Крыло изменяемой стреловидности: планёр с поворотными консолями

Задача, у которой нет одного решения

Крыло должно делать две несовместимые вещи.

На малой скорости — на взлёте, посадке, в вираже — выгодно длинное и узкое крыло: у него меньше индуктивное сопротивление, та плата, которую приходится вносить за саму подъёмную силу.

На большой скорости главенствует другое сопротивление — трения и формы, растущее с квадратом скорости. Здесь выгодно крыло поменьше и отведённое назад.

Требования противоположны. Универсального крыла не существует — существует выбор.

Если нужны оба режима, остаётся одно: менять геометрию крыла в полёте. К этому решению пришли независимо и природа, и инженеры.

Стриж: поворот в запястье

Крыло птицы состоит из двух частей: внутренней — «руки», несущей второстепенные перья, и внешней — «кисти», несущей маховые.

Стриж не поворачивает крыло в плече. Он сгибает запястье: кисть уходит назад, рука остаётся на месте.

Дэвид Лентинк с соавторами продул в аэродинамической трубе настоящие крылья стрижей, установленные в разных естественных положениях, и опубликовал результат в Nature в 2007 году. Складывание запястья убирает около 30% площади крыла, а правильно выбранная стреловидность вдвое снижает скорость снижения при планировании либо втрое увеличивает скорость разворота.

Подробнее об этом — в статье Стриж, ласточка, крачка.

Су-17: поворот только внешних консолей

Работы над отечественным самолётом с изменяемой стреловидностью начались в ОКБ Сухого в 1963 году под шифром С-22И.

Решение было принято экономное и, если вдуматься, изящное. Вместо того чтобы проектировать машину заново, взяли серийный Су-7Б и поставили на него новое крыло — причём подвижными сделали не всё крыло, а только внешние консоли, занимающие примерно половину размаха. Корень остался неподвижным.

Прототип поднял в воздух лётчик-испытатель Владимир Сергеевич Ильюшин 2 августа 1966 года. Диапазон изменения угла стреловидности — от 30 до 63 градусов.

Выигрыш измерили сразу: при прочих равных взлётная и посадочная скорости снизились на 50–60 км/ч. Для фронтового самолёта, которому нужны короткие полосы, это существенно.

Серийное производство развернули в 1969 году в Комсомольске-на-Амуре; выпущено свыше 2800 машин.

Важное уточнение, которое часто путают. Су-17 был первым отечественным самолётом с изменяемой стреловидностью, но не первым в мире: американский F-111 поднялся в воздух 21 декабря 1964 года, почти на два года раньше. Это не умаляет работы ОКБ Сухого — решение там было своё, и оно отличается от американского в существенном месте, о котором ниже.

Дальше этой схемой в отечественной авиации воспользовались широко: МиГ-23 (первый полёт 1967) и его ударный вариант МиГ-27, фронтовой бомбардировщик Су-24, дальний Ту-22М и Ту-160 — крупнейший и самый тяжёлый в истории сверхзвуковой самолёт и самолёт с изменяемой стреловидностью крыла.

Совпадение, которое стоит заметить

Сравните два решения.

F-111 и МиГ-23 поворачивают консоль от корня — крыло вращается целиком.

Су-17 поворачивает только внешнюю половину — корень неподвижен.

Стриж сгибает запястье — кисть уходит назад, рука остаётся.

Су-17 и стриж пришли к одной схеме. И ни одна птица не поворачивает крыло в плече.

Здесь надо сказать прямо: утверждать, что кто-то у кого-то подсмотрел, оснований нет. Никаких свидетельств этого не существует, и притягивать такую связь не стоит.

Верно другое, и оно сильнее. Физика оставляет мало вариантов. Нужны оба режима — придётся менять стреловидность. Хочется сделать это дёшево и не перестраивать всю конструкцию — будешь двигать только внешнюю часть. Стриж шёл к этому решению десятки миллионов лет, ОКБ Сухого — три года, и ответ совпал.

Такое совпадение называют конвергенцией. Проверить его вы можете сами.

Что вы будете измерять

Опыт воспроизводит в школьном виде то же, что Лентинк делал в аэродинамической трубе.

Основная величина — дальность планирования при разных углах стреловидности.

Ключевая мысль опыта: измерять надо не при одной скорости, а при двух. Именно поэтому в природе и в технике крыло делают подвижным — при разных скоростях выигрывают разные положения. При одной скорости вы этого не увидите и сделаете неверный вывод.

Что ожидается. При слабом запуске выигрывает раскрытое крыло: оно медленнее снижается. При сильном запуске разрыв должен сократиться, а отведённое крыло — подтянуться. Полного переворота картины на школьной модели может и не произойти: катапульта даёт ограниченную энергию, а у настоящего самолёта есть двигатель. Сокращение разрыва — уже результат.

Что понадобится

• Потолочная плитка из пенопласта либо тонкий плотный картон — на крыло и фюзеляж
• Деревянная рейка или шпажки — фюзеляж
• Две канцелярские кнопки с широкой шляпкой либо маленькие болтики с гайками — оси поворота консолей
• Транспортир и карандаш — разметить углы
• Резинка (авиамодельная или обычная широкая) и крючок — катапульта
• Пластилин — балансировочный груз
• Рулетка от 10 метров
• Скотч, нож, линейка

Всё вместе — от полутора до шести сотен рублей в зависимости от того, что уже есть дома.

Осторожно. Катапульта с резинкой — не игрушка. Работайте в защитных очках, запускайте только в сторону, где никого нет, и никогда не оттягивайте резинку в направлении людей.

Как собрать

1. Фюзеляж. Рейка длиной 35–40 см. Сзади закрепите горизонтальный стабилизатор (пластинка примерно 10 × 4 см) и киль. Спереди — крючок или зарубку под резинку.

2. Неподвижная часть крыла. Вырежьте центроплан шириной 8–10 см по размаху с каждой стороны от фюзеляжа и жёстко закрепите его. Это и есть та часть, которая у Су-17 не поворачивается, а у стрижа соответствует «руке».

3. Поворотные консоли. Две одинаковые панели длиной по 15–18 см. Каждую крепите к концу центроплана одной кнопкой или болтиком так, чтобы панель свободно поворачивалась в плоскости крыла и при этом надёжно фиксировалась в нужном положении.

4. Разметка углов. На центроплане транспортиром отметьте положения консолей: 0°, 15°, 30°, 45°, 60°. Отсчёт — от исходного положения, когда консоль продолжает центроплан. Ставьте карандашом чёткие метки, иначе угол будет «плавать» от запуска к запуску, и весь опыт потеряет смысл.

5. Балансировка. Пластилином на носу добейтесь, чтобы при спокойном броске рукой планёр летел плавно, без клевка и без задирания.

Балансируйте при раскрытом крыле (0°) — это будет исходное состояние.

Что вы обнаружите сразу — и это не поломка

Отведите консоли назад на 45–60° и бросьте планёр рукой. Он клюнет носом.

Это не дефект сборки. Это то самое явление, с которым имеют дело настоящие конструкторы.

При отведении крыла назад аэродинамический фокус смещается назад. Точка приложения подъёмной силы уходит от центра тяжести, и модель начинает пикировать.

У боевого самолёта тот же сдвиг компенсируют перекачкой топлива между баками и работой системы управления. У вашей модели — сдвигом пластилина.

И вот здесь становится понятно решение Сухого. Когда поворачивается только внешняя половина крыла, поворачивается меньшая доля площади — и фокус смещается меньше, чем при повороте всей консоли от корня. Схема Су-17 задачу балансировки упрощает. Вы почувствуете это руками: чем меньшую часть крыла вы поворачиваете, тем меньше приходится двигать груз.

Как быть в опыте. Есть два пути, и выбрать надо один и держаться его.

• Путь А (проще и чище): балансировать заново под каждый угол, добиваясь ровного планирования. Тогда вы сравниваете крылья, каждое из которых работает в своём наилучшем состоянии.
• Путь Б (ближе к настоящему самолёту): оставить груз на месте и записывать, как меняется характер полёта.

Для сравнения дальностей берите путь А. Иначе вы измерите не влияние стреловидности, а влияние разбалансировки.

Порядок запусков

Катапульта. Резинку надо оттягивать каждый раз одинаково — иначе разброс съест результат. Сделайте на земле или на рейке две метки:

• метка «слабо» — оттяжка, скажем, на 15 см,
• метка «сильно» — на 30 см.

Точные числа неважны, важно, чтобы они не менялись от запуска к запуску.

Серия. Пять углов × два уровня энергии × десять запусков = 100 полётов. Это звучит много, но занимает около часа и является главным условием того, чтобы получить не впечатление, а измерение.

Что записывать. Для каждого запуска — дальность от точки старта до точки касания, в сантиметрах.

Что учесть.

• Запускайте в помещении или в безветренную погоду. Ветер сильнее любого исследуемого эффекта.
• Пуск всегда с одной высоты и под одним углом.
• Осматривайте модель после каждого десятка: помятая кромка меняет всё.

Таблица для записи

Разброс считайте просто: разница между наибольшим и наименьшим значением в серии.

Как понять результат

Постройте два графика на одном поле: дальность в зависимости от угла стреловидности — отдельно для слабого запуска и для сильного.

Смотреть надо на разницу между кривыми, а не на каждую отдельно.

Если при сильном запуске кривая идёт заметно ровнее — то есть отведённое крыло проигрывает меньше, чем при слабом запуске, — вы получили то, ради чего всё делалось. Выгодность положения крыла зависит от скорости. Отсюда и берётся необходимость менять стреловидность в полёте.

Если разброс перекрывает разницу между углами — это тоже результат, и честный. Он означает, что эффект меньше вашей погрешности. Тогда либо увеличьте число запусков, либо сделайте катапульту более повторяемой. Записать «разница не обнаружена при таком-то разбросе» — нормальная научная работа. Подогнать данные под ожидаемое — нет.

Дополнительно: скорость разворота. У Лентинка сильнее всего менялась именно она — втрое. Если отогнуть киль вбок на небольшой постоянный угол, планёр пойдёт по дуге. Измерьте радиус дуги при разных стреловидностях. Ожидание: раскрытое крыло разворачивается круче.

Остриё науки

Почему от изменяемой стреловидности в основном отказались. Механизм поворота тяжёл, сложен и требует обслуживания. Развитие вычислительной техники, управляемого вектора тяги и дополнительных управляющих поверхностей позволило добиваться нужного на разных режимах иными средствами. У Су-57, например, крыло фиксированной геометрии — стреловидность 48° по передней кромке и 14° по задней, — а управляемость на больших углах атаки обеспечивают поворотная передняя часть наплыва и вектор тяги.

Но Ту-160 продолжает летать, и его производство возобновлено. Для машины таких размеров и такого диапазона режимов замены схеме пока не нашлось.

Чего мы не знаем про птицу. Мы знаем, что стриж выбирает стреловидность под режим полёта. Мы не знаем, как он определяет нужный угол: какие рецепторы дают ему сведения о потоке, как эти сведения обрабатываются и с какой задержкой замыкается контур управления. У самолёта этим занимается вычислитель по заданной программе. У птицы соответствующего описания не существует.

И общая трудность. Течение вокруг машущего, непрерывно меняющего форму крыла в общем случае не рассчитывается из первых принципов. Это частный случай нерешённой задачи о существовании и гладкости решений уравнений Навье—Стокса — одной из «проблем тысячелетия».

Инженер строит то, что математик пока не умеет полностью описать. Птица летает, не дожидаясь ни того, ни другого. А вы можете измерить это резинкой и рулеткой.

🗺 Карта открытий

Читать дальше

→ Стриж, ласточка, крачка: откуда взялись 30% площади и втрое большая скорость разворота → Экранопланы: ещё одна отечественная линия, где устойчивость определила облик машины → Крыло в потоке: теорема Жуковского и подъёмная сила → Аэродинамика Бернулли: подъёмная сила своими руками