Самолет с изменяемой геометрией крыла

Угловая скорость по крену

Во время вращения самолета вокруг продольной оси на крыло действует демпфирующий момент, противодействующий вращению. Возникает этот момент из-за разных местных углов атаки консолей крыла. Действительно, скорость набегающего потока векторно складывается с линейной скоростью конца консоли, направленной по касательной в плоскости, перпендикулярной оси самолета. Допустим, самолет вращается по часовой стрелке и в рассматриваемый момент консоли крыла горизонтальны. Правая консоль движется вниз, левая – вверх. Местный угол атаки профиля крыла на конце правой консоли увеличивается и подъемная сила на конце правой консоли растет. На левой консоли местный угол атаки ее конца уменьшается, или даже становится отрицательным – это зависит от соотношения линейной скорости самолета, скорости его вращения и размаха крыла. Из-за разницы местных углов атаки возникает момент по крену, тормозящий вращение самолета. Причем основной вклад в создание этого демпфирующего момента вносят концы консолей. Зависимость погонного демпфирующего момента участка крыла от расстояния до продольной оси самолета – квадратичная. Потому что линейно к концу консоли нарастает плечо силы, и линейно же нарастает компонента линейной тангенциальной скорости, векторная сумма которой со скоростью самолета и определяет местный угол атаки, а значит и С _y и подъемную силу. В результате, крыло с сужением 2 должно было бы иметь вчетверо меньший демпфирующий момент по крену в сравнении с прямоугольным крылом. В действительности, процессы несколько сложнее, т.к. выше не учтено изменение распределения погонной подъемной силы по размаху крыла. Это явление уменьшает эффект от сужения. В теории крыла доказано, что при переходе от прямоугольного крыла к крылу с сужением демпфирующий момент пропорционален величине (n+3)/(2(n+1)), где n – сужение крыла. Т.е. демпфирующий момент прямоугольного крыла вдвое больше равного ему по площади и размаху треугольного крыла. А это значит, что при одинаковых элеронах и угле их отклонения крыло с сужением будет вращаться по крену с большей угловой скоростью.

Особенно заметно влияние сужения на угловую скорость по крену у треугольного крыла – МИГ-21 во Вьетнаме в ближнем бою абсолютно превосходил фантом F-4, в т.ч. из-за дикой маневренности по крену. Впервые с этим явлением столкнулись на испытаниях Ла-250, имеющего треугольное крыло, да еще малого удлинения. Испытатели справились с ним только после установки системы гиростабилизации по крену. Система была, между прочим, гидромеханическая, без электроники.

Изменяемая геометрия

С изменяемой геометрией самолет может изменить свою физическую конфигурацию во время полета.

Некоторые типы плавсредств с изменяемой геометрией переходят между конфигурациями с неподвижным крылом и вращающимся крылом. Для получения дополнительной информации об этих гибридах см. Лифт с приводом .

Изменяемая форма в плане

Крыло изменяемой стреловидности или качающееся крыло . Левое и правое крылья изменяют свою стреловидность вместе, обычно назад. Первая успешная стреловидность крыла в полете была проведена на Bell X-5 в начале 1950-х годов. В Beech Starship только носовые части “утка” имеют переменную стреловидность.
Наклонное крыло : одиночное крыло с полным размахом поворачивается вокруг своей средней точки, как это используется на NASA AD-1 , так что одна сторона движется назад, а другая – вперед.
Телескопическое крыло : внешняя часть крыла телескопическая над или внутри внутренней части крыла, с изменяющимся размахом, удлинением и площадью крыла, как на планере FS-29 TF .
Съемное крыло . В исследовании предложено длинное крыло для дозвукового взлета и крейсерского полета, которое затем отделяло внешние панели, оставляя крыло с коротким размахом для сверхзвукового полета. (См. Также ниже.)
Расширяющееся крыло или расширяющееся крыло : часть крыла убирается в основную конструкцию самолета для уменьшения лобового сопротивления и низковысотного упора для высокоскоростного полета и выдвигается только для взлета, крейсерского полета на малой скорости и посадки. Жерно Varivol биплан, который пролетел в 1936 году, расширил передние и задние кромки , чтобы увеличить площадь крыла.

Регулируемая стреловидность (поворотное крыло)

Наклонное крыло с изменяемой геометрией

Телескопическое крыло

Расширяющееся крыло

Складывающееся крыло : часть крыла выдвигается для взлета и посадки и складывается для высокоскоростного полета. Внешние части крыла XB-70 Valkyrie складывались во время сверхзвукового крейсерского полета. (У многих самолетов есть крылья, которые можно сложить для хранения на земле или на борту корабля; это не складывающиеся крылья в том смысле, который здесь используется.)

Складывающееся крыло

Переменный раздел

Переменный угол падения : плоскость крыла может наклоняться вверх или вниз относительно фюзеляжа. Крыло Vought F-8 Crusader было повернуто, поднимая переднюю кромку при взлете для улучшения характеристик. Если на крыле установлены винтовые винты с приводом от двигателя, чтобы обеспечить вертикальный взлет иливыполнение STOVL , он попадает вкатегорию двигателей с механической подъемной силой .
Переменный развал : секции передней и / или задней кромки всего шарнира крыла для увеличения эффективного изгиба крыла, а иногда и его площади. Это увеличивает маневренность. Ранний экземпляр был запущен на Westland N 16 в 1917 году.
Переменная толщина : центральную часть верхнего крыла можно поднять для увеличения толщины крыла и развала при посадке и взлете и уменьшить для увеличения скорости. Чарльз Рошвиль и другие управляли экспериментальными самолетами.

Крыло с
изменяемым углом падения

Крыло с изменяемым развалом

Аэродинамическое покрытие переменной толщины

Полиморфизм

Полиморфное крыло имеет возможность изменить количество плоскостей в полете. Никитин-Шевченко «складные истребители» прототипы были способны трансформироваться между бипланами и монопланными конфигурациями после взлета путем складывания нижнего крыла в полость в верхней поверхности крыла.

Крыла скольжения является вариацией на полиморфные идеи, в результате чего низкорасположенного крыла моноплан был оснащен вторым съемным «скольжение» крылом над ней , чтобы помочь взлету, который затем был выброшен за борт , как только в воздухе. Идея впервые была реализована на экспериментальном Hillson Bi-mono .

Полиморфное крыло

Скользящее крыло

Список самолетов переменной стреловидности

Тип	Страна	Класс	Роль	Дата	Положение дел	Нет.	Ноты
Колокол X-5	Соединенные Штаты Америки	Jet	Исследовательская работа	1951 г.	Опытный образец	2	Развитие самолета Messerschmitt P.1101 (qv), позволяющего изменять стреловидность в полете.
Dassault Mirage G	Франция	Jet	Истребитель	1967	Опытный образец	3
General Dynamics F-111	Соединенные Штаты Америки	Jet	Истребитель-бомбардировщик	1964 г.	Производство	563
Grumman XF10F Ягуар	Соединенные Штаты Америки	Jet	Истребитель	1952 г.	Опытный образец	1	2-й пример не полетел.
Грумман F-14 Tomcat	Соединенные Штаты Америки	Jet	Истребитель	1970 г.	Производство	712
Мессершмитт P.1101	Германия	Jet	Исследовательская работа	1945 г.	Проект	1 недостроенный планер. Крылья меняются в 3 предустановленных положения только на земле.
Микоян-Гуревич МиГ-23	СССР	Jet	Истребитель	1967	Производство	5 047
Микоян-Гуревич МиГ-27	СССР	Jet	Атака	1970 г.	Производство	1,075	Разработка МиГ-23.
Панавиа Торнадо (MRCA)	Международный	Jet	Мультироль	1974 г.	Производство	992
Rockwell B-1 Lancer	Соединенные Штаты Америки	Jet	Бомбардировщик	1974 г.	Производство	104
Сухой Су-17, 20 и 22	СССР	Jet	Истребитель-бомбардировщик	1966 г.	Производство	2 867
Сухой Су-24	СССР	Jet	Атака	1970 г.	Производство	1,400 (приблизительно)
Туполев Ту-22М	СССР	Jet	Бомбардировщик	1969 г.	Производство	497
Туполев Ту-160	СССР	Jet	Бомбардировщик	1981	Производство	36
Викерс Дикий гусь	Великобритания	БПЛА	Исследовательская работа	1950	Опытный образец	1	Дизайн Барнса Уоллиса .
Викерс Ласточка	Великобритания	Jet	Авиалайнер	1957 г.	Проект	Дизайн Барнса Уоллиса . Полет маломасштабного испытательного БПЛА.
Вестленд-Хилл Птеродактиль IV	Великобритания	Пропеллер	Частный	1931 г.	Опытный образец	1	Переменная 4,75 ° для дифферента.

Конец программ самолетов с изменяемой геометрией крыла

В начале 1970-х годов – во время проведения летных испытаний «миражей» с изменяемой стреловидностью крыла – возникли сомнения по поводу обоснованности применения данной компоновки. 31 мая 1972 года начальник генерального штаба ВВС генерал Габриэль Готье написал генеральному директору компании Avions Marcel Dassault-Breguet Aviation (AMD-BA) Бенно Клод Вальер относительно самолета Mirage G8, который испытывал руководитель объединенной программы испытаний Mirage G майор Жан-Пьер Перинно (Commandant Jean-Pierre Pironneau).

«Испытания будут продолжены, и технический опыт, накопленный вашей компанией в ходе работ над самолетами с переменной стреловидностью крыла, позволит нам получить множество элементов, благодаря которым мы сможем определить характеристики будущего боевого самолета ВВС Франции

Отличная работа вашей компании будет основой сложного технического, эксплуатационного и финансового выбора, который будут определять успех этой важной программы

Пользуясь возможностью, я хотел бы сказать, что первые полеты Mirage G8 в ВВС показали, насколько ценен был успех прототипа. Этот успех является еще одним свидетельством значимости вашего конструкторского бюро и, в целом, всех ваших сотрудников».

Эти похвалы относились к изменяемой геометрии крыла, но одновременно было заявлено, что военно-воздушные силы уже ориентируются на другую компоновку. Предупреждением для французских военно-промышленных кругов послужил сделанный в 1969 году заказ для ВВС США двухмоторного истребителя завоевания превосходства в воздухе McDonnell-Douglas F-15, одной из особенностей которого являлось неподвижное крыло (свой первый полет самолет совершил 27 июля 1972 года). Одновременно в начале 1971 года военно-воздушные силы США запустили программу создания легкого многоцелевого истребителя с неподвижным крылом, которая, в итоге, привела к заказу General Dynamics F-16. Эти американские программы подтверждали, что казавшаяся столь многообещающей компоновка с изменяемой геометрией крыла с развитием новых технологий, среди которых была электродистанционная система управления полетом, не имела будущего. Новые технологии, перевернувшие процесс создания боевых самолетов, были проиллюстрированы истребителем F-16, первый полет которого состоялся 20 января 1974 года. Для получения требуемых характеристик уже не было необходимости в изменяемой геометрии крыла. И, наконец, если раньше изменяемая стреловидность крыла представлялась быстрым решением проблемы, то впоследствии такой вариант стал рассматриваться как слишком тяжелый, сложный и дорогой.

Список самолётов с изменяемой стреловидностью крыла

СССР Су-17/-20/-22 (2867 экз.)
СССР МиГ-23 (3630+769 экз.)
СССР Су-24 с 1975 г., СУ-24М с 1983 г. (1400 экз.), Су-24МР с 1984 г. (130 экз.)
СССР МиГ-27 (650+760 экз.)
СССР Ту-22М (497 экз.)
СССР Ту-160 (35 экз.)
США General Dynamics F-111 с 1967 г. (640 экз.)
США Grumman F-14 Tomcat (712 экз.)
США Rockwell B-1 Lancer (104 экз.)
Франция Dassault Mirage G (3 экспериментальных, 60-е — 70-е)
Евросоюз Panavia Tornado (~1000 экз.)
Messerschmitt P.1101 (англ.) (1944)
Bell X-5 (1947, экспериментальный, копия Messerschmitt P.1101)
NASA AD-1 (экспериментальный)
Northrop Grumman Switchblade (англ.) (концепт)
Northrop Switchblade (англ.) (концепт)
Grumman XF10F Jaguar (англ.) (прототип)
Short SB5 (англ.) (прототип)

Терминология

Посмотрим на типовое крыло в плане:

Сечение крыла в плоскости симметрии называется корневым профилем

, а его хорда –корневойb кр. На концах крыла соответственноконцевой профиль иконцевая хордаb кц. Расстояние от одного концевого профиля до другого называетсяразмахом крылаl . Хорда профиля крыла может быть разная вдоль его размаха. Отношение корневой хорды к концевой называетсясужением крылаn . Отношение площади крыла к его размаху называютсредней геометрической хордойb ср, а отношение размаха крыла к bср –удлинением крылаL . Если по ходу полета концы крыла отклонены относительно корневого сечения, говорят остреловидности крыла . На рис.1 показана B –стреловидность по передней кромке – угол между перпендикуляром к плоскости симметрии и передней кромкой крыла. Правомерно также говорить остреловидности по задней кромке , но важнее всего –стреловидность по линии фокусов , т.е. линии, соединяющей фокусы профилей крыла вдоль его размаха. Очевидно, что при нулевой стреловидности по линии фокусов у крыла с ненулевым сужением кромки не перпендикулярны плоскости симметрии крыла. Тем не менее, принято считать его прямым, а не стреловидным крылом. Если концы крыла отклонены относительно корневого сечения назад, — говорят оположительной стреловидности , если вперед – оботрицательной . Если крыло в плане образовано прямыми передней и задней кромками, то стреловидность не меняется вдоль размаха. Если же это не так, то стреловидность может изменять свое значение и даже знак.

Чтобы покончить с основными терминами, посмотрим на крыло вдоль линии полета:

У большинства крыльев его концы на таком виде находятся выше корневого сечения, и крыло напоминает по форме латинскую букву V. Такую особенность называют поперечнымV крыла и измеряют в градусах. Если концы выше – тоположительноеV , если ниже корневого сечения, тоотрицательноеV крыла. Если у крыла на данном виде две или даже три точки излома, то говорят одвойном или тройномV крыла . У самолета

есть еще продольное V, но его рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Если в половине крыла хорды всех его профилей по размаху лежат в одной плоскости и профиль во всех сечениях один, — говорят о плоском крыле

. Если нет – то имеет местогеометрическая крутка крыла . В этом случае угол атаки концевых профилей больше (положительная крутка ) или меньше (отрицательная крутка ), чем у корневого профиля крыла. Если вдоль размаха крыла меняется его профиль – говорят обаэродинамической крутке . Крутка крыла отличается от его перекоса примерно тем же, чем разведчик отличается от шпиона. Первое желательно и полезно, а второе приходит само и приносит одни неприятности.

Крылья против тел

Некоторые конструкции не имеют четкого соединения крыла и фюзеляжа или корпуса. Это может быть потому, что один или другой из них отсутствует, или потому, что они сливаются друг с другом:

Летающее крыло : у самолета нет отчетливого фюзеляжа или горизонтального оперения (хотя могут присутствовать плавники и гондолы, пузыри и т. Д.), Как на бомбардировщике-невидимке B-2 .
Комбинированный корпус или комбинированный корпус крыла : плавный переход между крылом и фюзеляжем без жесткой разделительной линии. Уменьшает смачиваемую площадь, а также может уменьшить помехи между воздушным потоком над корневой частью крыла и любым прилегающим телом, в обоих случаях уменьшая сопротивление. Локхид SR-71 spyplane иллюстрирует этот подход.
Подъемный корпус : у самолета отсутствуют идентифицируемые крылья, но он полагается на фюзеляж (обычно на высоких скоростях или больших углах атаки) для обеспечения аэродинамической подъемной силы, как на X-24 .

Летающее крыло

Смешанное тело

Подъемное тело

Некоторые конструкции могут попадать в несколько категорий в зависимости от интерпретации, например, многие БЛА или дроны можно рассматривать либо как бесхвостое смешанное крыло, либо как летающее крыло с глубокой центральной хордой.

Проект, приведший к Mirage 2000

Исследования и летные испытания самолетов с изменяемой стреловидностью крыла не были совершенно бесполезными, поскольку привели к созданию самолета, который, в конечном итоге, был заказан как французскими ВВС, так и военно-воздушными силами ряда зарубежных стран. Это был Mirage 2000, первый полет которого под управлением Жана Куру состоялся 10 марта 1978 года.

Период начала 1960-х – начала 19709-х годов был очень богат на эксперименты и создание самолетов в новыми компоновками и, следовательно, приобретение новых знаний. Таким образом, компания Dassault за десять лет исследований и полетов экспериментальных самолетов различных компоновок (Mirage V – СВВП с треугольным крылом, Mirage F с неподвижным высокорасположенным стреловидным крылом, Mirage G с крылом изменяемой геометрии) смогла создать баллистическую ракету MD-620, самолёты бизнес-класса Falcon 20 и Falcon 10 и среднемагистральный пассажирский самолет Mercure 100. Этот случай является уникальным.

два прототипа Mirage G8: одноместный 02 (на переднем плане) и полетевший раньше двухместный 01

Mirage G8 02 был представлен на парижском авиасалоне 1973 года
последний совместный полет Mirage G8 01 и Mirage G8 02; 18 июня 1973 года. В мае 1972 года во время испытаний в ВВС на киль Mirage G8 01 была нанесена эмблема эскадрильи 3/33 «Мозель» (l’Escadron 3/33 Moselle), в которой служил Жан-Пьер Перинно
команда летных испытаний компании Dassault окружила Жана-Мари Саже после его первого полета на Mirage G8 02; 13 июля 1972 года. В этом полете самолет развил скорость M = 1,0
Робер Галан испытывал Mirage G8 01 и 02 в качестве пилота центра летных испытаний
4 января 1973 года Гий Мито-Моруард совершил первый полет на Mirage G8 02. Самолет был представлен на парижском авиасалоне 1973 года, во время которого машину пилотирован Жан-Мари Саже
пилот увеличивал стреловидность крыла перемещением соответствующего рычага (показан желтой стрелочкой) вперед. Для увеличения мощности силовой установки рычаг газа (показан крсаной стрелочкой) также перемещался вперед
13 июля 1973 года Жан-Мари Саже разогнал Mirage G8 02 до скорости M = 2,34. Увеличение температурного воздействия на планер ограничивало полет на данной скорости 30 секундами. Следует иметь ввиду, что оба двигателя Atar 9K50 работали не на полную мощность!
прототип Panavia Tornado совершил первый полет в августе 1974 года – после завершения испытаний Mirage G8 02
от первого прототипа Mirage G8 02 отличался наличием в воздухозаборниках подвижных створок перепуска воздуха, предназначенными для достижения скорости M = 2,5
были выполнены несколько полетов с противорадиолокационными ракетами Matra AS-37 Martel. Пилоны изменяли свое положение в зависимости от угла стреловидности крыла
перед отправкой в коллекцию музея авиации и космонавтики в Ле Бурже Mirage G8 01 был покрыт защитной краской
28 мая 1974 года Mirage G8 02 выполнил дозаправку в воздухе от принадлежавшего ВВС C-135F. Угол стреловидности «миража» установлен 55° как на разрабатывавшемся истребителе ACF
европейский музей истребительной авиации в Монтелимаре приобрел, восстановил и выставил в экспозиции элементы Mirage G8 02, который до этого был макетом в центре летных испытаний

Ход выполнения программы AFVG

31 октября 1965 года British Aircraft Corporation и GAMD, у которых с технической точки зрения позиции совпадали, представили первый проект самолета: двухмоторный, двухместный, с изменяемой геометрией крыла и максимальным весом в 16 тонн. Двигателями должны были стать Bristol-Snecma M45G, мощности которых было недостаточно.

Генеральный штаб, желавший получить самолет с большим боевым радиусом, переключился на самолет весом 23 тонны. Учитывая финансовую сторону, руководящий комитет запросил самолет весом 20 тонн. Двигатели Bristol-Snecma были рассмотрены в нескольких вариантах проекта. В конечном итоге, было решено, что невозможно создать самолет, который был бы в состоянии соответствовать различным требованиям спецификации. Было решено, что необходимо разработать две версии: перехватчик со слабыми возможностями ударного самолета и ударный самолет с небольшими возможностями перехватчика.

Проблемы с силовой установкой усложнялись. Pratt & Whitney и SNECMA подписали соглашение, по которому американцы расширяли свое технологическое присутствие в Европе. Со своей стороны компания Rolls-Royce была обеспокоена и опасалась оказаться в долгосрочной перспективе изолированной и обреченной на финансовые проблемы.

Чтобы склонить компанию Dassault в сторону проекта франко британского самолета с изменяемой геометрией крыла, в генштабе ВВС, который предпочитал двигатель Rolls-Royce, было заявлено, что готовы принять Mirage F1 при условии, что компания сделает выбор в пользу SNECMA TF306. В планах генштаба было предложить компании GAMD два варианта: Mirage F1 и франко-британский самолет с изменяемой геометрией крыла или французский самолет с изменяемой геометрией крыла (Mirage G) без Mirage F1, поскольку отечественный самолет с ИГ будет стоить больше, чем AFVG.

1966 год был богат на политические и военные события, оказавшие непосредственное влияние на франко-британское сотрудничество.

В феврале 1966 года французский министр обороны проинформировал своего британского коллегу, что он готов отменить программу Mirage G, если из соглашения по AFVG будут удалены условия отмены программы. Британский министр обороны, уязвленный неудачей отмены программы Concorde, отказался от данного предложения.

22 февраля 1966 года правительство Великобритании опубликовало Белую книгу по обороне, в которой указывалось, что Королевский флот отказывается от самолетов с переменной стреловидностью крыла и что Королевские ВВС в настоящее время уделяют повышенное внимание ударным задачам. Для того чтобы заполнить пробел перед датой получения AFVG, предусматривался заказ на пятьдесят F-111

После объявления о выходе Франции из военной организации НАТО (7 марта 1966 года) и выступления генерала де Голля в Пномпене (1 сентября 1966 года), в которой он возложил на США ответственность за войну во Вьетнаме, американское правительство выступило за запрет какого-либо экспорта французских военных самолетов, оснащенных двигателями Pratt & Whitney. Это стало смертельным ударом для программ самолетов, оснащенных такими силовыми установками. С выходом из военной организации НАТО Франция должна была самостоятельно обеспечивать противовоздушную оборону своей территории и, следовательно, отдавать приоритет задачам перехвата и уделять больше внимания задачам доставки ядерных зарядов вглубь территории противника. Данные задачи были мало совместимыми; более того, не совпадали системы вооружений.

установленное на Mirage G крыло с изменяемой геометрией доказало свою эффективность сразу же после первого полета самолета в ноябре 1967 года

Mirage IIIT был использован в качестве испытательного стенда для двигателей, полученных от компании Pratt & Whitney. С двигателем TF104 он летал в июне 1964 года, а с двигателем TF106 – в январе 1965 года

Mirage F2 на авиасалоне в Ле-Бурже 1967 года. Самолет был оснащен двигателем TF306 и соответствовал требованиям ВВС, которые отказались от него в пользу Mirage G