Способи забезпечення поздовжньої стійкості літаків типу «крило, що літає», Стаття в журналі
Рубрика: Технічні науки
Бібліографічний опис:
Розглянуто основні способи забезпечення сталого керування літальних апаратів схеми "літальне крило". Обґрунтовано сильні та слабкі сторони компонування типу «літальне крило». Виділено перспективи застосування літальних апаратів схеми «літальне крило».
У наші дні у практиці світового літакобудування найпоширенішою є «класична» схема — з фюзеляжем, хвостовим оперенням (вертикальним та горизонтальним) позаду крила та іншими елементами конструкції. Дана схема з погляду аеродинаміки та технологічності конструкції не є ідеальною. Тільки крило бере участь у освіті підйомної сили. Фюзеляж та хвостове оперення створюють додатковий опір [1].
Аеродинамічна схема типу «літаюче крило»- різновид схеми «безхвостка», в якій роль фюзеляжу грає крило, що несе всі агрегати, екіпаж і корисне навантаження [2]. Схема літаюче крило немає фюзеляжу і горизонтального оперення, на ній можуть бути отримані малі коефіцієнти лобового опору проти класичної схемою. Також перевага схеми проявляється у відсутності скосів потоку, що викликають зниження ефективності кермів. Використання кермів на горизонтальних крилах робить надійнішим управління по крену, оскільки в такій схемі виключається можливість зворотного впливу [3]. Незважаючи на те, що в цій конфігурації аеродинамічна якість вища, ніж у «класичної», льотні та експлуатаційні властивості викликають проблеми для практичного застосування. На великих кутах аеродинамічний момент тангажу, що з'явився, настільки великий, щокеруючі керма, елевони, в хвостовій частині крила при відхиленні створюють момент, не здатний його компенсувати. Проблема стійкості набуває загрозливого характеру. Тому діапазон допустимих кутів атаки у крила, що літає, вже, ніж у літаків «класичної» схеми. Обмеженістю кутів атаки нездатність літаючого крила досягти максимально можливого коефіцієнта підйомної сили
Завдяки відсутності додаткових поверхонь, таких як фюзеляж, оперення, особливістю літаків схеми "літаюче крило" є їх мала ЕПР (ефективна площа розсіювання). Це дозволяє будувати малопомітні для радарів Літальні апарати. Враховуючи ці особливості, для пасажирського транспортного літака схема літаюче крило не застосовується, але є виправданою при створенні спеціальних літальних апаратів, наприклад, планера, розвідувального літака або літака-бомбардувальника великої дальності.
Сьогодні відомі такі способи підвищення поздовжньої стійкості літальних апаратів типу «безхвостік»:
- Використання стабілізуючого S-подібного дозвукового профілю крила;
- комбінування надзвукового стрілоподібного крила з негативною круткою кінцевого профілю;
– комбінування прямого стрілоподібного крила та зменшення площі задньої частини крила;
- Використання системи стабілізації управління руху по куту тангажу з малим періодом дискретності роботи БЦВМ;
S-подібний профіль (рис.1) застосовується для того, щоб зменшити максимальні кути відхилення елевонів. Хорда таких профілів має два вигини. При збільшенні кута атаки центр тиску такого профілю швидше, ніж у профілів з хордою має один вигин, зміщується назад. Цим і обумовлена підвищена поздовжня статична стійкість профілів S-подібноїформи. Недолік такого способу — вузький польотний діапазон коефіцієнта підйомної сили Сy.
Мал. 1. Криловий профіль S-подібної форми
Другий спосіб забезпечення поздовжньої стійкості «крила, що літає» - комбінування стрілоподібного крила з негативною круткою кінцевого профілю. Кінцеві ділянки крила завжди знаходяться на менших кутах атаки, ніж кореневі ділянки крила. Елементарні збільшення підйомної сили при збільшенні кута атаки на зміщених назад кінцях крила будуть більшими, ніж у зміщеної вперед кореневої частини, що і забезпечує поздовжнє балансування.
Третій спосіб знайшов застосування у ВПС США (бомбардувальник В-2 Spirit). Спосіб полягає у зменшенні площі задньої частини крила прямої стрілоподібності за допомогою «вирізки» сегментів. Така схема дозволяє зменшити відстань між центром тиску і центром мас, розташованим трохи далі від носіння. У разі B-2 Spirit сегменти мали трикутну форму, що дозволило додати на межі "вирізаних" сегментів додаткові кермові поверхні (рис. 2).
Мал. 2. Бомбардувальник B-2 Spirit з «вирізаними» трикутними сегментами у задній частині крила
Система управління (зокрема поздовжнього руху), що включає контур стабілізації, є на сьогоднішній день невід'ємною частиною сучасного літального апарату. Спрощена схема контуру системи керування поздовжнього руху ЛА зображена на рис.3.
Мал. 3. Спрощена схема управління руху літака за тангажем
Бортова система управління каналом тангажу включає датчики інформації, бортову обчислювальну машину, що видає команди на кермові приводи з урахуванням команд пілота (автопілота), поточного вектора стану та накладених обмежень на параметривектора стану (кути, кутові швидкості, кутові прискорення), сигнали положення рульових кермів і самі приводи кермів висоти. Як датчики інформації використовуються датчик кутового положення (інтегруючий гіроскоп), датчик кутової швидкості (диференціюючий гіроскоп), датчик кутового прискорення (часто замість датчика застосовується диференціювання сигналу з гіроскопа, що диференціює).
Принцип роботи системи наступний: при впливі зовнішніх збурень змінюється сумарний момент, що призводить до зміни кута тангажу літака і появи сигналів і датчиків. За цими сигналами і сигналом поточного положення керма висоти в БЦВМ формується керуюча напруга на кермовий привід, який змінює кутове положення керма висоти так, що аеродинамічний момент, що виникає при цьому, компенсує зміну моменту , і кут тангажу літака стає близьким до необхідного.
Як було сказано раніше, літаюче крило нестійке на відміну від, наприклад, пасажирських лайнерів. Це накладає додаткові вимоги до системи управління поздовжнього руху літального апарату. Зокрема, може знадобитися зменшення періоду дискретизації роботи БЦВМ, зменшення періодів запізнення сигналів зворотного зв'язку з датчиків.
Таким чином, на сьогоднішній день, схема «літаюче крило» за своїх переваг і недоліків здатна зайняти нішу важких транспортних неманеврених літальних апаратів.
У 2009 році в Україні почалися розробки проекту ПАК ТАК — Перспективний авіаційний комплекс дальньої авіації у ПАТ «Туполєв». Літак буде виконаний за схемою «крило, що літає». Датою початку експлуатації призначено 2025 [4].