Самолеты схемы «бесхвостка»

Практически с того самого момента, как человек начал строить летательные ап­параты, самолеты схемы «бесхвостка» ста­ли одной из наиболее популярных схем. Одной из первых природных аналогий, на основании которых человек стал создавать летательные аппараты, является естествен­ный бесхвостый планер-семя тропического растения дзанония, которое отличается естественной аэродинамической устойчи­востью. Семена этого растения, сорвав­шись с веток, планируют на значительную дальность до того, как падают на землю, где они пускают корни.

ДОСТОИНСТВА

На первый взгляд, самолет схемы «бес­хвостка» обладает многими преимущест­вами по сравнению с традиционными схе­мами, которые обусловлены значительным снижением массы конструкции, аэродина­мического сопротивления и стоимости бла­годаря исключению хвостовой части фюзеляжа и аэродинамических поверхностей оперения. Кроме этого, вследствие мень­шей инерционности повышается маневрен­ность аппарата. В крупногабаритных кон­струкциях этой схемы грузы и пассажиры могут размещаться внутри крыла, распола­гающего значительными объемами. В большинстве построенных самолетов схе­мы «бесхвостка» силовая установка, эки­паж и т. п. размещаются в укороченном по сравнению с обычными фюзеляже, который часто называют гондолой.

НЕДОСТАТКИ

Летательные аппараты схемы «бес­хвостка» обладают двумя принципиальны­ми недостатками, которые вполне способ­ны свести на нет присущие этой схеме достоинства. Первым из этих недостатков является неустойчивость в движении танга­жа, тенденция крыла к вращению относи­тельно собственной поперечной оси, если положение точки приложения подъемной силы (центр аэродинамического давления) изменяется относительно положения цент­ра масс. Устойчивость такого аппарата лег­ко обеспечить для некоторого расчетного значения скорости, но при изменении ско­рости или положения центра давления обеспечение устойчивости представляется до­вольно сложным. Вторым недостатком схе­мы «бесхвостка» является малое плечо по­верхностей управления по тангажу. Так как традиционные органы балансировки-рули высоты располагаются очень близко к центру тяжести (для «бесхвосток» с пря­мым крылом), их эффективность значи­тельно снижается по мере уменьшения ве­личины плеча этих поверхностей управле­ния. Это означает, что для создания требуе­мой по величине силы они должны откло­няться на больший угол. Поэтому для обес­печения балансировки самолета в горизон­тальном полете требуется отклонить рули высоты, что приводит к появлению допол­нительного аэродинамического сопротив­ления, известного под названием баланси­ровочного.

Еще одной проблемой, с которой обыч­но сталкиваются проектировщики самоле­тов схемы «бесхвостка», является выбор места для размещения вертикального опе­рения и руля направления. Лишь очень немногим авиационным конструкторам удалось построить самолеты схемы «бес­хвостка» без вертикального оперения; боль­шинству все же пришлось использовать эти поверхности зачастую существенно боль­шей площади из-за их пониженной эффек­тивности вследствие уменьшения плеча вертикального оперения. Некоторые кон­структоры удлиняли короткие фюзеляжи этих самолетов для того, чтобы установить в хвостовой части фюзеляжа одиночный руль направления, что позволяет несколько увеличить создаваемый момент; другие ус­танавливали руль направления на каждую из законцовок крыла или ближе к борту фюзеляжа в районе хвостовой части.

ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ САМОЛЕТОВ СХЕМЫ «БЕСХВОСТКА»

Естественную подсказку для решения проблемы устойчивости и управляемости летательных аппаратов схемы «бесхвостка» дает анализ геометрии семени дзанонии. Задние кромки «законцовок крыла» этого семени расположены достаточно далеко от его центральной части и создают по существу стреловидную конфигурацию. Кроме того, тенденция к возникновению кабрирующего момента исключается за счет отклонения вверх задних кромок кон­цевых частей семени (на самолетах этому участку обычно соответствует область установки руля высоты), так что обтекаю­щий семя поток создает направленную вниз силу, которая балансирует кабрирующий момент.

При разработке самолетов схемы «бес­хвостка» нетрудно придать крылу прямую стреловидность и установить рули высоты на законцовках, где они, имея большее плечо относительно центра масс, будут об­ладать большей эффективностью. Так как на законцовках крыла обычно располага­ются и элероны (для создания максималь­ного момента относительно продольной оси самолета), целесообразно объединить функции элерона и руля высоты в единой поверхности управления, которая получила название «элевона». Расположенные на противоположных законцовках крыла по­верхности управления при отклонении в одном направлении работают как рули вы­соты, а при отклонении в разные сторо­ны - как элероны. При необходимости осу­ществляется комбинированное отклонение этих поверхностей управления.

Для обеспечения установившегося поле­та тенденция к возникновению кабрирую­щего момента самолета схемы «бесхвост­ка» парируется путем отклонения законцо­вок крыла с целью уменьшения угла атаки; по сути дела, в этом случае законцовки крыла используются как рули высоты, постоянно отклоненные вверх, вместо от­клонения рулей высоты или элевонов.

Такой подход обладает, в свою очередь, существенным недостатком, который авиа­ционные конструкторы первых лет авиа­ции, вероятно, не до конца понимали. Уменьшение угла атаки концевых частей крыла приводит к значительному сниже­нию подъемной силы на этих участках, тогда как их аэродинамическое сопротивле­ние значительно увеличивается - а именно для исключения этих явлений и предпола­галось исключить из конструкции традици­онного оперения хвостовую часть фюзеля­жа на самолетах схемы «бесхвостка».

За годы развития авиации было создано довольно мало самолетов схемы «бесхвост­ка» с прямым крылом. Наиболее совершен­ными из летательных аппаратов этого типа были легкие самолеты с весьма ограниченным диапазоном скоростей полета. Схема «бесхвостка» на протяжении развития авиа­ции постоянно имела своих устойчивых приверженцев, но до появления современ­ных бесхвостых планеров и сверхлегких летательных аппаратов периода 1970-1980 гг. единственной массовой «бесхвосткой» стал немецкий перехватчик с ракет­ным двигателем «Мессершмитт» Me-163, созданный в 1944-1945 гг.

Присущие бесхвостым конструкциям преимущества, связанные с уменьшением массы, стоимости и аэродинамического сопротивления, проявляются, главным об­разом, в области планерной техники и ультралегких летательных аппаратов, для которых характерен очень узкий диапа5он скоростей полета, что существенно упро­щает решение проблем балансировки и обеспечения необходимой управляемости. Более того, поскольку в аппаратах этого типа летчик размещается несколько ниже центра масс конструкции (а масса летчика для этих аппаратов нередко превышает массу всей конструкции), возникает значи­тельный по величине стабилизирующий момент, способный создать запас устойчивости по тангажу, что, в свою очередь, позволяет использовать в конструкции пря­мое, а не стреловидное крыло.