бұзып, қарсылық күшін арттырады. Бұл әсер көбінесе көтеру күшінің жоғалуымен бірге жүреді, оны ұшқыш немесе автоматты түрде өтеуді қамтамасыз ететін конструкциялық ерекшеліктермен толықтыру қажет. Спойлерондар. Жоғарғы беттік спойлер сонымен қатар көтеру күшін азайтуға әсер етеді (элеронды жоғары бұрумен тең), осылайша ұшақты бұрылыс бағытында бұруға мәжбүр етеді – бұрылу бұрышы қанаттың көтеру күшін бұрылыс бағытында әрекет етуіне себеп болады, бұл ұшақтың бойлық осін бұру үшін қажетті қарсылық күшінің мөлшерін азайтады. Дифференциалдық қарсылық әдісінің салдарынан, егер ұшақ жиі маневр жасаса, ол жиі қарсылық күшін тудырады. Сондықтан ұшу қанаттары тыныш ауада ұшу кезінде ең жақсы жұмыс істейді: турбулентті ауада немесе бағытты өзгерту кезінде, ұшақ дәстүрлі конструкцияға қарағанда аз тиімді болуы мүмкін.

Қатынасты үлгілер

Кейбір ұқсас ұшақтар, қатаң түрде ұшқыш қанаттар емес, осылай сипатталған. Мысалы, Northrop Flying Wing (NX 216H) сияқты кейбір түрлерінде құйрық стабилизаторы құйрық бағаналарына орнатылған, бірақ оларда фюзеляж жоқ. Көптеген дельтапландар мен микрожеңіл ұшақтар құйрықсыз болады. Бұл түрлер кейде ұшқыш қанаттар деп аталғанымен, ұшқыш (және қозғалтқыш орнатылған болса) қанат құрылымының ішінде емес, астында орналасқандықтан, олар нағыз ұшқыш қанаттар емес. Қатты бұрылған дельта пішінді жазықтығы және терең орталық бөлігі бар ұшақ, ұшқыш қанат, аралас қанатты корпус және/немесе көтеруші корпус конфигурациялары арасындағы шекаралық жағдайды көрсетеді.

Алғашқы зерттеулер

Ұшуға жасалған алғашқы әрекеттерден бері құйрығы жоқ ұшақтармен тәжірибелер жүргізіліп келеді. Ұлыбританиялық Дж. У. Данн осы саладағы алғашқы пионер болды, оның қанатты биплан және моноплан конструкциялары 1910 жылдан бастап тұрақтылықты көрсетті. Оның жұмысы Г. Т. Р. Хилл сияқты басқа да конструкторларға тікелей әсер етті, ол 1920-ші және 1930-шы жылдардың басында Westland Hill Pterodactyls деп аталған құйрықсыз ұшақтардың бірнеше эксперименталдық үлгілерін жасады. Авиация министрлігінен тапсырыс алуға жасалған әрекеттерге қарамастан, Птеродактиль бағдарламасы 1930 жылдардың ортасында Mk. VI үлгісіне тапсырыс берілмей, тоқтатылды. Германиялық Хьюго Юнкерс 1910 жылы өзінің қанатты көлік концепциясын патенттеді, оны үлкен жолаушылар тасымалдайтын және Атлант мұхитын үздіксіз рейстермен жүзе алатын ұшақ құрастыру мәселесіне табиғи шешім деп қарастырды. Ол ұшу қанатының үлкен ішкі көлемі мен төмен соққысы оны осы мақсатқа сәйкес етеді деп сенді. Оның терең аккорды бар моноплан қанаты 1915 жылдың желтоқсанында стандартты Junkers J 1 ұшағына енгізілді. 1919 жылы ол қалың қанаттың ішінде жолаушыларды орналастыруды көздеген "Giant" JG1 жобасы бойынша жұмыс істей бастады, бірақ екі жылдан кейін одақтас авиациялық комиссиясы неміс ұшақтарының соғыстан кейінгі өлшемдерінен асып кеткені үшін толық емес JG1 ұшағын жоюға бұйрық берді. Юнкерс 1000 жолаушыға арналған болашақ ұшу қанаттарын жобалады; осы идеяның іске асуына ең жақын нәрсе 1931 жылғы Junkers G.38 34 орындық Grossflugzeug авиалайнері болды, онда отын, қозғалтқыштар және екі жолаушылар кабинасына орын беретін үлкен, қалың қанат болды. Дегенмен, оған экипаж мен қосымша жолаушыларды орналастыру үшін қысқа фюзеляж қажет болды. Совет ғалымы Борис Иванович Черановский 1924 жылы құйрықсыз ұшу қанатты планерлерді сынауды бастады. 1920 жылдан кейін Черановский сияқты совет конструкторлары Сталиннің басшылығымен дербес және құпия түрде жұмыс істеді. Материалдар мен құрылыс әдістеріндегі маңызды жетістіктер BICh 3, BICh 14, BICh 7A сияқты ұшақтарды жасауға мүмкіндік берді. Чижевский және Антонов сияқты мамандар коммунистік партияның назарына құйрығы жоқ BOK 5 (Чижевский) және OKA 33 (Антонов жасаған алғашқы) сияқты ұшақтарды жобалау арқылы іріктеліп алынды, олар сол кездегі танымал планерлерге ұқсас болғандықтан "моторлы планерлер" деп аталды. 1932 жылы Черановский жасаған BICh 11 1933 жылы Тоғызыншы планер жарысында Хортен ағайындыларының H1 және Адольф Галландтың планерлерімен бәсекелесті, бірақ 1936 жылғы Берлиндегі жазғы Олимпиада ойындарында көрсетілмеді. Германияда Александр Липпиш алдымен құйрықсыз типтерде жұмыс істеді, содан кейін ұшу қанаттарына көшті, ал Хортен ағайындылары 1930 жылдары ұшу қанатты планерлердің бірнеше үлгілерін жасады. H1 планері 1933 жылы жартылай сәтті ұшырылды, ал одан кейінгі H2 планерлі және қуатты нұсқаларында сәтті ұшты. АҚШ-та 1930 жылдардан бастап Джек Нортроп өз жобаларымен дербес жұмыс істеді. Ұзақ қашықтыққа ұшатын бомбалаушының үлгісі Нортроп N 1M алғаш рет 1940 жылы ұшты. 1941 жылы Нортропқа YB 35 ұшу қанатының 2 данасын жасауға келісімшарт берілді, бұл 172 фут қанат кеңдігі бар өте үлкен 4 қозғалтқышты ұшу қанаты болды. Осы ұшақтың дамуы мен құрылысы Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде де жалғасты. 1930 жылдары пайда болған басқа да мысалдарға 1933 жылғы француз Чарльз Фаувельдің AV3 планері және 1937 жылы ұшқан американдық Freel Flying Wing планері жатады, ол тік қанатта өзін-өзі тұрақтандыратын қанатқа ие болды.

Екінші дүниежүзілік соғыс

Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде аэродинамикалық мәселелер өндіріс үлгілерінің жұмысын бастау үшін жеткілікті деңгейде түсінілді. Нацистік Германияда Хортен ағайындары ұшу қанаты конфигурациясын жақтады, сол кезде бірегей дизайнды жасады, Prandtl-дің құс сияқты "қоңырау тәрізді көтергіштік бөлуін" пайдаланды. Олар 1941-1943 жылдары шағын санымен шығарылған Horten H.IV желкеншігін жасады. Соғыстың соңғы кезеңіндегі бірнеше неміс әскери жобалары ұшу қанаты тұжырымдамасына немесе оның нұсқаларына негізделді, бұл ерте реактивті қозғалтқыштармен жабдықталған ұшақтардың өте қысқа қашықтығын ұзарту үшін ұсынылған шешім болды. Horten Ho 229 реактивті ұшағының прототипі алғаш рет 1944 жылы ұшты. Ол ұшу қанатын немесе Nurflügel-ді екінші немесе "V2" (V for Versuch) прототипіндегі Junkers Jumo 004 реактивті қозғалтқыштарымен біріктірді; осылайша, ол екі реактивті қозғалтқышпен жабдықталған әлемдегі алғашқы таза ұшу қанаты болды, алғаш рет 1944 жылдың наурыз айында ұшқандығы хабарланды. V2 ұшағын Эрвин Циллер ұштырды, ол қозғалтқыштардың бірінде жарылыс болған кезде қаза тапты. Соғыстың соңғы кезеңінде Gotha Go 229 типті өндіру жоспарланды. Go 229 және Go P.60-ты бірнеше рөлдерге, соның ішінде түнгі ұшақ ретінде дамытуға ниеттенгеніне қарамастан, Gotha Go 229 немесе P.60 ұшақтарын ешқашан аяқтамады. Ұшпаған, бірақ сақталған "V3" немесе үшінші прототипті американдықтар тұтқындап, зерттеу үшін жіберді; ол Смитсонов институтында сақталады. Одақтастар да бұл салада маңызды жетістіктерге қол жеткізді. 1942 жылдың желтоқсанында Нортроп N 9M ұшағын ұшырды, бұл ұзын қашықтыққа ұшатын бомбалаушының үштен бір бөлігі өлшемдегі үлгісі болды; бірнеше ұшақ шығарылды, бірін қоспағанда, барлығы бомбалаушы бағдарламасы тоқтатылғаннан кейін жойылды. Ұлыбританияда Baynes Bat желкеншігі соғыс кезінде ұшты; бұл үштен бір масштабтағы тәжірибелік ұшақ, ол танктерді уақытша желкеншіктерге айналдыру үшін конфигурацияны сынауға арналған. 1944 жылғы британдық Armstrong Whitworth A.W.52G - Атлантикааралық бағыттарда ұшуға қабілетті желкеншік сынақ алаңы болды. 1947 жылдың 13 қарашасында алғаш рет ұшқан A.W.52 көңіл көншітпейтін нәтижелер берді; алғашқы прототип 1949 жылдың 30 мамырында адам шығынысыз құлады, бұл британдық ұшқыш үшін эвакуациялық орындықтың алғашқы рет пайдаланылуы болды. Екінші A.W.52 1954 жылға дейін Корольдік ұшақ зерттеу орталығында ұшты. YB 49 ұшағының жақын қанатындағы тұрақтылық мәселесі жаңа автопилот жүйесімен түзетілді, бірақ бомбалаушы нұсқасы үлкен, бірақ баяу B 36 ұшағының пайдасына тоқтатылды. Барлау нұсқасы біраз уақыт дамытылды, бірақ ұшақ өндіріске енгізілген жоқ. Кеңес Одағында BICh 26 1948 жылы үстіркілді реактивті ұшу қанатын жасаудың алғашқы әрекеттерінің бірі болды; авиация авторы Билл Ганстон BICh 26 өз заманынан озып кеткенін айтты. Алайда, ұшақты Кеңес әскері қабылдамады және жоба Черановскиймен бірге аяқталды. Басқа да бірнеше елдер ұшу қанаты жобаларын жүзеге асырды. Түркия осындай елдердің бірі болды, 1948 жылы THK 13 құйрықсыз желкеншігін шығарды. Осы уақытта бірнеше британдық өндірушілер де бұл тұжырымдаманы зерттеді. Рой Чадвик жобалаған ядролық қарулы стратегиялық бомбалаушы Avro Vulcan-ның алғашқы ұсыныстары бірнеше ұшу қанатының орналасуын зерттеді, бірақ соңғы жобада фюзеляж болды. Жүк немесе жолаушыларды тасымалдауға арналған үлкен рөлдерде ұшу қанатына үнемі қызығушылық бар. Boeing, McDonnell Douglas және Armstrong Whitworth компаниялары ұшу қанаты жолаушылар ұшақтарының дизайнын зерттеді, бірақ мұндай жолаушылар ұшақтары әлі жасалмаған. Бұл тәсіл ақырында Northrop Grumman B 2 Spirit, ұшу қанаты жасырын бомбалаушы ұшағына әкелді. Бұл жағдайда ұшу қанатының аэродинамикалық артықшылықтары дизайнды қабылдаудың негізгі себептері емес. Алайда, қазіргі заманғы компьютерлік басқарулы ұшқыш-сүйір жүйелер ұшу қанатының көптеген аэродинамикалық кемшіліктерін азайтуға мүмкіндік береді, бұл тиімді және тұрақты ұзын қашықтыққа ұшатын бомбалаушыны құрайды. Қанаттың терең болуының қажеттілігіне байланысты ұшу қанаты тұжырымдамасы негізінен дыбыстан төмен ұшақтар үшін қолданылады. Оны үлкен тасымалдау рөлінде пайдалану үшін үнемі қызығушылық бар, онда қанаты жүкті немесе жолаушыларды ұстауға жеткілікті терең. Boeing, McDonnell Douglas және Armstrong Whitworth сияқты бірқатар компаниялар осы күнге дейін ұшу қанаты жолаушылар ұшақтарының жобалау зерттеулерін жүргізді; алайда 2023 жылға дейін мұндай жолаушылар ұшақтары әлі жасалмаған. Екі бағытты ұшу қанаты - бұл айнымалы геометрия тұжырымдамасы, ол ұзын қанатты дыбыстан төмен ұшақ және қысқа қанатты үстіркілді ұшақтан тұрады, олар тең емес қиылыс түрінде біріктірілген. 2011 жылы ұсынылған төмен жылдамдықты қанатта төмен жылдамдықтағы жүк көтеруге қабілетті қалың, дөңгелектелген профиль және жоғары тиімділік үшін ұзын қанат болады, ал жоғары жылдамдықты қанатта жұқа, өткір жиекті профиль және үстіркілді жылдамдықта төмен соққы үшін қысқа қанат болады. Ұшақ төмен жылдамдықты қанатпен ауа ағынына қарсы ұшып, содан кейін жоғары жылдамдықты қанат ауа ағынына қарап, үстіркілді саяхаттау үшін ширегіне бұрылады. NASA бұл ұсынысты зерттеуге қаржы бөлді. Дизайн төмен толқынды соққысын, жоғары дыбыстан төмен тиімділігін және азайтылған дыбыстық жарылысты ұсынады. Соғыс аяқталғаннан бері көптеген адамсыз ұшу аппараты (UAV) ұшу қанатын пайдаланады. Елдер әдетте мұндай платформаларды әуе барлауы үшін пайдаланады; мұндай UAV-лерге Lockheed Martin RQ 170 Sentinel және Northrop Grumman Tern жатады. Азаматтық компаниялар да Facebook Aquila сияқты UAV-лермен тәжірибе жасады, олар атмосфералық спутниктік аппараттар ретінде қолданылады. Әртүрлі прототиптік адамсыз жауынгерлік ұшу аппараты (UCAV) жасалды, оларға Dassault nEUROn, Sukhoi S 70 Okhotnik B, DRDO Ghatak және BAE Systems Taranis жатады.