Существуют ли конструкции самолетов, в которых поверхность полета не обеспечивает прижимную силу?

Есть несколько конфигураций, которые возможны с оперением или уткой, которые в зависимости от их расположения и того, создают ли они подъемную силу или прижимную силу, приводят к устойчивому или неустойчивому самолету (с учетом центра тяжести самолета). На рисунках ниже показаны некоторые из возможных конфигураций.

Источник: f-16.net

В самом общем случае нет необходимости даже в утке или горизонтальном оперении, пока каким-то образом создается сила (вниз или вверх). Хорошим примером является Boeing Bird of Prey, где скулы создавали (вихревую) подъемную силу и, таким образом, стабилизирующую силу. Примерно так выглядят силы, действующие на продольную ось самолета, приводящие к статически устойчивому самолету без какой-либо несущей поверхности, кроме крыла.

Профиль с сайта bj-o23.deviantart.com, собственные работы других.

Конечно, просто верните центр тяжести в его задний предел и летите медленно. Тогда все они будут производить положительную подъемную силу на своих хвостах.

Устойчивость обеспечивается не прижимной силой в хвосте . Самая новая книга, которую я прочитал, в которой утверждалось, что это было из 1911 года (мне довелось прочитать издание 1913 года). Стабильность достигается за счет увеличения подъемной силы на единицу площади передних частей по сравнению с задними частями. Если подъемная сила переднего крыла достаточно высока, заднее крыло может обеспечить устойчивость за счет положительной подъемной силы.

Легче всего это доказать с помощью уток: их основное крыло создает положительную подъемную силу, и все же их можно заставить летать стабильно.

Если вы ищете дизайн, который, кажется, отклоняется от этого основного принципа, возможно, вам подойдет Fauvel AV.36 :

Fauvel AV.36 в полете (фото Daniel-Wales-Images )

Чарльз Фовель разработал несколько планеров с летающим крылом, из которых AV.36 является самым популярным. Все они имели положительную естественную стабильность тона. Есть только одно крыло, и оно должно создавать подъемную силу, иначе самолет не сможет летать, верно?

Единственный способ действительно покончить с этим принципом — отказаться от естественной продольной устойчивости. Вес и баланс будут затронуты таким образом, что центр тяжести окажется за нейтральной точкой, где действует подъемная сила, зависящая от угла атаки. Однако таким самолетом было бы очень трудно управлять вручную .

Самолет с тандемным крылом имеет два набора крыльев, каждое из которых обеспечивает подъемную силу. Один находится в передней части самолета, другой — в задней части, а центр тяжести находится между ними.

(источник: nurflugel.com )

Rutan Quickie — один из таких самолетов:

(источник: викимедиа )

Этот дизайн на самом деле довольно старый; он даже предшествовал (успешному) полету тяжелее воздуха, поскольку он использовался на аэродроме Лэнгли , экспериментальной попытке пилотируемого полета в 1890-х годах.

Этот ответ подойдет к вопросу, сосредоточив внимание на более узком случае:

«В обычной конфигурации крыло + хвостовое оперение, возможно ли, чтобы самолет был устойчивым, даже если хвостовое оперение создает подъемную силу, а не прижимную?»

Центр подъемной силы (или центр давления) - это точка, в которой мы можем рассматривать вектор подъемной силы крыла как действующий, без необходимости также применять дополнительный момент тангажа для учета присущей выпуклой аэродинамической поверхности тенденции тангажа вниз.

Центр подъема не фиксирован - точка, которая не очевидна на диаграмме в исходном вопросе.

Если мы решим использовать центр подъемной силы в качестве опорной точки при расчете крутящего момента по тангажу (что является правильным выбором), мы избавимся от необходимости напрямую учитывать подъемную силу крыла в наших расчетах, но мы должны признать, что вектор веса, хотя и постоянный по величине (по крайней мере, если мы ограничим наши расчеты случаем 1-G), не действует на фиксированном расстоянии от центра подъемной силы, и, таким образом, момент тангажа вниз из-за веса не постоянный. Следовательно, ситуация намного сложнее, чем предполагает диаграмма в исходном вопросе.

Центр подъемной силы перемещается вперед, когда мы увеличиваем угол атаки, и смещается назад, когда мы уменьшаем угол атаки. Центр подъемной силы может располагаться даже за физическими краями самого крыла.

Это делает более интуитивным и более удобным рассматривать вектор подъемной силы крыла как действующий в фиксированной точке, называемой аэродинамическим центром крыла, а также применять дополнительный момент тангажа при опускании носа, который зависит от воздушной скорости (т. е. момент тангажа). коэффициент фиксирован, но результирующий момент тангажа при опускании носа увеличивается с увеличением воздушной скорости.)

Но поскольку исходный вопрос использует подход центра подъемной силы, мы сделаем то же самое в этом ответе.

Поскольку центр подъемной силы смещается вперед, когда мы увеличиваем угол атаки, и назад, когда мы уменьшаем угол атаки, самолет будет иметь тенденцию к тангажу вверх, когда мы замедляемся, и вниз, когда мы ускоряемся. Это дестабилизирует - поэтому нам нужен горизонтальный хвост. Но должен ли хвост всегда создавать прижимную силу, чтобы обеспечить стабильный полет?

При любой заданной воздушной скорости, если ЦТ находится за центром подъемной силы крыла, хвост должен создавать подъемную, а не прижимную силу. Поскольку центр подъемной силы смещается вперед, когда мы увеличиваем угол атаки, из этого следует, что по мере того, как мы экспериментируем со все более задним положением центра тяжести, мы увидим, что хвост создает подъемную силу на низкой воздушной скорости, прежде чем мы увидим, что хвост создает подъемную силу на высокой скорости. воздушная скорость.

Центр подъемной силы крыла не следует путать с нейтральной точкой самолета. Нейтральная точка — это точка, в которой самолет не имеет статической устойчивости по тангажу. Если ЦТ находится впереди Нейтральной точки, самолет статически стабилен по тангажу, а если ЦТ позади Нейтральной точки, самолет статически нестабилен по тангажу. Последний случай в основном относится только к самолетам с компьютерной стабилизацией и дистанционным управлением, которые жертвуют стабильностью ради повышения маневренности или повышения крейсерской эффективности.

Напротив, многие самолеты имеют подъемное хвостовое оперение. Например, многие старинные модели самолетов «свободного полета» имеют большие хвосты с положительной выпуклостью. (См., например , это изображение .) Очевидно, что эти самолеты не могут быть статически неустойчивыми по тангажу. Центр тяжести все еще должен быть впереди нейтральной точки, даже если он находится позади центра подъемной силы крыла.

Можно привести аргумент, что большой подъемный хвост, как правило, не так эффективен, как маленький, нейтрально поднимающий или слегка опускающийся хвост. Этот аргумент выходит за рамки этого ответа, поэтому мы должны сохранить его дальнейшее изучение для другого вопроса ASE.

Кроме того, многие самолеты имеют тандемную конфигурацию крыла, в которой хвост фактически является большим подъемным крылом.

Вот хорошее описание эксперимента, который подтвердил, что горизонтальное оперение создавало подъемную силу в полете с Cessna 172 с центром тяжести, который находился в пределах, но около задней кромки, заданного диапазона - см. последние два абзаца раздела- - https://www.av8n.com/how/htm/aoastab.html#sec-pitch-равновесие

Вот еще один ответ ASE, который дает хорошее представление о разнице между центром давления (или центром подъемной силы), аэродинамическим центром и нейтральной точкой. В чем разница между центром давления, аэродинамическим центром и нейтральной точкой?

Подводя итог, можно сказать, что нейтральная точка — это не та точка, в которой самолет будет балансировать с хвостом, не создавая прижимной или прижимной силы. Скорее, центр подъемной силы или центр давления крыла (или, если быть максимально точным, центр давления всего самолета, кроме хвоста, включая эффекты смещения линий тяги, сопротивления поплавков и т. д.) является точкой где самолет будет балансировать хвостом, не создавая ни восходящей, ни прижимной силы. Вполне возможно, что ЦТ будет находиться за центром подъемной силы крыла (или центром давления всего самолета), но впереди нейтральной точки самолета, что приведет к тому, что хвостовое оперение будет создавать подъемную силу, но при этом сохранится положительная статическая устойчивость по тангажу.

Основное требование к статической устойчивости по тангажу заключается в том, чтобы хвостовое оперение летело под менее положительным углом атаки или, по крайней мере, с менее положительным коэффициентом подъемной силы, чем крыло. Это включает, но не ограничивается случаями, когда хвост летит под отрицательным углом атаки и создает прижимную силу. Подробнее об этом можно прочитать в этом разделе внешнего веб-сайта — https://www.av8n.com/how/htm/aoastab.html#sec-teeter .

Этот связанный ответ ASE также поучителен : существуют ли какие-либо конструкции самолетов, в которых не используется поверхность полета, обеспечивающая прижимную силу?