Двухбалочная схема самолета: конструкция и применение.

Введение

Конфигурация самолета, использующая два продольных лонжерона для крепления вспомогательного оборудования.

Самолет с двумя лонжеронами имеет два продольных вспомогательных лонжерона. Они могут содержать вспомогательное оборудование, такое как топливные баки, и/или служить несущей конструкцией для других элементов. Как правило, хвостовые лонжероны поддерживают хвостовое оперение, хотя в некоторых конструкциях, например, Rutan Model 72 Grizzly, лонжероны проходят вперед от крыла. Конфигурация с двумя лонжеронами отличается от конструкций с двумя фюзеляжами тем, что сохраняет центральный фюзеляж.

Дизайн

Конфигурация с двумя балками отличается от схемы с двумя фюзеляжами тем, что имеет отдельный, короткий фюзеляж для размещения пилота и полезной нагрузки. Она была применена для решения различных проблем, возникающих при проектировании традиционного хвостового оперения для самолетов различного назначения.

Монтаж двигателя

Для однодвигательной конструкции с винтом в толкающей конфигурации или реактивным двигателем, традиционный хвостовой обтекатель требует значительного удаления винта или сопла выхлопа в кормовую часть, что влечет за собой необходимость в очень длинной трансмиссии или выхлопной трубе и, как следствие, снижает эффективность тяги. Конструкция с двумя балками позволяет значительно более короткую и эффективную установку. Saab 21 первоначально строился как самолет с толкающим винтом, а затем был адаптирован к реактивной силовой установке как 21R. В таких конструкциях хвостовое оперение (горизонтальный стабилизатор) обычно устанавливается высоко на двухкилевом хвостовом оперении, чтобы обеспечить его расположение вне зоны струи двигателя. Суборбитальные космические самолеты Scaled Composites SpaceShipOne и SpaceShipTwo использовали конструкцию с двумя балками и хвостовыми оперениями, расположенными на концах балок, или наружными горизонтальными стабилизаторами (OHS), чтобы обеспечить свободный проход воздушного потока вокруг более широкой струи выхлопных газов ракетного двигателя. Двухбалочная конструкция также применяется в двухдвигательных самолетах, где силовая установка включает в себя громоздкое дополнительное оборудование, такое как турбокомпрессоры и теплообменники, занимающие значительный объем. Примером является Lockheed P-38 Lightning.

Поле зрения

Для обеспечения беспрепятственного обзора задней наблюдательной или стрелковой позиции, размещение её в задней части традиционного хвостового оперения отодвигает её слишком далеко назад, что приводит к проблемам с центром тяжести и балансировкой самолета. Отказ от традиционного хвостового оперения позволяет расположить заднюю позицию ближе к центру, решая проблему баланса. Примером является Focke Wulf Fw 189. Однако, даже конструкция из двух балок и связанной хвостовой плоскости всё ещё в некоторой степени ограничивает поле зрения, а орудия в этом положении особенно затруднены в боковом обстреле.

Доступ к транспорту

Для погрузки и разгрузки крупногабаритных грузов, таких как транспортные средства и контейнеры, необходимы большие грузовые двери. В традиционных конструкциях эти двери должны располагаться в носовой или боковой части фюзеляжа, что требует существенного усиления основной конструкции. Боковые двери ограничивают длину груза шириной дверного проема, а доступ может быть затруднен двигателями или шасси. Конструкция с двумя килями позволяет разместить большую дверь в хвостовой части фюзеляжа, не заблокированную хвостовым оперением, как, например, на Armstrong Whitworth AW.660 Argosy. Однако доступ к задней двери остается ограниченным, особенно для грузовиков при въезде задним ходом, и часто предпочтительнее традиционная высокорасположенная хвостовая часть фюзеляжа.

Эффективность

Двойные кили обычно создают большее сопротивление, чем традиционная схема. Они также, как правило, менее глубокие, чем фюзеляж, и, следовательно, обладают меньшей жесткостью, что требует дополнительного усиления для поддержания стабильного положения хвостовой части по углу атаки. С другой стороны, удается избежать концевых вихрей на хвостовом оперении, и оно поддерживается с обоих концов, что позволяет сделать его меньше и легче. Кроме того, распределение нагрузки по размаху крыла может снизить структурные нагрузки между килями и, следовательно, общую массу. Некоторые современные высокоэффективные конструкции используют двойные кили для распределения нагрузки по размаху крыла и/или повышения жесткости всей конструкции. Самолет Rutan Voyager, способный совершать беспосадочный облет вокруг света, представлял собой самолет с передним горизонтальным оперением и тянущим винтом, в котором двойные кили простирались вперед для усиления переднего горизонтального оперения, а также назад для поддержки двух вертикальных стабилизаторов. Более поздний Virgin Atlantic GlobalFlyer был оснащен реактивными двигателями, но сохранил аналогичную дальность полета, с большими двойными килями для размещения реактивного топлива в легкой конструкции с нагрузкой по размаху крыла, но с небольшим традиционным хвостовым оперением на каждом киле.

История

Конструкции с двумя килями (бумами) восходят к решетчатым килям, использовавшимся на многих ранних самолетах-ящиках. Осознавая огромное сопротивление, которое они создавали, в годы Первой мировой войны были разработаны более компактные конструкции, обшитые тканью. Яркими примерами служат самолеты серии Caproni с тремя двигателями. Примерно в то же время появились первые деревянные фюзеляжи монокок, и вскоре эта техника стала применяться для создания конструкций с двумя килями. Вероятно, первым таким самолетом был довоенный Nieuport с толкающим винтом, использовавший бумагу, пропитанную бакелитом, однако наиболее успешными были AGO C. I и C. II, которые использовали более традиционный деревянный корпус, собранный из полос дерева, склеенных на оправке. С развитием алюминиевых монококов с несущей обшивкой в конце Первой мировой войны та же техника была распространена на конструкции с двумя килями, начиная с 1920-х годов. В большинстве ранних конструкций два киля использовались для обеспечения свободного пространства для хвостового винта, однако даже в годы Первой мировой войны некоторые крупные самолеты использовали их, чтобы предоставить стрелку возможность обстреливать нижнюю часть хвостового оперения, не смещая центр тяжести к крайнему концу самолета, что создавало проблемы с балансировкой и управлением. Лишь во время Второй мировой войны, с ростом распространенности воздушной перевозки крупногабаритных грузов и техники, была осознана полезность задней двери, расположенной в линии с кабиной для облегчения погрузки, а также полезность перемещения хвостовой части фюзеляжа по сторонам, чтобы избежать чрезмерной высоты в задней части фюзеляжа, как, например, на планере Gotha Go 242. С началом эры реактивной авиации необходимость в пространстве для винта уступила место необходимости обеспечить свободный выход для горячих выхлопных газов. Эффективность реактивных двигателей снижалась из-за длинных впускных и выхлопных каналов, использовавшихся во многих ранних конструкциях, и одним из решений было использование двух килей для сокращения длины выхлопных каналов до минимума, как это сделала de Havilland на своих успешных реактивных истребителях Vampire и Venom. Несколько конструкций использовали два киля по другим причинам, наиболее заметным примером является Lockheed P-38 Lightning, кили которого вмещали чрезмерно длинные турбокомпрессоры двигателей, что потребовало бы необычно длинных мотогондол. Последним применением двух килей стало соединение крыльев с очень большим удлинением и предкрылков, как на Rutan Voyager, для уменьшения изгиба и веса, необходимого для его ограничения. Кроме того, размещение большей части топлива в средней части размаха крыла значительно снижает нагрузки на крылья, примерно так же, как установка двигателей в средней части размаха крыла на большинстве реактивных транспортных самолетов. Несмотря на эти ожидаемые преимущества, конструкции с двумя килями остаются необычными. В большинстве случаев кили менее эффективны с точки зрения обеспечения продольной жесткости и создают большее сопротивление. В случае использования двух килей для улучшения обзора вниз, это значительно ухудшает обзор вбок и часто прямо назад. Для транспортных самолетов кили могут облегчить доступ к фюзеляжу, но грузовикам необходимо быть предельно осторожными, чтобы не задеть части самолета, к которым они приближаются. В результате C-119 остался аномалией, и большинство успешных послевоенных транспортных самолетов, таких как C-130 Hercules, вернулись к конструкции с одним хвостовым отсеком фюзеляжа.

Twin boom designs can trace their history back to the lattices of booms used on many early boxkite aircraft. With the recognition of the tremendous drag these imposed, more compact structures covered in fabric were developed during the World War I. Prime examples include the Caproni series of trimotor bombers. Around the same time, the first wooden monocoque fuselages appeared, and it wasn't long before this technique was applied to provide twin booms. Possibly the first of these was the pre war Nieuport pusher, which used paper impregnated with Bakelite however the most successful were the AGO C. I and C. II which used a more conventional wooden shell, built up from strips of wood glued over a form. With the development of aluminium stressed skin monocoques later in World War I, the same technique was extended to twin boom designs, beginning in the 1920s. Most of the early designs used twin booms to clear a rear mounted propeller, however even in World War I, several larger aircraft used them to provide a gunner with the ability to cover the underside of the tail without having to have the weight at the very extreme end of the aircraft where it posed balance and control problems. Only in World War II, with the increasing prevalence of transporting bulky items and vehicles by air was the utility of a rear door, in line with the cabin to ease loading realized, and with it, the utility of moving the rear fuselage structure to the sides to avoid excessive height in the rear fuselage as on the Gotha Go 242 glider. With the beginning of the jet age, the need for clearance for the propeller was replaced with the need to provide a clear path for hot exhaust gases. Jet engine efficiency was hampered by long intake and exhaust trunks, as were used on many early designs, and one solution was to use twin booms to shorten the exhaust trunking to the minimum, such as de Havilland used on their successful Vampire and Venom jet fighters. A small number of designs used twin booms for other reasons, most notable being the Lockheed P 38 Lightning, whose booms contained the overly lengthy engine turbo superchargers, which would have made for an unusually long nacelle. The final use for a twin boom to be developed was in tying together very high aspect ratio wings and canards as on the Rutan Voyager, to reduce flexing, and the weight needed to otherwise constrain it. Also, by having the mass from most of the fuel mid span, it reduces the forces on the wings considerably, much in the same manner mounting the engines mid span on most jet transports does. Despite these anticipated benefits, twin booms remain unusual. For most cases, the booms are less efficient structurally in providing pitch stiffness, and produce more drag. In the case of those using twin booms to improve the field of fire downwards, it severely reduces it laterally, and often directly astern. For transports, the booms may facilitate access to the fuselage, but trucks then have to be extremely careful to not hit parts of the aircraft that they are then getting closer to. As a result, the C 119 remained an anomaly, and most successful post war transports, such as the C 130 Hercules, reverted to a single rear fuselage.