Возвращаясь к кольцеплану
Synergy. Кольцеплан такой, как он есть.
В статье «Полёт навигатора» я упомянул о том, что группа американских энтузиастов сейчас пытается создать сверхэкономичный самолёт Synergy.
Особенностью этого самолётика, уже испытанного в виде беспилотной модели в масштабе 1:4, является так называемое кольцевое крыло. Летательные аппараты такого вида ещё иногда называют колеоптерами или же кольцепланами, поскольку кольцевое крыло имеет перед обычным профилем несущих крыльев несколько неоспоримых преимуществ и особенностей, которые совершенно меняют привычную механику полёта, характерную для самолётов с обычным профилем крыла.
Часть этих особенностей уже прекрасно видна специалистам на фото Synergy, я же просто разберу механику полёта кольцевого крыла так сказать «на пальцах», чтобы даже неподготовленным читателям были понятны его преимущества и недостатки.
Во-первых, кольцевое крыло практически лишено эффекта образования концевого вихря, часто видимого на оконцовках обычных крыльев в виде так называемой спутной струи:
Спутные струи на концах крыльев истребителя-бомбардировщика F/A-18 «Хорнет»
Спутные струи и порождающие их концевые вихри на оконечностях крылье отнюдь не столь безобидны, как они кажутся на фотографии.
Подъёмная сила крыла ( с точки зрения самого крыла, как мы помним) образуется из-за разности давлений под крылом и над крылом. Из-за разности давлений часть воздуха перетекает через край крыла из области высокого давления снизу в область пониженного давления сверху, образуя при этом концевой вихрь.
В альтернативном объяснении, как вы помните, крыло отбрасывает вниз набегающий на него поток воздуха, что и создаёт подъёмную силу.
В случае же образования концевого вихря - разность давлений между верхей и нижней поверхностью крыла на его оконечности выравнивается, а часть воздуха, отброшенного крылом вниз, перетекает вверх, в пространство над крылом, что и уменьшает подъёмную силу всего крыла.
В итоге, на образование такого бесполезного вихря тратится энергия движения самолёта, что приводит к появлению дополнительной силы индуктивного сопротивления. Кроме того, концевой вихрь также приводит к перераспределению подъёмной силы по размаху крыла, уменьшая его эффективную площадь и удлинение и ухудшая аэродинамику самолёта.
Что интересно, решение проблемы концевого вихря для традиционного крыла в итоге было найдено как раз в виде приближения его профиля к профилю кольцевого крыла, конечно же, насколько это представлялось возможным. Называлось это решение законцовкой крыла или же калькой с английского её названия - винглет (winglet).
Вы не раз видели законцовки крыльев на современных самолётах в полёте:
Интересно то, что несмотря на факт того, что первые законцовки крыльев испытывались на своих самолётах ещё братья Райт в 1905 году, массовое их применение на экспериментальных моделях самолётов началось только в 1960-х годах - долгое время шёл процесс поиска удачной формы винглета.
Ещё одним интересным фактом является то, что законцовки крыла практически современной формы были применены при проектировании воздушно-космического самолёта по программе «Спираль», аванпроект которого был испытан в аэродинамических трубах в 1966 году:
Но, как это часто бывало и с другими изобретениями - в итоге массовое коммерческое применение винглетов было реализовано не в СССР, а на Западе. В 1985 году законцовки крыла были применены на серийном «Боинге-747», а в 1991 году Луи Гратцер, главный специалист по аэродинамике компании Aviation Partners, придумал и запатентовал «blended winglet» - сопряжённую законцовку крыла, которая плавно загибается вверх по дуге большого радиуса и имеет большое относительное удлинение. Первое же применение винглетов в 1991 году на самолёте «Гольфстрим» позволило сократить расход топлива на 7 %. Столь масштабная экономия за счёт модернизации оказалась беспрецедентной в истории авиации - в результате чего законцовки крыла стали практически стандартом современного самолётостроения.
Принцип работы законцовки крыла в сравнении с крылом классической формы.
Сегодня эволюция, связанная с постепенным изменением формы оконечности крыла и постоянной борьбой с концевыми вихрями, продолжается каждый день. После успеха аэродинамического винглета Гратцера повсюду в мире испытываются самые необычные конструкции законцовок, некоторые из которых уже и в самом деле напоминают кольцевые крылья:
Самолёт «Фалкон» с винглетами Spiroid конструкции все той же Aviation Partners обещает 10% экономию топлива.
Вторым неоспоримым преимуществом кольцевого крыла перед крылом классической формы является его невероятный угол атаки, который может доходить до до 50°, в то время, как для крылье классического аэродинамического профиля критический угол атаки обычно составляет не более 20°, что часто является причиной потери управления самолётом и катастрофических последствий.
Типичная картинка поведения крыла в зависимости от угла атаки. На критическом угле у крыла резко растёт сопротивление потоку и падает подъёмная сила.
Такой большой критический угол атаки, как минимум вдвое превосходящий угол атаки обычного крыла, позволяет кольцевому крылу летать на малых скоростях, больших углах атаки и практически без механизации крыла - так, кольцевое крыло обеспечивает приемлемую управляемость в таких режимах даже без закрылков, необходимых для обычного крыла:
Закрылки крыла самолёта Ту-154 в открытом состоянии. Видна сложная механизация крыла, работающая на взлёте и посадке самолёта.
Ну и, наконец, третьим неоспоримым преимуществом кольцевого крыла является его общая конструктивная прочность - кольцевое крыло обладает им в силу геометрии своего устройства.
С другой стороны, кольцевое крыло не лишено и своих недостатков: на некоторых полётных режимах оно может выходить в автоколебательный резонанс (так называемый бафтинг), для больших самолётов такая форма крыла сложнее в обслуживании ну и, конечно же, кольцевое крыло пока что слишком непривычно для многих в авиационной отрасли.
Однако, идея кольцеплана-колеоптера понемногу пробивает себе дорогу в жизнь. При этом, строго говоря, упоминая «кольцевое крыло», не стоит зацикливаться исключительно на «овальном» или «круговом» крыле, как это происходило в прошлом.
Так, круглым крылом обладал кольцеплан SNECMA C.450 Coleopter, испытание которого проводились во Франции в конце 1950-х годов:
Click to viewИнтересно, что основной идеей SNECMA С.450 являлось последующее использование кольцевого крыла в роли воздухозаборника для прямоточных реактивных двигателей, которые предполагали использовать даже для сверхзвукового полёта. Кроме того, старт и посадка С.450 должна была осуществляться по популярной в конце 1950-х годов схеме вертикално-на-хвост (tail-sitter), которая превращала разработку SNECMA в полноценный СВВП.
Однако, по факту программа испытаний C.450 Coleopter была свёрнута после первого же аварийного случая в мае 1958 года.
Таким же кольцевым круглым крылом и такой же схемой посадки и взлёта с хвоста должен был обладать и ещё один монстр, который принимал участие в конкурсе на перспективные армейские системы, проводившейся Пентагоном в середине 1960-х годов - Convair Модель 49:
По программе Модели 49 проводились лишь испытания натурных моделей, но задумка «Конвэйра» была просто-таки эпической: Модель 49 должна была нести целый арсенал на плоскостях своего кольцевого крыла, который бы включал в себя пулеметы, пушки и управляемые ракеты. Кроме того, «49-я» могла выдерживать прямые попадания из 12,7 мм крупнокалиберного пулемёта - жизненно важные отсеки (кабина пилотов и двигатель) ещё и бронировались.
Понятное дело, реальность и реализуемость на практике такой конструкции «летающего танка» так и осталась за пределами экспериментальной проверки - Модель 49 так и не была принята в разработку конкурса, который, тем не менее, дал нам такие прорывные модели винтокрылов, как Lokheed AH-56 «Шайенн».
Пытаются поднять в воздух сегодня овальное крыло и энтузиасты из Белоруссии. Группа белорусских конструкторов и инженеров создали буквально «на коленке» прототип самолёта с овальным крылом, который они назвали СОК:
К сожалению, сейчас прототип СОКа пылится на задворках авиаремонтного предприятия и больше не летает:
Как написал автор: «Законы Республики Беларусь не предусматривают создание на территории государства летательных аппаратов и выполнение ими испытательных полетов».
Вот такая, понимаешь, загогулина с этим овальным крылом.
Но - мельницы инноваций мелют медленно, хотя и каждый день.
Во многих местах мира идут проекты по созданию самолётов с замкнутыми крыльями, которые теперь больше приобретают «коробочную» форму, более выгодную с точки зрения аэродинамики:
Разные формы кольцевых крыльев.
И кто его знает - может быть самолёт будущего будет выглядеть именно так?
Ведь поход в будущее начинается обычно с первого, маленького шага...
Кольцепланы пока что выглядят, как смешные модельки - но они уже летают и показывают то, что рассчитали конструкторы и инженеры на земле.