Самолеты с крыльями другой формы

Размеры и формы традиционных крыльев сегодняшнего дня в значительной степени такие же, как и те, которые создавались пионерами авиации еще в прошлом веке. Братья Райт показали, что такие крылья достаточно практичны. Вот почему в на­стоящее время все еще используются крылья со средним удлинением 6 и поверхности хвостового горизонтального оперения с пло­щадью 12 ¸ 25% площади крыла, распо­ложенные на расстоянии примерно трех хорд позади центра масс самолета.

Некоторые из авиационных конструкто­ров используют другие подходы к созда­нию летательных аппаратов; кое-кто из них идет по пути радикального изменения тех или иных ставших стандартными техничес­ких решений. Некоторые из этих поисков завершаются успехом, найденные новые технические решения развиваются и посте­пенно становятся традиционными. К их числу относятся самолеты схемы «бесхвостка», самолеты с треугольным крылом, вер­толеты и автожиры, рассмотренные в пре­дыдущих главах.

Что касается нетрадиционных схем кры­ла, то их существует огромное множество, причем некоторые из них .к тому же ра­ботают на нетрадиционных принципах. Сле­дует все же отметить, что большинство даже нетрадиционных крыльев все-таки основано на принципе создания подъемной силы при обтекании набегающим воздуш­ным потоком аэродинамической поверх­ности (реже - при прохождении потока через нее). Иногда нетрадиционные крылья устанавливаются на самолеты с вполне традиционным фюзеляжем; в других случа­ях использование нетрадиционного крыла ведет к созданию совершенно оригиналь­ного летательного аппарата.

ПОЛИПЛАНЫ

Тот факт, что вполне традиционные крылья иногда используются в большем, чем характерно для традиционных само­летов, количестве, или то, что эти крылья размещаются на самолете в необычных местах, не позволяет классифицировать их как нетрадиционные (то же относится и к складывающимся крыльям). Некоторые са­молеты с большим числом крыльев часто рассматриваются как летательные аппара­ты с тандемным крылом.

Наиболее часто встречающимся видом полиплана, даже в современной авиации, является биплан. Следует, правда, отме­тить, что в настоящее время бипланы со­ставляют менее 5% самолетов парка миро­вой авиации. Перед первой мировой вой­ной количество полипланов и монопланов было примерно одинаковым, и свойствен­ные полипланным схемам преимущества по маневренности и прочности стали причи­ной того, что вплоть до конца 1920-х гг. монопланная схема не получила преобла­дающего развития. Во времена первой ми­ровой войны даже трипланы были доволь­но распространенным типом самолетов.

Главное преимущество полипланной схе­мы состоит в том, что она обеспечивает требуемую площадь при меньшем размахе. Это позволяло повысить маневренность, упростить производство, наземную эксплуа­тацию и хранение самолетов, что важно в военном деле. По мере того, как после окончания первой мировой войны влияние военных кругов на авиационную промыш­ленность стало уменьшаться, обеспечивае­мые монопланной схемой преимущества в дальности, стоимости и улучшении общей аэродинамики стали способствовать повсе­местному распространению этой схемы. Влиятельные представители военных кру­гов на протяжении нескольких лет пыта­лись противодействовать такой тенденции, но постепенно и они осознали более широ­кие возможности монопланов. В настоящее время бипланы встречаются только среди сельскохозяйственных или спортивных са­молетов. Бипланы очень популярны в мод­ном сейчас ретро авиационном движении, но это объясняется лишь тем, что бипланы в наш технотронный век - лишь забавный анахронизм.

«Летающие блины»

Прозвище «летающий блин» появилось применительно к различным самолетам за­долго до того, как «летающими тарелка­ми» стали называть после второй мировой войны реальные или вымышленные аппара­ты пришельцев из космоса. Прозвище «ле­тающий блин» явилось вполне естествен­ным для самолетов с круглой или близкой к ней формой. С времен братьев Райт различные авиационные конструкторы не­однократно предлагали схемы самолетов с крылом в форме круга. Некоторые из этих самолетов летали, тогда как другие так никогда и не оторвались от земли. Одним из ранних примеров самолетов такого ро­да, название которого, к сожалению, по­теряно для истории, является созданный самолет еще в начале 1900-х гг. Этот аппарат служил в свое время доказательст­вом изобретения Гленом Кертиссом само­лета в ходе проводившегося им процесса против братьев Райт. Пытаясь доказать, что в некоторых построенных до «Флайера» самолетах использовалась (хотя бы частич­но) система управления, подобная разработанной братьями Райт, Кертисс надеялся добиться признания недействительным по­лученного ими патента. Это был - биплан с круглым крылом был снабжен поверхностями аэродинамическо­го управления по крену, напоминающими элероны, однако эта и несколько других машин, оснащенных органами управления относительно трех осей, не помогли Кертиссу выиграть судебный процесс у братьев Райт.

Для того чтобы обеспечить условия наибольшего благоприятствования для соз­дания самолетов, во время первой мировой войны группой авиационных предпринима­телей был образован патентный пул, вклю­чающий патент братьев Райт, а также боль­шое количество патентов Кертисса и дру­гих авиационных конструкторов. Судебный иск об авторских правах так и не был разрешен, а в 1923 г. срок действия патента закончился.

СТРЕЛОВИДНЫЕ КРЫЛЬЯ

Стреловидные крылья применялись в практике авиастроения до первой мировой войны. Эти крылья можно считать тради­ционными, хотя иногда они имеют незна­чительные модификации с целью решения некоторых специальных задач. В целом, пропорции, конструкция, а также средства механизации и управления (например, эле­роны и закрылки) стреловидных крыльев остаются такими же, как на обычных пря­мых крыльях, вне зависимости от угла стреловидности.

В случае прямого крыла (имеющего по­стоянную по длине хорду от законцовки до корневой части) угол стреловидности обыч­но измеряется по передней кромке крыла. Для сужающихся крыльев угол стреловид­ности измеряется по линии четвертей хорд. Стреловидность треугольных крыль­ев определяется, как правило, по передней кромке.

Стреловидные крылья (в том числе и крылья обратной стреловидности) исполь­зуются по трем основным причинам:

а) для решения проблем балансировки,

б) для раз­мещения органов управления самолетом по тангажу на достаточном плече относитель­но центра масс;

в) для затягивания начала волнового кризиса при полете с большими скоростями (более 950 км/ч).

Необходимость выполнения высокоско­ростных полетов привела к появлению но­вой конструктивной особенности скорост­ных самолетов - крыла с изменяемой в по­лете стреловидностью. Такое крыло устанавливается под углом минимальной стре­ловидности для обеспечения максимальной подъемной силы в процессе взлета и посад­ки, а при полете с большими скоростями крыло переводится в положение макси­мальной стреловидности для получения высоких характеристик сверхзвукового по­лета.

Возникающие при проектировании и по­стройке самолетов с крылом изменяемой стреловидности проблемы очень сложны; использование такой схемы приводит к су­щественному увеличению массы и стоимости самолета. К числу возникающих обычно при создании таких самолетов проектных проблем следует отнести аэродинамические проблемы балансировки, связанные с из­менением положения крыла, и необходи­мость применения достаточно мощного и надежного поворотного узла, способного нести всю нагрузку, приходящую с консоли крыла. Кроме того, значительные конструк­тивные трудности возникают из-за необ­ходимости придания грузам, размещаемым под поворотными консолями крыла, на­правления, параллельного направлению по­лета независимо от угла стреловидности крыла.

Следует сказать еще несколько слов о влиянии крыла изменяемой стреловиднос­ти на летно-технические характеристики са­молета. При изменении конфигурации кры­ла от минимальной стреловидности к мак­симальной размах крыла и относительная толщина профиля уменьшаются, вследст­вие чего изменяются характеристики кры­ла. Так как консоль крыла представляет собой жесткую конструкцию, очевидно, что физически толщина крыла не меняется, но изменяется отношение толщины профиля к величине хорды, построенной по направ­лению воздушного потока.

САМОЛЕТЫ С КРЫЛОМ ИЗМЕНЯЕМОЙ СТРЕЛОВИДНОСТИ

После того как стреловидные крылья стали широко распространенной конструк­тивной особенностью высокоскоростных самолетов, авиационные конструкторы при­ступили к поискам путей объединения пре­имуществ стреловидного крыла при полете на больших скоростях с преимуществами прямого крыла при полетах на малых ско­ростях. В результате этих исследований была разработана схема самолетов с кры­лом изменяемой стреловидности, в кото­рой каждая из консолей крыла устанавли­вается в подвижном шарнирном соединении на фюзеляже и может механически перемещаться из положения, соответствую­щего прямому крылу, в положение макси­мальной стреловидности.

КРЫЛЬЯ НЕОБЫЧНОЙ ФОРМЫ

Многие конструкторы пытались внед­рить в практику авиастроения принципи­ально новые формы крыла, совершенно отличные от тех, которые описаны в других разделах этой главы. Часто такие попытки основывались на использовании стандарт­ных фюзеляжей, оперения, силовых уста­новок и шасси. Следует отметить, что ни одна из «гибридных» конструкций не строилась серийно и не заняла сколь - нибудь заметного места в практике авиастроения. Некоторые другие авиационные конструк­торы пытались разработать полностью не­традиционные летательные аппараты, в ко­торых крыло являлось силовой частью ап­парата, а двигатели, органы управления и шасси также были довольно необычными. Ряд таких летательных аппаратов описаны в других разделах данного сайта; это дельтапланы планерного типа, и летательные аппараты типа вертолетов и винтокрылов.

Роторное крыло Флетнера

В начале 1930-х гг. были предприняты попытки создать круглое крыло совершен­но необычной формы – в виде ротора. Ци­линдрический ротор Флетнера хорошо за­рекомендовал себя на небольших парусных яхтах, где он устанавливался вертикально вместо стандартного парусного вооруже­ния. На этих парусниках цилиндры Флетне­ра вращались с помощью приводных дви­гателей.

Когда на вращающийся цилиндр воз­действует воздушный поток в виде порыва ветра, на противоположных сторонах ци­линдра возникает перепад давлений, извест­ный как эффект Магнуса. В результате возникает боковая сила, направленная под прямым углом к направлению воздушного потока (аналогичный эффект используют разыгрывающие в бейсболе, когда посыла­ют мяч по криволинейной траектории за счет его подкручивания). Парусник с рото­ром Флетнера, действительно, был спосо­бен к самостоятельному передвижению, но не обладал достаточно существенными пре­имуществами по сравнению с традицион­ными парусными судами в эпоху существования паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания, не говоря о том, что роторному парусу не нашлось места в парусном спорте.

Несмотря на свои странные крылья и паукообразную схему фюзеляжа и шасси, самолет с роторным крылом Флетнера имел довольно традиционную аэродинами­ческую компоновку. Двигатель J-6 фирмы «Райт» с воздушным винтом размещался в передней части фюзеляжа (мощность дви­гателя 300 л. с., или 220 кВт), место пилота находилось в районе центра масс самолета; в хвостовой части фюзеляжа располагалось традиционное оперение. Второй двигатель «Америкен Циррус» (мощность 85 л. с., или 62,5 кВт) использовался для раскрутки ротора.

РОТОРНЫЙ КРЫЛЬЧАТЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ ВОЙТ-ШНЕЙДЕРА

Роторный крыльчатый движитель, известный также под названием движитель Войт-Шнейдера (Voith Schneider Propeller) - движительно-рулевое устройство с крыльчатым движителем с циклоидальным движением лопастей, создающее упор, направление которого может изменяться в пределах от 0° до 360°, вверх или вниз, вперёд или назад. При изменении углов установки лопастей, что позволяет очень хорошо маневрировать и в состоянии изменить направление почти мгновенно.

Роторный крыльчатый движитель изобретён в 1926 году австрийцем Эрнестом Шнейдером, и в 1927 году построено фирмой Войт (Voith) первое испытательное судно, первым успешным судном сданным в эксплуатацию в 1931 году, был корабль Боденского озера, Кемптен . Роторный крыльчатый движитель широко используется и в прошлом и нынешнем веке на плавучих кранах, буксирах и паромах, а также в подруливающих устройствах.

Роторный крыльчатый движитель состоит из круглой пластины, вращающейся вокруг вертикальной оси, со множеством вертикальных лопастей. Каждая лопасть вращается вокруг вертикальной оси по эпициклоиде при помощи внутреннего механизма, который изменяет угол атаки лезвий в синхронизации с вращением пластины, так чтобы каждая лопасть могла обеспечить толчок в любом положении, подобно работе автомата перекоса в вертолёте.

Попытки приспособить с 1930 по 1940 года роторный крыльчатый движитель Войт-Шнейдера в авиации были неудачными из-за слабости материалов лопастей к нагрузкам, и сложности в изготовлении конструкции, а так же ненадежности конструкции автомата перекоса. Хотя основной ошибкой было установка лопастей параллельно направлению полета, а не центру вращения лопастей, поэтому, как от вертолёта, так и схемы роторное крыло Войт-Шнейдера в авиации отказались.