Самолеты с крыльями схемы «тандем»

Большинство созданных в процессе разви­тия авиационной техники самолетов с тандемными крыльями имели два крыла, кото­рые устанавливались на противоположных концах фюзеляжа. Каждое из этих крыльев создавало, как правило, примерно полови­ну суммарной аэродинамической силы. В истории авиации известно несколько само­летов с крыльями схемы «тандем», у кото­рых в центральной части фюзеляжа уста­навливалось третье крыло. Некоторые из этих самолетов летали, но высокие характе­ристики ни на одном из них достигнуты не были.

ДОСТОИНСТВА

Одной из побудительных причин созда­ния самолетов с тандемными крыльями является представление о том, что таким образом можно получить большую пло­щадь несущей поверхности, чем в случае использования одного крыла и небольшого горизонтального оперения на самолете той же геометрической размерности (в преде­лах тех же размаха крыла и длины фюзе­ляжа).

Одним из первых практических выво­дов, который сделали создатели первых летательных аппаратов, стало понимание принципиальной важности такого парамет­ра, как удельная нагрузка на крыло-число килограммов массы самолета, приходя­щихся на квадратный метр площади крыла. Средние персональные самолеты сегодняшнего дня типа «Цессна-152» имеют нагрузку на крыло порядка 50-60 кг/м². На заре авиации величина этого параметра обычно составляла 6-7 кг/м²; несмотря на это, пионеры авиации боролись за экономию каждой унции массы своих летательных аппаратов. Маломощные силовые установ­ки тех лет делали каждый лишний кило­грамм массы конструкции самолетов серьезным препятствием на пути к желае­мой цели.

Одним из путей снижения нагрузки на крыло является увеличение его площади. В прошлом, когда самолеты были относи­тельно легкими, можно было достичь боль­шего темпа увеличения площади крыла по сравнению с массой его конструкции, по­этому превращение обычного горизонталь­ного оперения в крупную несущую поверх­ность, аналогичную крылу, было очень ес­тественным делом. Кроме того, при ис­пользовании крыльев схемы «тандем» го­раздо проще получить заданную площадь крыла при небольшом размахе без необхо­димости преодолевать конструктивные сложности и снижать сопротивление интер­ференции, характерное для бипланных схем.

НЕДОСТАТКИ

В приведенных выше рассуждениях обычно не учитывается тот факт, что созда­ние самолетов с крыльями схемы «тандем», помимо описанных выгод, сопровождается увеличением массы планера; наряду с уве­личением подъемной силы возрастают аэродинамическое сопротивление и момен­ты инерции, что в результате ведет к необ­ходимости использования более мощной силовой установки.

В первых самолетах тандемной схемы, крылья которых были построены с исполь­зованием несовершенных профилей, харак­теризующихся значительным изменением положения центра давления при изменении угла атаки (из-за изменения скорости), обычно возникали серьезные проблемы с продольной балансировкой летательного аппарата. Обычно по мере увеличения ско­рости и уменьшения угла атаки центр дав­ления большинства профилей сдвигается назад. Так как оба крыла имеют примерно одинаковую несущую способность, центр масс самолета должен находиться пример­но посередине между ними (а не вблизи центра давления, как это обычно делается на самолетах традиционных схем). По мере того, как центр давления на обоих крыльях сдвигается назад, создаваемый передним крылом момент (на плече, равном расстоя­нию от центра давления до центра масс) уменьшается, а создаваемый задним кры­лом момент увеличивается. Такое неблаго­приятное изменение моментов обычно пре­вышает возможности балансировочных по­верхностей (рулей высоты или триммеров), и самолет начинает пикировать. Самолеты с узким диапазоном полетных скоростей (типа планеров и ультралегких летатель­ных аппаратов) или современные самоле­ты, на которых используются профили с нулевым сдвигом центра давления, как пра­вило, не сталкиваются с этой проблемой, но в то же время и не демонстрируют существенных преимуществ, которые мог­ли бы перевесить присущие данной схеме недостатки.

Еще одной характерной для таких схем проблемой является более высокий по срав­нению с традиционными схемами момент инерции в канале тангажа (при движении относительно поперечной оси самолета). На самолетах традиционных схем эта ось находится довольно близко к центральной линии крыла, и момент инерции в канале тангажа ограничивается массой фюзеляжа.

На самолетах с тандемными крыльями ось движения тангажа находится примерно посередине между крыльями. В дополнение к необходимости поднять фюзеляж, напри­мер, вверх в движении тангажа, необходи­мо переместить вверх массу переднего кры­ла и вниз массу заднего крыла. Таким образом, возникает необходимость переме­щения значительной дополнительной мас­сы; кроме того, требуется и большая по величине управляющая сила. Возникает и еще один недостаток с точки зрения аэро­динамики - значительно увеличивается балансировочное сопротивление.

На некоторых самолетах с крыльями схемы «тандем» используются рули высо­ты, размещенные непосредственно на крыльях (на других самолетах этой схемы органы управления по тангажу размещены на традиционном горизонтальном опере­нии). В некоторых случаях рули направле­ния находятся в пределах размаха крыльев (обычно заднего); в других же случаях рули направления устанавливаются в хвостовой части самолета.

В целом можно сказать, что самолеты с крыльями схемы «тандем» оказались наименее удачными из всех нетрадицион­ных схем летательных аппаратов, но техни­ческие возможности сегодняшнего дня да­ют этой схеме еще один шанс доказать свою жизнеспособность и целесообраз­ность.