Почему на некоторых военных самолетах используются крылья изменяемой стреловидности?

Отводя крыло назад, вы, по сути, заставляете воздух «видеть» другой аэродинамический профиль.

Посмотрите на эти две диаграммы:

Когда воздух встречается с крылом, он движется вдоль$V$. Этот «видимый» аэродинамический профиль намного тоньше, чем$V1$(который перпендикулярен передней кромке). Поскольку самолет испытывает меньшее давление, самолет испытывает меньше сопротивления. Однако это также снижает скорость воздуха. Это хорошо, если вы хотите задержать такие вещи, как ударные волны, когда воздух становится сверхзвуковым, поскольку большее распространение силы задерживает этот эффект и связанное с ним разделение потока.

К сожалению, при всех достоинствах у него была бы очень высокая посадочная скорость. Таким образом, крылья стреловидны вперед, самолет имеет более эффективную аэродинамическую поверхность для более низких скоростей, и соответственно уменьшается минимальная скорость полета. Теперь сопротивление больше, но и подъемная сила больше, что нужно для более низкой скорости.

Википедия прекрасно описывает это в не слишком сложных терминах:

Если бы мы начали скользить крылом вбок (по размаху), боковое движение крыла относительно воздуха добавилось бы к ранее перпендикулярному воздушному потоку, что привело бы к обтеканию крыла воздушным потоком под углом к ​​передней кромке. Этот угол приводит к тому, что воздушный поток проходит большее расстояние от передней кромки до задней кромки, и, таким образом, давление воздуха распределяется на большее расстояние (и, следовательно, уменьшается в любой конкретной точке поверхности).

Этот сценарий идентичен воздушному потоку, испытываемому стреловидным крылом при движении по воздуху. Воздушный поток над стреловидным крылом сталкивается с крылом под углом. Этот угол можно разбить на два вектора: один перпендикулярен крылу, а другой параллелен крылу. Поток, параллельный крылу, не влияет на него, и, поскольку перпендикулярный вектор короче (то есть медленнее), чем фактический воздушный поток, он, следовательно, оказывает меньшее давление на крыло. Другими словами, на крыло действует воздушный поток, который медленнее и при более низком давлении, чем фактическая скорость самолета. Одним из факторов, который необходимо учитывать при проектировании высокоскоростного крыла, является сжимаемость, то есть эффект, который действует на крыло, когда оно приближается и проходит со скоростью звука. Значительные негативные последствия сжимаемости сделали ее главной проблемой для авиационных инженеров. Теория качания помогает смягчить последствия сжимаемости в околозвуковых и сверхзвуковых самолетах из-за пониженного давления. Это позволяет числу Маха самолета быть выше, чем реально испытываемое крылом.

Есть ли прирост производительности? Зависит от вашего определения:

Исправление стреловидных крыльев будет означать, что:

• Посадочная скорость может быть неприемлемо высокой, и при этом потребуются длинные взлетно-посадочные полосы.
• Вы могли бы спроектировать быстрый и легкий самолет. Возьмем, к примеру, F104 Starfighter, у которого были тонкие короткие крылья для того же эффекта, но он не мог двигать ими и был чрезвычайно опасен на малых скоростях.

Имея переменные крылья:

• F14 предназначался для авианосных операций, где требовалась низкая посадочная скорость. В противном случае заставить самолет двигаться с такой скоростью, вероятно, было бы невозможно. Он также был разработан для дальних операций, что увеличивало вес топлива.
• Добавляет вес и механическую сложность планеру, что увеличивает стоимость обслуживания и расход топлива.

Если я правильно понимаю, сегодня самолеты сегодня больше полагаются на такие системы, как механизация, такие как, например, предкрылки и закрылки.

Поворотные крылья сочетают в себе большой угол стреловидности, полезный для полета на скорости 2+ Маха, с приемлемыми характеристиками управляемости на малых скоростях. Они были необходимы для выполнения требований к военным самолетам, заявленным в тендерах, до того, как в конце 60-х проектировщики осознали, что высокая скорость не нужна .

При полете на сверхзвуковой скорости помогает, если угол стреловидности передней кромки крыла выше угла конуса Маха . Поскольку угол Маха увеличивается с арксинусом числа Маха, для этого требуется более 60° стреловидности при числе Маха 2 и 70,5° при числе Маха 3. Если угол стреловидности передней кромки больше, обтекание ее все равно будет аналогично дозвуковому обтеканию прямой передней кромки. Это оставляет на месте такие эффекты, как пик всасывания возле передней кромки , который исчезнет, ​​когда составляющая потока, перпендикулярная передней кромке, станет сверхзвуковой. Дозвуковая передняя кромка значительно снижает сопротивление на сверхзвуковой скорости.

Развертка также помогает сделать переход в сверхзвуковую область более плавным, снижая максимальное сопротивление, возникающее на скорости около 1 Маха. Но ниже 1 Маха она начинает становиться помехой . Развертка

• уменьшает максимальную подъемную силу
• требует более длительных взлетно-посадочных пробегов
• создает нежелательные характеристики срыва

Таким образом, крыло со стреловидностью более 60° быстро становится несовместимым с обычными военными требованиями, такими как малая длина поля и хорошие дозвуковые характеристики управляемости при больших углах атаки. Маятниковое крыло — единственный способ совместить приемлемые характеристики высокой и низкой скорости.

Перечисленные выше недостатки исчезают ниже стреловидности примерно от 15 ° до 20 °, но продольное перемещение центра давления крыла с углом стреловидности является максимальным при малых углах стреловидности. Чтобы сделать это продольное перемещение как можно меньшим, обычный диапазон углов стреловидности в основном составляет от 20° до 70°.

• F-111 : 16°–72,5°, максимальная скорость 2,5 Маха.
• F-14 : 20° - 68° (в полете), максимальная скорость 2,34 Маха.
• МиГ-23 : 16° ​​- 72°, максимальная скорость 2,32 Маха.
• Су-24 : 16° ​​- 69°, максимальная скорость 1,35 Маха.
• Ту-160 : 20° - 65°, максимальная скорость 2,05 Маха.
• Panavia Tornado : 25° - 67°, максимальная скорость 2,2 Маха
• B-1A : 15° - 67,5°, максимальная скорость 2,22 Маха.

Но это еще не все, чтобы взмахнуть крыльями:

Основным преимуществом для B-1B и Tornado (которые оба должны были преодолевать ПВО на малой высоте) является меньший уклон подъемной силы стреловидного крыла в сочетании с высокой нагрузкой на крыло поворотной конструкции. Это значительно улучшает ходовые качества в турбулентном воздухе. Если самолет сталкивается с восходящим потоком на высокой скорости и в воздухе с высокой плотностью у земли, увеличение подъемной силы является значительным, если крыло не имеет стреловидности. Его стреловидность уменьшает увеличение подъемной силы с косинусом угла стреловидности, а порыв, который произвел бы 4 g с крылом без стреловидности, дает только 2 g при стреловидности 60 °. Этот эффект дополнительно усиливается за счет изменения размаха крыла, что еще больше снизит коэффициент перегрузки.

Другим преимуществом является возможность использования механизации крыла. Задняя кромка выходит вперед и наружу для посадочной конфигурации, поэтому момент тангажа закрылков может контролироваться рулем высоты, и для создания подъемной силы можно использовать больше воздуха. С другой стороны, закрылки по задней кромке на треугольном крыле (которое в основном представляет собой конфигурацию со стреловидностью) вообще не работают. Это полезно как для посадки на авианосец, так и для взлета для дальней бомбардировки.

Проблема не только в создаваемой подъемной силе, но и в сопротивлении. На околозвуковых и гиперзвуковых скоростях сопротивление, создаваемое прямыми крыльями, намного больше, чем сопротивление, создаваемое стреловидными крыльями (или, что еще лучше, треугольными крыльями). В основном это связано с тем, что из-за угла стреловидности эффективное число Маха, перпендикулярное передней кромке крыла, меньше числа Маха самолета. Это очень помогает уменьшить сопротивление из-за колодок и, таким образом, поддерживать очень высокую скорость с не слишком большим сопротивлением и, следовательно, требуемой тягой. Пока все хорошо, но...

Треугольные крылья и, в меньшей степени, стреловидные крылья на малых скоростях представляют собой так называемое размаховое обтекание. Это связано с тем, что поток выталкивается в поперечном направлении от корня к кончику. Это увеличивает расстояние потока над крылом и, следовательно, толщину пограничного слоя на задней кромке (по сравнению с прямыми крыльями). Это немедленно приводит к уменьшению угла сваливания или, по крайней мере, угла, при котором появляется первое разделение. Это также уменьшает подъемную силу, создаваемую, когда самолет летит под существенным углом атаки. Это особенно касается взлета и посадки, для которых прямые крылья обеспечивают лучшие характеристики.

Поддерживать самолет в воздухе с меньшим углом атаки означает лететь быстрее, а этого явно не ищут при взлете и посадке. Вот почему выгодно использовать крылья с изменяемой стреловидностью для некоторых военных самолетов, которым необходимо взлетать или садиться на короткие расстояния, а затем требуется меньшая скорость взлета и посадки.