Samoloty bezogonowe - Tailless aircraft

Samolotu ogona ma usterzenia ogonowego i innego poziomą powierzchnię oprócz głównego skrzydła. W głównym skrzydle wbudowano funkcje kontroli aerodynamicznej i stabilizacji zarówno w pochyleniu, jak i przechyle . Typ bezogonowy może nadal mieć konwencjonalną pionową płetwę ( pionowy stabilizator ) i ster .

Teoretyczne zalety konfiguracji ogona obejmują niski oporu szkodliwego jak na Horten H.IV rosnących szybowiec i dobre Stealth cechach jak w Spirit Northrop B-2 bombowca.

Najbardziej udaną konfiguracją bezogonową była bezogonowa delta , szczególnie dla samolotów bojowych, chociaż najbardziej znaną bezogonową deltą jest samolot pasażerski Concorde .

NASA użyła opisu „bezogonowego” dla nowatorskiego samolotu badawczego X-36, który ma przednią płetwę typu canard, ale nie ma pionowej płetwy.

Latające skrzydła

Latające skrzydło jest konstrukcja bezogonowy który również brakuje odrębny kadłub , mając pilota, silniki, itp znajdujący się bezpośrednio w lub na skrzydle.

Aerodynamika

Ciągnąć

Konwencjonalny samolot ze stałym skrzydłem ma poziomą powierzchnię stabilizatora oddzieloną od głównego skrzydła. Ta dodatkowa powierzchnia powoduje dodatkowy opór wymagający mocniejszego silnika, szczególnie przy dużych prędkościach. Jeśli stabilność i kontrolę wzdłużną (pochylenia) można osiągnąć inną metodą (patrz poniżej), można usunąć stabilizator i zmniejszyć opór.

Stabilność wzdłużna

Samolot bezogonowy nie ma oddzielnego statecznika poziomego. Z tego powodu aerodynamiczny środek zwykłego skrzydła znajdowałby się przed środkiem ciężkości samolotu, powodując niestabilność pochylenia . Należy zastosować inną metodę, aby przesunąć środek aerodynamiczny do tyłu i ustabilizować samolot . Projektant może to osiągnąć na dwa główne sposoby, z których pierwszy został opracowany przez pioniera lotnika JW Dunne'a .

Odsunięcie krawędzi natarcia skrzydła do tyłu, zarówno jako skrzydło skośne , jak i skrzydło typu delta , oraz zmniejszenie kąta padania zewnętrznej sekcji skrzydła pozwala zewnętrznemu skrzydłu zachowywać się jak konwencjonalny stabilizator statecznika ogonowego. Jeśli odbywa się to stopniowo wzdłuż rozpiętości zewnętrznej części, nazywa się to wymywaniem końcówki . Dunne osiągnął to, nadając górnej powierzchni skrzydła stożkową krzywiznę. W locie poziomym samolot powinien być wytrymowany tak, aby końcówki nie przyczyniały się do noszenia: mogą nawet wymagać niewielkiego odrzutu. Zmniejsza to ogólną wydajność skrzydła, ale w przypadku wielu konstrukcji - zwłaszcza przy dużych prędkościach - przewyższa to zmniejszenie oporu, masy i kosztów w porównaniu z konwencjonalnym stabilizatorem. Duża rozpiętość skrzydeł zmniejsza również zwrotność iz tego powodu projekt Dunne'a został odrzucony przez armię brytyjską.

Alternatywą jest zastosowanie profili o niskim lub zerowym momencie pochylania , co widać na przykład w serii szybowców i myśliwców Horten . Wykorzystują one niezwykłą sekcję płata skrzydła z samostatecznym lub odwróconym wygięciem z tyłu lub całego skrzydła. W przypadku samostatecznego camberu bardziej płaska strona skrzydła znajduje się na górze, a mocno zakrzywiona na dole, dzięki czemu przednia część prezentuje wysoki kąt natarcia, podczas gdy tylna część jest bardziej pozioma i nie zapewnia nośności, dzięki czemu zachowuje się jak usterzenie ogonowe lub wypłukane końcówki zamiecionego skrzydła. Camber Reflex można symulować, dopasowując duże stery wysokości do konwencjonalnego profilu i przycinając je wyraźnie w górę; środek ciężkości również musi być przesunięty do przodu w stosunku do zwykłej pozycji. Ze względu na efekt Bernoulliego , samostateczny camber ma tendencję do tworzenia niewielkiego docisku, więc kąt natarcia skrzydła jest zwiększany, aby to zrekompensować. To z kolei tworzy dodatkowy opór. Ta metoda pozwala na szerszy wybór kształtu skrzydła niż zamiecenie i wymywanie, a projekty obejmowały skrzydła proste, a nawet okrągłe (Arup). Jednak opór właściwy dla dużego kąta natarcia jest ogólnie uważany za nieefektywny projekt i tylko kilka typów produkcji, takich jak serie szybowców Fauvel i Marske Aircraft , używało go.

Prostszym podejściem jest pokonanie niestabilności poprzez umieszczenie głównej masy samolotu w znacznej odległości pod skrzydłem, tak aby grawitacja miała tendencję do utrzymywania samolotu w pozycji poziomej i przeciwdziałania wszelkim niestabilności aerodynamicznej, jak w przypadku paralotni . Jednak w praktyce rzadko wystarcza to do zapewnienia samoistnej stabilności i zazwyczaj jest to wzmacniane przez opisane techniki aerodynamiczne. Klasycznym przykładem jest lotnia Rogallo ze skrzydłem , która wykorzystuje tę samą powierzchnię zamiatania, wymywania i stożkową, co Dunne.

Stabilność można również zapewnić sztucznie. Istnieje kompromis między stabilnością a zwrotnością. Wysoki poziom zwrotności wymaga małej stabilności. Niektóre nowoczesne, zaawansowane technologicznie samoloty bojowe są aerodynamicznie niestabilne w nachyleniu i opierają się na sterowaniu komputerowym typu fly-by-wire, aby zapewnić stabilność. Northrop B-2 Spirit latające skrzydło jest przykładem.

Kontrola wysokości dźwięku

Wiele wczesnych projektów nie zapewniało skutecznej kontroli pochylenia, aby zrekompensować brakujący stabilizator. Niektóre egzemplarze były stabilne, ale ich wysokość można było kontrolować tylko za pomocą mocy silnika. Inni mogli gwałtownie i niekontrolowanie wznosić się lub opadać, jeśli nie obchodzili się z nimi ostrożnie. To dało projektom bezogonowym reputację niestabilności. Dopiero późniejszy sukces konfiguracji bezogonowej delty w epoce odrzutowców sprawił, że ta reputacja została powszechnie uznana za niezasłużoną.

Zwykle stosowanym rozwiązaniem jest zapewnienie dużych powierzchni steru i/lub steru na krawędzi spływu skrzydła. O ile skrzydło nie jest mocno skośne, muszą one generować duże siły sterujące, ponieważ ich odległość od środka aerodynamicznego jest niewielka, a momentów mniej. W ten sposób typ bezogonowy może doświadczać większego oporu podczas manewrów pochylania niż jego konwencjonalny odpowiednik. W bardzo skośnym skrzydle delta odległość między krawędzią spływu a środkiem aerodynamicznym jest większa, więc nie są wymagane powiększone powierzchnie. Dassault Mirage serii ogona delta jej pochodne były jednymi z najbardziej powszechnie stosowanych dysz bojowych. Jednak nawet w Mirage kontrola pochylenia pod dużymi kątami natarcia doświadczana podczas startu i lądowania może być problematyczna, a niektóre późniejsze wersje miały dodatkowe powierzchnie z kaczki .

Stabilność odchylenia

Konwencjonalny samolot jest niestabilny w odchyleniu i potrzebuje płetwy ogonowej, aby utrzymać go prosto. Ruch lotek powoduje niekorzystne zbaczanie, wyrywając je ze skrętu, co również musi być skompensowane przez ster . Podczas gdy skośne skrzydło jest stabilne w locie prostym, nadal doświadcza niekorzystnego odchylenia podczas skrętu. Jednym z rozwiązań jest nadanie skrzydłu wystarczającego skręcenia, aby część zewnętrzna pochyliła się w dół i dała ujemny nośność. To odwraca niekorzystne działanie lotek zbaczających, pomagając samolotowi wejść w zakręt i eliminując potrzebę stosowania pionowego steru kierunku lub spojlerów różnicowych.

Wykazano również, że wytwarzany w ten sposób rozkład siły nośnej w kształcie dzwonu minimalizuje opór indukowany dla danej masy (w porównaniu z rozkładem eliptycznym, który minimalizuje go dla danej rozpiętości).

Historia

Zobacz także Historia latającego skrzydła

JW Dunne

Dwupłatowiec Burgess-Dunne w armii amerykańskiej w 1917 roku.

W latach 1905-1913 oficer armii brytyjskiej i aeronauta JW Dunne opracował serię samolotów bezogonowych, które miały być z natury stabilne i nie do przeciągnięcia. Zainspirowane jego badaniami nad mewami w locie, charakteryzowały się skośnymi skrzydłami ze stożkową górną powierzchnią. Stożek został ułożony w taki sposób, że skrzydło skręcało się stopniowo na zewnątrz w kierunku czubków, tworząc ujemną siłę padania, a tym samym ujemną siłę nośną w sekcjach zaburtowych, zapewniając ogólną stabilność zarówno w pochyleniu, jak i odchyleniu. Pojedyncza powierzchnia sterowa na krawędzi spływu każdego wierzchołka skrzydła działała jak połączona lotka i ster wysokości. Dunne dokonał zaawansowanej jakościowej oceny zasad aerodynamiki, rozumiejąc nawet, w jaki sposób ujemna siła nośna na końcach skrzydeł w połączeniu ze stromym anhedralem opadającym w dół poprawia stabilność kierunkową.

Chociaż pierwotnie pomyślany jako jednopłat , początkowe projekty Dunne'a dla armii musiały być dwupłatami , zazwyczaj wyposażonymi w gondolę kadłuba między samolotami z zamontowanym z tyłu śmigłem pchającym i nieruchomymi płetwami płyty końcowej między każdą parą końców skrzydeł.

Po zakończeniu pracy w armii, w 1910 dwupłatowiec D.5 został obserwowany w stabilnym locie przez Orville'a Wrighta i Griffitha Brewera , którzy przedłożyli w tej sprawie oficjalny raport Royal Aeronautical Society . W ten sposób stał się pierwszym samolotem, który osiągnął naturalną stabilność w locie, a także pierwszym praktycznym samolotem bezogonowym. Późniejszy D.8 został zbudowany na licencji i sprzedany komercyjnie przez W. Starling Burgess w Ameryce jako Burgess-Dunne.

Wrócił też do swojego jednopłatowca. D.6 od 1911 roku był popychacz typu high-wing monoplan który także opisywany wymawiane lub ujemnym wzniosie opadają do końcówek skrzydeł. Powierzchnie sterowe pełniły teraz również rolę sterów.

Wiele pomysłów Dunne'a dotyczących stabilności pozostaje aktualnych i wiadomo, że miał on wpływ na późniejszych projektantów, takich jak John K. Northrop (ojciec bombowca Northrop Grumman B-2 Spirit ).

Międzywojenny i II wojna światowa

Wzgórze GTR i Pterodaktyle

Po I wojnie światowej pilot Geoffrey TR Hill również poszukiwał stabilnej, niestabilnej konstrukcji. Dunne początkowo udzielił pewnej pomocy, a Hill kontynuował produkcję bezogonowych samolotów serii Pterodactyl od lat 20. XX wieku. Hill zaczął także rozwijać teorię samoistnie stabilnego płata i włączał ją do swoich projektów.

delty Lippischa

Niemieccy teoretycy rozwinęli teorię stabilnego płata. Projektant Alexander Lippisch wyprodukował swój pierwszy bezogonowy projekt, Delta I, w 1931 roku. Następnie zbudował serię coraz bardziej wyrafinowanych projektów, a pod koniec II wojny światowej został zabrany do Ameryki, aby kontynuować swoją pracę .

Messerschmitt Me 163 Komet

Podczas II wojny światowej Lippisch pracował dla niemieckiego projektanta Willy'ego Messerschmitta nad pierwszym samolotem bezogonowym, który wszedł do produkcji, Me 163 Komet . Był to jedyny samolot przechwytujący o napędzie rakietowym, jaki kiedykolwiek został umieszczony w służbie frontowej i był najszybszym samolotem, który trafił do służby operacyjnej podczas wojny.

Northrop

Równolegle z firmą Lippisch w USA Jack Northrop rozwijał własne pomysły na projekty bezogonowe. N-1M poleciał w 1941 roku i następstwo typów bezogonowy następnie niektóre z nich prawdziwych latających skrzydeł.

Powojenny

de Havilland DH 108 Jaskółka

W latach czterdziestych brytyjski konstruktor samolotów John Carver Meadows Frost opracował bezogonowy samolot badawczy z napędem odrzutowym o nazwie de Havilland DH.108 Swallow , zbudowany przy użyciu przedniego kadłuba myśliwca odrzutowego de Havilland Vampire . Jeden z nich był prawdopodobnie jednym z pierwszych samolotów, które przełamały barierę dźwięku - zrobił to podczas płytkiego nurkowania, a łoskot dźwiękowy usłyszało kilku świadków. Wszystkie trzy zbudowane zostały utracone w śmiertelnych wypadkach.

Northrop X-4 Bantam

Podobnie jak DH.108, dwuodrzutowy Northrop X-4 z 1948 r. był jednym z serii eksperymentalnych samolotów powojennych X opracowanych w Stanach Zjednoczonych po II wojnie światowej, aby latać w programach badawczych badających wyzwania wysokich -szybkość lotu transsonicznego i poza nim. Miał problemy aerodynamiczne podobne do tych z DH.108, ale oba zbudowane egzemplarze X-4 przetrwały programy testów w locie bez poważnych incydentów w około 80 lotach badawczych w latach 1950-1953, osiągając jedynie prędkość maksymalną 640 mil na godzinę (1035 km/h). h).

Miraż Dassault

Francuska seria naddźwiękowych myśliwców odrzutowych Mirage była przykładem konfiguracji bezogonowej delty i stała się jednym z najszerzej produkowanych zachodnich samolotów odrzutowych. W przeciwieństwie do tego, odpowiednik szeroko produkowanego myśliwca ze skrzydłami delta w Związku Radzieckim, MiG-21 Mikojan-Gurewicz , ma stabilizator ogona.

Convair F2Y Morska Dart

W latach 50. prototyp Convair F2Y Sea Dart stał się jedynym wodnosamolotem, który przekroczył prędkość dźwięku. Convair zbudował kilka innych udanych typów delta bezogonowych.

Samoloty naddźwiękowe

Anglo-francuski transportowiec Concorde Supersonic i jego radziecki odpowiednik, Tupolew Tu-144 , były bezogonowymi naddźwiękowymi samolotami pasażerskimi z ostrołukowymi skrzydłami w kształcie delty . Często zwracano uwagę na wdzięk i piękno tych samolotów w locie.

Lockheed SR-71 Blackbird

Amerykański samolot rozpoznania strategicznego Lockheed SR-71 Blackbird to najszybszy samolot z napędem odrzutowym, osiągający prędkości powyżej Mach 3.

NASA PANDTL-D

Skrzydło NASA Preliminary Research Aerodynamic Design To Lower Drag (PRANDTL-D) zostało opracowane przez Ala Bowersa w NASA Armstrong Flight Research Center . Bowers został zainspirowany twórczością Ludwiga Prandtla i, podobnie jak Dunne, obserwacją lotu ptaków. Podobnie jak w przypadku konstrukcji Dunne, ma skręt skrzydeł wystarczający do ustawienia końców skrzydeł pod kątem ujemnym i stworzenia tego samego pozytywnego sprzężenia z odchyleniem. Bowers opracował ilościową analizę charakterystyki podnoszenia, co doprowadziło do bardziej ogólnego odkrycia rozkładu siły nośnej w kształcie dzwonu, który minimalizuje indukowany opór ciężaru samolotu. Zastosował tę dystrybucję w serii projektów „Prandtl-D”. Do końca 2017 roku latał trzema takimi modelami badawczymi.

Zobacz też

Bibliografia

Cytaty w tekście

Ogólne odniesienia General

Linki zewnętrzne