Как истребителю удается выполнять хорошие и быстрые маневры с такими маленькими крыльями?

Истребительная (боевая) авиация предназначена для совершения быстрых маневров с целью быстрого выхода на позицию для поражения и уничтожения вражеского самолета или уклонения от приближающихся угроз (например, ракет и т. д.). Гражданские самолеты, такие как авиалайнеры, разрабатываются с учетом других факторов, таких как комфорт, безопасность, снижение расхода топлива и т. д.

Крылья - это только часть истории при выполнении маневров, подобных тем, которые выполняются в маневрировании в воздушном бою, что зависит от ряда характеристик самолета, таких как:

• Мощность . Для выполнения большинства маневров (например, винговера) важна доступная избыточная мощность. У истребителей больше избыточной мощности, что приводит к большему ускорению. Это позволяет ему быстрее входить в маневры по сравнению с гражданским самолетом. В случае возникновения чрезвычайных ситуаций боевые самолеты могут использовать свои форсажные камеры для получения значительной дополнительной мощности.

• Тяговооружённость . Большинство современных истребителей имеют высокую тяговооруженность , обычно более 1 (что позволяет им ускоряться при вертикальном наборе высоты). Это позволяет истребителям разгоняться гораздо быстрее по сравнению с гражданскими самолетами. Например, F-15 (>1) имел тяговооруженность в три раза больше, чем у Concorde (~0,33).

Источник: Strategypage.com

• Стабильность Большинство современных истребителей рассчитаны на неустойчивость. Это заставляет самолет намного быстрее реагировать на управляющие воздействия по сравнению с авиалайнерами (которые обычно не нестабильны по оси крена). Это означает, что боевые самолеты способны маневрировать гораздо быстрее.

• Инерция В случае больших крыльев инерция по крену очень высока. Это мешает им выполнять быстрые маневры. Кроме того, следует учитывать демпфирование больших крыльев. Однако в случае истребителей короткие крылья с меньшей инерцией помогают достичь высокой скорости крена.

• Нагрузка на крыло Чем меньше нагрузка на крыло , тем лучше маневренность. Большинство боевых самолетов имеют смешанную конструкцию крыла и фюзеляжа, что снижает нагрузку на крылья. Например, Еврофайтер Тайфун (~300 кг/$m^{2}$) имеет примерно половину нагрузки на крыло A380 (> 600 кг/$m^{2}$). Фактически, F-15 производил достаточную подъемную силу с оторванной половиной крыла, чтобы совершить успешную посадку.

Источник: www.armchairgeneral.com

• Поверхности управления . Как правило, боевые самолеты имеют большее количество поверхностей управления, таких как утки (в дополнение к основным поверхностям управления), по сравнению с гражданскими самолетами. Это позволяет пилоту маневрировать самолетом намного быстрее, чем авиалайнером.

Источник: www.blokeish.com

По этим причинам истребители способны выполнять маневры намного лучше и быстрее по сравнению с авиалайнерами.

Размах крыла и маневренность не обязательно тесно связаны. Важными факторами, влияющими на маневренность, являются масса и тяга, которые можно объединить в отношение тяги к весу , а также нагрузка на крыло , которая действительно связана с размером крыльев.

Тяговооружённость 737-500 составляет около 0,32 , у F-15 она может превышать 1,1 , что является огромной разницей (чем больше, тем лучше).

F-15 имеет номинальную нагрузку на крыло 358 кг/м² по сравнению с 497,05 кг/м² у 737-500 (чем меньше, тем лучше).

Комбинированный эффект увеличения отношения тяги к весу и снижения нагрузки на крыло означает, что истребитель — это совершенно другой тип самолета, чем пассажирский лайнер.

Наконец, что касается нагрузки на крыло, то на многих истребителях, начиная с 1970-х годов, корпус также частично действует как часть площади крыла. Обратите внимание, что фюзеляжи современных истребителей не имеют цилиндрического или эллипсоидального поперечного сечения, которое вы видите на пассажирском лайнере. Этот стиль дизайна еще больше отделяет размах крыла от маневренности.

Истребители и пилотажные самолеты имеют большие управляющие поверхности (элероны, рули высоты, рули направления, элвоны, стабилизаторы и т. д.), поскольку именно управляющие поверхности, а не сами крылья вызывают изменения положения, которые маневрируют самолетом.

Размах крыла и маневренность точно не связаны. Соотношение тяги к весу и нагрузка на крыло играют жизненно важную роль.

Традиционное маневрирование самолетов осуществляется за счет изменения потока воздуха, проходящего через управляющие поверхности самолета — элероны, рули высоты, закрылки, воздушные тормоза и руль направления.

Вот картина сверхманевренности реактивного истребителя:

Сверхманевренность — это способность ЛА управлять и совершать маневры в ситуациях и способами, превосходящими возможности чисто аэродинамических механизмов. Эта возможность была впервые реализована в российских истребителях Су-27 и МиГ-29 Микояна в 1980-х годах и с тех пор стала стандартом для их перспективных самолетов 4-го и 5-го поколений.

Подъемная сила пропорциональна площади крыла, а не только размаху крыла.

Истребители обычно имеют узкие крылья (как вы заметили), но они проходят большую часть длины фюзеляжа (низкое удлинение). Большие и медленные самолеты обычно имеют длинные тонкие крылья.

Крылья с малым удлинением обычно используются на истребителях не только из-за более высокой скорости крена, но особенно для более длинной хорды и более тонких аэродинамических профилей, используемых в сверхзвуковом полете.
-- статья в Википедии о соотношении сторон

Многие реактивные истребители, особенно F15, как отмечено в нескольких ответах, создает подъемную силу фюзеляжа, значительно увеличивая эффективную площадь крыла. Весь размах от законцовки крыла до законцовки крыла является крылом, потому что в середине нет фюзеляжа, не являющегося крылом.

Таким образом, несмотря на то, что посылка вопроса несколько ошибочна, есть причины:

Я не уверен, имеют ли реактивные истребители большую или меньшую площадь крыла на единицу массы, чем более крупные летательные аппараты. Разумно предположить, однако, что они имеют меньшую площадь на длину от носа до хвоста, потому что масса увеличивается с размером ³ , а площадь поверхности увеличивается с размером ² .

По сравнению с большим самолетом, 1/2 длины -> 1/8 массы, требуется только 1/8 площади поверхности крыла, а не 1/4 площади, которую вы получили бы от пропорциональной масштабной модели.

Чтобы повернуть, нужно заставить всю массу самолета двигаться в другом направлении. Чтобы войти в петлю, вам нужно не только быстро изменить положение (большие поверхности управления); вам также нужна подъемная сила от увеличенного угла атаки, чтобы изменить вектор движения самолета. (С большими управляющими поверхностями, но недостаточной подъемной силой, вы поднимаетесь по тангажу, но продолжаете двигаться горизонтально и глохнете).

"Достаточная подъемная сила" зависит от массы самолета, т.к.$F = m a$. Сохраняя пропорции прежними, больший самолет будет иметь меньшую подъемную силу на массу из-за проблемы куба и квадрата.

Еще одним важным фактором является скорость. Чем быстрее движется самолет, тем больше дополнительной подъемной силы вы получаете от тангажа. Чем быстрее вы едете, тем больше воздуха вы можете накачать на площадь крыла. На высокой скорости вам не нужна такая большая площадь крыла, чтобы получить максимальное ускорение ~ 9 G, с которым может справиться пилот.

Что касается радиуса поворота, это более чем компенсируется центростремительной силой , необходимой для поворота с постоянным радиусом, увеличивающимся квадратично со скоростью. (Спасибо @Todd за это). Точно так же градусы в секунду (угловая скорость, ω) не увеличиваются, если двигаться быстрее, если вы движетесь достаточно быстро, чтобы совершить маневр с максимальной перегрузкой.

F = подъемная сила * v = ma.

$m \omega^2 r = mv^2/r = F$
$\omega^2 r = v^2/r = F/m = a = 9G$
$\omega^2 = v^2 / r^2$
$\omega = v/r$. Но для постоянного$a$,$r$пропорциональна$v^2$.
$\omega = v / (v^2/a) = a/v$(куда$a$постоянно)

Таким образом, на скоростях, достаточно высоких для того, чтобы максимальное ускорение было ограничивающим фактором, скорость поворота ~= 1/v. На более низких скоростях, где это возможно$a$возрастает ~линейно со скоростью, ω примерно одинакова при любой скорости вплоть до$a = 9G$. Высокая тяга необходима для преодоления высокого сопротивления поворота с большой подъемной силой / большим углом атаки.

Маленькие самолеты также облегчают создание достаточно прочных крыльев, чтобы они не отламывались под большим углом атаки (разница между курсом и ориентацией, будь то в вертикальной плоскости или в горизонтальном повороте после разворота почти на 90 градусов). Низкое удлинение крылья распределяют нагрузку по более длинной точке крепления к фюзеляжу, помогая в этом.

При большом угле атаки двигатели вносят часть необходимой центростремительной силы, чтобы искривить вектор импульса самолета, потому что они толкают самолет в новом направлении, а не только по его текущей траектории.

Таким образом, совмещая все эти факторы, истребители получают большую выгоду от своих крыльев за счет быстрого движения, наличия прочных крыльев, способных выдерживать большие нагрузки, и за счет того, что они легкие, поэтому у крыльев не так много массы для поворота.

Рулевые поверхности подходящего размера, очевидно, необходимы, чтобы удерживать реактивный самолет в развороте с большим углом атаки.

Я думаю, что векторная тяга вносит свой вклад в основном в этой области. В (неперевернутой) петле вектор тяги струи будет направлен вверх вместе с рулями высоты, толкающими хвост вниз. Это означает, что меньшая тяга способствует центростремительной силе; вместо этого он помогает удерживать самолет под более высоким углом атаки, чтобы крылья могли тянуть самолет по более узкой петле.

Я уверен, что здесь есть некоторые ошибки, так как я на самом деле не проектирую самолеты и даже не управляю ими вне видеоигр. Я просто применяю простую физику и придумываю разные вещи. Похоже, многое из того, что я сказал, в значительной степени относится к нагрузке на крыло .

Ускорение = сила/масса

Истребители имеют большее ускорение (линейное или вращательное), потому что их отношение силы к массе больше, чем у авиалайнера. Простая физика.

Для ускорения вращения момент инерции занимает место массы в приведенном выше уравнении. Более короткие крылья уменьшают момент инерции.

В планерном сообществе с давних времен известно, что более длинный размах крыла снижает маневренность: планеры с большим размахом крыла более «ленивы» с элеронами.

Конечно, это не единственный фактор, и по мере того, как конструкция крыла эволюционировала в сторону более сложных аэродинамических профилей, эффект стал менее заметным, чем в прошлом.