Каковы преимущества поворотного крыла?

Шарнирное крыло, также называемое наклонным крылом, представляет собой тип конструкции крыла, который пытается минимизировать лобовое сопротивление во всем диапазоне скоростей самолета.

На низких скоростях основной проблемой является индуктивное сопротивление, которое можно уменьшить, увеличив удлинение. Вот почему низкоскоростные самолеты, такие как планеры, имеют очень длинные тонкие крылья.

По мере увеличения скорости индуктивное сопротивление быстро падает, и на сверхзвуковых скоростях начинает преобладать волновое сопротивление. По этой причине сверхзвуковые самолеты имеют крылья большой стреловидности с очень малым удлинением.

Один из способов уменьшить лобовое сопротивление на высоких скоростях — стреловидность крыла. Составляющая скорости, перпендикулярная крылу, уменьшается, что снижает сопротивление.

Треугольное крыло представляет собой крыло с большой стреловидностью, используемое в сверхзвуковых боевых самолетах. Хороший пример — Eurofighter Typhoon , представляющий собой бесхвостую дельту. Треугольное крыло обеспечивает отличные сверхзвуковые характеристики и имеет большой угол сваливания. Однако крыло быстро «сбрасывает» энергию во время разворотов и требует больших углов взлета и посадки.

" Чертеж линии Eurofighter Typhoon " от Inductiveload - собственная работа. Под лицензией Public Domain через Commons .

Трапециевидное крыло — вариант быстроходного крыла с малым удлинением. Наиболее известным примером использования трапециевидного крыла был истребитель Lockheed F-104 Starfighter , имевший отличные скоростные характеристики. Однако самолет имел высокие взлетную и посадочную скорости и сравнительно менее низкие скоростные характеристики.

" Lockheed F-104C Starfighter " от Kaboldy - собственная работа. Под лицензией GFDL через Commons .

Почти все используемые стреловидные крылья стреловидны назад. Одним из недостатков этого типа крыла является то, что поток воздуха идет от корня к законцовке, и, как следствие, (внешние) элероны сваливаются раньше внутренней части крыла, что приводит к потере управления по крену на больших углах атаки. Этого можно избежать, замахнув крыло вперед. Однако изгибающее напряжение в корневой части крыла увеличивается из-за аэроупругого кручения.

источник: НАСА

Проблема с крыльями фиксированной стреловидности заключается в том, что то, что эффективно в одном режиме, не будет таковым в другом. Одним из способов снижения лобового сопротивления на всех скоростях является изменение стреловидности и удлинения крыла.

Крылья изменяемой стреловидности изменяют удлинение за счет поворота части крыла.

" Три F-111 с разной конфигурацией крыла " Джейсона Б. из Австралии - 3 конфигурации. Под лицензией CC BY 2.0 через Commons .

Шарнирное крыло — крайняя версия стреловидного крыла, где вращается все крыло. Пока это реализовано только на одном самолете NASA SD-1 .

" AD-1 ObliqueWing 60deg 19800701 " НАСА - http://www1.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/AD-1/HTML/ECN-15846.html . Под лицензией Public Domain через Commons .

Основное аэродинамическое преимущество наклонного крыла заключается в том, что путем постепенной регулировки стреловидности самолеты можно оптимизировать для снижения лобового сопротивления в широком диапазоне чисел Маха. Кроме того, AD-1 был разработан с эллиптическим крылом для минимизации индуктивного сопротивления.

Однако с другой стороны, поскольку все крыло вращается, одна сторона крыла стреловидна вперед, а другая сторона стреловидна назад. Это означает, что их характеристики сваливания совершенно разные. С одной стороны (сторона со стреловидностью вперед) сначала глохнет внутренняя область, а с другой стороны — наоборот. Это затрудняет управление самолетом. Следующее за проектом AD-1, Northrop Grumman Switchblade было отменено из-за проблем с управлением.

Самолет также демонстрировал эффекты аэроупругости и сцепления по тангажу и крену, которые отрицательно сказывались на управляемости самолета при стреловидности более 45 градусов. Кроме того, самолет предъявлял необычные требования к дифференту и инерционной муфте. Например, сообщалось, что AD-1 требовался крен около 10 °, чтобы балансировать самолет без бокового скольжения при стреловидности крыла 60 °.

Хотя самолет с поворотным крылом имел отличные аэродинамические характеристики, его плохие и необычные характеристики управления препятствовали дальнейшему развитию.

Поворотное крыло и крыло с изменяемой стреловидностью имеют те же преимущества, что и любая конструкция нерегулируемого крыла , а именно возможность регулировать угол стреловидности и удлинение крыла, а также относительную толщину аэродинамического профиля. Все это помогает оптимизировать крыло для разных скоростей полета. При полете на низких скоростях высокое удлинение удерживает индуктивное сопротивление на низком уровне, на которое приходится большая часть сопротивления. Кроме того, большая относительная толщина дает самолету возможность летать с относительно малыми углами атаки, что помогает при посадке или взлете и снижает лобовое сопротивление. На более высоких скоростях, особенно при приближении к скорости 1 Маха, волновое сопротивление берет на себя большую часть сопротивления. Для уменьшения волнового сопротивления требуются тонкие крылья с малым удлинением.

Удлинение — это отношение между размахом крыла самолета и площадью крыла. Размах крыла изменяется в зависимости от угла стреловидности на крыле переменной стреловидности или шарнирном крыле, тогда как площадь крыла остается неизменной. Это обуславливает меньшее удлинение стреловидного крыла.

Относительная толщина представляет собой отношение толщины аэродинамического профиля к линии хорды.

Чтобы получить линию хорды, вы измеряете расстояние от передней до задней кромки крыла. Когда вы сделаете это в конфигурации со стреловидным крылом, вы обнаружите, что линия хорды длиннее, чем при прямом крыле. Поэтому коэффициент толщины меньше, когда крыло стреловидное.

Трапециевидные крылья , как у F-104 Starfighter, имели очень плохие низкоскоростные характеристики и не могли удерживать топливо из-за своей тонкости. Для достижения достаточной подъемной силы требовались большие углы атаки, а также высокая посадочная и взлетная скорости. Однако на высоких скоростях эти крылья имели очень низкое лобовое сопротивление, что позволяло истребителю летать со скоростью 2 Маха, даже несмотря на то, что его двигатель был относительно слабым по сравнению с современными.

Дельта-крылоНизкое сверхзвуковое сопротивление достигается за счет выбора большего угла стреловидности. Его легко построить, а топливные баки можно разместить внутри крыла. Треугольное крыло имеет очень большой угол сваливания, так что возможны высокие коэффициенты подъемной силы для медленного полета или для крутых поворотов. Это связано с тем, что вихри вдоль передней кромки крыла создают дополнительную подъемную силу на больших углах атаки. Однако за это приходится платить чрезвычайно высоким сопротивлением. В зависимости от угла стреловидности можно выбрать, для какой скорости оптимизировано крыло. Современные истребители используют всевозможные уловки, чтобы приспособить крыло к желаемой воздушной скорости. Одним из примеров является использование стрейков. Стрейки - это в основном крылья с более высоким углом стреловидности, чем у остальной части крыла, расположенные перед фактическим крылом для создания полезных вихрей без необходимости идти на компромисс с низким удлинением.

Основное преимущество поворотного крыла по сравнению со стреловидным крылом , о котором я могу думать, это меньшее сопротивление балансировки поворотного крыла, когда крылья стреловидные. В то время как момент тангажа изменяется с углом стреловидности для конструкций крыла с изменяемой стреловидностью, он остается неизменным для конструкций поворотного крыла.

В типичной конструкции крыла с изменяемой стреловидностью аэродинамический центр смещается назад , когда крылья отклоняются назад. Это связано с тем, что большая часть поверхности крыла перемещается назад, когда угол стреловидности крыла увеличивается. Аэродинамический центр — это точка, на которую, как предполагается, действуют все аэродинамические силы самолета. Таким образом, когда аэродинамический центр крыла смещается назад, расстояние между центром тяжести и аэродинамическим центром увеличивается (для устойчивых конструкций самолетов). Полет на сверхзвуке смещает аэродинамический центр еще больше к хвосту.

Крутящий момент вокруг оси тангажа (момент тангажа), действующий на самолет, можно рассчитать, умножив общую силу на вертикальной оси (в основном подъемную силу) на расстояние между аэродинамическим центром и центром тяжести.

Чтобы компенсировать большую величину момента тангажа, необходимо применять более положительный триммер, когда крылья отклоняются назад, чтобы поддерживать горизонтальный полет или даже увеличивать тангаж. Больше триммеров приводит к большему сопротивлению .

Разница в моменте тангажа является причиной того, что многие ранние конструкции крыла с изменяемой стреловидностью имели проблемы с продольной устойчивостью.

Чтобы компенсировать разницу в моменте тангажа, F-14, например, в своих более поздних версиях ввел небольшие убирающиеся подъемные поверхности перед крыльями. Они выдвигались, когда крылья были стреловидными, чтобы сместить аэродинамический центр вперед, уменьшая дифферентное сопротивление.

В конструкции поворотного крыла аэродинамический центр остается одним и тем же независимо от угла стреловидности крыла.

При повороте аэродинамический центр одного крыла сместится на определенное расстояние назад, а аэродинамический центр другого крыла сместится на такое же расстояние вперед. Таким образом, аэродинамический центр всего крыла не будет перемещаться при повороте крыла, и момент тангажа останется прежним .

На поворотном крыле не требуется дополнительного дифферента для изменения угла стреловидности и, следовательно, дополнительного дифферентного сопротивления . Однако поворотное крыло имеет множество других серьезных аэродинамических проблем, которые были описаны в других ответах, и поэтому не очень практично для самолетов, находящихся в эксплуатации.

Я думаю, что основное различие между стреловидным и прямым крылом заключается в том, что прямое крыло имеет более низкую посадочную скорость, тогда как стреловидное крыло может летать ближе к скорости звука без проблем со сжимаемостью. Таким образом, поворотное крыло дает преимущество обоих, а недостатком является дополнительный вес поворотного механизма.

Питер Гаррисон объясняет преимущества стреловидного крыла здесь: http://www.flyingmag.com/why-are-wings-swept .