Сверхзвуковые самолеты
Шрифт:
Прямое крыло
Достоинством прямого крыла является его высокий коэффициент подъемной силы даже при малых углах атаки. Это позволяет существенно увеличивать удельную нагрузку на крыло, а значит, уменьшать габариты и массу, не опасаясь значительного увеличения скорости взлета и посадки. Приемлемые взлетно-посадочные характеристики самолета в этом случае обеспечиваются еще и тем, что на прямом крыле удается разместить эффективную механизацию, расширяющую диапазон эксплуатационных скоростей. Благодаря указанным достоинствам прямые крылья умеренного удлинения нашли широкое применение не только в дозвуковых, но и в околозвуковых самолетах с реактивным двигателем.
Недостатком, предопределяющим непригодность такого крыла при сверхзвуковых скоростях полета, является резкое увеличение коэффициента лобового
Рис. 1.15. Изменение коэффициента лобового сопротивления Сх и аэродинамического качества Кмакс в зависимости от числа Маха для самолетов с крыльями различной формы.
Важнейшими достоинствами прямого крыла с малым удлинением в сравнении со стреловидным и треугольным являются (при таких же относительной толщине профиля и удлинении) лучшие аэродинамические характеристики при докритических скоростях, главным образом при приземлении. Зато их основной недостаток- большое сопротивление и невысокое аэродинамическое качество при околозвуковых скоростях. Эти отрицательные эффекты сжимаемости воздуха можно несколько смягчить, используя еще меньшее удлинение и более тонкий профиль крыла. Однако надлежащую прочность такого крыла можно получить лишь за счет увеличения массы конструкции. Поэтому прямое крыло хотя и легче стреловидного, но по массовым характеристикам уступает треугольному крылу с теми же параметрами. Считается, что применение тонких прямых крыльев малого удлинения целесообразно лишь в самолетах с М › 1,8. Волновой кризис преодолевается такими самолетами с помощью форсажа двигателя либо путем использования дополнительных ускорителей. Вследствие этих недостатков прямые крылья нашли лишь ограниченное применение в сверхзвуковой авиации (известно только 11 типов самолетов с прямыми крыльями среднего и малого удлинения).
Рис. 1.16. Английский экспериментальный самолет Т. 188.
Стреловидное крыло
Большинство современных около- и сверхзвуковых самолетов гражданской и боевой авиации имеет стреловидные крылья постоянной геометрии (29 самолетов), что связано с их несомненными аэродинамическими достоинствами при таких скоростях полета.
Широкое распространение крыльев этого типа обусловило большое разнообразие применяемых конструктивных решений и их модификаций с целью наилучшего использования достоинств и устранения или смягчения недостатков, связанных со стреловидностью передней кромки крыла. Недостатки стреловидного крыла проявляются как при больших, так и при малых скоростях полета, причем они усиливаются с увеличением угла стреловидности. К важнейшим из них относятся:
– пониженная несущая способность крыла, а также меньшая эффективность действия механизации;
– увеличение поперечной статической устойчивости по мере возрастания угла стреловидности крыла и угла атаки, что затрудняет получение надлежащего соотношения между путевой и поперечной
– отрыв потока воздуха в концевых частях крыла, что приводит к ухудшению продольной и поперечной устойчивости и управляемости самолета (снижает эффективность элеронов);
– увеличение скоса потока за крылом, приводящее к снижению эффективности горизонтального оперения;
– возрастание массы и уменьшение жесткости крыла (при прочих неизменных параметрах), что обусловлено большей действительной длиной такого крыла (при данном размахе) и, следовательно, большим плечом приложения результирующей подъемной силы.
Таким образом, стреловидность приводит к возрастанию изгибающего момента в корневом сечении крыла при данной массе самолета. Кроме того, несколько увеличивается масса крыла в связи с необходимостью введения дополнительных силовых элементов в корневых частях, а также из-за увеличения поверхности механизации. Дополнительный рост массы стреловидного крыла связан с менее благоприятным (по сравнению с прямым крылом) распределением давления пр его длине, что выражается в увеличении плеча приложения подъемной силы, требующем усиления конструкции, и т.д.
Широкое применение стреловидного крыла стало возможным благодаря проведению соответствующих аэродинамических и конструктивных мер, проявляющих его достоинства и смягчающих недостатки. С этой целью среди прочего применяются «крутка» крыла, аэродинамические направляющие и турбулизаторы, уступ передней кромки крыла, механизация, переменный угол стреловидности вдоль размаха, обратное сужение крыла либо отрицательная стреловидность.
Крыло с наплывом
Анализ недостатков и достоинств прямых и стреловидных крыльев показывает, что диапазоны благоприятных условий их применения в сверхзвуковых самолетах не совпадают, а дополняют друг друга. Ввиду этого около 20 лет тому назад начали разрабатываться крылья изменяемой геометрии (проблемы самолетов с изменяемой геометрией крыла рассмотрены отдельно), а несколько позднее-крылья, которые условно можно назвать стреловидно-прямыми. Оба эти новшества впервые внедрены в боевой авиации, поскольку боевые самолеты, помимо прочего, должны обладать высокой маневренностью, под которой понимается способность экономичного и быстрого выполнения маневров.
Рис. 1.17. Характерные формы прямого крыла сверхзвуковых самолетов (масштаб 1 :200).
Маневренность ограничивается прежде всего статической и динамической прочностью конструкционных материалов планера самолета, а также аэродинамическими характеристиками самолета. Другую часть ограничений образует множество физических эффектов, таких, как максимальная величина коэффициента подъемной силы, возрастание полетного сопротивления, изменение эффективности управления, потеря устойчивости, вибрации крыла и оперения, крены, происходящие из-за срыва потока на крыльях при большой скорости полета, и т.п. Главный источник аэродинамических ограничений-отрыв потока, проявляющийся в различных формах и по разным причинам. Поэтому задача аэродинамического проектирования боевого самолета имеет первостепенную важность, так как качество решения этой задачи определяет достоинства нового летательного аппарата.
Одним из средств, позволяющих контролировать процесс отрыва, является крыло с переменной стреловидностью по передней кромке (наплывом), которое характеризуется образованием пелены вихрей большой энергии, определяющей его аэродинамические свойства.
Для выяснения характера работы крыла с наплывом (или другим устройством тур- булизации набегающего потока) необходимо напомнить, что вообще крылья по характеру обтекания можно разделить на два типа-линейно работающие и работающие нелинейно. Теоретически линейно работающее крыло отличает безотрывное обтекание, а нелинейно работающее-отрыв потока воздуха вблизи передней кромки и его присоединение ниже по потоку к остальной поверхности крыла. В практике самолетостроения нашли применение оба типа крыла, из которых первое вследствие его повсеместного использования было названо классическим.