Сверхзвуковые самолеты

На начальном этапе разработки самолетов с изменяемой стреловидностью крыла было обнаружено, что решающее значение для самолета, развивающего высокие максимальные скорости, имеет малая посадочная скорость. К началу 70-х годов было установлено, что достигнуть этого можно конструктивно менее сложным и более дешевым способом, если использовать, например, схему крыльев «тандем» (как на самолете «Вигген») или дополнительные поверхности, убираемые (как в самолетах «Мираж-Милан» и Ту-144) или неубираемые (как в самолетах «Кфир» С2 и «Мираж» 4000).

Благодаря применению тех или иных конструктивных решений посадочная скорость сверхзвукового самолета оказывается близкой к посадочной скорости дозвуковых самолетов. Таким образом, нецелесообразно создавать самолет с изменяемой стреловидностью крыла, предназначенный исключительно для выполнения длительных полетов с максимальной скоростью на большой высоте, поскольку требования взлета и посадки могут быть выполнены другими средствами (именно с этой точки зрения отвергнут проект американского пассажирского самолета с изменяемой стреловидностью крыла). Исключение составляют многоцелевые истребители, для которых необходимы хорошие летно-тактические характеристики при различных условиях полета; особенно это касается полета в неспокойной атмосфере на малой высоте с максимальной скоростью, поскольку аэродинамические характеристики крыла изменяемой геометрии менее чувствительны к неспокойной атмосфере.

Рис. 1.50. Истребитель F-111B фирмы «Дженерал дайнемикс».

При проектировании самолета с изменяемой стреловидностью крыла основной проблемой является создание подвижных частей крыла по возможности наибольших площади и размаха в «развернутом» положении, чтобы получить достаточное изменение характеристик. Обе величины зависят от диапазона изменения угла стреловидности. В созданных до сих пор конструкциях максимальный диапазон изменения угла стреловидности составляет 16-72,5° (для самолета F-111, рис. 1.50), при этом диапазон 20-68° с учетом положения оси поворота в центроплане считается оптимальным. Этот диапазон достаточен для того, чтобы крылья приобретали форму, необходимую для полета как на малой, так и на максимальной скорости, соответствующей даже М = 3. Выше говорилось, что изменение стреловидности вызывает изменение удлинения крыла и относительной толщины профиля. Из зависимости, показанной на рис. 1.51,а, видно, что уменьшение угла стреловидности от ~ 70 до ~ 20° приводит к увеличению удлинения с 2-3 до 6-8,5 и относительной толщины профиля с 4-6 до 10-12%. Вследствие этого изменяются соответствующие аэродинамические характеристики.

Наиболее важным параметром, отражающим аэродинамические характеристики самолета, является качество, равное отношению подъемной силы к лобовому сопротивлению. Аэродинамическое качество при прочих равных условиях зависит в основном от удлинения крыла, его угла стреловидности и толщины профиля. В дозвуковом диапазоне скоростей можно считать, что качество возрастает при увеличении удлинения и толщины профиля, а также при уменьшении угла стреловидности. Эта зависимость показана графически на рис. 1.51,6 как функция скорости при полете на малой высоте для крыльев постоянной геометрии с различными значением угла стреловидности и для крыльев изменяемой геометрии. Видно, что у последних аэродинамическое качество является оптимальным во всем диапазоне скоростей полета. В сверхзвуковых самолетах постоянной геометрии используются компромиссные значения угла стреловидности в диапазоне 60-45°, которому соответствует максимальное качество 10-12.

Из графика видно, что крыло изменяемой геометрии на сверхзвуковых скоростях имеет качество выше почти на 100%, а на околозвуковых скоростях-почти на 50%. Следовательно, характеристики сверхзвукового самолета с изменяемой стреловидностью крыла на дозвуковых скоростях (патрульный полет истребителя, полет к цели бомбардировщика, ожидание разрешения на посадку и т.п.) будут значительно лучше, чем у сверхзвукового самолета обычного типа.

Другим важным свойством крыла изменяемой геометрии при уменьшении угла стреловидности является рост несущей способности вследствие увеличения удлинения и толщины профиля. Дополнительное увеличение подъемной силы обеспечивается с помощью механизации крыла, например предкрылков и щелевых закрылков, устанавливаемых по всему размаху. При этом эффективность закрылков максимальна на прямых крыльях большого удлинения.

Таким образом, уменьшение стреловидности приводит к уменьшению взлетной скорости (длины разбега) или увеличению полезной нагрузки, а при посадке-к сокращению пробега самолета.

Рис. 1.51. Пример возможного изменения удлинения "лямбда", относительной толщины профиля g и качества самолета К_макс в зависимости от угла стреловидности передней кромки Х.