15 июля 2020 года Государственное управление КНР по правам интеллектуальной собственности официально объявило результаты 21-й конференции по выдаче патентной премии. Золотую премию получил Авиационный проектно-исследовательский институт города Чэнду при Китайской корпорации авиационной промышленности за патент на промышленный образец истребителя, выполненного по аэродинамической схеме «утка» с передним горизонтальным оперением, несущим корпусом и аэродинамическими гребнями. В результате несущий корпус, аэродинамические гребни и переднее горизонтальное оперение, которые являются «скрытыми» крыльями самолета, снова привлекли повышенное внимание любителей авиации.
Три главных элемента аэродинамической схемы истребителей
За исключением нескольких типов самолетов с вертикальным взлетом и посадкой, у которых подъемная сила создается изменением направления воздушного потока при взлете и посадке, у большинства самолетов подъемная сила создается крыльями в процессе движения.
Причины возникновения подъемной силы крыла весьма сложны, на этот счет существует множество теорий. Но лишь немногие могут полностью раскрыть секрет создания подъемной силы. Однако можно определить, что подъемная сила самолета в основном является результатом перепада давлений, вызванного разницей скоростей потоков на верхней и нижней поверхностях крыла. Подъемная сила зависит от скорости движения в воздушном потоке, плотности воздуха, площади и угла наклона крыла.
Конечно, на движение самолета также влияют различные силы сопротивления, такие как сопротивление трению, сопротивление перепаду давления, индуктивное сопротивление, сопротивление интерференции и волновое сопротивление. Оптимизация аэродинамических схем заключается в увеличении подъемной силы, реактивной тяги, повышении безопасности полета и снижении различных сил сопротивления.
Аэродинамическая схема является одним из важных факторов, влияющих на маневренность истребителя. По сравнению с крыльями, несущий корпус, аэродинамические гребни и переднее горизонтальное оперение привлекают не так много внимания, поэтому можно сказать, что они являются «скрытыми» крыльями самолета. С точки зрения функциональности они считаются тремя главными элементами аэродинамической схемы лучших истребителей в мире, в данный момент состоящих на вооружении.
Несущий корпус совершенно отличается от традиционной компоновки крыльев самолета. Для создания подъемной силы здесь используется трехмерная интегральная компоновка, при которой фюзеляж плавно переходит в крыло. Данная конструкция помогает получить большие показатели подъемной силы на низких скоростях.
Данную конструкцию начали изучать в Соединенных Штатах и Советском Союзе в 1957 году после того, как она была случайно открыта двумя американскими учеными. Американские прототипы ракеты-носителя X-33 и спасательного корабля X-38, строившиеся в рамках программы VentureStar, выполнены по аэродинамической схеме «несущий корпус».
Истребителями третьего поколения (по китайской классификации, прим. пер.) с несущим корпусом являются Су-27, МиГ-29 и другие. Среди образцов четвертого поколения можно назвать F-22, F-35, Су-57, наиболее примечательным из которых является Су-57. Он обладает достаточно широким фюзеляжем, высокими показателями подъемной силы и меньшим сопротивлением.
Аэродинамический гребень впервые появился в середине 1950-х годов на основе стреловидного или дельтовидного крыла. Он представляет собой длинную узкую поверхность стреловидной формы с острой передней кромкой, простирающуюся от корня передней кромки крыла. Как правило, гребень полностью интегрируется с фюзеляжем и основным крылом, формируя композитное крыло, что в результате улучшает маневренность и потерю скорости истребителя, а также значительно повышает его подъемную силу. Выделяют подфюзеляжные гребни и гребни крыла.
Переднее горизонтальное оперение, так же известное как канард или «утка», использовалось еще в 1903 году в самолетах братьев Райт. Особенностью данной конструкции является расположение стабилизатора впереди основного крыла.
Самолетами, обладающими передним горизонтальным оперением, являются российские истребители Су-35, Су-34 и Су-30МКИ, а также европейские боевые самолеты «Тайфун», «Рафаль» и «Грипен».
Особенностью этих трех европейских истребителей является то, что их канардом можно управлять. Это позволяет не только создавать подъемную силу вихревым способом, но и поддерживать устойчивость самолета в полете на околозвуковых скоростях. При посадке канард может играть роль аэродинамического тормоза.
В зависимости от места установки переднее горизонтальное оперение можно разделить на верхнее, среднее и нижнее. Учитывая такие факторы, как подъем и угол потери скорости, чаще всего применяются верхнее и среднее переднее горизонтальное оперение.
Комбинирование элементов — это совсем не просто, здесь необходимы инновации и терпение
Различные аэродинамические схемы имеют свои преимущества в различных режимах полета. Выбор элементов и способ их комбинации в аэродинамической схеме будет зависеть от боевых задач истребителя.
Комбинация аэродинамических гребней и несущего корпуса. Встраивание аэродинамических гребней в истребители позволяет улучшить летно-технические характеристики самолета и восполнить недостатки стреловидного крыла и крыла изменяемой стреловидности в отношении низкой скорости, волнового сопротивления и устойчивости полета. Использование несущего корпуса увеличивает эффективное пространство внутри истребителя, снижает силу сопротивления и повышает скорость полета. Поэтому F-22, F-35, Су-57, Су-27 и МиГ-29 выполнены по схеме «несущий корпус» с аэродинамическими гребнями.
Первая успешная интеграция аэродинамических гребней с технологией активного управления была выполнена при создании истребителя F-16, но лучшим примером комбинации аэродинамических гребней и несущего корпуса является F-22. Аэродинамический гребень у данного самолета простирается от вершины носа до корня крыла, затем соединяется с фюзеляжем и впускным каналом, образуя несущий корпус, благодаря чему не только создается большая подъемная сила, но и повышается устойчивость полета.
Комбинация переднего горизонтального оперения и аэродинамических гребней. В целях повышения коэффициента подъемной силы, при разработке большинства современных истребителей используется аэродинамическая схема, сочетающая в себе переднее горизонтальное оперение и аэродинамические гребни. Примерами являются российские самолеты Су-35, Су-34 и Су-30МКИ, а также европейские «Тайфун», «Рафаль» и «Грипен».
Истребители, выполненные по данной аэродинамической схеме, обладают более высокой подъемной силой и улучшенной маневренностью. Переднее горизонтальное оперение у данных самолетов, как правило, занимает большую площадь и отделено от крыла. Поэтому при определенных условиях дополнительная подъемная сила, создаваемая таким канардом, будет больше, чем у аэродинамического гребня. Однако аэродинамический гребень способствует поддержанию устойчивости полета и улучшает управляемость. Таким образом, эти два элемента отлично дополняют друг друга.
Истребители четвертого поколения США и России выполнены по нормальной аэродинамической схеме без использования переднего горизонтального оперения. На это есть свои причины. Одна из них заключается в том, что самолетами, построенными по схеме «утка», сложнее управлять, и это может сказаться на эффективности истребителей-невидимок.
Комбинация несущего корпуса, переднего горизонтального оперения и аэродинамических гребней. При выборе аэродинамической схемы следует учитывать не только маневренность самолета, но и ряд таких проблем, как устойчивость, управляемость, прочность и другие. Для истребителей важными характеристиками являются высокая маневренность и скорость, что повышает требования к аэродинамическому проектированию.
На сегодняшний день в мире очень мало самолетов, выполненных по схеме, совмещающей в себе сразу три элемента — несущий корпус, переднее горизонтальное оперение и аэродинамические гребни. Причиной этого является высокая сложность проектирования. Однако Авиационному проектно-исследовательскому институту города Чэнду при Китайской корпорации авиационной промышленности, очевидно, удалось преодолеть ряд проблем, связанных с проектированием схемы, отчего данная организация и была удостоена премии.
Для того, чтобы интегрировать переднее горизонтальное оперение с аэродинамическим гребнем, необходимо решить вопрос их совместимости с основным крылом. А если сюда добавить несущий корпус, то проблем станет еще больше. Необходимо детально продумать размеры, форму, расположение элементов и другие параметры, а также провести множество испытаний в аэродинамической трубе. Только так можно добиться оптимизации комбинации элементов. Более того, важным вопросом также является баланс веса самолета и его производительности. Все это осложняет процесс проектирования.
Таким образом, успешная комбинация элементов зависит от многочисленных испытаний, а для этого необходимы инновации и терпение.
Возможно ли все-таки интегрировать в истребитель три главных элемента аэродинамической схемы?
Будущее развитие истребителей будет направлено на улучшение его функциональных показателей в полете на разных высотах, при любых погодных условиях и выполнении различных задач воздушного боя. Эксперты назвали шесть основных характеристик, которыми должен обладать истребитель будущего: плоская форма, стабильность полета на сверхзвуковых скоростях, сверхманевренность, способность нанесения сверхдальних ударов, поддержка военного интернета вещей и наличие усиленных средств контроля.
Исходя из ожиданий различных стран в отношении истребителей следующих поколений, предполагается, что будущие истребители будут оснащены искусственным интеллектом и квантовым локатором, что позволит выполнять боевые задачи в беспилотном режиме, осуществлять полет на гиперзвуковых скоростях, выходить в ближний космос, а также применять оружие на новых физических принципах. Поэтому пилотируемая и беспилотная системы управления, повышение скрытности, улучшение летно-технических характеристик и системы связи являются ключевыми направлениями развития истребителей следующих поколений. Разработка пилотируемой и беспилотной систем управления, повышение скрытности и способности полета на гиперзвуковых скоростях будут зависеть от инноваций аэродинамических схем. Таким образом, аэродинамическое проектирование все еще будет играть важную роль в процессе разработки истребителей следующих поколений.
Несущий корпус, вероятно, станет основным элементом аэродинамической схемы боевых самолетов будущего. Предполагается, что истребители будут обладать большой грузоподъемностью, которая может быть достигнута при помощи интегральной аэродинамической схемы с плавным переходом от крыла к фюзеляжу, что позволит увеличить топливную нагрузку крыла и подъемную силу фюзеляжа. Ввиду быстрого развития технологии дистанционного зондирования, для повышения живучести самолета на поле боя будущие истребители будут обладать улучшенными показателями скрытности. Для этого самолеты, вероятно, будут выполнены по схеме «бесхвостка» с несущим корпусом и дельтовидным крылом, а от вертикального и горизонтального хвостового оперения придется отказаться. Использование интегральной аэродинамической схемы с плавным переходом от крыла к фюзеляжу позволит сделать истребители более маневренными и скрытными.
Аэродинамические гребни также будут являться основным элементом аэродинамических схем будущих истребителей. Стреловидное крыло с аэродинамическим гребнем расширенной площади стало основой конструкции высокомобильных боевых самолетов третьего поколения. Наличие аэродинамических гребней в компоновке истребителей четвертого поколения F-22, F-35 и Су-57 позволило улучшить их летно-технические характеристики. Развитие будущих истребителей будет основываться на существующих технологиях, поэтому аэродинамический гребень по-прежнему будет являться неотъемлемым элементом аэродинамической схемы.
Переднее горизонтальное оперение также получит дальнейшее развитие в процессе разработки боевых самолетов следующих поколений. Аэродинамическая схема «утка» может решить проблему потери скорости, то есть это позволит избежать попадания самолета в штопор. Недостатки традиционного переднего горизонтального оперения может восполнить несущий корпус, который будет выполнять функции канарда, что позволит улучшить маневренность истребителя и устойчивость полета на высоких скоростях. Таким образом, данная схема может стать основой будущих боевых самолетов.
Наконец, при разработке будущих истребителей могут быть использованы технологии, которые на сегодняшний день находят применение в производстве гиперзвуковых ракет. Следующие поколения истребителей будут обладать возможностью беспилотного управления, высокой скоростью, устойчивостью полета на больших высотах и способностью преодолевать систему противовоздушной обороны, а для этого необходимо наделить самолет высоким аэродинамическим качеством и сверхманевренностью. Достигнуть этих целей позволит использование несущего корпуса, плавного соединения крыла с фюзеляжем, осесимметричных форм, плоских и конических поверхностей и т.д.