Введение
Конфигурация крыла самолета
Крыло со стреловидностью по передней кромке, или крыло с обратной стреловидностью, – это конфигурация крыла самолета, в которой линия четверти хорды крыла имеет стреловидность по передней кромке. Как правило, передняя кромка также имеет стреловидность по передней кромке.
Характеристики
Конфигурация со стреловидностью по передней кромке обладает рядом характеристик, которые усиливаются с увеличением угла стреловидности.
Главное место расположения шпаров
Размещение основной лонжерона крыла в хвостовой части позволило бы более эффективно организовать внутреннее пространство и увеличить полезную площадь.
Внутрипоточный поток
Воздух, обтекающий крыло любой стреловидности, имеет тенденцию перемещаться вдоль размаха к задней кромке крыла. На крыле с обратной стреловидностью это движение направлено от корня к концу, а на крыле с прямой стреловидностью – от конца к корню. В результате опасное сваливание на конце крыла, характерное для крыла с обратной стреловидностью, превращается в более безопасное и управляемое сваливание у корня на крыле с прямой стреловидностью. Это обеспечивает полный контроль элеронами даже при потере подъёмной силы, а также исключает необходимость в предкрылках или других устройствах для снижения сопротивления. На трансонических скоростях ударные волны сначала формируются у корня крыла, а не на его конце, что также способствует эффективному управлению элеронами. Благодаря потоку воздуха, направленному внутрь, уменьшаются концевые вихри и связанное с ними сопротивление. Вместо этого фюзеляж выполняет функцию большого концевого экрана, и поскольку крыло обычно шире у корня, это повышает максимальный коэффициент подъёмной силы, позволяя использовать крыло меньшей площади. В результате улучшается маневренность, особенно на больших углах атаки.
Нестабильность привязки
Одна из проблем крыла со стреловидностью по потоку заключается в том, что при рыскании (вращении вокруг вертикальной оси) одно крыло отступает назад, а другое – выдвигается вперед. В конструкции со стреловидностью по потоку это уменьшает угол стреловидности заднего крыла, увеличивая его сопротивление и смещая его еще дальше назад, что усиливает рыскание и приводит к направленному неустойчивости. Это может спровоцировать обратный "голландский крен".
Аэроэластичность
Одним из недостатков крыла со стреловидностью по потоку является повышенная вероятность флаттера, аэроэластическое следствие подъемной силы, вызывающее скручивание законцовки крыла вверх при увеличении подъемной силы. В конструкции со стреловидностью по потоку это приводит к положительной обратной связи, которая увеличивает угол атаки на законцовке, повышая подъемную силу и вызывая дальнейшее отклонение, что, в свою очередь, приводит к еще большему увеличению подъемной силы и дополнительным изменениям формы крыла. Интенсивность флаттера возрастает с увеличением скорости. Максимальная безопасная скорость, при которой флаттер не возникает, называется критической скоростью флаттера самолета. Такое увеличение подъемной силы на законцовке под нагрузкой приводит к тому, что крыло стремится к более крутым виражам и может спровоцировать штопор, из которого невозможно выйти. В худшем случае, конструкция крыла может быть нагружена до предела прочности. При больших углах стреловидности и высоких скоростях для создания достаточно жесткой, но при этом легкой конструкции, необходимо использовать передовые материалы, такие как композиты на основе углеродного волокна. Композиты также позволяют проводить аэроэластическое формоизменение, ориентируя волокна таким образом, чтобы влиять на характер деформации, придавая ей более благоприятную форму и улучшая характеристики сваливания и другие параметры.
Характеристики отсека
Любое крыло со стреловидностью имеет тенденцию к неустойчивости при сваливании, поскольку концы крыла сваливаются первыми, создавая момент тангажа, усугубляющий сваливание и затрудняющий восстановление. Этот эффект менее выражен при стреловидности по размаху, поскольку задняя кромка создает большую подъемную силу и обеспечивает стабильность. Однако, если аэроэластичный изгиб достаточен, он может нивелировать эту тенденцию, увеличивая угол атаки на концах крыла до такой степени, что концы сваливаются первыми, и одна из основных характеристик конструкции теряется – на обычном крыле концы всегда сваливаются первыми. Такое сваливание концов может быть непредсказуемым, особенно если сваливание происходит на одном конце раньше, чем на другом. Композиционные материалы позволяют проводить аэроэластическое формоизменение, так что при приближении крыла к сваливанию оно скручивается при изгибе, уменьшая угол атаки на концах. Это обеспечивает сваливание у корневой части крыла, делая его более предсказуемым и позволяя элеронам сохранять полный контроль.
Довоенные исследования
Беляев, автор упомянутого ниже проекта DB LK, испытал планеры со стреловидностью крыла по передней кромке BP 2 и BP 3 в 1934 и 1935 годах. Другие довоенные конструкторские разработки включали польские PWS Z 17, Z 18 и серию Z 47 "Sęp".
Вторая мировая война и ее последствия
Конструкции крыльев со стреловидностью в переднюю сторону, некоторые из которых проектировались еще в довоенный период, разрабатывались во время Второй мировой войны независимо в Германии, Советском Союзе, Японии и Соединенных Штатах. Первым летающим образцом в 1940 году стал советский Бelyaev DB LK – самолет с двумя килями и крыльями, имеющими стреловидность в переднюю сторону на внешних участках и в заднюю – на законцовках. Сообщалось, что он хорошо летал. Предложенный Бelyaev исследовательский самолет "Бабочка" был отменен после вторжения Германии. На протяжении Второй мировой войны многие истребители, бомбардировщики и другие военные самолеты можно было описать как имеющие крылья со стреловидностью в переднюю сторону, поскольку средняя хорда их крыльев была направлена вперед. Однако в этих конструкциях почти всегда использовалась стреловидность передней кромки в заднюю сторону, что технически делало их трапециевидными крыльями с большим удлинением. Американский Cornelius Mallard совершил первый полет 18 августа 1943 года. Mallard оснащался одним двигателем, за ним последовали прототипы Cornelius XFG 1 – беспилотные летающие топливные баки, предназначенные для буксировки более крупными самолетами. Эти конструкции Cornelius были необычны тем, что имели не только стреловидность в переднюю сторону, но и были бесхвостыми. Тем временем в Германии Ханс Вокке изучал проблемы, связанные со стреловидностью крыльев на околозвуковых скоростях, достижимых с помощью новых реактивных двигателей. Он признал многие преимущества стреловидности в переднюю сторону по сравнению с разрабатываемыми в то время конструкциями со стреловидностью в заднюю, а также понимал последствия аэроэластического изгиба и рыскающей неустойчивости. Его первым летающим образцом стал Junkers Ju 287, 16 августа 1944 года. Летные испытания этого и последующих модификаций подтвердили преимущества на малых скоростях, но вскоре выявили ожидаемые проблемы, препятствовавшие испытаниям на высоких скоростях. Вокке и незавершенный прототип Ju 287 V3 были захвачены и в 1946 году доставлены в Москву, где самолет был достроен и испытан в следующем году под обозначением ОКБ-1 EF 131. Позднее ОКБ-1 EF 140 представлял собой по сути тот же самолет, переоборудованный с парой советских реактивных двигателей конструкции Микулина с большей тягой. В 1948 году в Советском Союзе был создан Цыбин ЛЛ-3. Прототип впоследствии оказал значительное влияние на Sukhoi SYB A, который был завершен в 1982 году. Когда немецкие исследования достигли Соединенных Штатов после войны, было предложено несколько проектов, включая сверхзвуковой бомбардировщик Convair XB-53 и варианты North American P-51 Mustang, ракетный самолет Bell X-1 и Douglas D-558 I. Предложение Bell дошло до стадии испытаний в аэродинамической трубе, где были подтверждены проблемы аэроэластичности. Структурные проблемы, выявленные в ходе испытаний серии Ju 287 и исследований Bell X-1, оказались настолько серьезными, что доступные в то время материалы не позволяли создать достаточно прочное и жесткое крыло, не делая его при этом слишком тяжелым для практического применения. В результате от стреловидности в переднюю сторону для высокоскоростных конструкций отказались до появления новых конструкционных материалов спустя много лет.
Общая авиация после Второй мировой войны
Небольшие углы стреловидности не вызывают серьезных проблем, и даже умеренная стреловидность вперед позволяет значительно сместить точку крепления основной лонжерона и несущую конструкцию назад. В 1954 году Вокке вернулся в Германскую Демократическую Республику, а вскоре после этого переехал в Западную Германию и стал главным конструктором в Hamburger Flugzeugbau (HFB). Saab Safari, Bölkow Junior и ARV Super2 имеют высокорасположенные крылья для улучшения видимости, что требует использования крыла со стреловидностью вперед, чтобы корень крыла можно было расположить за головами пилотов и не загораживал обзор в стороны. Scaled Composites Boomerang – прототип двухдвигательного самолета с поршневыми двигателями, обеспечивающего безопасное управление при отказе одного из двигателей. SZD 9 Bocian и PZL Bielsko SZD 50 Puchacz – многоцелевые двухместные планеры, спроектированные и построенные в Польше.
Быстрый реактивный самолет
Большие углы стреловидности, необходимые для высокоскоростного полета, оставались непрактичными на протяжении многих лет. В конце 1970-х годов DARPA начала исследовать использование новых композитных материалов для решения проблемы снижения скорости флаттера посредством аэроэластической оптимизации. Технология электродистанционного управления (fly by wire) позволила создать динамически неустойчивую конструкцию и повысить маневренность. Компания Grumman построила два технологических демонстратора X-29, совершивших первый полет в 1984 году, с крылом обратной стреловидности и предкрылками. Обладая высокой маневренностью на больших углах атаки, X-29 оставался управляемым при угле атаки 67°. Достижения в технологии отклонения вектора тяги и изменение тактики воздушного боя в сторону применения ракет средней дальности снизили актуальность высокоманевренных истребителей. В 1997 году на Парижском авиасалоне компания "Сухой" представила прототип истребителя Су-47. Он не был запущен в серийное производство, хотя прошел серию летных испытаний и демонстрировался на нескольких авиашоу. КБ САТ СР-10 – прототип российского однодвигательного реактивного учебно-тренировочного самолета, оснащенного крылом обратной стреловидности. Совершил первый полет в 2015 году.
В биологии
Крупноголовые птерозавры имели крылья с передним углом наклона для лучшего баланса в полете.