Бесхвостый самолет - Tailless aircraft

В DH108 Глотать

А бесхвостый самолет не имеет хвостовое оперение и никакой другой горизонтальной поверхности, кроме его основного крыла. Функции аэродинамического контроля и стабилизации в обоих подача и рулон включены в главное крыло. Бесхвостый тип может иметь обычное вертикальное оперение (вертикальный стабилизатор ) и руль.[1][2][3]

Теоретические преимущества бесхвостой конфигурации включают низкую паразитическое сопротивление как на Хортен H.IV парящий планер и хорошие характеристики скрытности как на Нортроп В-2 Дух бомбардировщик.

Самой удачной бесхвостой конфигурацией была бесхвостая. дельта, особенно для боевых самолетов, хотя наиболее знакомой бесхвостой дельтой является Конкорд авиалайнер.[нужна цитата ]

НАСА недавно использовал описание "бесхвостого" для романа Исследовательский самолет Х-36 с уткой на носу, но без вертикального плавника.

Летающие крылья

Основная статья: Летающее крыло

А летающее крыло это бесхвостая конструкция, в которой также отсутствует отчетливый фюзеляж с пилотом, двигателями и т. д., расположенными непосредственно в крыле или на нем.

Аэродинамика

Тащить

Обычный самолет с неподвижным крылом имеет горизонтальный стабилизатор поверхность отдельно от его основного крыла. Эта дополнительная поверхность вызывает дополнительное сопротивление, требующее более мощного двигателя, особенно на высоких скоростях. Если продольная (тангажная) устойчивость и управляемость могут быть достигнуты каким-либо другим способом (см. Ниже), стабилизатор может быть удален, а сопротивление уменьшено.

Продольная устойчивость

У бесхвостого самолета нет отдельного горизонтального стабилизатора. Из-за этого аэродинамический центр обычного крыла будет располагаться впереди центра тяжести самолета, создавая нестабильность в подача. Чтобы переместить аэродинамический центр назад и заставить самолет стабильный. У дизайнера есть два основных способа достичь этого, первый из которых был разработан первопроходцем в области авиации. Дж. В. Данн.

Отвод передней кромки крыла назад, как стреловидное крыло или же треугольное крыло, и уменьшение угол падения наружной секции крыла позволяет внешнему крылу действовать как обычный стабилизатор хвостового оперения. Если это делается постепенно по размеру внешней секции, это называется кончик вымывание. Данн добился этого, придав верхней поверхности крыла конический кривизна. В горизонтальном полете самолет должен быть сбалансирован таким образом, чтобы его концы не создавали подъемной силы: им может даже потребоваться небольшая тяга вниз. Это снижает общую эффективность крыла, но для многих конструкций - особенно для высоких скоростей - это перевешивается уменьшением лобового сопротивления, веса и стоимости по сравнению с обычным стабилизатором. Большой размах крыла также снижает маневренность, и по этой причине конструкция Данна была отклонена британской армией.

Альтернативой является использование low или null момент качки профили, например, в Horten серия планеров и истребителей. В них используется необычное крыло крыло секция с рефлексом или реверсом выпуклость на задней части или на всем крыле. При рефлекторном изгибе более плоская сторона крыла находится сверху, а сильно изогнутая сторона - снизу, поэтому передняя часть представляет собой большой угол атаки, в то время как задняя часть более горизонтальна и не дает подъемной силы, поэтому действует как хвостовое оперение. или размытые кончики стреловидного крыла. Рефлекторный изгиб можно смоделировать, установив большой лифты к обычному профилю и подрезая их заметно кверху; центр тяжести также должен быть перемещен вперед по сравнению с обычным положением. Из-за Эффект Бернулли, рефлекторный развал имеет тенденцию создавать небольшой рывок вниз, поэтому угол атаки крыла увеличивается для компенсации. Это, в свою очередь, создает дополнительное сопротивление. Этот метод позволяет более широкий выбор форма крыла в плане чем стреловидность и размытость, а конструкции включают прямые и даже круглые (Arup) крылья. Но сопротивление, присущее большому углу атаки, обычно считается неэффективным, и только некоторые производственные типы, такие как Фовель и Marske Aircraft серия планеров, использовали его.

Более простой подход состоит в том, чтобы преодолеть нестабильность, разместив основную массу самолета на значительном расстоянии ниже крыла, чтобы сила тяжести имела тенденцию удерживать самолет в горизонтальном положении и таким образом противодействовать любой аэродинамической нестабильности, как в параплан. Однако на практике этого редко бывает достаточно для обеспечения устойчивости самого по себе, и обычно его дополняют описанные аэродинамические методы. Классический пример - Крыло Рогалло дельтаплан, в котором используется та же стреловидность, размывка и коническая поверхность, что и у Dunne.

Стабильность также можно обеспечить искусственно. Есть компромисс между стабильностью и маневренностью. Для высокой маневренности требуется низкая устойчивость. Некоторые современные высокотехнологичные боевые самолеты аэродинамически неустойчивый по тангажу и полагайтесь на компьютерное управление по проводам для обеспечения устойчивости. В Нортроп Б-2 Дух летающее крыло является примером.

Управление по каналу тангажа

Многие ранние конструкции не могли обеспечить эффективное управление тангажем для компенсации отсутствующего стабилизатора. Некоторые образцы были стабильными, но их высоту можно было контролировать только с помощью мощности двигателя. Другие могут резко и бесконтрольно качаться вверх или вниз, если с ними не обращаться осторожно. Это дало бесхвостым конструкциям репутацию нестабильных. Лишь после более позднего успеха бесхвостой дельта-конфигурации в эпоху реактивных двигателей эта репутация была широко признана незаслуженной.

Обычно принимаемое решение заключается в установке большого лифта и / или элевон поверхности на задней кромке крыла. Если крыло не имеет большой стреловидности, они должны создавать большие управляющие силы, так как их расстояние от аэродинамического центра невелико и моменты меньше. Таким образом, бесхвостый тип может испытывать большее сопротивление во время маневров по тангажу, чем его традиционный эквивалент. В треугольном крыле с высокой стреловидностью расстояние между задней кромкой и аэродинамическим центром больше, поэтому увеличенные поверхности не требуются. В Dassault Mirage Бесхвостая дельта-серия и ее производные были среди наиболее широко используемых боевых самолетов. Однако даже в Mirage управление по тангажу на больших углах атаки во время взлета и посадки могло быть проблематичным, и некоторые более поздние производные имели дополнительные утка поверхности.

Устойчивость по рысканью

Обычный самолет нестабилен на рысканье, и ему нужен хвостовой киль, чтобы держать его прямо. Движение элеронов создает неблагоприятный рыскание вытаскивая его из поворота, что также должно компенсироваться руль. В то время как стреловидное крыло устойчиво в прямом полете, оно все же испытывает сильный рыскание во время поворота. Одним из решений является достаточный поворот крыла для того, чтобы внешняя часть наклонилась вниз и создавала отрицательную подъемную силу. Это устраняет неблагоприятное рыскание элеронов, помогая самолету войти в поворот и устраняя необходимость в вертикальном руле направления или интерцепторах с дифференциальным сопротивлением.

Колоколообразное распределение подъемной силы, которое это создает, также показано, что минимизирует индуцированное сопротивление для данного веса (по сравнению с эллиптическим распределением, которое минимизирует его для данного пролета).[4]

История

Смотрите также История летающего крыла

Дж. В. Данн

Биплан Берджесс-Данн в армии США в 1917 году.
Основная статья: Дж. В. Данн

Между 1905 и 1913 годами Британская армия Офицер и воздухоплаватель Дж. В. Данн разработала серию бесхвостых самолетов, которые по своей сути должны быть устойчивыми и демонтируемыми. Вдохновленные его исследованиями чаек в полете, они характеризовались стреловидными крыльями с конической верхней поверхностью. Конус был устроен так, что крыло постепенно закручивалось наружу к законцовкам, создавая отрицательный угол наклона и, следовательно, отрицательную подъемную силу во внешних частях, создавая общую стабильность как по тангажу, так и по рысканью. Единая управляющая поверхность на задней кромке каждой законцовки крыла действовала как комбинированный элерон и руль высоты. Данн хорошо разбирался в аэродинамических принципах и даже понимал, как отрицательная подъемная сила на законцовках крыла в сочетании с крутым наклоном вниз в поперечном направлении повышает курсовую устойчивость.[5]

Хотя изначально задумывался как моноплан, Первоначальные проекты Данна для армии должны были быть бипланы, как правило, с фюзеляжной гондолой между самолетами с установленным сзади толкающим винтом и неподвижными ребрами концевых пластин между каждой парой законцовок крыла.

После того, как его армейская работа закончилась, в 1910 году биплан D.5 был засвидетельствован в стабильном полете. Орвилл Райт и Гриффит Брюэр, который представил официальный отчет Королевское авиационное общество с этой целью.[6] Таким образом, он стал первым самолетом, когда-либо достигшим естественной устойчивости в полете, а также первым практичным бесхвостым самолетом. Более поздний D.8 был построен по лицензии и коммерчески продан компанией У. Старлинг Берджесс в Америке как Берджесс-Данн.

Он также вернулся в свой моноплан. В D.6 1911 года был моноплан толкающего типа с высоким крылом, который также отличался выраженным наклоном к законцовкам крыла. Поверхности управления теперь также действовали как рули направления.

Многие идеи Данна о стабильности остаются в силе, и известно, что он оказал влияние на более поздних дизайнеров, таких как Джон К. Нортроп (отец Northrop Grumman B-2 Spirit стелс-бомбардировщик).

Между войной и Второй Мировой

G.T.R. Хилл и птеродактили

После Первой мировой войны летчик Джеффри Т. Р. Хилл также искал стабильную, разборную конструкцию. Поначалу Данн немного помог, а Хилл продолжил производство Птеродактильный ряд бесхвостых самолетов с 1920-х годов. Хилл также начал разрабатывать теорию стабильного крыла и включил ее в свои конструкции.

Дельты Липпиша

Немецкие теоретики развили теорию устойчивого крыла. Дизайнер Александр Липпиш произвел свою первую бесхвостую модель Delta I в 1931 году. Он продолжил создание серии все более сложных конструкций, и в конце Вторая мировая война был доставлен в Америку, чтобы продолжить свою работу.

Мессершмитт Me 163 Комет

Вовремя Вторая мировая война, Липпиш работал у немецкого дизайнера Вилли Мессершмитт на первом поступившем в производство бесхвостом самолете Я 163 Комет. Это был единственный ракетный перехватчик, когда-либо поставленный на передовую, и был самым быстрым самолетом, поступившим на вооружение во время войны.

Northrop

Параллельно с Липпишем в США Джек Нортроп разрабатывал собственные идеи бесхвостых конструкций. В Н-1М летали в 1941 году, и за ними последовала череда бесхвостых типов, некоторые из которых были настоящими летающими крыльями.

Послевоенный

de Havilland DH 108 Глотать

В 1940-х годах британский авиаконструктор Джон Карвер Медоуз Фрост разработал бесхвостый исследовательский самолет с реактивным двигателем, названный de Havilland DH.108 Глотать. Построен с использованием носовой части фюзеляжа де Хэвилленд Вампир истребитель. Один из них, возможно, был одним из первых самолетов, преодолевших звуковой барьер - он сделал это во время мелкого пикирования, и несколько свидетелей услышали звуковой удар.[нужна цитата ] Все три построенные были потеряны в результате катастроф.

Northrop X-4 Bantam

Подобно D.H.108, двухдвигательный двигатель Northrop X-4 1948 года выпуска был одним из серия послевоенных X-самолетов экспериментальный самолет, разработанный в Соединенных Штатах после Второй мировой войны для выполнения исследовательских программ, изучающих проблемы высокоскоростного околозвукового полета и не только. У него были аэродинамические проблемы, аналогичные тем, что у DH108, но оба построенных экземпляра X-4 пережили свои программы летных испытаний без серьезных инцидентов в ходе примерно 80 полных исследовательских полетов с 1950 по 1953 год, достигнув максимальной скорости только 640 миль в час (1035 км / ч. ).

Dassault Мираж

Французский Мираж Серия сверхзвуковых реактивных истребителей была примером бесхвостой дельта-конфигурации и стала одной из самых массово производимых среди всех западных реактивных самолетов. В отличие от советского аналога широко производимого истребителя с треугольным крылом, Микоян-Гуревич МиГ-21, есть стабилизатор хвоста.

Convair F2Y Морской дротик

В 1950-х годах Convair F2Y Sea Dart прототип стал единственным гидросамолет когда-либо превысить скорость звука. Компания Convair построила несколько других успешных бесхвостых дельта-машин.

Сверхзвуковые авиалайнеры

Англо-французский Конкорд Сверхзвуковой транспорт и его советский аналог Туполев Ту-144 бесхвостые сверхзвуковые реактивные авиалайнеры с изящно изогнутыми оживлять дельта крылья. Часто отмечали изящество и красоту этих самолетов в полете.[7]

Локхид SR-71 Blackbird

Американец Локхид SR-71 Блэкберд Самолет-разведчик был самым быстрым самолетом с реактивным двигателем в то время, когда он был выведен из эксплуатации, достигая скорости выше 3 Маха.

НАСА PRANDTL-D

Крыло PRANDTL-D для предварительных исследований аэродинамического дизайна NASA для снижения лобового сопротивления (PRANDTL-D) было разработано Элом Бауэрсом в НАСА. Центр летных исследований Армстронга. Бауэрс был вдохновлен работой Людвиг Прандтль и, как Данн, наблюдая за полетом птиц. Как и в случае с дизайном Данна, он имеет скручивание крыла Достаточно установить законцовки крыла под отрицательным углом и создать такое же положительное сцепление качения и рыскания.[8][9][10]Бауэрс разработал количественный анализ подъемных характеристик, что привело к его более общему открытию колоколообразного распределения подъемной силы, которое минимизирует индуцированное сопротивление для веса самолета. Он применил это распределение в серии дизайнов «Прандтль-Д».[4] К концу 2017 года он управлял тремя такими исследовательскими моделями.[11][12]

Смотрите также

Рекомендации

Встроенные цитаты

  1. ^ Torenbeek, E .; Advanced Aircraft Design: концептуальное проектирование, анализ и оптимизация дозвуковых гражданских самолетов, Wiley (2013), раздел 6.2.3. Классификация на виде сверху, категория B Однокорпусный планарный моноплан: «B4 - Бесхвостый самолет: не имеет горизонтального стабилизатора, но имеет вертикальное оперение».
  2. ^ Крус, Рардон и Нолан; Основы авиационной науки, восьмое издание, McGraw-Hill (2013), стр. 101: «Летающее крыло - это летательный аппарат без хвоста, который ... может иметь некоторые небольшие дополнения ... например ... вертикальные стабилизаторы ...»
  3. ^ Никель, К .; и Wohlfahrt, W .; Бесхвостые летательные аппараты в теории и на практике, ButterHeinem (1994).
  4. ^ а б Бауэрс, Альбион; Мурильо, Оскар (март 2016 г.). «На крыльях минимального индуцированного сопротивления: последствия перегрузки для самолетов и птиц» (PDF). Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  5. ^ Дж. У. Данн; "Теория самолета Данна", Авиационный журнал, Апрель 1913 г., стр. 83-102. Серийно в Полет с 16 августа 1913 г. по 13 сентября 1913 г.,
  6. ^ «Автоматическая машина стабилизации», Полет 18 февраля 1911 г., страницы 133-134.[1]
  7. ^ Trubshaw, B .; Конкорд: внутренняя история, Паб. Саттон, Англия (2000), ISBN  978-0-7509-2393-4.
  8. ^ Предварительные исследования аэродинамического дизайна для снижения лобового сопротивления (PRANDTL): обзор, НАСА Центр летных исследований Армстронга, 2015
  9. ^ Экспериментальный самолет в форме крыла, проверяющий новый метод конструкции крыла, НАСА Центр летных исследований Армстронга, 2016
  10. ^ Бауэрс, Эл (26.07.2017). «Омега Тау, 256 - Летные исследования в НАСА Армстронг, Часть 1: Подшкала» (Опрос). Беседовал Маркус Фёльтер. Омега Тау. (подкаст)
  11. ^ Субшкальный планер совершил первый полет, НАСА Центр летных исследований Армстронга, 2015
  12. ^ Информационный бюллетень НАСА Армстронг: Самолет Прандтл-Д, НАСА Центр летных исследований Армстронга, 2016

Общие ссылки

внешняя ссылка