Самолеты схемы «утка»

Так как первый взлетевший летательный аппарат тяжелее воздуха - самолет братьев Райт «Флайер» (1903 год) - построен по схе­ме, которая сегодня известна под названи­ем «утка», представляется логичным на­чать нашу книгу о летательных аппаратах нетрадиционных схем с самолетов этого класса.

ОШИБОЧНЫЙ ТЕРМИН

Во-первых, термин «утка» - ошибочный. Под «уткой» в авиации общепринято пони­мать самолет, горизонтальное оперение ко­торого-стабилизатор и рули высоты - рас­положено перед крылом, а не позади него. Этот термин может быть с таким же успе­хом применен и к дирижаблям, и к плане­рам. В частности, первые модели жестких дирижаблей Цеппелина оснащались распо­ложенными впереди горизонтальными по­верхностями управления в дополнение к традиционным хвостовым. Обычно термин «утка» подразумевает расположение в пе­редней части летательного аппарата основ­ных, а не вспомогательных средств аэроди­намического управления. Этот термин поя­вился впервые во Франции; его происхож­дение, вероятно, связано с тем, что крыло летящей утки находится ближе к ее хвосту, чем к голове, а вовсе не потому, что эта птица управляет своим полетом с по­мощью специального органа, расположен­ного перед крылом. Летательные аппараты этой схемы получили довольно широкое распространение.

Многие самолеты схемы «утка» можно рассматривать как самолеты с тандемными крыльями, переднее крыло которых отно­сительно мало. В этом случае переднее горизонтальное оперение (ПГО), состоящее обычно из неподвижных (стабилизаторы) и подвижных (рули высоты) поверхностей, несет значительную часть аэродинами­ческой нагрузки.

В последние годы термин «утка» стал применяться для описания самолетов, осна­щенных вспомогательными поверхностями аэродинамического управления, установ­ленными на носовой части, вообще говоря, самолетов довольно традиционных схем (а также некоторых самолетов с треугольным крылом), для обеспечения балансировки ле­тательного аппарата или управления обте­кающим его потоком, а не для осуществле­ния основного управления или создания части суммарной подъемной силы, как это бывает на классической «утке».

ПОЧЕМУ ПЕРЕДНЕЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ ОПЕРЕНИЕ?

До того, как братья Райт непосредствен­но приступили к созданию самолета, они знали о многих ранее построенных раз­личными изобретателями летательных ап­паратах. Более того, конечно же, они неод­нократно наблюдали полет птиц. Почему же они решили разместить оперение впере­ди? Во-первых, братья Райт прекрасно понимали функции «горизонтального руля» при управлении положением самолета в пространстве и считали, что расположенное впереди оперение будет выполнять такие функции более эффективно, чем хвостовое. В этом они оказались правы, но недос­татков такого технического решения они, конечно же, не знали.

Второй основной причиной их выбора было место проведения первых полетов, которые выполнялись с песчаной площад­ки, и поэтому отсутствовала возможность использования шасси колесного типа. И созданные ранее планеры, и первый «Флайер» оснащались полозковым шасси, при котором фюзеляж самолета распола­гался очень близко к земле. В то же время братья Райт понимали необходимость большого угла атаки при взлете и посадке. Низко сидящая машина типа «Флайера» на­верняка цепляла бы хвостовым оперением за землю, если бы оно было выбрано; поэтому конструкторы отказались от тако­го решения. Они установили в хвостовой части своего летательного аппарата верти­кальный киль. Балки, поддерживающие киль, оснащались шарнирами и с помощью тросовой проводки могли отклоняться вверх, не оказывая влияния на управляе­мость самолета, так как киль не отклонялся относительно набегающего потока.

ДОСТОИНСТВА

В современном понимании главным преимуществом аэродинамической схемы «утка» считается повышение маневреннос­ти самолета, что привлекает к этой схеме создателей военной техники. Более высокие маневренные качества самолетов такой схемы оказались очень полезными в со­вершенствовании характеристик некоторых из созданных в последнее время ультра­легких летательных аппаратов.

Еще одним преимуществом самолетов схемы «утка» считается то, что практически всегда можно построить такой летатель­ный аппарат с естественной противоштопорной защитой: срыв воздушного потока на ПГО происходит раньше, чем на крыле, создающем большую часть подъемной си­лы, поэтому нос самолета в этом случае слегка опускается, и машина возвращается в нормальный полет.

НЕДОСТАТКИ

Существенным недостатком схемы «ут­ка» является то, что летательным аппара­там этой схемы присуща продольная неус­тойчивость. Вместо того чтобы демпфиро­вать движения самолета относительно по­перечной оси (по тангажу), как это делает, например, оперение стрелы, воздействие воздушного потока на переднее горизон­тальное оперение усиливает соответствую­щие возмущения. В своих записках О. Райт отмечал, что устойчивость «утки» по танга­жу определяется мастерством летчика.

Опыт первых полетов показал, что в том случае, когда на переднем горизон­тальном оперении создается значительная подъемная сила, она оказывает существен­ное влияние на балансировку самолета. Срыв потока на ПГО вызывает примерно такое же воздействие на балансировку лета­тельного аппарата, как, например, склады­вание пары ножек стола, две другие ножки продолжают поддерживать противополож­ный конец, и стол падает в ту сторону, где опора отсутствует. Поэтому противоштопорные достоинства самолетов схемы «ут­ка» довольно скоро поблекли. Самолеты этой схемы практически полностью исчезли из практики авиастроения вплоть до того, как в начале второй мировой войны начали проводиться углубленные исследования «утки», нацеленные на поиск возможных путей повышения характеристик маневрен­ности самолетов. Однако и в этот период развития авиации не удалось реализовать достоинства этой схемы.

Лишь в последние годы было создано несколько очень удачных самолетов схемы «утка», которые продемонстрировали преи­мущества этой схемы в некоторых специфи­ческих условиях применения авиационной техники. Однако на этих самолетах уже применялись специальные средства предот­вращения мощного срыва потока с ПГО.

Это достигается путем увеличения крити­ческого угла атаки за счет выдува потока на ПГО, использования аэродинамических профилей с различными несущими свойст­вами или применения ПГО в качестве лишь балансировочной поверхности (в этом слу­чае ПГО не создает сколь - нибудь замет­ного вклада в подъемную силу), например, на самолетах с близким к треугольному крылом большой площади или самолетах - «бесхвостках» с крылом прямой стре­ловидности. По схеме «утка» построены некоторые из современных ракет, но систе­мы управления этих ракет обычно работа­ют с использованием бортовых ЭВМ и автоматических средств повышения устой­чивости, которые вырабатывают и осу­ществляют балансировочные команды, предотвращающие нарастание возмущений в канале тангажа.

Следует отметить, что все самолеты схемы «утка», реализованные в соответст­вии с техническим уровнем, достигнутым до 1960-х гг., стали сущим несчастьем. Как бы предвидя это, братья Райт уже в 1909 году (когда они стали использовать колес­ное шасси, позволяющее приподнять само­лет от земли и обеспечить набор угла атаки на разбеге) отказались от ПГО и установи­ли рули высоты в хвостовой части аппарата около руля направления.

Наиболее широкое распространение схе­ма «утка» получила в области ультралегких летательных аппаратов. Этот класс совре­менных летательных аппаратов проделал своеобразный путь назад к полетам того типа, которые выполняли братья Райт и которые характеризуются весьма ограни­ченным скоростным диапазоном, ограни­ченной маневренностью и сравнительно не­большой полезной нагрузкой. В период с 1980 по 1983 гг., вероятно, было спроекти­ровано и построено больше самолетов этой схемы, чем за всю предыдущую историю авиации.