Читать полностью по ссылке :
К вопросу о геометрии или немного теории Одним из важнейших геометрических параметров, определяющих аэродинамическкие качества самолета, является относительное удлинение крыла. Эта безразмерная величина равна отношению квадрата размаха несущей поверхности к ее полной площади.
naukatehnika.com
Итак, индуктивное сопротивление зависит от подъемной силы и если с увеличением угла атаки ее коэффициент увеличится вдвое, то этот компонент сопротивления «подскочит» в четыре раза. Из-за этого самолет, начиная маневрировать, например, входя в вираж с увеличением перегрузки, неизбежно теряет скорость.
Вот что пишет о крыльях с удлинением менее 3 единицы корифей советской авиационной науки, сподвижник Туполева и автор самого распространенного советского учебника по проектированию самолетов Сергей Михайлович Егер:
«Обтекание крыльев малого удлинения… является существенно пространственным даже при небольших углах атаки. Оно характеризуется интенсивным перетеканием воздуха с нижней поверхности на верхнюю через боковые или передние (при большой стреловидности) кромки. Образующиеся на этих кромках пространственные вихревые пелены... сворачиваются в мощные вихревые жгуты над крылом по его концам вдоль потока. Далее по потоку они соединяются с концевыми вихрями, образующимися от основной вихревой пелены крыла. Такая пространственная вихревая система индуцирует на верхней поверхности крыла вдоль хорд дополнительную скорость. В соответствии с законами аэродинамики на верхней поверхности крыла возрастает разрежение, которое создает дополнительную подъемную силу, с избытком компенсирующую потери от местных срывов потока… Такой аэродинамический эффект у крыла малого удлинения усиливается с увеличением угла атаки. Он затягивает полный срыв потока до больших углов атаки…»
Через десять лет на фирме «Фарман» был построен экспериментальный самолет F.1020. У него наоборот – передняя кромка крыла была почти прямой, а задняя – круглой. В том же году в США студенты из Майами сделали экспериментальный «Нимут Парасоль» с чисто круглым крылом. Такое крыло (если в плане оно идеальная окружность) всегда имеет относительное удлинение, равное 1,27. Во время его испытаний были отмечены и затем подробно описаны два эффекта, подтвердившие существовавшую уже теорию крыла малого удлинения. Это повышенная маневренность и очень хорошие посадочные качества – самолет приземлялся по очень крутой траектории с такой маленькой скоростью, что казалось, что он снижается на парашюте. Оба эти эффекта были следствием описанного выше вихревого обтекания крыла малого удлинения.
Практика – критерий истины
В 1935 году сотрудник Мемориальной лаборатории Лэнгли NACA Чарльз Гортон Циммерман выпустил Техническую записку № 539 «Аэродинамические характеристики некоторых аэродинамических профилей при малом удлинении». С 1933 года он исследовал в аэродинамической трубе различные модели крыльев и, наконец, нашел удачные варианты, набранные стандартными профилями серии Clark Y (такие использовались и у нас, например, на истребителях И-153, Як-1 и МиГ-3) и модифицированными. Крылья Циммермана на виде в плане представляли собой эллипс, растянутый по направлению потока, или деформированный до некоего подобия треугольника со сторонами в виде дуг, сопряженными дугами меньшего радиуса. Это дало еще меньшее удлинение, чем у идеального дископлана – порядка 1,15.
Циммерман получил целый ряд интересных результатов, из которых для нас интересны три.
Во-первых,
минимальный коэффициент сопротивления крыла малого удлинения получился почти такой же, как и у обычного. Это означало, что «вихревая» прибавка к нему несущественна и не будет портить скоростные качества самолета и его дальность.
Во-вторых,
коэффициент подъемной силы с уменьшением удлинения увеличивается, и он существенно зависит от контура законцовок крыла. Значит можно надеяться сделать самолет маневренным и одновременно обеспечить ему хорошие взлетно-посадочные свойства, «поймав» эту форму удачно.
И, наконец, в-третьих, изменение коэффициента подъемной силы реального профилированного крыла при уменьшении его удлинения не может быть предсказано на основании расчета теоретического плоского крыла такой же или эквивалентной формы в плане. А вот это означало, что для расчета такого крыла применявшиеся в то время конструкторами во всем мире методы проектирования самолетов не годятся. Очевидно, это и повлияло на то, что хотя в то время многие американские авиационные фирмы «первой гильдии» искали нетрадиционные пути радикального повышения тактико-технических данных самолетов, но выводами Циммермана никто не заинтересовался. Ведь для того, чтобы сделать такой самолет, пришлось бы выполнить огромный объем экспериментальных работ. Это потребует намного больше денег, часов собственного рабочего времени и времени работы больших аэродинамических труб, чем при проектировании обычного самолета, поддающегося расчету. И еще – «в тени» оставались пока вопросы устойчивости и управляемости таких самолетов и (а это крайне важно!) их штопорные свойства. Многие, в том числе и сам Циммерман, считали, что продувок будет недостаточно, и чтобы построить боевой самолет с крылом малого удлинения, надо сначала испытать его уменьшенный аналог, что в то время практиковалось нечасто и обычно именно для таких нестандартных задач. В ходе углубленных исследований был найден способ дальнейшего повышения аэродинамического качества дископлана. А началось все с проблемы. Расчет динамики полета самолета с крылом малого удлинения показал, что несимметричный обдув его закрученным потоком от воздушного винта в носу самолета крайне негативно сказывается на устойчивости по крену. Избавиться от этого можно было, только сделав самолет двухмоторным с противоположным вращением винтов – тогда обдув правой и левой половин крыла станет симметричным и проблема «уйдет». Чтобы при этом самолет остался легким и компактным, желательно разместить винты на концах крыла. И если направление вращения винтов выбрать правильно, то они будут «раскручивать» концевые вихри крыла, снижая его индуктивное сопротивление. А обдув крыла винтами увеличит подъемную силу и эффективность рулевых поверхностей. То есть новая компоновка сулила одни выгоды. Но построить такой самолет в NACA возможности не было, и Циммерман попытался сделать это сам, но его авиетка с двумя моторами «Клеон» оказалась неудачной. На вторую денег не было, и он решил поэкспериментировать с маленькой моделью диаметром примерно 500 мм, оснащенной резиномотором. Он извлек уроки из неудачи, и теперь эта модель летала настолько хорошо, что стала победительницей проводившегося NACA конкурса прототипов новых конструкций самолетов. Но строить полномасштабные самолеты в задачи чисто научной организации NACA не входило и финансирование на это выделено быть не могло. Чтобы продолжить работу, Циммерману пришлось уволиться из NACA и искать фирму, которая рискнула бы воплотить его идею в металл.
Когда самолет тронулся с места, Циммерман побежал за грузовиком, который следовал за самолетом, чтобы в случае аварии оказать первую помощь пилоту. Бежать долго не пришлось – всего через шесть метров самолет V-173 оторвался от земли и упорно полез вверх! Развернувшись, Гайтон начал заходить на посадку.
Самолет летел на скорости всего 24 км/ч, неестественно задрав нос (угол атаки был целых 45°, раза в четыре больше обычного), но теперь Циммерман был уже спокоен. Самолет мягко коснулся колесами земли и остановился, пробежав 15 метров. Из кабины выбрался возбужденный Гайтон и закричал Циммерману: «Чарли, она летит!».
