Halvlöst flygplan - Tailless aircraft
Ett svanslöst flygplan har ingen svansmontering och ingen annan horisontell yta förutom huvudvingen. De aerodynamiska kontroll- och stabiliseringsfunktionerna i både stigning och rullning är integrerade i huvudvingen. En svag typ kan fortfarande ha en konventionell vertikal fen ( vertikal stabilisator ) och roder .
Teoretiska fördelar med den svanslösa konfigurationen inkluderar lågt parasitmotstånd som på Horten H.IV- svävande segelflygplan och goda smygegenskaper som på Northrop B-2 Spirit- bombplan.
Den mest framgångsrika svanslösa konfigurationen har varit svanslöst delta , särskilt för stridsflygplan, men det mest kända svarta lösa deltaet är Concorde trafikflygplan.
NASA har använt den 'svaga' beskrivningen för det nya X-36-forskningsflygplanet som har en canard-framplan men ingen vertikal fen.
Flygande vingar
En flygande vinge är en svag design som också saknar en distinkt kropp , med piloten, motorerna etc. placerade direkt i eller på vingen.
Aerodynamik
Drag
Ett konventionellt flygplan med fastvinge har en horisontell stabiliseringsyta som är skild från huvudvingen. Denna extra yta orsakar ytterligare drag som kräver en mer kraftfull motor, särskilt vid höga hastigheter. Om längsgående (stignings) stabilitet och kontroll kan uppnås med någon annan metod (se nedan) kan stabilisatorn avlägsnas och drag minskas.
Längsgående stabilitet
Ett svanslöst flygplan har ingen separat horisontell stabilisator. På grund av detta skulle det aerodynamiska centrumet för en vanlig vinge ligga framför flygplanets tyngdpunkt och skapa instabilitet i tonhöjd . Någon annan metod måste användas för att flytta det aerodynamiska centrumet bakåt och göra flygplanet stabilt . Det finns två huvudsakliga sätt för designern att uppnå detta, det första utvecklas av pionjärflygaren JW Dunne .
Att svepa vings framkant bakåt, antingen som en svept vinge eller delta-vinge , och minska infallsvinkeln för den yttre vingsektionen gör att den yttre vingen kan fungera som en konventionell bakplanstabilisator. Om detta sker progressivt längs loppet av den yttre delen, kallas det spets washout . Dunne uppnådde det genom att ge vingens övre yta en konisk krökning. Vid planflygning bör flygplanet trimmas så att spetsarna inte bidrar med någon hiss: de kan till och med behöva ge ett litet nedtryck. Detta minskar vingens totala effektivitet, men för många konstruktioner - speciellt för höga hastigheter - uppvägs detta av minskningarna i drag, vikt och kostnad jämfört med en konventionell stabilisator. Det långa vingspännet minskar också manövrerbarheten, och av den anledningen avvisades Dunnes design av den brittiska armén.
Ett alternativ är användning av låga eller null pitching ögonblick bärytor , sett exempelvis i Horten serie av segelflygplan och kämpar. Dessa använder en ovanlig vingluftsektion med reflex eller bakåtvinkling på baksidan eller hela vingen. Med reflexkammare är den planare sidan av vingen överst och den starkt böjda sidan är på botten, så den främre sektionen ger en hög attackvinkel medan baksektionen är mer horisontell och bidrar inte med någon hiss, så att den fungerar som ett bakplan eller de tvättade spetsarna på en svept vinge. Reflex camber kan simuleras genom att montera stora hissar på en konventionell flygplatta och trimma dem märkbart uppåt; tyngdpunkten måste också flyttas framåt från det vanliga läget. På grund av Bernoulli-effekten tenderar reflexcamber att skapa en liten nedströmsvinkel, så vinkelns attackvinkel ökar för att kompensera. Detta skapar i sin tur ytterligare drag. Denna metod möjliggör ett större urval av vingplanform än svep och tvätt, och konstruktioner har inkluderat raka och jämna cirkulära (Arup) vingar. Men drag som är inneboende i en hög angreppsvinkel anses allmänt som att göra designen ineffektiv, och endast ett fåtal produktionstyper, såsom Fauvel och Marske Aircraft- serien av segelflygplan, har använt den.
Ett enklare tillvägagångssätt är att övervinna instabiliteten genom att placera flygplanets huvudvikt ett betydande avstånd under vingen, så att tyngdkraften tenderar att bibehålla flygplanet i en horisontell inställning och så motverka all aerodynamisk instabilitet, som i skärmflygplanet . I praktiken är detta emellertid sällan tillräckligt för att ge stabilitet på egen hand och förstärks typiskt av de beskrivna aerodynamiska teknikerna. Ett klassiskt exempel är Rogallo- hängglidflygplanet, som använder samma svep, tvätt och konisk yta som Dunne.
Stabilitet kan också tillhandahållas artificiellt. Det finns en avvägning mellan stabilitet och manövrerbarhet. En hög manövreringsnivå kräver låg stabilitet. Några moderna högteknologiska stridsflygplan är aerodynamiskt instabila i tonhöjd och förlitar sig på flyg-för-tråd-datorkontroll för att ge stabilitet. Den Northrop Grumman B-2 Spirit flygande vinge är ett exempel.
Pitch kontroll
Många tidiga konstruktioner misslyckades med att ge effektiv tonhöjdskontroll för att kompensera för den saknade stabilisatorn. Några exempel var stabila men deras höjd kunde endast kontrolleras med hjälp av motoreffekt. Andra kunde slå upp eller ner kraftigt och okontrollerbart om de inte hanterades noggrant. Dessa gav svanslösa mönster rykte om instabilitet. Det var inte förrän den senare framgången med den svaga deltakonfigurationen i jetåldern att detta rykte var allmänt accepterat att vara oförtjänt.
Lösningen som vanligtvis används är att tillhandahålla stora hiss- och / eller lyftytor på vingens bakkant. Om inte vingen är mycket svept måste dessa generera stora styrkrafter, eftersom deras avstånd från det aerodynamiska centrumet är litet och ögonblicken mindre. En svag typ kan således uppleva högre dragkraft under tonhöjdsmanövrer än dess konventionella ekvivalent. I en mycket svept deltavinge är avståndet mellan bakkanten och det aerodynamiska centrumet större så att förstorade ytor inte krävs. Den Dassault Mirage svanslösa delta serien och dess derivat var bland de mest använda strids jets. Men även i Mirage kan tonhöjdskontroll i de höga attackvinklarna som upplevs under start och landning vara problematisk och vissa senare derivat innehöll ytterligare kanardytor .
Yaw stabilitet
Ett konventionellt flygplan är instabilt i yaw och behöver en svansfena för att hålla det rakt. Rörelse av krängningsrullarna skapar en ogynnsam käft som drar ut den från svängen, vilket också måste kompenseras av rodret . Medan en svept vinge är stabil i rak flygning upplever den fortfarande ogynnsam yaw under en sväng. En lösning är att ge vingen tillräcklig vridning för att den yttre sektionen ska vinkla nedåt och ge negativ lyft. Detta reverserar krängningsrullarnas ogynnsamma gaffelverkan, hjälper planet in i svängen och eliminerar behovet av ett vertikalt roder eller differentialspolare.
Den klockformade lyftfördelningen som detta producerar har också visat sig minimera det inducerade motståndet för en given vikt (jämfört med den elliptiska fördelningen, vilket minimerar den under ett givet intervall).
Historia
- Se även historien om den flygande vingen
JW Dunne
Mellan 1905 och 1913 utvecklade den brittiska arméofficern och flygfartyget JW Dunne en serie svanslösa flygplan som var avsedda att vara i sig stabila och oreglerbara. Inspirerad av hans studier av måsar under flygning kännetecknades de av svepade vingar med en konisk övre yta. Konen var anordnad så att vingen vridit sig gradvis utåt mot spetsarna vilket skapar negativ infall och därmed negativ lyftning i utombordssektionerna, vilket skapar övergripande stabilitet i både stigning och yaw. En enda kontrollyta på bakkanten av varje vingspets fungerade som kombinerad kran och hiss. Dunne hade en avancerad kvalitativ uppskattning av de involverade aerodynamiska principerna, till och med förstått hur negativ lyft vid vingspetsarna i kombination med brant nedåtvinklad anhedral, förbättrad riktningsstabilitet.
Även om de ursprungligen var tänkta som en monoplan , krävdes Dunnes ursprungliga mönster för armén att vara tvåplan , vanligtvis med en flygkroppsnacell mellan planen med bakmonterad skjutpropeller och fasta ändplattans fenor mellan varje par vingspetsar.
Efter att hans arméarbete hade avslutats bevittnades D.5 biplan i stabil flygning av Orville Wright och Griffith Brewer , som lämnade in en officiell rapport till Royal Aeronautical Society om detta. Det blev därmed det första flygplanet någonsin som uppnådde naturlig stabilitet under flygningen, liksom det första praktiska svanslösa flygplanet. Den senare D.8 licensbyggdes och såldes kommersiellt av W. Starling Burgess i Amerika som Burgess-Dunne.
Han återvände också till sin monoplan. Den D.6 av 1911 var en tryck typ high-wing monoplanen som presenterade också uttalat anhedral eller sloka till vingspetsarna. Kontrollytorna fungerade nu också som roder.
Många av Dunnes idéer om stabilitet förblir giltiga, och han är känd för att ha påverkat senare designers som John K. Northrop (far till Northrop Grumman B-2 Spirit stealth bombplan).
Mellan kriget och andra världskriget
- GTR Hill och Pterodactyls
Efter första världskriget sökte piloten Geoffrey TR Hill också en stabil, instabil design. Dunne gav lite hjälp inledningsvis och Hill fortsatte med att producera Pterodactyl-serien av svansfria flygplan från 1920-talet och framåt. Hill började också utveckla teorin om den inneboende stabila flygfolien och införlivade den i sina mönster.
- Lippiska deltor
Tyska teoretiker utvecklade vidare teorin om den stabila flygfolien. Designern Alexander Lippisch producerade sin första svaga design, Delta I, 1931. Han fortsatte med att bygga en serie av allt mer sofistikerade mönster och i slutet av andra världskriget fördes han till Amerika för att fortsätta sitt arbete .
- Messerschmitt Me 163 Komet
Under andra världskriget arbetade Lippisch för den tyska designern Willy Messerschmitt på det första svanslösa flygplanet som gick i produktion, Me 163 Komet . Det var den enda raketdrivna avlyssnaren som någonsin placerades i frontlinjetjänsten och var det snabbaste flygplanet som nådde operativ service under kriget.
- Northrop
Parallellt med Lippisch, i USA, utvecklade Jack Northrop sina egna idéer om svag design. Den N-1M flög 1941 och en rad svanslösa typer följde, en del av dem verkliga flygande vingar.
Efterkrigstiden
- de Havilland DH 108 Swallow
På 1940-talet utvecklade den brittiska flygplandesignern John Carver Meadows Frost det svanslösa jetdrivna forskningsflygplanet kallat de Havilland DH.108 Swallow , byggt med hjälp av framkroppen till jetflygplanet de Havilland Vampire . Ett av dessa var möjligen ett av de första flygplanen någonsin som bröt ljudbarriären - det gjorde det under ett grunt dyk och den soniska bommen hördes av flera vittnen. Alla tre byggda förlorades i dödliga krascher.
I likhet med DH.108 var den dubbla jetmotorerna Northrop X-4 från 1948-årgången en av de serie efterkrigstidens experimentella flygplan som utvecklades i USA efter andra världskriget för att flyga i forskningsprogram som utforskar utmaningarna med -hastighet transonic flygning och bortom. Den hade aerodynamiska problem som liknade DH.108, men båda X-4-exemplen byggde överlevde sina flygprovsprogram utan allvarliga incidenter genom cirka 80 forskningsflyg från 1950-1953 och nådde bara topphastigheter på 640 mph (1.035 km / h).
- Dassault Mirage
Den franska Mirage- serien av supersoniska stridsflygplan var ett exempel på den svaga deltakonfigurationen och blev en av de mest producerade av alla västerländska jetflygplan. Däremot har Sovjetunionens motsvarande brett producerade delta-winged fighter, Mikoyan-Gurevich MiG-21 , en svansstabilisator.
- Convair F2Y Sea Dart
På 1950-talet blev prototypen Convair F2Y Sea Dart det enda sjöflygplanet som översteg ljudhastigheten. Convair byggde flera andra framgångsrika tailless delta typer.
- Supersoniska flygplan
Den fransk-franska Concorde supersoniska transporten och dess sovjetiska motsvarighet, Tupolev Tu-144 , var svanslösa supersoniska jetflygplan, med ogival delta- vingar. Nåd och skönhet hos dessa flygplan under flygning påpekades ofta.
- Lockheed SR-71 Blackbird
Det amerikanska Lockheed SR-71 Blackbird strategiska spaningsflygplanet är det snabbaste jetdrivna flygplanet och uppnår hastigheter över Mach 3.
- NASA PRANDTL-D
NASA: s preliminära aerodynamiska design för att sänka drag (PRANDTL-D) -vingen har utvecklats av Al Bowers vid NASA Armstrong Flight Research Center . Bowers inspirerades av Ludwig Prandtls arbete och liksom Dunne genom att titta på fågelflyg. Som med Dunne-designen har den en vingvridning som är tillräcklig för att ställa vingspetsarna i en negativ vinkel och skapa samma positiva rull-koppling. Bowers utvecklade en kvantitativ analys av lyftegenskaperna, vilket ledde till hans mer allmänna upptäckt av en klockformad hissfördelning som minimerar inducerat drag för flygplanets vikt. Han använde denna distribution i "Prandtl-D" -serien. I slutet av 2017 hade han flugit tre sådana forskningsmodeller.
Se även
Referenser
Inline citat
Allmänna referenser
- Poulsen, CM "Tailless trial, Tribute to a British Pioneer: The Dunne Biplanes and Monoplane." , "s. 557." , "s. 558." Flyg , 27 maj 1943, s. 556–558.
externa länkar
- Tailless Aircraft - diskussion om design och stabilitet.