Кіріспе
Артқа немесе алға бұрылатын ұшақ қанаты – қанаттың түбінен фюзеляжға перпендикуляр емес, кері немесе сирек алға қарай бұрылуы. Сыпырылған қанаттар авиацияның алғашқы күндерінен бері қолданылып келеді. Жоғары жылдамдықтарда қанаттың сыпырылуын алғаш рет 1935 жылы Альберт Бетц және Адольф Буземан Германияда зерттеді, және ол Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталар алдында қолданысқа енгізілді. Бұл эффект дыбыс жылдамдығына жақын сұйықтықтың сығымдалуынан туындайтын соққы толқындарын және аэродинамикалық кедергінің өсуін кешіктіреді, осылайша ұшу қасиеттерін жақсартады. Сондықтан, осы жылдамдықтарда ұшуға арналған реактивтік ұшақтарда сыпырылған қанаттар дерлік әрқашан қолданылады. "Сыпырылған қанат" термині көбінесе "артқа сыпырылған" мағынасында қолданылады, бірақ оның түрлеріне алға сыпырылған, өзгермелі сыпырылған қанаттар және бір жағы алға, екінші жағы артқа сыпырылған көлбеу қанаттар жатады. Дельта қанаты да аэродинамикалық тұрғыдан сыпырылған қанаттың бір түрі болып табылады.
A swept wing is a wing angled either backward or occasionally forward from its root rather than perpendicular to the fuselage. Swept wings have been flown since the pioneer days of aviation. Wing sweep at high speeds was first investigated in Germany as early as 1935 by Albert Betz and Adolph Busemann, finding application just before the end of the Second World War. It has the effect of delaying the shock waves and accompanying aerodynamic drag rise caused by fluid compressibility near the speed of sound, improving performance. Swept wings are therefore almost always used on jet aircraft designed to fly at these speeds. The term "swept wing" is normally used to mean "swept back", but variants include forward sweep, variable sweep wings and oblique wings in which one side sweeps forward and the other back. The delta wing is also aerodynamically a form of swept wing.
Құрылыс құрылымы
Белгілі бір ұзындықтағы қанатты сыпыру, оның тамырынан ұшына дейінгі қабырғаларының ұзындығын арттырады. Бұл салмақты ұлғайтып, беріктігін азайтады. Егер қанаттың алдыңғы және артқы жиектерінің арақашықтығы өзгермесе, алдыңғы және артқы жиектері арасындағы қашықтық қысқарады, бұл бұрылу (торсия) күштеріне қарсы тұру қабілетін төмендетеді. Сондықтан, белгілі бір аралық пен хордаға ие сыпырылған қанатты нығайту қажет, ол сыпырылмаған қанаттан ауыр болады. Қанат әдетте тамырынан артқа қарай бұрылады, алға емес. Қанаттар мүмкіндігінше жеңіл жасалғандықтан, жүктеме кезінде иіліп қалады. Аэродинамикалық жүктеме кезіндегі аэроэластикалық қасиеттер қалыпты ұшуда ұштарын жоғары көтереді. Артқа қарай сыпыру ұштарының иілуімен бірге олардың шабуыл бұрышын азайтады, көтеру күшін төмендетеді және оның әсерін шектейді. Алға қарай сыпыру ұштарының иілуімен бірге шабуыл бұрышын арттырады. Бұл олардың көтеру күшін ұлғайтады, одан әрі иілуге және осылайша көтеру күшінің артуына алып келеді, бұл қашықтан құрылымдық бұзылуға әкелуі мүмкін. Осы себепті алға қарай сыпыру сирек кездеседі және қанаттың ерекше қатаң болуы керек. Екі маңызды сыпыру бұрышы бар: біреуі – үстіндік жылдамдықтағы ұшақтар үшін алдыңғы жиекте, екіншісі – субсоникалық және транссоникалық ұшақтар үшін алдыңғы жиектен 25% қашықтықта. Алдыңғы жиектің сыпырылуы маңызды, өйткені алдыңғы жиек толқындық қарсылықты азайту үшін мач конусының артында болуы керек. Шаршы хорданың (25%) сызығы қолданылады, себебі шабуыл бұрышынан туындайтын субсоникалық көтеру күші сонда әрекет етеді және суперкритикалық бөлімдер енгізілгенге дейін оның ең жоғары нүктесі әдетте шаршы хорданың төрттен біріне жақын болатын. Типикалық сыпыру бұрыштары 0 градустан (түзу қанатты ұшақтар үшін) 45 градусқа немесе одан да көп (истребительдер және басқа да жоғары жылдамдықты конструкциялар үшін) дейін өзгереді.
Дауыстан төмен және дыбыстан жоғары ұшу
Соққы толқындары дыбыс жылдамдығынан төмен жылдамдықпен қозғалатын ұшақтың кейбір бөліктерінде пайда болуы мүмкін. Ұшақ төңірегіндегі төмен қысым аймақтары ағынның үдеуіне себеп болады, ал трансоникалық жылдамдықтарда бұл жергілікті үдеу Мах 1-ден асып кетуі мүмкін. Жергілікті суперсоникалық ағын ұшақтың қалған бөлігіндегі ағым жағдайларына оралуы керек, ал ағын қанаттың артқы бөлігіндегі кері қысым градиентіне кіргенде, ауа күшпен тездетіліп, атмосфералық қысымға оралуға мәжбүр болғанда соққы толқыны түрінде үзіліс пайда болады. Тығыздық төмендегенде, жергілікті дыбыс жылдамдығы да төмендейді және соққы толқыны пайда болады. Сондықтан, дәстүрлі қанаттарда соққы толқындары максималды қалыңдығынан кейін пайда болады, ал трансоникалық диапазонда (M0.8 жоғары) ұшуға арналған барлық ұшақтардың жоғарғы жағы жалпақ supercritical қанаттары болады, бұл жоғарғы бетіндегі ауа ағынының бұрыштық өзгеруін азайтады. Көтеру күшін тудырудың қалыпты бөлігі болып табылатын ауаға бұрыштық өзгеріс азаяды және бұл көтеру күшінің төмендеуі артқы жиегінде иіліс қисығымен бірге терең қисық астыңғы беттермен толықтырылады. Бұл жоғарғы қанаттың артқы бетіне қарай әлсіз соққы толқынының пайда болуына және сәйкесінше критикалық Мах санын арттыруға әкеледі. Соққы толқынының пайда болуы үшін энергия қажет. Бұл энергия ұшақтан алынады, ол осы энергия жоғалуын өтеу үшін қосымша итеру күшімен қамтамасыз етуі керек. Сондықтан соққылар соғудың бір түрі ретінде қарастырылады. Соққылар жергілікті ауа жылдамдығы дыбыс жылдамдығынан асып кеткенде пайда болғандықтан, қанатта дыбыстық ағын алғаш пайда болатын белгілі бір "критикалық Мах" жылдамдығы бар. Соққының дивергенциялық Мах саны деп аталатын келесі нүкте бар, онда соққының әсері байқалады. Бұл әдетте соққылар қанаттың үстінен пайда бола бастағанда болады, көптеген ұшақтарда бұл үздіксіз қисық ең үлкен бет болып табылады, сондықтан бұл әсерге ең үлкен үлес қосады. Қанатты сыпыру ауа ағынынан көрінетін дене қисықтығын сыпыру бұрышының косинусымен азайтады. Мысалы, 45 градус бұрышпен сыпырылған қанаттың тиімді қисықтығы тік қанатына қарағанда шамамен 70%-ға төмендейді. Бұл сынақ кезінде Мах санын 30%-ға арттырады. Ұшақтың үлкен аудандарына, мысалы қанаттары мен құйрық бөлігіне қолданғанда, бұл ұшақтың 1 Махқа жақын жылдамдыққа жетуіне мүмкіндік береді. Сыпырылған қанат конструкциясының бір шектеуі – "орталық эффект" деп аталатын құбылыс. Егер сыпырылған қанат үздіксіз болса, қысым изобарлары ұшынан ұшына дейін үздіксіз бұрышта сыпырылады. Алайда, егер сол және оң жартылары бірдей артқа сыпырылса, бұл әдеттегі жағдай, сол жақ қанаттағы қысым изобарлары теория бойынша орта сызықта үлкен бұрышта оң жақ қанаттың қысым изобарларымен кездеседі. Изобарлар осындай жағдайда кездесе алмайтындықтан, олар орта сызыққа жақындаған сайын екі жағынан да иіледі, нәтижесінде изобарлар орта сызықты орта сызыққа перпендикуляр бұрышта кесіп өтеді. Бұл қанат тамыры аймағында изобарлардың "түзуіне" әкеледі. Бұл құбылысқа қарсы күресу үшін неміс аэродинамика ғалымы Дитрих Кюшеман қанат тамырының үстінен және астынан фюзеляждың жергілікті шұңқырын жасауды ұсынды және сынақтан өткізді. Бұл тиімді болмады. Дуглас DC 8 ұшағын жасау кезінде қанат тамыры аймағында изобарлардың түзуіне қарсы күресу үшін профилі жоқ қанаттар қолданылды.
Үндеуден жоғары ұшу
Супердыбыстық ұшақтардың қанаттары әдетте ұшақтың мұрнында пайда болатын конус тәрізді соққы толқынының ішінде орналасады, осылайша олар дыбыс жылдамдығынан төмен ағынды көреді және дыбыс жылдамдығынан төмен қанаттар сияқты жұмыс істейді. Конус артында болу үшін қажетті бұрыш жылдамдық артумен артады, 1.3 Мах жылдамдығында бұрыш шамамен 45 градус, ал 2.0 Мах жылдамдығында 60 градусқа жетеді. Ұшақ корпусынан пайда болатын Мах конусының бұрышы шамамен sin μ = 1/M тең болады (μ – Мах конусының қанаттық бұрышы).
Кемшіліктер
Қанат жоғары жылдамдықпен ұшқанда, ауа ағынының реакция жасауға уақыты жетпейді де, қанаттың үстінен алдыңғы жағынан артқы жағына тікелей ағып өтеді. Төмен жылдамдықтарда ауа реакция жасауға үлгереді және бұрышты алдыңғы жиегінің әсерінен қанат ұшына қарай итеріледі. Қанат тамырында, фюзеляж жанында бұл әсер байқалмайды, бірақ қанат ұшына жақындағанда ауа ағыны алдыңғы жиекпен ғана емес, сонымен қатар оның жанындағы қозғалмалы ауамен де итеріледі. Нәтижесінде, ауа ағыны қанаттың үстінен емес, қанат бойымен қозғалады, бұл құбылыс бойлық ағын деп аталады. Қанаттан көтерілу күші оның үстінен алдыңғы жағынан артқы жағына ағып өтетін ауа арқылы пайда болады. Бойлық ағын күшейгенде, қанат бетіндегі шекаралық қабаттар ұзаққа созылады, сондықтан олар қалыңдап, турбуленттікке немесе ағынның бөлінуіне бейім болады. Сонымен қатар, қанаттың тиімді қанаттық қатынасы төмендейді, нәтижесінде ауа қанат ұштарының бойымен «сыздап» өтеді, осылайша олардың тиімділігі төмендейді. Сыпырылған қанаттардағы бойлық ағын, кез келген жеке қанат сегментінің алдыңғы жиегіндегі тұрақтанған нүктені алдыңғы жиектің астына қарай жылжытады, бұл қанат сегменттерінің шабуыл бұрышын көршілес алдыңғы сегментке қатысты арттырады. Соның салдарынан, қанаттың артқы жағына жақын сегменттер жоғары шабуыл бұрыштарында жұмыс істейді, бұл олардың ерте тоқтауына себеп болады. Бұл артқы сыпырылған қанаттарда ұшталдыруға әкеледі, себебі ұштар ең артқа орналасқан, ал алдыңғы сыпырылған қанаттарда ұшталдыру кешігеді, себебі ұштар алға орналасқан. Екі жақты сыпырылған қанаттарда да, қанаттың артқы бөлігі бірінші болып тоқтайды, бұл ұшақтың мұрынын жоғары көтереді. Егер ұшқыш түзетпесе, ұшақ жоғары көтеріледі, бұл қанаттың одан әрі тоқтауына және одан да жоғары көтерілуіне әкеледі, бұл процестің өрбуына себеп болады. Бұл бақыланбайтын тұрақсыздық Солтүстік Американың F-100 Super Sabre ұшақтарының көптеген апаттарына байланысты «Сабыр биі» деп аталды. Бұл құбылысты қабылдау деңгейіне дейін азайту үшін әртүрлі шаралар қолданылды, мысалы, қанаттың жоғарғы бетіне ағынды бойлық бағытқа қайта бағыттау үшін қанатты қоршау деп аталатын қосымша элемент орнатылды. МиГ-15 – қанатты қоршаумен жабдықталған ұшақтың бір мысалы. Тағы бір ұқсас конструкция – Avro Arrow ұшағының алдыңғы жиегіне қосылған «ит тісі» ойығы. Кейбір жобалар радикалды тәсілдерге көшті, мысалы, Republic XF-91 Thunderceptor ұшағының қанаты ұшына қарай кеңейтілді, бұл ұшқыштарға көбірек көтерілу күшін қамтамасыз етті. Handley Page Victor ұшағы үш түрлі сыпырылу бұрышына ие жарты ай қанатпен жабдықталды: қанат тамырында, ең жуан жерінде – 48 градус, 38 градустық өту бөлігі және қалған бөлігінде – 27 градус. Қазіргі заманғы шешімдерге мұндай «арнайы» конструкциялар енді қажет емес. Қанатқа алдыңғы жиекке қосылған тақташалар мен үлкен құрама жапқыштардың орнатылуы бұл мәселені көптеп шешті. Ұрғыш конструкцияларында алдыңғы жиектерді кеңейту, әдетте жоғары маневрлеу деңгейін қамтамасыз ету үшін қолданылады, сонымен қатар қону кезінде көтерілу күшін қосуға және мәселені азайтуға көмектеседі. Мұрынды жоғары көтеруден басқа, сыпырылған қанат конструкциясында басқа да қиындықтар бар. Кез келген қанат ұзындығы үшін ұштан ұшқа дейінгі нақты арақашықтық сыпырылмаған қанатқа қарағанда қысқа болады. Төмен жылдамдықтағы соғу мен қанаттық қатынас арасында, яғни арақашықтық пен қанаттың ені арасында тығыз байланыс бар, сондықтан сыпырылған қанаттың төмен жылдамдықтарда соғу мүмкіндігі жоғары болады. Сонымен қатар, қанат фюзеляжға қосымша бұрылу күшін түсіреді, бұл қанаттың қорабының жүктемесін фюзеляжға беру кезінде ескерілуі керек. Бұл қанаттың фюзеляжға бекітілген бөлігінен артық орналасқан қанаттың көтерілу күшінің маңызды бөлігінен туындайды.
Тарату теориясы
Свип теориясы – қанаттың алдыңғы жиегі ауа ағынымен көлбеу бұрышта кездескенде қанат үстіндегі ауа ағынының мінез-құлқының авиациялық инженерлік сипаттамасы. Свип теориясының дамуы қазіргі заманғы реактивтік ұшақтардың көпшілігінде қолданылатын сыпырылған қанаттың дизайнына әкелді, себебі бұл конструкция трансоникалық және үстіркілді жылдамдықтарда тиімдірек жұмыс істейді. Оның жетілдірілген түрінде свип теориясы эксперименталды көлбеу қанат тұжырымдамасына әкелді. Адольф Буземан 1935 жылы Римде өткен Бесінші Вольта конференциясында сыпырылған қанат тұжырымдамасын ұсынды. Жалпы, свип теориясы 1930 және 1940 жылдары даму мен зерттеу нысаны болды, бірақ свип теориясының математикалық анықтамасы 1945 жылы NACA-ның Роберт Т. Джонсына тиесілі деп есептеледі. Свип теориясы басқа қанат көтергіш теорияларына негізделген. Көтергіш сызық теориясы тік қанаттың (алдыңғы жиегі ауа ағынына перпендикуляр болатын қанаттың) тудыратын көтергіш күшін сипаттайды. Вейсингер теориясы сыпырылған қанатқа көтергіш күштің таралуын сипаттайды, бірақ хорда бойынша қысым таралуын ескеру мүмкіндігі жоқ. Хорда бойынша таралуды сипаттайтын басқа да әдістер бар, бірақ олардың өзге де шектеулері бар. Джонстың свип теориясы сыпырылған қанаттың жұмысын қарапайым, жан-жақты талдауды ұсынады. Роберт Т. Джонс сыпырылған қанаттың қалай жұмыс істейтінін былай түсіндірді: «Қанатты біркелкі аэродинамикалық қимасы, хордасы және қалыңдығы бар цилиндр ретінде қарастырайық және оны ауа ағынына бұрышпен орналастырайық, яғни артқа қарай бұрылайық. Егер қанаттың жоғарғы бетіндегі ауаның жергілікті жылдамдығы дыбыс жылдамдығынан асып кетсе де, соққы толқыны пайда бола алмайды, өйткені ол артқа қарай бағытталған соққы болуы керек – қанаттың бұрышымен бірдей бұрыштағы соққы, яғни көлбеу соққы. Мұндай көлбеу соққыға перпендикуляр жылдамдық компоненті дыбыс жылдамдығынан асып кеткенше пайда бола алмайды». Қарапайым свип теориясының негізгі тұжырымдамасын көру үшін, ауа ағынына перпендикуляр бұрышта кездесетін, шексіз ұзындығы бар тік, сыпырылмаған қанатты қарастырайық. Нәтижедегі ауа қысымының таралуы қанаттың хордасының ұзындығына (алдыңғы жиектен артқы жиекке дейінгі арақашықтық) тең. Егер біз қанатты бүйірге қарай жылжыта бастасақ, қанаттың ауаға қатысты бүйірлік қозғалысы бұрынғы перпендикуляр ауа ағынына қосылады, нәтижесінде қанат үстінде алдыңғы жиегіне қарай бұрыштап ауа ағыны пайда болады. Бұл бұрыш ауа ағынының алдыңғы жиектен артқы жиекке дейінгі арақашықтығын ұлғайтады, демек ауа қысымы үлкен арақашықтыққа таралады (соның салдарынан бетіндегі кез келген нүктеде азаяды). Бұл жағдай жел арқылы ұшып бара жатқан сыпырылған қанаттың сезіміне сәйкес келеді. Сыпырылған қанат үстіндегі ауа ағыны қанатқа бұрыштамамен кездеседі. Бұл бұрышты екі векторға бөлуге болады: біреуі қанатқа перпендикуляр, екіншісі қанатқа параллель. Қанатқа параллель ағын оған әсер етпейді, ал перпендикуляр вектор нақты ауа ағынынан қысқа (яғни баяу) болғандықтан, ол қанатқа аз қысым түсіреді. Басқаша айтқанда, қанат ұшақтың нақты жылдамдығынан төмен жылдамдықпен және төмен қысыммен ауа ағынына ұшырайды. Жоғары жылдамдықты қанатты жобалау кезінде ескерілуі тиіс факторлардың бірі – сығымдалатындық, яғни қанаттың дыбыс жылдамдығына жақындаған және өткен кездегі әсері. Сығымдалатындықтың маңызды теріс әсерлері оны авиациялық инженерлер үшін маңызды мәселеге айналдырды. Свип теориясы трансоникалық және үстіркілді ұшақтардағы сығымдалатындықтың әсерін азайтуға көмектеседі, себебі қысым төмендейді. Бұл ұшақтың макс жылдамдығы қанаттың макс жылдамдығынан жоғары болуына мүмкіндік береді. Сонымен қатар, свип теориясының теріс жағы да бар. Қанаттың тудыратын көтергіш күші тікелей қанат үстіндегі ауа жылдамдығына байланысты. Сыпырылған қанаттың сезінетін ауа ағыны жылдамдығы ұшақтың нақты жылдамдығынан төмен болғандықтан, бұл ұшып-қону және қону сияқты баяу ұшу кезеңдерінде проблема тудырады. Бұл мәселені шешудің әртүрлі жолдары бар, соның ішінде Vought F 8 Crusader ұшағындағы өзгермелі қарқынды қанат дизайны және F 14, F 111 және Panavia Tornado сияқты ұшақтардағы айналмалы қанаттар.
"Assume a wing is a cylinder of uniform airfoil cross section, chord and thickness and is placed in an airstream at an angle of yaw – i. e., it is swept back. Now, even if the local speed of the air on the upper surface of the wing becomes supersonic, a shock wave cannot form there because it would have to be a sweptback shock – swept at the same angle as the wing – i. e., it would be an oblique shock. Such an oblique shock cannot form until the velocity component normal to it becomes supersonic." To visualize the basic concept of simple sweep theory, consider a straight, non swept wing of infinite length, which meets the airflow at a perpendicular angle. The resulting air pressure distribution is equivalent to the length of the wing's chord (the distance from the leading edge to the trailing edge). If we were to begin to slide the wing sideways (spanwise), the sideways motion of the wing relative to the air would be added to the previously perpendicular airflow, resulting in an airflow over the wing at an angle to the leading edge. This angle results in airflow traveling a greater distance from leading edge to trailing edge, and thus the air pressure is distributed over a greater distance (and consequently lessened at any particular point on the surface). This scenario is identical to the airflow experienced by a swept wing as it travels through the air. The airflow over a swept wing encounters the wing at an angle. That angle can be broken down into two vectors, one perpendicular to the wing, and one parallel to the wing. The flow parallel to the wing has no effect on it, and since the perpendicular vector is shorter (meaning slower) than the actual airflow, it consequently exerts less pressure on the wing. In other words, the wing experiences airflow that is slower and at lower pressures than the actual speed of the aircraft. One of the factors that must be taken into account when designing a high speed wing is compressibility, which is the effect that acts upon a wing as it approaches and passes through the speed of sound. The significant negative effects of compressibility made it a prime issue with aeronautical engineers. Sweep theory helps mitigate the effects of compressibility in transonic and supersonic aircraft because of the reduced pressures. This allows the mach number of an aircraft to be higher than that actually experienced by the wing. There is also a negative aspect to sweep theory. The lift produced by a wing is directly related to the speed of the air over the wing. Since the airflow speed experienced by a swept wing is lower than what the actual aircraft speed is, this becomes a problem during slow flight phases, such as takeoff and landing. There have been various ways of addressing the problem, including the variable incidence wing design on the Vought F 8 Crusader, and swing wings on aircraft such as the F 14, F 111, and the Panavia Tornado.
Дизайнның нұсқалары
"Күсілген қанаты" термині көбінесе "артқа қарай күсілген" мағынасында қолданылады, бірақ күсілудің басқа түрлеріне алға қарай күсілген, өзгермелі күсілген қанаттар және бір жағы алға, екінші жағы артқа күсілген көлбеу қанаттар жатады. Дельта қанаты да өз құрылымында осы артықшылықтарды қамтиды.
Алға қарай жүгіру
Қанатты алға қарай итеру, соғуды азайту тұрғысынан артқа қарай итерумен шамамен бірдей әсер етеді, бірақ төмен жылдамдықта басқару жағынан қосымша артықшылықтарға ие, онда қанат ұшының тоқтау проблемалары жоғалады. Бұл жағдайда төмен жылдамдықтағы ауа ағыны фюзеляжға қарай бағытталады, ол өте үлкен қанатты қоршау рөлінде әрекет етеді. Сонымен қатар, қанаттардың түбі әдетте кеңірек болады, бұл оларға төмен жылдамдықта жақсырақ көтерілуге мүмкіндік береді. Дегенмен, мұндай конструкцияда тұрақсыздық мәселелері де туындайды. Қанаттың ең артқы бөлігі бірінші болып тоқтап, ұшақтың алдын көтеріп, артқа қарай иілген қанат конструкциясына ұқсас, оны одан әрі тоқтатуға итермелейтін моментті тудырады. Осылайша, алға қарай иілген қанаттар дәстүрлі артқа қарай иілген қанаттың төмен жылдамдықтағы проблемаларына ұқсас тұрақсыздыққа бейім. Бірақ артқа қарай иілген қанаттардан айырмашылығы, алға қарай иілген конструкциядағы қанат ұштары соңғы болып тоқтайды, бұл рульдік басқаруды сақтап қалады. Алға қарай иілген қанаттар артқа қарай иілген қанаттармен салыстырғанда қауіпті иілу әсеріне ұшырауы мүмкін, егер қанат жеткілікті түрде қатты болмаса, бұл қанат ұшының тоқтауын болдырмау артықшылығын жояды. Артқа қарай иілген конструкцияларда, ұшақ жоғары жүктемемен маневр жасағанда, қанаттың жүктемесі мен геометриясы оны бұрап, «қанаттың шаюын» (ұштың алдыңғы жиегі төмен қарай бұрылуын) тудырады. Бұл ұштың шабуыл бұрышын азайтады, соның салдарынан қанатқа түсетін иілу моменті төмендейді және қанат ұшының тоқтауының алдын алуға көмектеседі. Алайда, алға қарай иілген қанаттардағы осы әсер «қанаттың жиналуын» тудырады, бұл шабуыл бұрышын арттырып, қанат ұшының тоқтауын ықпалдастырады. Шамалы иілу күрделі проблемалар тудырмайды және Junkers Ju 287 немесе HFB 320 Hansa Jet сияқты ұшақтарда, қанаттың тіреуін қолайлы жерге орналастыру үшін қолданылған. Дегенмен, жоғары жылдамдықты ұшақтарға, мысалы, истребительдерге қажетті үлкен иілу, осы тұрақсыздықтарды жоюға жеткілікті жылдамдықпен әрекет ете алатын сымды басқару жүйелерінің пайда болуына дейін мүмкін емес еді. Grumman X 29 – 1980 жылдары алға қарай иілген қанаттың маневрлік қабілетін арттыру мақсатымен жасалған тәжірибелік технологиялық демонстрациялық жоба. Sukhoi Su 47 Berkut – осы технологияны пайдаланып жоғары деңгейде икемділікке қол жеткізген тағы бір маңызды демонстрациялық ұшақ. Бүгінгі күнге дейін, күшті иілген алға қарай иілген конструкция ешқайсысы өндіріске енбеді.
Ерте тарих
Алғашқы ұшақтар негізгі конструкциясы бойынша тік бұрышты қанаттарға ие болды. Мұндай орналасу өзінен-өзі тұрақсыз болып келеді; ұшақтың салмақ таралымы тіпті сәл өзгерсе, қанаты бұрылып, алдыңғы жағы жоғары (салмақ артқа қарай жылғасынша) немесе төмен (алға қарай жылғасынша) жылжымақ болады, бұл бұрылыс көтергіш күшін өзгертіп, оны осы бағытта одан әрі жылжытады. Ұшақты тұрақтандыру үшін әдеттегі шешім – салмақты бір жағына қойып, екінші жағынан төмен бағытталған күшпен теңестіру. Бұл классикалық орналасуға алып келеді: алдында қозғалтқыш, ортасында қанат және ұзын тіреу құбырының соңында басқару беттері. Бұл жүйе ұзақ уақыттан бері тиімсіз екені белгілі. Басқару беттерінің төмен бағытталған күшін қанаттың көтергіш күшімен теңестіру қажет. Күшті тіреу құбырының ұзындығын арттыру арқылы азайтуға болады, бірақ бұл терінің үйкелісін және тіреу құбырының салмағын арттырады. Осы мәселе төмен бағытталған күштің қажеттілігін жоятын әртүрлі орналасулармен көптеген тәжірибелерге әкелді. Мұндай қанат геометриясының бірі Бірінші дүниежүзілік соғыстан бұрын пайда болды, бұл ерте қанатты конструкцияларға жол ашты. Бұл жағдайда қанат созылып орналасқан, сондықтан оның бөліктері ауырлық орталығының (АО) алдында және артында жатады, ал басқару беттері оның артында орналасқан. Нәтижесінде классикалық орналасуға ұқсас салмақ таралымы пайда болады, бірақ теңестіруші күш енді жеке бет емес, қанаттың бір бөлігі болып табылады, ол бәрібір болған болар еді. Бұл жеке құрылымды қажет етпейді, сондықтан ұшақтың соқтығу қарсылығы азаяды және бірдей деңгейдегі өнімділік үшін жалпы көтергіш күші кемітеді. Бұл конструкциялар соғыстар аралығында бірнеше қанатты планерлерді және кейбір қозғалтқышты ұшақтарды шабыттандырды. Тұрақтылыққа қол жеткізген алғашқы адам британдық конструктор Дж. В. Данн болды, ол ұшу кезінде тұрақтылыққа қол жеткізуге ұмтылды. Ол құйрығы жоқ ұшақтарында (маңыздысы, қанаттың ұшын төмендетуді қолданды) оң бойлық статикалық тұрақтылықты жасау үшін қанаттарын сәтті пайдаланды. Төмен жылдамдықты ұшақ үшін, ауырлық орталығымен байланысты мәселелерді шешу үшін, қанаттың тіреуін ыңғайлырақ жерге жылжыту үшін немесе ұшқыштың көру бұрышын жақсарту үшін қанаттарды бұруға болады. D.8 Корольдік Ұшу корпусына сатылды; сонымен қатар, ол Starling Burgess лицензиясы бойынша АҚШ Әскери-теңіз күштеріне және басқа да клиенттерге өндірілді. Даннның жұмысы 1914 жылы соғыс басталғанда тоқтатылды, бірақ кейін бұл идеяны Англиядағы Г. Т. Р. Хилл қолға алып, Даннның нұсқауларына сәйкес планерлер мен ұшақтардың сериясын, атап айтқанда Westland Hill Pterodactyl сериясын жобалады. Алайда, Даннның теориялары сол кездегі жетекші ұшақ конструкторлары мен авиациялық компаниялардың арасында кең танылмады.
Германиядағы оқиғалар
Жоғары жылдамдықтағы кедергіні азайту үшін қанаттарды пайдалану идеясы Германияда 1930 жылдары дамыды. 1935 жылы Италияда өткен Вольта конференциясында Адольф Буземанн қанаттары бұрылған (sweep) қанаттарды үстіркілі (supersonic) ұшу үшін қолдануды ұсынды. Ол қанат үстіндегі ауа жылдамдығына ағынның нормаль компонентінің, емес, еркін ағын жылдамдығының үстемдік ететінін атап өтті, сондықтан қанатты бұрышта орналастыру арқылы соққы толқындары пайда болатын алға жылдамдық жоғарылайды (осыны Макс Мунк 1924 жылы да атап өткен, бірақ жоғары жылдамдықты ұшу контекстінде емес). Альберт Бетц бірден осы эффект трансоникалық аймақта да тиімді болатынын айтты. Баяндамадан кейін, кездесудің жүргізушісі Артуро Крокко, әзілдеп, мәзірдің артқы жағына "Буземанның болашақ ұшағы" деген суретті салды. Крокконың эскизінде 1950 жылдардағы классикалық истребитель дизайны, бұрылған қанаттары мен құйрық бөліктері бейнеленген, сонымен қатар оны қуаттандыратын бұрылған (sweep) перне де салынған. Геттингендегі АВА-ның жоғары жылдамдықты аэродинамика бөлімінің қызметкері Хьюберт Людвиг 1939 жылы Буземанның теориясын зерттеу үшін алғашқы жел тоннеліндегі сынақтарды жүргізді. Focke Wulf Ta 183 тағы бір бұрылған қанатты истребитель дизайны болды, бірақ соғыс аяқталғанға дейін өндірілген жоқ. Соғыстан кейін Курт Танк Ta 183-ті IAe Pulqui II-ге айналдырды, бірақ ол сәтті болмады. Дизайнның артықшылықтары мен кемшіліктерін зерттеу және қандай бұрыш таңдау керектігін анықтау үшін Messerschmitt Me P.1101 прототипі жасалды. 80% дайын болғаннан кейін P.1101 АҚШ әскерімен басып алынып, АҚШ-қа жеткізілді, онда АҚШ-та жасалған қозғалтқыштармен жабдықталған екі данасы Bell X 5 ретінде зерттеулерді жалғастырды. Германияның соғыс кезіндегі бұрылған қанаттармен тәжірибесі және үстіркілі ұшуға берген жоғары мәні, сол кездегі одақтас сарапшылардың көзқарастарына қатысты келеді, олар адаммен басқарылатын көліктердің мұндай жылдамдыққа жете алмайтынына сенді.
Соғыстан кейінгі жетістіктер
Соғыстан кейінгі алғашқы кезеңде бірнеше елдер жоғары жылдамдықты ұшақтарды зерттеуге кірісті. Ұлыбританияда 1943 жылы Miles M.52 жобасы басталды – Frank Whittle’s Power Jets компаниясымен, Фарнбородағы Royal Aircraft Establishment (RAE) және Ұлттық физикалық зертханасымен бірлесіп жасалған, тік қанаты бар жоғары жылдамдықты тәжірибелік ұшақ. M.52 тік қанатымен ұшуға қабілетті деп есептелді, бұл оған әлемде дыбыс жылдамдығын алғашқы рет жеңіп беру мүмкіндігін берер еді. Кейіннен M.52 жобасын тоқтату британдықтардың үдемелі жылдамдықпен ұшу саласындағы прогресіне үлкен соққы болғаны анықталды. 1947 жылдың 14 қазанында капитан Чарльз "Чак" Йегер басқарған Bell X-1 ұшағы алғашқы пилоттық үдемелі ұшуды жасады, ол Boeing B-29 Superfortress бомбалық бөлімінен тасталды және Mach 1.06 рекордтық жылдамдыққа жетті. Осы технологияны зерттеу үшін 1944 жылы de Havilland DH 108 тәжірибелік ұшағы жасалды, жобаны инженер Джон Карвер Медоуз Фрост 8-10 сызбашы мен инженерден тұратын командамен басқарды. DH 108 негізінен de Havilland Vampire ұшағының алдыңғы фюзеляжымен, кеңейтілген қанатпен және кішкентай тік құйрықпен құралды; ол британдық кеңейтілген қанатты реактивті ұшақтардың біріншісі болды және ресми емес түрде "Swallow" деп аталды. Ұшақ алғаш рет 1946 жылдың 15 мамырында, жобаға рұқсат берілгеннен кейін сегіз ай өткен соң ұшты. Компанияның сынақ ұшқышы және ұшақтың авторы Джеффри де Гавиланд-младший үш ұшақтың біріншісін ұшырып, оны өте жылдам деп тапты – әлемдік жылдамдық рекордын орнатуға жететіндей. 1948 жылдың 12 сәуірінде D.H.108 973,65 км/сағ (605 миль/сағ) жылдамдықпен әлемдік жылдамдық рекордын орнатты, содан кейін ол дыбыс жылдамдығынан асып түскен алғашқы реактивті ұшақ атанды. Осы кезеңде Әуе министрлігі кеңейтілген және дельта қанаттардың әсерін зерттеу үшін тәжірибелік ұшақтар бағдарламасын енгізді. Сонымен қатар, Корольдік әуе күштері (RAF) Hawker Aircraft және Supermarine компанияларынан кеңейтілген қанаттары бар екі жобаланған истребитель ұшағын – Hawker Hunter және Supermarine Swift-ті анықтады және 1950 жылы "жобалау тақтасынан" тапсырыс беруге сәтті қол жеткізді. 1953 жылдың 7 қыркүйегінде Невилл Дьюк басқарған жалғыз Hunter Mk 3 (модификацияланған алғашқы прототип, WB 188) реактивті ұшақтардың әлемдік жылдамдық рекордын жаңартты, ол Литтлхэмптон, Батыс Сассекс үстінде 727,63 миль/сағ (1171,01 км/сағ) жылдамдыққа жетті. Бұл рекорд 1953 жылдың 25 қыркүйегінде Майкл Литгоу басқарған Supermarine Swift ұшағымен бұзылды. 1945 жылдың ақпанында NACA инженері Роберт Т. Джонс жоғары кеңейтілген дельта қанаттары мен V пішіндерін зерттеуге кірісті және Буземанның әсерін анықтады. Ол сәуір айында бұл тұжырымдама бойынша егжей-тегжейлі есеп дайындады, бірақ оның жұмысын NACA Лэнглидің басқа мүшелері, әсіресе Теодор Теодорсен қатты сынға алды, ол оны "алдау" деп атап, "нақты математика" талап етті. Айырықша жағдай, осы кезде Буземанның жұмысы бұрыннан таралған еді. 1945 жылдың мамырында америкалық "Кәдеге тігіс" операциясы Брауншвейгке жетті, онда америкалық мамандар жел туннельдерінен көптеген қанат үлгілерін және көптеген техникалық деректерді тапты. АҚШ командасының бір мүшесі Джордж С. Шаирр болды, ол сол кезде Боинг компаниясында жұмыс істеді. Ол дереу Боинг компаниясының Бен Конеге хат жолдады, онда кеңейтілген қанаттар тұжырымдамасының құндылығы туралы айтылды. Ол сондай-ақ Кохнға хатты басқа компанияларға таратуды тапсырды, бірақ тек Боинг және Солтүстік Америка оны дереу пайдаланды. Боинг B-47 Stratojet ұшағын жобалаумен айналысып жатқанда, бастапқы 424 модельінің дизайны B-45, B-46 және B-48 ұшақтарына ұқсас болды. Боинг инженері Вик Ганзердің талдаулары оңтайлы кеңейту бұрышының шамамен 35 градус екенін көрсетті. 1945 жылдың қыркүйегіне қарай Брауншвейг деректері жобаға енгізіліп, 448 модельі ретінде қайта пайда болды, ол 35 градусқа қарай кеңейтілген қанаттары бар алты қозғалтқыштан тұратын үлкен конструкция болды. Нәтижесінде пайда болған B-47 1940-шы жылдардың соңында әлемдегі өз класының ең жылдам ұшағы ретінде танылды және тік қанатты бәсекелестерді жеңді. Боингтің кеңейтілген қанаттары және пилонға орнатылған қозғалтқыштардан тұратын ұшқыштық көліктік формуласы қазіргі кезде кеңінен қолданылуда. Истребительдерде North American Aviation FJ 1 деп аталатын теңізде ұшуға арналған реактивті ұшақты әзірлеуде болды, кейін ол XP-86 деп аталып, АҚШ Әуе күштеріне тапсырылды. Неміс тілін білетін Ларри Грин Буземанның есептерін оқып, 1945 жылдың тамызынан бастап қайта жобалауға рұқсат беру үшін басшылықты көндірді. F-86A-ның өнімділігі оған бірнеше ресми әлемдік жылдамдық рекордтарының біріншісін орнатуға мүмкіндік берді, оған 15 қыркүйек 1948 жылы майор Ричард Л. Джонсон басшылық етті. МиГ-15 пайда болғаннан кейін F-86 ұшағы соғысқа жіберілді, ал Lockheed P-80 Shooting Star және Republic F-84 Thunderjet сияқты тік қанатты ұшақтар тез арада жердегі шабуыл миссияларына жіберілді. Кейбірлері, мысалы F-84 және Grumman F-9 Cougar, кейіннен тік қанатты ұшақтардан алынған қанаттарымен қайта жасалды. Кейінгі ұшақтар, мысалы North American F-100 Super Sabre, бастапқыда кеңейтілген қанаттарымен жобаланды, бірақ үдемелі жылдамдықпен ұшуды меңгеру үшін қосымша инновациялар, мысалы форсаж, аудандық ереже және жаңа басқару беттері қажет болды. Кеңейтілген қанат МиГ-15 истребителіне қолданылды, оның максималды жылдамдығы тік қанатты американдық ұшақтар мен поршенді қозғалтқыштармен жабдықталған истребительдерді басып өтті. МиГ-15 13 000-нан астам дана салынған ең көп өндірілген реактивті ұшақтардың бірі деп саналады. МиГ-15, қауіпсіз түрде Mach 0.92 жылдамдығын аспайтын, МиГ-17 негізінде жасалды, ол жоғары Mach сандарымен басқарылатын етіп жобаланды. Оның қанат кеңейтілуі, фюзеляжға жақын 45° (F-100 Super Sabre сияқты), қанаттың сыртқы бөлігі үшін 42°-ға дейін өзгерді. Дизайнның тағы бір түрі, МиГ-19 деп белгіленген, жоғары жылдамдыққа бейімделген салыстырмалы жұқа қанатқа ие болды, ол Советтік Орталық аэрогидродинамикалық институтында (TsAGI) жобаланды; 55 градус бұрышпен кеңейтілген бұл қанат әр жағында бір қанатты қоршауға ие болды. Арнайы жоғары биіктіктегі нұсқасы, МиГ-19SV, басқа өзгерістермен қатар, жоғары биіктікте көтерілу күшін арттыруға көмектесетін реттелетін жапқышты қамтыды. Германияның кеңейтілген қанаттарды зерттеуі 1945 жылдың соңында Швейцарияға қашқан экс-Messerschmitt инженерлерінің көмегімен шведтік ұшақ жасаушы SAAB компаниясының да назарына ілікті. Сол кезде SAAB әуе құрылысындағы жетістіктерге, әсіресе жаңа реактивті технологиялар саласында мұқтаж екенін түсінді. Компания реактивті қозғалтқыш пен кеңейтілген қанатты біріктіріп, Saab 29 Tunnan истребителін жасады; 1948 жылдың 1 қыркүйегінде ағылшын сынақ ұшқышы S/L Роберт А. 'Боб' Мур, DFC және тағы басқасы басқарған алғашқы прототип алғашқы ұшуын жасады. Швециядан тыс жерде жақсы танылмаған Tunnan Батыс Еуропада мұндай қанат конфигурациясымен ұшқышқа енгізілген алғашқы истребитель болды. Параллельді түрде SAAB басқа кеңейтілген қанатты ұшақты, Saab 32 Lansen-ді де жасады, ол негізінен Швецияның стандартты шабуыл ұшағы ретінде қызмет етуге арналған. Оның 10% ламинарлық профилі және 35° кеңейтілуі бар қанаты, ұшақ жоғары шағылыс бұрышымен ұшқанда ағынның жақсаруын қамтамасыз ету үшін қанат тамырларының жанында үшбұрышты қоршауларды қамтыды. Hawker Hunter, B-47 және F-86 сияқты ұшақтардың табысы Германиядан алынған кеңейтілген қанаттарды зерттеудің құндылығын көрсетті. Ақырында, жоғары жылдамдықты ұшақтарды жобалаудың барлық жетілдірілген күш-жігері кеңейтілген немесе дельта қанат пішінімен қанаттың алдыңғы жиегі кеңейтілген қанатты қамтитын болады. 1950-ші жылдарда жобаланған Boeing B-52 қазірге дейін субдыбыстық ұзақ қашықтықтағы ауыр бомбалаушы ретінде қызмет етуде. Советтер ешқашан...
Germany's swept wing research was also obtained by the Swedish aircraft manufacturer SAAB, with the help of ex Messerschmitt engineers that had fled to Switzerland during late 1945. At the time, SAAB saw the need to make aeronautical advances, particularly in the new field of jet propulsion. The company incorporated both the jet engine and the swept wing to produce the Saab 29 Tunnan fighter; on 1 September 1948, the first prototype conducted its maiden flight, flown by the English test pilot S/L Robert A. 'Bob' Moore, DFC and bar, Although not well known outside Sweden, the Tunnan was the first Western European fighter to be introduced with such a wing configuration. In parallel, SAAB also developed another swept wing aircraft, the Saab 32 Lansen, primarily to serve as Sweden's standard attack aircraft. Its wing, which had a 10 per cent laminar profile and a 35° sweep, featured triangular fences near the wing roots in order to improve airflow when the aircraft was being flown at a high angle of attack. The successes of aircraft such as the Hawker Hunter, the B 47, and F 86 showed the value of the swept wing research acquired from Germany. Eventually, almost all advanced design efforts for high speed aircraft would incorporate a wing with a swept leading edge, with either a swept wing or delta wing planform. The Boeing B 52, designed in the 1950s, continues in service as a subsonic long range heavy bomber. While the Soviets never matched the performance of the Boeing B 52 Stratofortress with a jet aircraft, the intercontinental range Tupolev Tu 95 turboprop bomber with its near jet class top speed of 920 km/h, combining swept wings with propeller propulsion, also remains in service today, being the fastest propeller powered production aircraft. In Britain, two swept wing bombers entered service, the Vickers Valiant (1955) and the Handley Page Victor (1958). By the early 1950s, nearly every new fighter had a swept wing. By the 1960s, most civilian jets also adopted swept wings. Most early transonic and supersonic designs such as the MiG 19 and F 100 used long, highly swept wings. Swept wings would reach Mach 2 on the BAC Lightning, and Republic F 105 Thunderchief, built to operate at low level and very high speed primarily for nuclear strike, but with a secondary air to air capability. By the late 1960s, the McDonnell F 4 Phantom II, was used in large numbers by air forces influenced by the United States. Variable geometry wings were employed on the American F 111, Grumman F 14 Tomcat and Soviet Mikoyan MiG 27, although the idea would be abandoned for the American SST design. After the 1970s, most newer generation fighters optimized for maneuvering air combat since the USAF F 15 and Soviet Mikoyan MiG 29 have employed relatively short span fixed wings with relatively large wing area.