Трехплавный самолет - Three-surface aircraft

А Piaggio P.180 Avanti показывая его три подъемные поверхности

А трехплоскостной самолет или иногда трехподъемный надводный самолет имеет носовая часть, центральный крыло и хвостовой оперение. Центральная поверхность крыла всегда обеспечивает подъемную силу и обычно является самой большой, в то время как функции носовой и кормовой плоскостей могут различаться в зависимости от типа и могут включать подъемную силу, управление и / или устойчивость.

В гражданских самолетах можно использовать три конфигурации поверхности для обеспечения безопасных характеристик сваливания и коротких взлетно-посадочных характеристик (STOL). Также утверждается, что он позволяет минимизировать общую площадь поверхности крыла, уменьшая сопутствующее сопротивление обшивке. В боевых самолетах эта конфигурация может также использоваться для повышения маневренности как перед сваливанием, так и за его пределами, часто в сочетании с управляемая тяга.

История

Раннее обозначение, использовавшееся в 1911 году, было «Трехплоскостной системой».^[1] Конструкции Fernic 1920-х годов назывались «тандемными». Хотя действительно есть две подъемные поверхности крыла, соединенные тандемом, хвостовое оперение образует третью горизонтальную поверхность.

Пионерские эксперименты

1908 Voisin-Farman I

В первые годы развития авиации на ряде самолетов использовались как носовые, так и кормовые вспомогательные поверхности. Проблема горизонтальной устойчивости была плохо изучена, и обычно управление по тангажу осуществлялось на передней поверхности, а задняя поверхность также поднималась, что приводило к проблемам с нестабильностью. В Кресс Драхенфлигер 1901 г. и Триплан Dufaux 1908 г. имел недостаточную мощность для взлета. Более успешные типы включали Voisin-Farman I (1907) и Кертисс № 1 (1909). Братья Райт тоже экспериментировали с базовой конструкцией Flyer, пытаясь получить как управляемость, так и стабильность, управляя им в разное время сначала в конфигурации «утка», затем в трех надводных и, наконец, в обычных конфигурациях.^[2][3] К началу Первая мировая война в 1914 году задняя поверхность приобрела обычную конфигурацию, и в течение многих лет можно было летать на нескольких трех типах поверхности. В Fokker V.8 1917 г. и Caproni Ca.60 Оба Новиплано 1921 года были неудачными.

Мягкий стойл и STOL

Молния-1

В 1920-х годах Джордж Ферник разработал идею совмещения двух подъемных поверхностей вместе с обычным хвостовым оперением. Небольшой носовой самолет был высоконагружен, и по мере увеличения угла атаки он был спроектирован так, чтобы сначала сваливаться, из-за чего нос опускался и позволял самолету безопасно восстанавливаться без остановки основного крыла. Этот «мягкий» стойл обеспечивает уровень безопасности в стойле, который обычно не присутствует в обычных конструкциях. В Ферник Т-9 Трехплоскостной моноплан совершил полет в 1929 году. Ферник погиб в результате несчастного случая во время полета на своем преемнике на FT-10 Cruisaire.^[4]

Добиться такого мягкого стойла можно с чистым утка конструкции, но тогда трудно контролировать качку, и могут возникнуть колебания, поскольку носовая часть многократно поднимает нос, сваливается и возвращается в исходное положение. Кроме того, при проектировании следует позаботиться о том, чтобы турбулентный след от застопорившейся носовой части сам по себе не нарушал воздушный поток над основным крылом в достаточной степени, чтобы вызвать значительную потерю подъемной силы и компенсировать момент тангажа при опускании носа. В трехполюсной конструкции третье, хвостовое оперение не глохнет и обеспечивает лучшую управляемость.^{[нужна цитата ]}

В 1950-х годах Джеймс Робертсон разработал свою экспериментальную Skyshark. Это была в целом обычная конструкция, но с множеством функций, включая небольшой носовой упор, предназначенный не только для безопасного сваливания, но и для хорошего Короткий взлет и посадка (STOL) производительность. Передняя планка позволила достичь характеристик КВП без больших углов атаки и сопутствующей опасности сваливания, необходимой для обычных конструкций КВП. Самолет был оценен армией США.^[5] Система Робертсона была коммерциализирована как Крапивник 460, модифицированный легкий самолет Cessna. Это, в свою очередь, было позже лицензировано и произведено в 1980-х годах как Peterson 260SE а с модификацией форплана только как 230SE. В 2006 году усиленный вариант Петерсон Катмай, запущено в производство. В целом аналогичный подход используется в Eagle-XTS 1988 года.^[6] и его производные, Орел 150 серии.

Маневренность за пределами стойла

Грумман Х-29, задние ремни отклонены

Примерно в 1979 году конструкторы военных реактивных самолетов начали изучать конфигурации с тремя поверхностями, чтобы обеспечить улучшенную маневренность и управляемость, особенно на низких скоростях и больших углах атаки, например, во время взлета и боя.^[7] В США экспериментальный Грумман Х-29 летал в 1984 году и модифицированный Макдоннелл Дуглас F-15, то Взлетно-посадочная полоса F-15 / MTD, в 1988 году, но эти разработки не получили дальнейшего развития. в Советский союз а Сухой Су-27 модифицированные носовые части с уткой летали в 1985 г.^[8] и производные этой конструкции стали единственными военными типами, поступившими в производство.

Минимальная поверхность крыла

Чешуйчатые композиты Triumph

Также в 1979 г. Piaggio начал исследования по проектированию гражданского двухцилиндрового турбовинтового двигателя с тремя поверхностями, который в сотрудничестве с Learjet, возникнет как Piaggio P.180 Avanti. Этот тип впервые поднялся в воздух в 1986 году и поступил в эксплуатацию в 1990 году, производство продолжается и сегодня. В Avanti конфигурация с тремя поверхностями призвана значительно уменьшить размер, вес и сопротивление крыла по сравнению с обычным эквивалентом.^[9]

Два экспериментальных самолета этой конфигурации были впоследствии построены Масштабированные композиты под руководством Берта Рутана и совершил полет в 1988 году. Триумф был двухдвигательный ТРДД очень легкий самолет самолет, предназначенный для Бичкрафт. Летные испытания подтвердили целевой диапазон характеристик.^[10][11] В Кошка был однодвигательный винтовой самолет, задуманный Рутаном как замена Бичкрафт Бонанза. Он удерживает мировой рекорд скорости по замкнутому кругу на 5000 км (3100 миль) без полезной нагрузки 334,44 км / ч (207,81 миль / ч), установленный в 2014 году.^[12]

Конструкция истребителя

Сухой Су-33

Некоторые современные реактивные самолеты имеют трехплоскостную конфигурацию, часто в сочетании с вектор тяги. Обычно это предназначено для улучшения управляемости и маневренности, особенно при очень высоких углы атаки за точкой сваливания основного крыла. Некоторые сложные боевые маневры, такие как Кобра Пугачева и Кульбит впервые были выполнены на трехплавном самолете Сухого.

Экспериментальный Грумман X-29 был основным "хвостом вперед" утка конфигурация, с необычными крыльями прямой стреловидности и прядями, отходящими назад от корней основного крыла. Подвижные закрылки на концах ремней фактически сделали его трехплоскостным.^[13] Х-29 продемонстрировал исключительную маневренность на больших углах атаки.^[14]

Более простой дизайн с тремя поверхностями виден в нескольких вариантах обычного в остальном Сухой Су-27. После успешного добавления носовых самолетов «утка» к опытным самолетам они были включены в ряд последующих серийных вариантов, включая военно-морские. Су-33 (Су-27К), некоторые Су-30, Су-35 и Су-37. Китайский Шэньян J-15 также наследует конфигурацию Су-33.

В McDonnell Douglas F-15 взлетно-посадочной полосы / ПТД Планер F-15, модифицированный носовыми носами и вектором тяги, был разработан, чтобы продемонстрировать эти технологии как с точки зрения характеристик КВП, так и с точки зрения высокой маневренности.

Дизайн с уменьшенной площадью поверхности

Равновесие обычного (вверху) и трехплавного самолета (внизу)

Утверждается, что трехплоскостная конфигурация уменьшает общую аэродинамическую площадь поверхности по сравнению с традиционной конфигурацией и конфигурацией утка.^[9][15] что позволяет снизить сопротивление и вес.

Питч-равновесие

На большинстве самолетов крыло центр давления перемещается вперед и назад в зависимости от условий полета. Если он не совпадает с центр тяжести, корректирующий или подрезать сила должна быть приложена для предотвращения крена самолета и, таким образом, для поддержания равновесия.^[16]

На обычном самолете эта сила дифферента по тангажу прикладывается хвостовой оперение. На многих современных конструкциях центр давления крыла обычно находится за центром тяжести, поэтому хвостовое оперение должно оказывать направленное вниз усилие.^[17] Любая такая отрицательная подъемная сила, создаваемая хвостовым оперением, должна компенсироваться дополнительной подъемной силой от основного крыла, что увеличивает площадь крыла, сопротивление и вес.

На трехплоскостном самолете силы дифферента по тангажу могут распределяться по мере необходимости в полете между носовой частью и хвостовым оперением. Равновесия можно достичь с помощью подъемной силы от носовой части, а не с помощью прижимной силы от хвостовой части. Оба эффекта - уменьшенная прижимная сила и дополнительная подъемная сила - уменьшают нагрузку на основное крыло.

В Piaggio P.180 Avanti имеет закрылки на переднем и основном крыле. Оба закрылка раскрываются синхронно для сохранения нейтрального тангажа при взлете и посадке.^[9]

Статическая устойчивость и срыв

На утка, чтобы позволить естественному статическая устойчивость по тангажу в нормальном полете носовая часть должна обеспечивать подъемную силу. Также для того, чтобы самолет был безопасным ларек характеристики: носовой самолет должен сваливаться перед основным крылом, снижая тангаж и позволяя ему восстановиться. Это означает, что на основной площади крыла необходимо использовать запас прочности, чтобы его максимальная коэффициент подъема и нагрузка на крыло на практике никогда не достигается. Это, в свою очередь, означает, что основное крыло необходимо увеличить в размерах.

На трехплоскостном самолете хвостовое оперение действует как обычный горизонтальный стабилизатор. В условиях сваливания, даже если основное крыло остановлено, хвостовое оперение может обеспечить момент понижения тангажа и обеспечить восстановление. Таким образом, крыло можно использовать с максимальным коэффициентом подъемной силы, что может привести к уменьшению его площади и веса.

Подъемный носовой упор расположен впереди центра тяжести, поэтому его подъемный момент действует в том же направлении, что и любое движение по тангажу. Для обеспечения естественной устойчивости летательного аппарата размер носовой части, наклон подъемной силы и плечо момента должны быть выбраны таким образом, чтобы они не превышали стабилизирующий момент, обеспечиваемый крылом и оперением. Таким образом, ограничения устойчивости ограничивают Соотношение объемов (мера его эффективности с точки зрения дифферента и остойчивости), что, в свою очередь, может ограничивать его способность разделять силы дифферента по тангажу, как описано выше.

Уменьшение площади крыла

Минимальный размер подъемных крыльев самолета определяется: весом самолета, силой, необходимой для противодействия отрицательной подъемной силе, создаваемой горизонтальным стабилизатором, заданной скоростью взлета и посадки и коэффициентом подъемной силы крыльев. .

Большинство современных самолетов используют закрылки задней кромки основного крыла для увеличения коэффициента подъемной силы крыльев при взлете и посадке; таким образом позволяя крылу быть меньше, чем могло бы быть в противном случае. Это может уменьшить вес крыла и всегда уменьшает площадь поверхности крыла. Уменьшение площади поверхности пропорционально снижает сопротивление кожи на всех скоростях.

Недостатком использования закрылков задней кромки является то, что они создают значительный отрицательный момент тангажа при использовании. Чтобы уравновесить этот момент тангажа, горизонтальный стабилизатор должен быть несколько больше, чем он мог бы быть в противном случае, чтобы он мог создавать достаточную силу для уравновешивания отрицательного момента тангажа, создаваемого закрылками задней кромки. Это, в свою очередь, означает, что основное крыло должно быть несколько больше, чем могло бы быть в противном случае, чтобы уравновесить большую отрицательную подъемную силу, создаваемую большим горизонтальным стабилизатором.

На самолетах типа «утка» носовая часть может обеспечивать положительную подъемную силу при взлете, уменьшая часть прижимной силы, которую в противном случае пришлось бы создавать заднему стабилизатору. Однако главное крыло должно быть достаточно большим, чтобы не только поднимать остаточный вес самолета при взлете, но и обеспечивать достаточный запас прочности для предотвращения сваливания. На трехплоскостном самолете нет ни одного из этих недостатков, и основное крыло может быть уменьшено в размерах, что также снижает вес и сопротивление. Утверждается, что общая площадь всех поверхностей крыла трехплоскостного самолета может быть меньше, чем у эквивалентного двухплоскостного самолета, что снижает как вес, так и сопротивление.

Минимальная площадь в крейсерском режиме может быть дополнительно уменьшена за счет использования обычных устройств большой подъемной силы, таких как закрылки, что позволяет конструкции с тремя поверхностями иметь минимальную площадь поверхности во всех точках диапазона полета.^[9]

Примеры трехплоскостных самолетов с уменьшенной площадью включают: Piaggio P.180 Avanti, а Чешуйчатые композиты Triumph и Кошка. Эти летательные аппараты были спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать минимальную общую площадь поверхности для скользящего потока;^{[нужна цитата ]} тем самым уменьшая сопротивление поверхности для скорости и топливной экономичности. В нескольких обзорах сравнивается максимальная скорость Avanti и служебный потолок с реактивными самолетами более низкого уровня, и сообщается о значительно лучшей топливной эффективности на крейсерской скорости.^[18][19] Piaggio частично объясняет эти характеристики компоновкой самолета, заявляя, что общая площадь крыла уменьшилась на 34% по сравнению с традиционной компоновкой.^[9][15]

Список трехплавных самолетов

Смотрите также

• Canard (воздухоплавание)
• Стабилизатор (воздухоплавание)
• Хвостовой план
• Конфигурация крыла

Рекомендации

Примечания

Библиография

• Гарнизон, П; ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: Three's Company; Летающий, Декабрь 2002 г., стр. 85–86.