Введение
Летающее крыло – это самолет с фиксированным крылом, не имеющий хвостового оперения и четко выраженного фюзеляжа, с экипажем, полезной нагрузкой, топливом и оборудованием, размещенными внутри основной конструкции крыла. Летающее крыло может иметь различные небольшие выступы, такие как гондолы, мотогондолы, обтекатели, выносные балки или вертикальные стабилизаторы. Подобные конструкции самолетов, которые технически не являются летающими крыльями, иногда в обиходе называют таковыми. К ним относятся самолеты с интегральной компоновкой и самолеты с несущим корпусом, которые имеют фюзеляж и не имеют четко выраженных крыльев. Теоретически, чистое летающее крыло представляет собой аэродинамически наиболее эффективную конфигурацию для самолета с фиксированным крылом. Однако, из-за отсутствия традиционных стабилизирующих и управляющих поверхностей, в своей чистой форме летающее крыло склонно к нестабильности и сложности управления. Базовая конфигурация летающего крыла стала объектом значительных исследований в 1920-х годах, часто в сочетании с другими безхвостыми схемами. Во время Второй мировой войны как нацистская Германия, так и страны антигитлеровской коалиции добились успехов в разработке летающих крыльев. Военный интерес к летающим крыльям ослаб в 1950-х годах с развитием сверхзвуковой авиации, но возродился в 1980-х годах благодаря их потенциалу в области стелс-технологий. Этот подход в конечном итоге привел к созданию стелс-бомбардировщика Northrop Grumman B-2 Spirit. Сохраняется постоянный интерес к использованию летающих крыльев для перевозки больших грузов или пассажиров. Компании Boeing, McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth проводили проектные исследования по созданию пассажирских самолетов-летающих крыльев, однако такие самолеты пока не были построены. Концепция летающего крыла наиболее подходит для дозвуковых самолетов. Сверхзвукового летающего крыла пока не было создано.
the Canadian football formation
A flying wing is a tailless fixed wing aircraft that has no definite fuselage, with its crew, payload, fuel, and equipment housed inside the main wing structure. A flying wing may have various small protuberances such as pods, nacelles, blisters, booms, or vertical stabilizers. Similar aircraft designs, that are not technically flying wings, are sometimes casually referred to as such. These types include blended wing body aircraft and lifting body aircraft, which have a fuselage and no definite wings. A pure flying wing is theoretically the lowest drag design configuration for a fixed wing aircraft. However, because it lacks conventional stabilizing surfaces and the associated control surfaces, in its purest form the flying wing suffers from being unstable and difficult to control. The basic flying wing configuration became an object of significant study during the 1920s, often in conjunction with other tailless designs. In the Second World War, both Nazi Germany and the Allies made advances in developing flying wings. Military interest in the flying wing waned during the 1950s with the development of supersonic aircraft, but was renewed in the 1980s due to their potential for stealth technology. This approach eventually led to the Northrop Grumman B 2 Spirit stealth bomber. There has been continual interest in using it in the large transport roles for cargo or passengers. Boeing, McDonnell Douglas, and Armstrong Whitworth have undertaken design studies on flying wing airliners; however, no such airliners have yet been built. The flying wing concept is mostly suited to subsonic aircraft. No supersonic flying wing has ever been built.
Обзор
Летающее крыло – это самолет, не имеющий чётко выраженного фюзеляжа или хвостового оперения, при котором экипаж, полезная нагрузка, топливо и оборудование размещены внутри основной конструкции крыла. Летающее крыло может иметь различные небольшие выступы, такие как гондолы, мотогондолы, обтекатели, кили или вертикальные стабилизаторы. Чистое летающее крыло иногда представляется теоретически наиболее аэродинамически эффективной (с наименьшим сопротивлением) конструктивной схемой для самолета с фиксированным крылом. Оно также обеспечивает высокую прочностную эффективность при заданной глубине крыла, что приводит к снижению веса и высокой топливной экономичности. Из-за отсутствия традиционных стабилизирующих и управляющих поверхностей, в своей наиболее чистой форме летающее крыло страдает от присущих ему недостатков – неустойчивости и сложности управления. Эти компромиссы трудно сбалансировать, и попытки это сделать могут уменьшить или даже нивелировать ожидаемые преимущества конструкции летающего крыла, такие как снижение веса и сопротивления. Более того, решения могут привести к созданию окончательной конструкции, которая всё ещё слишком небезопасна для определенных применений, например, в коммерческой авиации. Дополнительные трудности связаны с необходимостью размещения пилота, двигателей, бортового оборудования и полезной нагрузки в пределах глубины крыла. Другие известные проблемы конструкции летающего крыла касаются тангажа и рыскания. Вопросы тангажа рассматриваются в статье о бесхвостых самолетах. Проблемы рыскания обсуждаются ниже.
Инженерный проект
Крыло, достаточно глубокое для размещения пилота, двигателей, топлива, шасси и другого необходимого оборудования, будет иметь большую лобовую площадь по сравнению с обычным крылом и длинным, тонким фюзеляжем. Это может фактически привести к увеличению сопротивления и, следовательно, к снижению эффективности по сравнению с традиционной конструкцией. Как правило, в этом случае выбирают решение, при котором крыло остается относительно тонким, а самолет оснащается различными обтекателями, гондолами, мотогондолами, килями и другими элементами для обеспечения потребностей практического самолета. Проблема усугубляется на сверхзвуковых скоростях, где сопротивление толстого крыла резко возрастает, и становится необходимым делать крыло тонким. Сверхзвукового летающего крыла никогда не было построено.
Устойчивость к направлению
Для того, чтобы самолет мог летать без постоянной коррекции, он должен обладать направленной устойчивостью по рысканию. Летающие крылья лишены возможности установки эффективного вертикального стабилизатора или киля. Любой киль должен крепиться непосредственно к задней части крыла, что дает небольшой плечо момента от аэродинамического центра, а это, в свою очередь, означает, что киль неэффективен, и для достижения эффективности требуется большая площадь киля. Такой большой киль приводит к увеличению веса и сопротивления, что может нивелировать преимущества летающего крыла. Проблему можно минимизировать, увеличив стреловидность крыла и разместив два киля у концов крыла, как, например, в дельта-крыле с малым удлинением, но учитывая соответствующее снижение эффективности, многие летающие крылья имеют умеренную стреловидность и, следовательно, обладают, в лучшем случае, лишь незначительной устойчивостью. Относительное удлинение стреловидного крыла, видимое в направлении воздушного потока, зависит от угла рыскания относительно потока. Рыскание увеличивает относительное удлинение набегающего крыла и уменьшает относительное удлинение уходящего крыла. При достаточной стреловидности, дифференциальное индуктивное сопротивление, возникающее из-за вихрей на концах крыла и встречного потока, достаточно для естественного возврата самолета в прямое положение. Дополнительный подход использует скрутку или "вымывание", уменьшая угол атаки к концам крыла, в сочетании с планом стреловидного крыла. Dunne D.5 воплотил этот принцип, а его конструктор J. W. Dunne опубликовал его в 1913 году. "Вымывание" уменьшает подъемную силу на концах крыла, создавая распределение в форме колокола по размаху крыла, описанное Людвигом Прандтлем в 1933 году, и это можно использовать для оптимизации веса и сопротивления при заданном значении подъемной силы. Другое решение – опустить или "заломить" законцовки крыла вниз со значительной отрицательной поперечной V-образной формой (антедральной), увеличивая площадь в задней части самолета при взгляде сбоку. В сочетании со стреловидностью и "вымыванием", это может решить другую проблему. При обычном эллиптическом распределении подъемной силы, опускающийся элевон вызывает увеличение индуктивного сопротивления, что заставляет самолет отклоняться от поворота ("неблагоприятное рыскание"). "Вымывание" направляет результирующий аэродинамический вектор (подъемная сила плюс сопротивление) вперед по мере уменьшения угла атаки, и в предельном случае это может создать чистую тягу вперед. Восстановление подъемной силы на концах крыла элевоном создает небольшую индуктивную тягу для задней (внешней) части крыла во время поворота. Этот вектор по сути тянет уходящее крыло вперед, вызывая "благоприятное рыскание", создавая естественный скоординированный поворот. В своей лекции 1913 года перед Королевским аэронавтическим обществом, Данн описал этот эффект как "касательное усиление".
Контроль отклонения
В некоторых конструкциях летающих крыльев любые стабилизирующие кили и связанные с ними рули направления оказываются слишком далеко впереди, чтобы эффективно влиять на управление, поэтому иногда предусматриваются альтернативные средства управления рысканием. Одним из решений проблемы управления является создание дифференциального сопротивления: сопротивление вблизи одного из законцовок крыла искусственно увеличивается, заставляя самолет рыскать в сторону этого крыла. Типичные методы включают:
Раздельные элероны. Верхняя поверхность отклоняется вверх, а нижняя – вниз. Разделение элерона с одной стороны вызывает рыскание, создавая эффект дифференциального воздушного тормоза. Спойлеры. Поверхность спойлера на верхней обшивке крыла поднимается, нарушая обтекание и увеличивая сопротивление. Этот эффект обычно сопровождается потерей подъемной силы, которую необходимо компенсировать либо пилотом, либо конструктивными особенностями, обеспечивающими автоматическую компенсацию. Спойлероны. Спойлер верхней поверхности, который также уменьшает подъемную силу (эквивалентно отклонению элерона вверх), вызывая крен самолета в направлении поворота. Угол крена заставляет подъемную силу крыла действовать в направлении поворота, уменьшая необходимое сопротивление для разворота продольной оси самолета. Следствием использования метода дифференциального сопротивления является то, что при частых маневрах самолет будет часто создавать сопротивление. Поэтому летающие крылья наиболее эффективны при крейсерском полете в спокойном воздухе: в турбулентном воздухе или при смене курса самолет может быть менее эффективным, чем самолет традиционной схемы.
Split ailerons. The top surface moves up while the lower surface moves down. Splitting the aileron on one side induces yaw by creating a differential air brake effect. Spoilers. A spoiler surface in the upper wing skin is raised, to disrupt the airflow and increase drag. This effect is generally accompanied by a loss of lift, which must be compensated for either by the pilot or by design features that automatically compensate. Spoilerons. An upper surface spoiler that also acts to reduce lift (equivalent to deflecting an aileron upwards), so causing the aircraft to bank in the direction of the turn—the angle of roll causes the wing lift to act in the direction of turn, reducing the amount of drag required to turn the aircraft's longitudinal axis. A consequence of the differential drag method is that if the aircraft maneuvers frequently then it will frequently create drag. So flying wings are at their best when cruising in still air: in turbulent air or when changing course, the aircraft may be less efficient than a conventional design.
Связанные образцы
Некоторые самолеты, связанные с концепцией «летающее крыло», хотя и не являющиеся таковыми в строгом смысле, описывались как «летающие крылья». Некоторые типы, такие как Northrop Flying Wing (NX 216H), все еще имеют хвостовой стабилизатор, установленный на хвостовых балках, хотя у них отсутствует фюзеляж. Многие планеры и сверхлегкие самолеты не имеют хвостового оперения. Хотя иногда их называют «летающими крыльями», в этих типах пилот (и двигатель, если он установлен) располагается под крылом, а не внутри него, поэтому они не являются истинными «летающими крыльями». Самолет с сильно стреловидной дельта-планоформой и глубокой центральной частью представляет собой пограничный случай между конфигурациями «летающее крыло», смешанного корпуса и/или подъемного тела.
Ранние исследования
Самолеты без хвостового оперения экспериментировались с самых ранних попыток полетов. Британский инженер Дж. В. Данн был одним из пионеров, его конструкции двукрылых и монопланов демонстрировали присущую им стабильность уже в 1910 году. Его работа оказала непосредственное влияние на нескольких других конструкторов, в том числе Г. Т. Р. Хилла, который разработал серию экспериментальных бесхвостых самолетов, известных под общим названием Westland Hill Pterodactyls, в 1920-х и начале 1930-х годов. Несмотря на попытки получить заказы от Министерства авиации, программа Pterodactyl была окончательно отменена в середине 1930-х годов, до выпуска какого-либо заказа на Mk. VI. Немецкий инженер Хьюго Юнкерс запатентовал свою концепцию самолета как цельнокрылого аппарата в 1910 году, считая ее естественным решением проблемы создания авиалайнера, достаточно большого для перевозки разумного количества пассажиров и достаточного запаса топлива для регулярных перелетов через Атлантику. Он полагал, что потенциально большой внутренний объем цельнокрылого самолета и низкое сопротивление воздуха делают его очевидным выбором для этой цели. Его моноплановое крыло большого относительного удлинения было включено в конструкцию обычного Юнкерса J 1 в декабре 1915 года. В 1919 году он начал работу над своим "Гигантом" JG1, предназначенным для размещения пассажиров внутри толстого крыла, но два года спустя Союзная авиационная комиссия контроля приказала уничтожить незавершенный JG1 за превышение послевоенных ограничений по размерам немецких самолетов. Юнкерс разрабатывал футуристические цельнокрылые самолеты, вмещающие до 1000 пассажиров; наиболее близким к реализации был 34-местный авиалайнер Junkers G.38 1931 года, который имел большое крыло большого относительного удлинения, обеспечивающее место для топлива, двигателей и двух пассажирских кабин. Однако для размещения экипажа и дополнительных пассажиров все же требовался короткий фюзеляж. Советский инженер Борис Иванович Черановский начал испытания бесхвостых цельнокрылых планеров в 1924 году. После 1920-х годов советские конструкторы, такие как Черановский, работали независимо и в секрете под руководством Сталина. Благодаря значительным прорывам в материалах и методах строительства, стали возможны такие самолеты, как BICh 3, BICh 14, BICh 7A. Такие люди, как Чижевский и Антонов, также попали в поле зрения Коммунистической партии, разработав самолеты, такие как бесхвостые BOK 5 (Чижевский) и OKA 33 (первый, построенный Антоновым), которые классифицировались как "моторизованные планеры" из-за их сходства с популярными планерами того времени. BICh 11, разработанный Черановским в 1932 году, участвовал в соревнованиях на девятых планеристских соревнованиях в 1933 году, где соперничал с H1 братьев Хортен и Адольфом Галландом, но не был продемонстрирован на летних Олимпийских играх 1936 года в Берлине. В Германии Александр Липпиш сначала работал над бесхвостыми типами, а затем постепенно перешел к цельнокрылым самолетам, в то время как братья Хортен разработали серию цельнокрылых планеров в 1930-х годах. Планер H1 был успешно испытан в 1933 году, а последующий H2 успешно летал как в планерской, так и в моторной версиях. В Соединенных Штатах с 1930-х годов Джек Нортроп самостоятельно работал над своими собственными проектами. Northrop N 1M, масштабный прототип бомбардировщика большой дальности, совершил первый полет в 1940 году. В 1941 году Нортропу был заключен контракт на разработку и строительство двух экземпляров цельнокрылого YB 35, очень большого 4-двигательного самолета с размахом крыла 52,4 метра. Разработка и строительство этого самолета продолжались на протяжении всей Второй мировой войны. Другие примеры цельнокрылых самолетов 1930-х годов включают планер AV3 французского конструктора Шарля Фовеля 1933 года и американский планер Freel Flying Wing, испытанный в 1937 году, оснащенный самостабилизирующимся профилем крыла на прямолинейном крыле.
Вторая мировая война
Во время Второй мировой войны вопросы аэродинамики стали достаточно понятными для начала работы над рядом представительных прототипов производства. В нацистской Германии братья Хортены были горячими сторонниками конфигурации летающего крыла, разрабатывая свои собственные конструкции вокруг него, уникальные для того времени, используя птичье "распределение подъема в форме колокола" Прандтля. Одним из таких самолетов был планер Horten H.IV, который был произведен в небольших количествах в период с 1941 по 1943 год. Несколько других поздних военных конструкций Германии были основаны на концепции летающего крыла, или ее вариациях, как предлагаемое решение для расширения дальности полета самолетов с очень короткой дальностью, работающих на ранних реактивных двигателях. Прототип реактивного истребителя Horten Ho 229 впервые вылетел в 1944 году. Он сочетал в себе конструкцию летающего крыла, или Nurflügel, с парой реактивных двигателей Junkers Jumo 004 в своем втором, или "V2" (V для Versuch) прототипе фюзеляжа; таким образом, это был первый в мире чистый летающий крыл, приводимый в действие двумя реактивными двигателями, впервые, как сообщается, поднявшийся в воздух в марте 1944 года. V2 пилотировал Эрвин Зиллер, который погиб, когда отказ одного из двигателей привел к катастрофе. В конце войны планировалось производить его как Gotha Go 229. Несмотря на намерения разработать Go 229 и улучшенный Go P.60 для нескольких ролей, включая ночной истребитель, ни один из построенных Gotha Go 229 или P.60 не был завершен. Недостроенный, почти завершенный выживший "V3", или третий прототип, был захвачен американскими войсками и отправлен обратно для изучения; он оказался на хранении в Смитсоновском институте. Союзники также добились нескольких значимых успехов в этой области, используя обычное эллиптическое распределение подъема с вертикальными хвостовыми поверхностями. В декабре 1942 года Northrop вывел в полет N 9M, самолет разработки в масштабе 1/3 для предлагаемого бомбардировщика большой дальности; было произведено несколько самолетов, все, кроме одного, были списаны после завершения программы бомбардировщика. В Великобритании в военное время использовался планер Baynes Bat; это был экспериментальный самолет в масштабе 1/3, предназначенный для тестирования конфигурации для потенциального преобразования танков во временные планеры. Британский Armstrong Whitworth A.W.52G 1944 года был планерным испытательным стендом для предлагаемого большого летающего авиалайнера, способного обслуживать трансатлантические маршруты. Впервые поднявшийся в воздух 13 ноября 1947 года, A.W.52 показал разочаровывающие результаты; первый прототип потерпел крушение без жертв 30 мая 1949 года, при этом британский пилот впервые использовал экстренное катапультирование. Второй A.W.52 оставался в эксплуатации в Королевском авиационном заведении до 1954 года. YB-49 имел некоторые незначительные проблемы с боковой устойчивостью, которые устранялись новой системой автопилота, когда версия бомбардировщика была отменена в пользу гораздо более крупной, но медленной B-36. Разработка разведывательной версии продолжалась некоторое время, но самолет не был запущен в производство. В Советском Союзе BICh-26 стал одной из первых попыток создать сверхзвуковой реактивный летающий крыл в 1948 году; авиационный автор Билл Ганстон назвал BICh-26 опередившим свое время. Однако самолет не был принят советскими военными, и проект прекратился вместе с Черановским. Несколько других стран также решили предпринять проекты по созданию летающих крыльев. Турция была одной из таких стран, Turk Hava Kurumu Ucak Fabrikasi производила THK-13 безхвостовой планер в 1948 году. В это время несколько британских производителей также исследовали концепцию. Ранние предложения по стратегическому бомбардировщику Avro Vulcan, разработанному Роем Чадвиком, также исследовали несколько вариантов расположения летающих крыльев, хотя в конечном итоге был разработан фюзеляж. Постоянный интерес сохраняется к летающим крыльям для крупных транспортных ролей для грузов или пассажиров. Boeing, McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth предприняли проектные исследования по летающим авиалайнерам; однако такие авиалайнеры до сих пор не построены. Этот подход в конечном итоге привел к Northrop Grumman B-2 Spirit, летающему стелс-бомбардировщику. В этом случае аэродинамические преимущества летающего крыла не являются основными причинами принятия конструкции. Однако современные компьютерные системы управления fly-by-wire позволяют минимизировать многие аэродинамические недостатки летающего крыла, обеспечивая эффективный и стабильный бомбардировщик большой дальности. В силу практической необходимости в глубоком крыле, концепция летающего крыла в основном применяется для дозвуковых самолетов. Постоянный интерес сохраняется к его использованию в крупных транспортных ролях, где крыло достаточно глубокое для размещения грузов или пассажиров. Ряд компаний, включая Boeing, McDonnell Douglas и Armstrong Whitworth, проводили проектные исследования по летающим авиалайнерам на сегодняшний день; однако такие авиалайнеры до сих пор не построены по состоянию на 2023 год. Двунаправленное летающее крыло – это концепция изменяемой геометрии, состоящая из крыла большой площади для дозвуковых скоростей и крыла малой площади для сверхзвуковых скоростей, соединенных в форме неравностороннего креста. Предложенная в 2011 году конструкция низкоскоростного крыла имела бы толстый, округлый профиль, способный вместить полезную нагрузку, и большую площадь для высокой эффективности, в то время как высокоскоростное крыло имело бы тонкий, острый профиль и меньшую площадь для низкого сопротивления на сверхзвуковой скорости. Аппарат должен был взлетать и приземляться с низкоскоростным крылом, направленным по потоку воздуха, а затем поворачиваться на четверть оборота, чтобы высокоскоростное крыло было направлено по потоку воздуха для сверхзвукового полета. NASA профинансировало изучение этого предложения. Утверждается, что конструкция обеспечивает низкое волновое сопротивление, высокую дозвуковую эффективность и снижение звукового удара. С конца холодной войны было произведено множество беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с летающим крылом. Страны обычно используют такие платформы для воздушной разведки; такие БПЛА включают Lockheed Martin RQ-170 Sentinel и Northrop Grumman Tern. Гражданские компании также экспериментировали с БПЛА, такими как Facebook Aquila, в качестве атмосферных спутников. Было создано несколько прототипов беспилотных боевых летательных аппаратов (БПЛА), включая Dassault nEUROn, Sukhoi S-70 Okhotnik B, DRDO Ghatak и BAE Systems Taranis.