Введение
Крылья самолета, способные изменять положение для изменения своей геометрии.
Крыло изменяемой стреловидности, в разговорной речи известное как "крыло изменяемой геометрии", – это крыло или набор крыльев самолета, которое может отклоняться назад и затем возвращаться в исходное прямое положение во время полета. Оно позволяет изменять форму самолета в полете и, следовательно, является примером самолета с изменяемой геометрией. Прямое крыло наиболее эффективно для полетов на малых скоростях, но для самолета, предназначенного для трансзвуковых или сверхзвуковых полетов, необходимо, чтобы крыло имело стреловидность. Большинство самолетов, летающих на этих скоростях, обычно имеют крылья (стреловидные или дельтавидные) с фиксированной стреловидностью. Это простые и эффективные конструкции крыльев для полетов на высоких скоростях, но они имеют компромиссы в характеристиках. Один из них – увеличение скорости сваливания, что требует более длинных взлетно-посадочных полос (если не установлены сложные механизационные устройства крыла, увеличивающие подъемную силу). Другой – более высокий расход топлива самолета во время крейсерского полета на дозвуковых скоростях по сравнению с самолетом с прямым крылом. Эти компромиссы особенно актуальны для самолетов, базирующихся на авианосцах. Крыло изменяемой стреловидности позволяет пилоту использовать оптимальную стреловидность для текущей скорости самолета, будь то малая или высокая. Более эффективные углы стреловидности компенсируют увеличение веса и объема, вызванное механизмами изменения стреловидности крыла. Из-за своей сложности и стоимости оно в основном используется на военных самолетах. В период с 1940-х по 1970-е годы было разработано несколько самолетов, как экспериментальных, так и серийных. Большинство серийных самолетов, оснащенных крыльями изменяемой стреловидности, были ударными, такие как Микоян-Гуревич МиГ-27, Туполев Ту-22М и Panavia Tornado. Эта конфигурация также использовалась на некоторых истребителях-перехватчиках, включая Микоян-Гуревич МиГ-23, Grumman F-14 Tomcat и Panavia Tornado ADV. Начиная с 1980-х годов, разработка таких самолетов замедлилась благодаря прогрессу в технологиях управления полетом и конструкционных материалах, которые позволили конструкторам точно настраивать аэродинамику и конструкцию самолета, устраняя необходимость в изменяемой стреловидности для достижения требуемых характеристик; вместо этого крылья оснащаются компьютерно-управляемыми предкрылками и закрылками на передней и задней кромках, которые автоматически изменяют профиль или хорду крыла для адаптации к режиму полета; эта техника является еще одной формой изменяемой геометрии.
Переменная пробка
Прямое, нестреловидное крыло испытывает высокое сопротивление при приближении к скорости звука из-за прогрессивного нарастания ударных волн. Стреловидность крыла, как обратная, так и прямая, задерживает их возникновение и снижает общее сопротивление. Однако она также уменьшает размах крыла, что приводит к низкой эффективности крейсерского полета и высоким скоростям взлета и посадки. Фиксированное крыло должно представлять собой компромисс между этими двумя требованиями. Изменение стреловидности в полете позволяет оптимизировать его для каждого этапа полета, предлагая более компактный самолет с повышенными характеристиками. Однако у него есть недостатки, которые необходимо учитывать. При изменении стреловидности изменяется и центр подъемной силы. Для компенсации этих изменений и поддержания горизонтального полета необходимо предусмотреть определенные механизмы, такие как подвижное корневое крепление крыла или увеличенный стабилизатор. Дополнительный вес механизмов изменения стреловидности и компенсации снижает прирост характеристик, а их сложность увеличивает стоимость и обслуживание. Перемещая точки опоры крыла к законцовкам и изменяя стреловидность только его части, можно уменьшить изменения, необходимые для компенсации, но при этом снижается и изменение размаха крыла, а также сопутствующая эксплуатационная гибкость.
Аэродины с управляемым крылом
Британский инженер Барнс Уоллис разработал радикальную конструкцию самолета для высокоскоростного полета, которую он считал отличной от традиционного самолета с фиксированным крылом и назвал «аэродин с управляемым крылом». Его предыдущие работы по устойчивости дирижаблей убедили его в том, что даже очень небольшие отклонения могут создавать значительные управляющие силы, воздействующие на корпус самолета. Он предложил простую ихтиоидную (подобную рыбе) конструкцию фюзеляжа с изменяемой геометрией крыла. Другие органы управления не требовались. Небольшие движения крыльев позволяли создавать отклонения, управляющие направлением полета, а стабилизация обеспечивалась регулировкой угла стреловидности для компенсации изменения положения центра давления на разных скоростях. Для сверхзвукового полета более подходящим является дельтавидное подъемное тело, чем простая ихтиоидная форма. Также возникает противоречие между углом стреловидности крыла, необходимым для стабилизации, и оптимальным углом для сверхзвукового крейсерского полета. Уоллис решил эту проблему, переместив массу, как правило двигатели, к законцовкам крыльев и поворачивая их при изменении угла стреловидности, чтобы поддерживать направление тяги. В случае отказа одного двигателя, оставшиеся двигатели можно было поворачивать, чтобы направить тягу ближе к центру давления и уменьшить асимметрию до приемлемого уровня. Это обеспечивало продольную стабилизацию без отдельного горизонтального оперения. Эта концепция впоследствии была реализована в аэродине с управляемым крылом Барнса Уоллиса. Механизм изменения угла стреловидности, который можно было регулировать только на земле, фиксируя крыло в трех положениях – 30, 40 и 45 градусов – предназначался исключительно для испытаний и не подходил для боевых операций.
Разработка
После окончания конфликта частично завершенный P.1101 был поднят и перевезен в Соединенные Штаты, где подвергся детальному изучению в Bell Aircraft. Однако из-за отсутствия документации и некоторых структурных повреждений, переменное крыло подобного типа было испытано на прототипе Grumman XF10F Jaguar в 1952 году. Летные испытания F10F оказались неудовлетворительными, хотя и по другим причинам, таким как недостаток тяги двигателя и значительные проблемы с управляемостью. В конце 1940-х годов британский инженер Л.Э. Байнс начал изучать крыло изменяемой стреловидности. Он разработал метод изменения геометрии хвостового оперения для стабилизации центра подъема; скользящий механизм не требовался, вместо этого, воздушный поток от крыла взаимодействовал с переменным хвостовым оперением для обеспечения необходимых изменений балансировки. В 1949 и 1951 годах Байнс подал заявки на патенты, связанные с этой работой. Хотя проект достиг стадии физического моделирования и был подвергнут полному циклу испытаний в аэродинамической трубе, британское правительство не предоставило финансирование, предположительно из-за бюджетных ограничений того времени. Независимо от Байнса, британский инженер Барнс Уоллис также разрабатывал более радикальную концепцию переменной геометрии, которую он назвал «аэродинамикой с управляемым крылом», чтобы максимизировать экономичность высокоскоростного полета. Его первым исследованием был проект «Дикий гусь». Впоследствии Уоллис разработал «Ласточку». Несмотря на отсутствие поддержки, «Ласточка» на некоторое время привлекала международное внимание. В конце 1958 года исследовательские усилия были временно возобновлены благодаря сотрудничеству в рамках Программы совместной разработки вооружений НАТО, в рамках которой все исследования Уоллиса по переменной геометрии были переданы американцам. Уоллис сотрудничал с Лабораторией Лэнгли НАСА в рамках конструкторского исследования истребителя с переменной стреловидностью. Хотя он использовал разработанный им механизм поворота, НАСА также настояло на установке обычного горизонтального стабилизатора для упрощения проблем с балансировкой и маневренностью. Хотя это и не было аэродинамикой с управляемым крылом, задуманной Уоллисом, это оказалось более практичным решением, чем его или Белла. Исследования «Ласточки» привели к нескольким новым конфигурациям, включая компактный складывающийся хвостовой отсек и предкрылки. Работа Уоллиса вдохновила на ряд дальнейших исследований, в том числе аэродинамику с управляемым крылом в ответ на спецификацию OR.346 для сверхзвукового истребителя-бомбардировщика с коротким взлетом и посадкой, а затем, как BAC, еще две заявки: Type 583 для удовлетворения Naval ER.206 и Type 584 для удовлетворения требований НАТО NBMR.3, оба также являлись требованиями В/СТОЛ. Соответственно, такое крыло было объединено с легким истребителем Folland Gnat для двух различных концепций – бесхвостого и с обычным хвостовым оперением – для многоцелевого истребителя/штурмовика/тренажера, обозначенного как Fo.147. Он имел уникальный механизм изменения стреловидности крыла, сочетающий направляющие по бокам фюзеляжа и нижней поверхности крыльев, приводимый в действие гидравлически управляемыми шаровыми винтами, расположенными на внутренних концах крыльев. Крылья можно было отклонять от 20 до 70 градусов; в положении 70 градусов продольное управление обеспечивалось элевонами на законцовках крыльев, а в положении 20 градусов – убирающимся предкрылком с использованием полной автоматической стабилизации. Обеспечивая функцию балансировки с помощью предкрылка, необходимость в большом хвостовом оперении была устранена. Fo.147, как утверждалось, был способен развивать скорость более 2 Махов, ограничиваясь нагревом, возникающим при высокоскоростном полете. В конечном итоге, концепция не была доведена до стадии прототипа, поскольку Королевские ВВС проявили мало интереса к перспективному тренажеру с переменной геометрией. F-111 стал первым серийным самолетом с крылом изменяемой стреловидности, а также другими инновационными для того времени системами, такими как радиолокационная станция слежения за рельефом местности и турбовентиляторные двигатели с форсажными камерами. Несмотря на это преимущество в этой области, разработка F-111 была затянутой; летные испытания модели F-111A завершились только в 1973 году. В 1968 году были обнаружены трещины в точках крепления крыла F-111, и эта проблема также была связана с потерей F-111 в следующем году. Соответственно, точки крепления были перепроектированы и подвергнуты интенсивным испытаниям как конструкции, так и качества изготовления. F-111B, предназначенный для ВМС США, был отменен в 1968 году из-за веса и характеристик самолета, а также его непригодности для истребительных требований службы. Несколько вариантов, таких как стратегический бомбардировщик FB-111A, имели удлиненные крылья для увеличения дальности и грузоподъемности. Крыло F-111 имело поворотные узлы подвески (по два под каждым крылом), которые автоматически регулировались в зависимости от угла стреловидности. Последующие самолеты с крылом изменяемой стреловидности, такие как Panavia Tornado и Sukhoi Su-24, также были оснащены аналогичным оборудованием. В Советском Союзе военные планировщики также сформулировали аналогичные требования, что привело к проведению ЦАГИ, советского бюро аэродинамики, обширных исследований крыльев изменяемой стреловидности. ЦАГИ разработал два различных проекта, отличающихся главным образом расстоянием (выраженным в процентах от общей размаха крыла) между осями поворота крыла. Приняв большее расстояние, это не только уменьшило негативные аэродинамические эффекты изменения стреловидности крыла, но и обеспечило большую фиксированную секцию крыла, которую можно было использовать для размещения шасси или узлов подвески. Это можно было, фактически, адаптировать к более или менее существующим планерным схемам, что Советы и сделали, например, с Sukhoi Su-17 (основанным на более раннем самолете со стреловидным крылом Sukhoi Su-7). Однако ограничением широкого расстояния было то, что оно уменьшало преимущества переменной геометрии, насколько уменьшало и их технические трудности. Поэтому создание новых советских проектов «с чистого листа» оставалось желательным. Для этого ЦАГИ разработал более узкое расположение, несколько похожее на F-111. Этот проект использовался, хотя и в разных масштабах, для истребителя Mikoyan-Gurevich MiG-23 и тактического бомбардировщика Sukhoi Su-24, оба из которых летали в прототипных вариантах в конце 1960-х годов и поступили на вооружение в начале 1970-х годов. В 1962 году конструкторская группа Туполева, признав возможность улучшения недавно представленного бомбардировщика Туполева Ту-22, начала работу над значительно переработанным вариантом, в котором было применено крыло изменяемой стреловидности, предназначенное для устранения плохих летных характеристик Ту-22, а не для повышения эффективности на высоких скоростях. В настоящее время в эксплуатации находится более 100 стратегических бомбардировщиков Туполева Ту-22М. В конце 1950-х и начале 1960-х годов Великобритания разрабатывала BAC TSR 2, сверхзвуковой стратегический бомбардировщик, летящий на малых высотах. Более поздние варианты самолета были бы оснащены крыльями изменяемой стреловидности. Однако 1 апреля 1965 года разработка TSR 2 была прекращена на этапе летных испытаний, главным образом из-за растущей стоимости программы. Для замены TSR 2 Министерство авиации первоначально разместило опцион на американский General Dynamics F-111K; однако и он был прекращен в январе 1968 года по соображениям стоимости. После отмены TSR 2, BAC перенес свою работу по переменной геометрии в Уортон, где представил P.45 легкий штурмовик/тренажер AST 362. Эта работа легла в основу совместной англо-французской программы по разработке самолета с переменной геометрией – Anglo French Variable Geometry Aircraft (AFVG). Этот многоцелевой самолет должен был быть оснащен крылом изменяемой стреловидности и предназначался для выполнения задач штурмовки, разведки и перехвата. Однако уже в 1966 году французский авиастроитель Dassault начал активно подрывать AFVG, поскольку работал над двумя конкурирующими внутренними проектами: самолетом с переменной геометрией Mirage G и Mirage F1. По словам авиационного автора Дерека Вуда, и Dassault, и французские ВВС были не очень заинтересованными участниками AFVG, первый хотел развивать собственные отечественные проекты с переменной…
Despite this lack of backing, the Swallow attracted international attention for some time. During late 1958, research efforts were temporarily revived through cooperation with the Mutual Weapons Development Programme of NATO, under which all of Wallis' variable geometry research was shared with the Americans. Wallis collaborated with NASA's Langley Laboratory on a design study for a variable sweep fighter. Although it used the pivot mechanism he had developed, NASA also insisted on implementing a conventional horizontal stabiliser to ease the issues of trim and manoeuvrability. Although it was no longer the wing controlled aerodyne that Wallis envisaged, it would prove a more practical solution than either his or Bell's. Swallow research led to several new configurations, including the adoption of a compact folding tail section and canards. Barnes' work inspired a number of further studies, including a wing controlled aerodyne in response to OR.346 for a supersonic STOL fighter bomber, then as BAC two further submissions: the Type 583 to meet Naval ER.206 and Type 584 to meet NATO NBMR.3, both also being V/STOL requirements. Accordingly, such a wing was combined with the firm's Folland Gnat light fighter for two different concepts – one tailless and one using with a conventional tail – for a multipurpose fighter/strike/trainer, designated as the Fo. 147. It had a unique mechanism for wing sweep that combined tracks on the fuselage sides and the underside of the wings, which was actuated by hydraulically driven ball screws positioned at the wing's inner ends. The wings could be swept from 20 degrees to 70 degrees; at the 70 degree position, longitudinal control was maintained by wing tip mounted elevons, while this was provided by a retractable canard arrangement when swept at the 20 degree position, using full auto stabilisation. By providing trimming functionality via the canard, the necessity of a large tailplane was eliminated. The Fo. 147 was claimed to have been capable of speeds in excess of Mach 2, being limited by the heat buildup generated by high speed flight. Ultimately, the concept would not be developed to the prototype stage while the RAF showed little interest the prospective variable geometry trainer. The F 111 is the first production aircraft to feature a variable geometry wing and it, along with other systems such as terrain following radar and turbofan engines outfitted with afterburners, were innovative technologies for the era. Despite this head start in the field, development of the F 111 was protracted; flight testing of the F 111A model only ended in 1973. During 1968, cracks were discovered in the F 111's wing attach points, the issue also has been attributed with the loss of an F 111 in the following year. Accordingly, the attach points were structurally redesigned and subject to intensive testing of both the design and manufacturing quality. The F 111B, intended for the US Navy, was cancelled in 1968 due the aircraft's weight and performance issues, as well as its inadequacies for the service's fighter requirements. Several variants, such as the FB 111A strategic bomber model, featured elongated wings to give a greater range and load carrying capability. The F 111's wing featured pivoting pylons (two under each wing) which automatically adjusted to the sweep angle. Subsequent swing wing aircraft, such as the Panavia Tornado and Sukhoi Su 24, would also be similarly equipped. In the Soviet Union, military planners had also formulated similar requirements, which led to TsAGI, the Soviet aerodynamics bureau, performing extensive studies into variable geometry wings. TsAGI evolved two distinct designs, differing mainly in the distance (expressed as a percentage of total wingspan) between the wing pivots. By adopting a wider spacing, this not only reduced the negative aerodynamic effects of changing wing sweep, but also provided a larger fixed wing section which could be used for landing gear or stores pylons. This could, in fact, be adapted to more or less existing airframes, which the Soviets accordingly did, such as with the Sukhoi Su 17 (based on the earlier swept wing Sukhoi Su 7). The limitation of the wide spacing, however, was that it reduced the benefits of variable geometry as much as it reduced their technical difficulties. As such, producing new, "clean sheet" Soviet designs remained desirable. For this, TsAGI devised a more narrowly spaced arrangement somewhat similar to that of the F 111. This design was used, albeit at different scales, for the Mikoyan Gurevich MiG 23 fighter and the Sukhoi Su 24 tactical bomber, both of which flew in prototype forms around the end of the 1960s and entering service during the early 1970s. During 1962, Tupolev's design team, recognising room for improvement on the recently introduced Tupolev Tu 22 bomber, begun work on an extensively redesigned derivative that incorporated a variable geometry wing, intended to address the Tu 22's poor handling characteristics more so than bolstering its efficiency at high speeds. more than 100 Tupolev Tu 22M strategic bombers are in use. During the late 1950s and early 1960s, Britain was developing the BAC TSR 2, a supersonic low level strategic bomber. Later variants of the type would have been fitted with variable geometry wings. However, on 1 April 1965, development of the TSR 2 was terminated during the flight testing phase primarily due to the programme's spiralling costs. To replace the TSR 2, the Air Ministry initially placed an option for the American General Dynamics F 111K; while the F 111K was promoted as being cheaper, this too was terminated during January 1968 on grounds of cost. Following the TSR 2's cancellation, BAC moved their variable geometry work to Warton, there submitting the P.45 light attack/trainer to AST 362. This work fed into a joint Anglo French programme to develop a variable geometry strike aircraft – the Anglo French Variable Geometry Aircraft (AFVG). This multirole aircraft was to be equipped with a variable geometry wing and was intended to perform the strike, reconnaissance, and interceptor roles. However, as early as 1966, the French aircraft manufacturer Dassault began to actively undermine the AFVG, as it was working on two competing in house projects: the variable geometry Mirage G and the Mirage F1. According to aviation author Derek Wood, both Dassault and the French Air Force were unenthusiastic participants in the AFVG, the former wanting to pursue its own indigenous variable geometry aircraft, while the latter had determined that the type did not align with its future equipment plans.|group=N
Despite the AFVG programme's collapse, the design was revamped by BAC into a larger strike oriented variable geometry aircraft. Holding contracts were issued to BAC to support the project, which had been re designated as the United Kingdom Variable Geometry (UKVG) aircraft. In November 1967, BAC issued a brochure on the UKVG proposal; various proposals would be issued to cover the use of multiple different engines. The quick production of a demonstrator aircraft, powered by a pair of Rolls Royce/MAN Turbo RB153 turbofan engines, was also mooted.|group=N promoting the concept of developing and procuring a common NATO strike aircraft. In July 1968, a memorandum of understanding was signed between Britain, West Germany, Italy, the Netherlands, Belgium, and Canada. This memorandum eventually led to the launch of the multinational Multi Role Combat Aircraft (MRCA) project, which successfully produced a variable geometry aircraft for the strike, reconnaissance, and interception missions in the form of the Panavia Tornado. Following the AFVG effort, Dassault Aviation constructed a prototype fighter, the Mirage G, completing two aircraft, the Mirage G4 and G8, in 1968. Furthermore, Dassault also worked in cooperation with the American manufacturing interest Ling Temco Vought to develop the LTV V 507, which was submitted for US Navy's VFX project. From the VFX submissions, the US Navy procured the Grumman F 14 Tomcat to replace the canceled F 111B fleet interceptor during the 1970s. The F 14 was a more nimble fighter than the F 4 Phantom II and, unlike the F 111, its variable sweep wings automatically adjusted over its speed range, and could be moved even during turns. Furthermore, the wings could be swept forward for tight "bat" turns in close quarters aerial combat, as well as rearwards for dash speeds. Rockwell adopted variable geometry for the much larger Advanced Manned Strategic Bomber (AMSA) program that produced the B 1 Lancer bomber, intended to provide an optimum combination of high speed cruising efficiency and fast, supersonic penetration speeds at extremely low level. The B 1's variable sweep wings provide a relatively high level of lift during takeoff and landing, while also generating little drag during a high speed dash. Rockwell submitted its proposal in January 1970, competing against bids by Boeing and General Dynamics. The B 1's development was authorised in October 1981 as a stopgap between the increasingly vulnerable B 52 and the more capable Advanced Technology Bomber (ATB). Initial operational capability was reached on 1 October 1986 and the B 1B was placed on nuclear alert status. The Soviet Union also opted to develop a large strategic bomber equipped with variable geometry wings. During the early 1970s, Tupolev's design, which was initially designated Aircraft 160M, featured a lengthened blended wing layout and incorporated some elements of the Tu 144, competed against the Myasishchev M 18 and the Sukhoi T 4 designs. Designated as the Tupolev Tu 160, it entered operational service with the 184th Guards Heavy Bomber Regiment located at Pryluky Air Base, Ukrainian SSR, during April 1987. The aircraft is the largest and heaviest combat aircraft, the fastest bomber in use and the largest and heaviest variable sweep wing airplane to have ever flown as of 2020.
Устаревание
В качестве победившего проекта был выбран самолет с крылом изменяемой стреловидности, который использовался в конструкции Boeing для исследования FAA по сверхзвуковому транспортному самолету 2707. Однако в процессе проектирования конструкция претерпела несколько изменений, в конечном итоге было добавлено предкрыло, и в итоге стало ясно, что самолет будет настолько тяжелым, что его грузоподъемности не хватит для перевозки необходимого количества топлива. Впоследствии от этой конструкции отказались в пользу более традиционной схемы с хвостовым дельтовидным крылом. Развитие систем управления полетом с уменьшенной устойчивостью в 1970-х годах нивелировало многие недостатки конструкции с фиксированным крылом. После Ту-160 (производившегося до 1992 года) новые самолеты с крылом изменяемой стреловидности не строились. В 2015 году Министерство обороны России объявило о планах возобновить производство Ту-160, ссылаясь на устаревание существующего парка и, вероятно, длительную разработку его будущей замены – проекта ПАК ДА. Производство было возобновлено в 2021 году, ознаменовав создание первых новых планерных конструкций с крылом изменяемой стреловидности за 29 лет.