Летательные аппараты нетрадиционных схем - [14]
Одним из путей снижения нагрузки на крыло является увеличение его площади. В прошлом, когда самолеты были относительно легкими, можно было достичь большего темпа увеличения площади крыла по сравнению с массой его конструкции, поэтому превращение обычного горизонтального оперения в крупную несущую поверхность, аналогичную крылу, было очень естественным делом. Кроме того, при использовании крыльев схемы «тандем» гораздо проще получить заданную площадь крыла при небольшом размахе без необходимости преодолевать конструктивные сложности и снижать сопротивление интерференции, характерное для бипланных схем.
НЕДОСТАТКИ
В приведенных выше рассуждениях обычно не учитывается тот факт, что создание самолетов с крыльями схемы «тандем», помимо описанных выгод, сопровождается увеличением массы планера; наряду с увеличением подъемной силы возрастают аэродинамическое сопротивление и моменты инерции, что в результате ведет к необходимости использования более мощной силовой установки.
В первых самолетах тандемной схемы, крылья которых были построены с использованием несовершенных профилей, характеризующихся значительным изменением положения центра давления при изменении угла атаки (из-за изменения скорости), обычно возникали серьезные проблемы с продольной балансировкой летательного аппарата. Обычно по мере увеличения скорости и уменьшения угла атаки центр давления большинства профилей сдвигается назад. Так как оба крыла имеют примерно одинаковую несущую способность, центр масс самолета должен находиться примерно посередине между ними (а не вблизи центра давления, как это обычно делается на самолетах традиционных схем). По мере того, как центр давления на обоих крыльях сдвигается назад, создаваемый передним крылом момент (на плече, равном расстоянию от центра давления до центра масс) уменьшается, а создаваемый задним крылом момент увеличивается. Такое неблагоприятное изменение моментов обычно превышает возможности балансировочных поверхностей (рулей высоты или триммеров), и самолет начинает пикировать. Самолеты с узким диапазоном полетных скоростей (типа планеров и ультралегких летательных аппаратов) или современные самолеты, на которых используются профили с нулевым сдвигом центра давления, как правило, не сталкиваются с этой проблемой, но в то же время и не демонстрируют существенных преимуществ, которые могли бы перевесить присущие данной схеме недостатки.
Еще одной характерной для таких схем проблемой является более высокий по сравнению с традиционными схемами момент инерции в канале тангажа (при движении относительно поперечной оси самолета). На самолетах традиционных схем эта ось находится довольно близко к центральной линии крыла, и момент инерции в канале тангажа ограничивается массой фюзеляжа.
На самолетах с тандемными крыльями ось движения тангажа находится примерно посередине между крыльями. В дополнение к необходимости поднять фюзеляж, например, вверх в движении тангажа, необходимо переместить вверх массу переднего крыла и вниз-массу заднего крыла. Таким образом, возникает необходимость перемещения значительной дополнительной массы; кроме того, требуется и большая по величине управляющая сила. Возникает и еще один недостаток с точки зрения аэродинамики значительно увеличивается балансировочное сопротивление.
На некоторых самолетах с крыльями схемы «тандем» используются рули высоты, размещенные непосредственно на крыльях (на других самолетах этой схемы органы управления по тангажу размещены на традиционном горизонтальном оперении). В некоторых случаях рули направления находятся в пределах размаха крыльев (обычно заднего); в других же случаях рули направления устанавливаются в хвостовой части самолета.
В целом можно сказать, что самолеты с крыльями схемы «тандем» оказались наименее удачными из всех нетрадиционных схем летательных аппаратов, но технические возможности сегодняшнего дня дают этой схеме еще один шанс доказать свою жизнеспособность и целесообразность.
Первым (и, без сомнения, знаменитым) самолетом с крыльями схемы «тандем» стал построенный в 1903 году самолет «Аэродром» (рис. 2.1).
Рис. 2.1.Самолет с тандемными крыльями «Аэродром» С. Лэнгли, установленный для катапультного старта на р. Потомак в октябре 1903 г.
Профессор Сэмьюэл Пирпойнт Лэнгли был выдающимся ученым и секретарем просветительской организации «Смитсонский институт», которая финансировала в 1890-х гг. его исследования в области авиации и воздухоплавания. Подход Лэнгли к решению проблемы полета отличался высокой научной систематичностью. Он построил и провел в 1896 г. успешные летные испытания модели (в масштабе 1/4 с силовой установкой на основе парового двигателя) предложенного им проекта самолета «Аэродром». В 1903 году он испытал аналогичную модель с бензиновым двигателем. По своей конструкции эти модели представляли собой летательные аппараты с тандемными крыльями и крестообразным оперением, расположенным за задним крылом. Крестообразное оперение имело вертикальные и горизонтальные поверхности, расположенные под прямым углом. На самолете Лэнгли (и некоторых других самолетах) все вертикальное оперение устанавливалось на шарнире, относительно которого обеспечивался поворот для выполнения функции либо руля направления, либо руля высоты. Самолет Лэнгли не имел органов управления в канале крена. Устойчивость обеспечивалась за счет использования V-образности крыльев. Было осуществлено несколько прямолинейных полетов на дальность до 1300 м. Для взлета использовалась катапульта.
