Как стреловидность крыла увеличивает устойчивость самолета?

Направленная устойчивость

Когда стреловидное крыло летит в боковом скольжении, наветренная сторона ведет себя как крыло с менее эффективной стреловидностью.$\varphi_{eff}$а подветренная сторона как бы с более эффективной стреловидностью. Стреловидность крыла вызывает сглаживание наклона кривой подъемной силы по двум причинам:

1. Эффективный угол атаки уменьшается на косинус угла стреловидности.
2. Только составляющая скорости, нормальная к линии четверти хорды крыла, создает подъемную силу, поэтому стреловидное крыло создает меньшую подъемную силу на единицу площади, чем прямое крыло.

Увеличенная подъемная сила катит самолет, но также создает повышенное сопротивление, вызванное подъемной силой, которое возвращает его к прямолинейному полету. На приведенном выше эскизе это показано для планера SB-13 с летающим крылом . Этот эффект настолько силен, что стреловидные конфигурации с высокорасположенным крылом нуждаются в угле, чтобы снизить момент качения, вызванный боковым скольжением.

Для полноты также боковая сила$Y$фюзеляжа и винглетов добавлен и показывает, что винглеты очень помогают создать курсовую устойчивость. Это необходимо в случае SB-13, потому что у него почти эллиптическое распределение подъемной силы. Использование треугольного распределения (N9-M) или даже колоколообразного распределения ( летающие крылья Horten ) позволяет избежать необходимости в законцовках, но вызывает более высокое индуктивное сопротивление при прямолинейном полете. Еще одним недостатком является низкая курсовая устойчивость на высокой скорости, потому что этот эффект стреловидности увеличивается с увеличением коэффициента подъемной силы на внешнем крыле.

Продольная устойчивость

Стреловидность крыла также способствует продольной устойчивости за счет продольного растяжения крыла. Это важно для летающих крыльев, у которых нет отдельной хвостовой поверхности. Изменяя углы закрылков в центре или на концах крыла, подъемная сила в самой передней или самой задней части может быть изменена для управления тангажем, а большая стреловидность увеличивает плечо рычага этих изменений. Также в стреловидных летательных аппаратах естественная статическая устойчивость может быть достигнута без использования рефлекторных профилей, а за счет применения смыва. Опять же, чем больше угол стреловидности, тем меньше требуется размытия.

Слишком много размаха?

С легкостью! Стреловидность крыла создает множество проблем:

1. Стреловидность уменьшает наклон кривой подъемной силы и максимальную подъемную силу крыла. Максимальное положение при посадке с тонким крылом с большой стреловидностью сильно ограничено зазором законцовки крыла, поэтому для стреловидных крыльев требуются мощные устройства механизации подъемной силы.
2. Стреловидность приводит к тому, что пограничный слой вымывается наружу, что приводит к нежелательному сваливанию после превышения определенного соотношения удлинения крыла и стреловидности. Это может быть несколько ограничено крыльевыми ограждениями, но лучше вообще избегать этого.
3. Изменения стреловидности означают, что изгибающие моменты частично преобразуются в крутящие моменты, что требует жесткости крыла на кручение.
4. Для летающих крыльев стреловидность позволяет центру самолета наклоняться вверх и вниз, когда крыло изгибается. Это создает сильное взаимодействие между модой быстрого периода (которая лишь умеренно демпфируется в летающих крыльях) с модой изгиба крыла, что приводит к флаттеру.

Зачем вообще подметать крыло?

Как правило, авиаконструктор допускает ровно столько размаха, сколько необходимо. Стреловидность крыла уменьшает лобовое сопротивление, когда самолет летит с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью. Теперь эффекты Маха зависят только от нормальной составляющей скорости, поэтому они пропорциональны косинусу угла стреловидности. Для Н9-М это не было фактором, однако В-2 выигрывает от этого с более высоким числом Маха дивергенции лобового сопротивления .

Что касается летающих крыльев, то продольная управляемость (не говоря уже об устойчивости) зависит от способности перемещать центр подъемной силы вперед и назад. Это было бы трудно сделать с прямым летающим крылом, у которого нет отдельного хвостового оперения или карнарда - вся подъемная сила создается в одном и том же (продольном) положении.

С другой стороны, если ваше летающее крыло имеет стреловидность, вы можете получить продольное управление, разместив рули на разном расстоянии от центра самолета. Увеличение подъемной силы на внешних частях крыла будет создавать момент опускания носа, и наоборот.

Большим преимуществом стреловидных крыльев является меньшее сопротивление на высокой скорости. Когда самолет со стреловидными крыльями рыскает, он фактически увеличивает стреловидность крыла в направлении рыскания и уменьшает стреловидность другого крыла. Таким образом, крыло, противоположное направлению рыскания, будет иметь меньшую стреловидность и, следовательно, большее сопротивление, противодействующее рысканью. Точно так же другое крыло будет иметь большую стреловидность и меньшее сопротивление.

Конечно, у вас может быть слишком большая стреловидность, иначе все самолеты просто полностью разметают свои крылья и будут выглядеть как X-24 . Ваш предыдущий вопрос хорошо касается других свойств стреловидных крыльев:

Почему на некоторых военных самолетах используются крылья изменяемой стреловидности?

Конечно, есть компромиссы, но вертикальная поверхность по-прежнему является более эффективным средством обеспечения стабильности. Воздействие на стреловидные крылья при рыскании в 1 градус будет меньше, чем сила, создаваемая хвостовой частью фюзеляжа (и вертикальным стабилизатором) при эффективном угле атаки в 1 градус. Конечно, летающие крылья в первую очередь полагаются на это дифференциальное сопротивление для обеспечения устойчивости, но они используют такие вещи, как грейферные тормоза, чтобы создать необходимое сопротивление для дополнительной устойчивости и контроля.

Больше размаха лучше для скорости, но не так хорошо, если вы хотите двигаться медленнее. Таким образом, стреловидность будет ограничивать характеристики на малых скоростях, и улучшение стабильности также будет меньше по мере уменьшения воздушной скорости.