Введение

Тандемное крыло – это схема расположения крыльев, при которой летательный аппарат или животное имеет два или более набора крыльев, расположенных друг за другом. Все крылья участвуют в создании подъемной силы. Тандемное крыло отличается от биплана, в котором крылья расположены одно над другим, а также от схемы "утка" или "хвостовое оперение спереди", где передняя поверхность значительно меньше и не обеспечивает существенного вклада в общую подъемную силу. В авиации с тандемными крыльями давно проводятся эксперименты, однако лишь немногие конструкции были запущены в серийное производство. В природе тандемные крылья встречаются только у насекомых и летучих рыб, хотя в прошлом существовали летающие рептилии с тандемными крыльями.

Принципы проектирования

Конфигурация тандемного крыла имеет две основные плоскости крыла, одна из которых расположена впереди, а другая – сзади. Расстояние между ними больше, чем хорда крыла, поэтому между ними есть заметный зазор, а центр тяжести самолета (ЦТ) находится между крыльями. По сравнению с обычной схемой, где хвостовое оперение оказывает незначительное или вообще не оказывает вертикальную силу в крейсерском полете, оба крыла тандемной схемы существенно вносят вклад в создание подъемной силы. Базовая тандемная конфигурация использует крылья одинакового размера, расположенные на одной линии. Примеры успешно летали, например, планер Peyret 1922 года. Однако заднее крыло обычно размещают либо выше, либо ниже переднего крыла, чтобы избежать попадания в его турбулентный след. Одно из крыльев часто делают немного меньше другого, в зависимости от особенностей конструкции. Фактически, нет четких границ между обычной и тандемной, или тандемной и конфигурацией «канардом». Расположение переднего крыла высоко, а заднего – низко, иногда рассматривается как крайний случай разнесенного биплана и называется бипланом Ненандовича. Интерференция между двумя крыльями может сделать тандемную схему менее эффективной в крейсерском полете, чем эквивалентная обычная схема, однако такие примеры, как Scaled Composites Proteus, демонстрируют исключительную эффективность. Тандемная схема создает эффект «щели», при котором переднее крыло отклоняет воздух вниз на заднее крыло, уменьшая угол атаки (AoA) заднего крыла. При большом угле атаки самолета это приводит к сваливанию переднего крыла первым, что обеспечивает более безопасный полет на малых скоростях, чем при эквивалентной обычной схеме. Она также обеспечивает хорошие характеристики STOL. Соединенное крыло также является примером замкнутого крыла. Ligeti Stratos – редкий пример летающего аппарата такого типа.

Конструкция здания

В обычной схеме плечо момента внешней секции подъемной силы велико, что создает напряжение в корневой секции. Однако в тандемной схеме каждое крыло меньше, а внешней нагрузки нет. Это позволяет сделать конструкцию крыла в целом легче. В обычной конструкции фюзеляж поддерживается только в одной точке, при этом носовая и хвостовая части фюзеляжа выступают за ее пределы консольно. Это создает значительные изгибающие напряжения. Тандемное крыло поддерживает тот же фюзеляж в двух точках, уменьшая изгибающие напряжения. Однако крутильные напряжения в центральной секции между крыльями возрастают. Многие пионеры уже давно успешно строили планеры. В 1905 году Джон Дж. Монтгомери совершил полет на тандемном моноплане-планере, подтвердив, что аэродинамический принцип верен. Два года спустя последовал полет с двигателем. В 1906 году Луи Блерио построил свой третий самолет с тандемными эллиптическими закрытыми крыльями, а затем модифицировал его в тип IV, преобразовав переднее крыло в обычный биплан. Но только в следующем году его тип VI, колесный тандемный моноплан, в целом похожий на конфигурацию "Аэродрома" Лэнгли, стал первым самолетом с тандемным крылом, совершившим полет. В период с 1907 по 1911 год аэродинамические исследования Густава Эйфеля показали, что тандемная схема по своей сути менее аэродинамически эффективна, чем более традиционная. Параллельно с работой Эйфеля Стефан Дризевицкий разработал и испытал в аэродинамической трубе по своей сути стабильную конструкцию тандемного крыла. Затем он построил и успешно испытал полноразмерный образец в конце 1912 года. Тандемный "Лисандер" был завершен только в 1941 году, когда Пенроуз начал испытательные полеты. Хотя он работал безупречно – он писал, что "это был военный прототип, не требующий никаких изменений", – его не запустили в производство. Джордж Майлз увидел тандемный "Лисандер" на авиабазе RAF Boscombe Down и осознал его потенциал как военно-морского истребителя с коротким размахом крыльев и коротким взлетом. Последующий испытательный самолет Miles M.35 Libellula отличался от конструкции Деланна тем, что имел крылья примерно одинакового размаха, но с задним крылом, имевшим большую хорду и стреловидность. Хотя проект был отклонен, он летал достаточно хорошо, чтобы стимулировать разработку более крупного M.39B, уменьшенной копии испытательного самолета для предлагаемого высокоскоростного бомбардировщика M.39, соответствующего спецификации B.11/41. В этот раз переднее крыло было меньше и установлено снизу, а стреловидное заднее крыло – сверху, с двумя гондолами двигателей, подвешенными внизу. В 1943 году он показал хорошие результаты, но впоследствии от требования к бомбардировщику отказались.

Инсекты

Несколько отрядов летающих насекомых используют крылья тандемного типа, каждый из которых обладает своей характерной анатомией и режимами полета. К насекомым, использующим тандемное взмахивание крыльями, относятся Odonata (стрекозы и подёнки), Lepidoptera (бабочки и мотыльки) и некоторые Thysanoptera или Thrips. Виды Odonata обычно имеют длинные, узкие крылья и могут синхронизировать взмахи передних и задних пар в различных режимах, что позволяет им быть одновременно быстрыми и высокоманевренными. В отличие от них, Lepidoptera обладают более широкими крыльями, которые взмахивают синхронно и могут даже перекрываться в полете, что лучше подходит для продолжительного полета. Трипсы – это более мелкие насекомые, а летающие виды имеют относительно жесткие крылья. Благодаря своим небольшим размерам, они создают подъемную силу посредством взмахов с захлопыванием и отбросом (clap and fling), а не за счет образования переднекраевого вихря, характерного для большинства насекомых. У многих летающих жуков, таких как божьи коровки, есть жесткие надкрылья, которые раскрываются в полете, но не участвуют в активном взмахивании. На земле они защищают нежные основные, задние крылья, а в воздухе могут использоваться для изменения аэродинамики взмахивающего основного крыла.

Летающая рыба

У летающих рыб увеличены грудные плавники, и они способны к планирующему полёту, но не к настоящему машущему полёту. У некоторых видов, например, полосатокрыла, также достаточно увеличены тазовые плавники, расположенные дальше по телу, что позволяет им формировать тандемную схему.

Динозавры

Микрораптор был родом двукрылых динозавров, возможно, состоящим всего из одного вида. Он известен исключительно по ископаемым останкам, найденным главным образом в Китае. И передние, и задние конечности были покрыты маховыми перьями, и считается, что он был способен к настоящему машущему полёту, а также к планированию. Способ его полёта остаётся неизвестным.