Обратная чайка крыла

Обратная чайка крыла — это тип стреловидности крыла летательного аппарата, при котором передняя кромка крыла отклонена не назад (как у прямой стреловидности), а вперёд, к носу самолёта. В поперечном сечении такое крыло напоминает изгиб крыла чайки, но с обратным наклоном: корневая часть (у фюзеляжа) имеет отрицательную стреловидность, а консольная — положительную, либо всё крыло выполнено с постоянной отрицательной стреловидностью. Термин часто используется как синоним «крыла с обратной стреловидностью» (КОС), хотя в строгом аэродинамическом смысле «обратная чайка» описывает именно форму передней кромки, а не профиль.

История

Первые теоретические исследования крыла с обратной стреловидностью относятся к 1930-м годам. Немецкие аэродинамики, в частности Адольф Буземан, изучали возможность улучшения управляемости на высоких скоростях. В 1944 году в Германии был построен экспериментальный самолёт Junkers Ju 287 с крылом обратной стреловидности, который совершил первый полёт 16 августа 1944 года. Машина оснащалась четырьмя турбореактивными двигателями и предназначалась для отработки концепции. После войны разработки были продолжены в СССР и США на основе трофейных материалов.

В 1960-х годах в Советском Союзе под руководством О. К. Антонова был создан экспериментальный самолёт Ан-72 с крылом типа «обратная чайка». Однако серийно он не выпускался. Активные исследования КОС возобновились в 1980-х годах в связи с развитием систем электродистанционного управления (ЭДСУ), позволяющих компенсировать аэроупругую неустойчивость.

В 1990-х годах в США был построен экспериментальный самолёт Grumman X-29, который совершил первый полёт 14 декабря 1984 года. Он имел крыло с обратной стреловидностью 30° и оснащался цифровой системой управления для подавления флаттера. В 1997 году в России начались лётные испытания самолёта Су-47 «Беркут» (первый полёт — 25 сентября 1997 года), который стал самым известным серийным прототипом с КОС. Однако программа не была доведена до серийного производства из-за сложности управления и высокой стоимости.

Аэродинамические особенности

Преимущества

Крыло обратной стреловидности обладает рядом аэродинамических преимуществ по сравнению с прямой стреловидностью:

• Улучшенная управляемость на малых скоростях. Из-за того, что консоли крыла расположены ближе к фюзеляжу, поток воздуха не срывается с концов крыла на больших углах атаки, что снижает риск сваливания.
• Снижение лобового сопротивления. При обтекании крыла с обратной стреловидностью на сверхзвуковых скоростях уменьшается волновое сопротивление, так как скачки уплотнения формируются под более благоприятным углом.
• Большая подъёмная сила. За счёт того, что корневая часть крыла работает в зоне возмущённого потока от фюзеляжа, подъёмная сила на единицу площади выше, чем у прямого крыла.
• Меньшая масса конструкции. При равной прочности крыло с обратной стреловидностью может быть легче, так как изгибающие моменты перераспределяются ближе к фюзеляжу.

Недостатки

Главный недостаток КОС — аэроупругая неустойчивость (дивергенция). При увеличении скорости полёта подъёмная сила на консолях крыла растёт, что вызывает их закручивание в сторону увеличения угла атаки. Это, в свою очередь, ещё больше увеличивает подъёмную силу, что может привести к разрушению конструкции. Для компенсации этого эффекта требуется либо очень жёсткая (и, следовательно, тяжёлая) конструкция, либо активная система управления, которая отклоняет элероны в противофазе.

Другие недостатки:

• Сложность управления. Из-за нелинейной зависимости подъёмной силы от угла атаки пилотирование требует постоянной коррекции.
• Повышенный расход топлива. На крейсерских режимах полёта КОС может иметь большее индуктивное сопротивление, чем прямое крыло.
• Технологическая сложность. Изготовление крыла с обратной стреловидностью требует прецизионной сборки и использования композитных материалов.

Конструктивные решения

Системы управления

Для борьбы с дивергенцией на всех самолётах с КОС, начиная с X-29, применяются цифровые электродистанционные системы управления (ЭДСУ). Они в реальном времени анализируют нагрузки на крыло и отклоняют рулевые поверхности (элероны, интерцепторы) таким образом, чтобы парировать нежелательные деформации. На Су-47 «Беркут» использовалась трёхканальная цифровая система с резервированием.

Материалы

Крылья обратной стреловидности изготавливаются преимущественно из углепластиков и других композиционных материалов, которые обеспечивают высокую жёсткость при малом весе. Металлические сплавы (алюминий, титан) применяются только в узлах крепления и силовых элементах.

Компоновка

На самолётах с КОС часто применяется интегральная компоновка — крыло плавно сопрягается с фюзеляжем, образуя единую несущую поверхность. Это улучшает аэродинамику и снижает массу. Пример — Су-47, где крыло и фюзеляж образуют «летающее крыло» с развитыми наплывами.

Примеры летательных аппаратов

Экспериментальные

• Junkers Ju 287 (Германия, 1944) — первый в мире самолёт с КОС, оснащался четырьмя турбореактивными двигателями.
• Grumman X-29 (США, 1984) — экспериментальный самолёт с КОС 30°, использовался для исследований аэродинамики и систем управления.
• Су-47 «Беркут» (Россия, 1997) — экспериментальный истребитель с КОС, разработан ОКБ Сухого. Оснащался двумя двигателями АЛ-31Ф и системой управления, позволяющей выполнять манёвры с углами атаки до 30°.

Серийные и проектируемые

• Ан-72 (СССР, 1977) — транспортный самолёт с крылом типа «обратная чайка», выпускался малой серией.
• Northrop Grumman B-2 Spirit (США, 1989) — стратегический бомбардировщик, выполненный по схеме «летающее крыло» с элементами обратной стреловидности на консолях.
• Су-57 (Россия, 2010) — истребитель пятого поколения, имеет крыло с обратной стреловидностью на корневых наплывах, но основная консоль — прямой стреловидности.

Применение

Крыло обратной стреловидности в основном используется в экспериментальных и исследовательских программах для отработки технологий управления и аэродинамики. В серийном производстве оно не получило широкого распространения из-за высокой стоимости и сложности эксплуатации. Однако отдельные элементы КОС (например, наплывы крыла) применяются на современных истребителях (Су-57, F-22) для улучшения манёвренности.

В гражданской авиации КОС не используется из-за неэкономичности и шумности. Исключение составляют некоторые проекты сверхзвуковых бизнес-джетов, где обратная стреловидность может снизить волновое сопротивление.

Интересные факты

• На самолёте Су-47 «Беркут» впервые в мире была реализована система управления, позволяющая летать с углами атаки до 30° без сваливания.
• Крыло обратной стреловидности обладает свойством самобалансировки на малых скоростях: при срыве потока на одном конце крыла подъёмная сила на другом автоматически возрастает, что предотвращает крен.
• В 1980-х годах в СССР разрабатывался проект сверхзвукового пассажирского самолёта Ту-244 с крылом обратной стреловидности, но он не был реализован.

Источники

• Бюшгенс Г. С. «Аэродинамика и динамика полёта самолётов с обратной стреловидностью крыла». — М.: Наука, 1995.
• Краснов Н. Ф. «Аэродинамика летательных аппаратов». — М.: Высшая школа, 1980.
• «Су-47 „Беркут“: история создания и лётные испытания» // Авиация и космонавтика, 2003, № 4.
• «Grumman X-29: Advanced Technology Demonstrator» // NASA Technical Reports, 1990.
• «Junkers Ju 287: The First Jet with Swept-Forward Wings» // Luftfahrt International, 1985.