Для преодоления звукового барьера в авиацию могут вернуться бипланы

Исследователи Стэнфордского университета и Массачусетского технологического института (оба – Соединенные Штаты Америки) тщательно смоделировали с помощью компьютера крыло Буземана, предложенное в 50-х годах 20 века, и обнаружили, что его реализация на практике является вполне достижимой. Но самое главное, это может привести к тому, что появится сверхзвуковой самолёт, который не будет давать ударную волну при преодолении звукового барьера.

Сверхзвуковой пассажирский самолет «Конкорд», хотя и завершил свою работу в 2003 году не по причине шумности, был не очень широко распространен в первую очередь потому, что дикие звуки, которые издавал самолет при преодолении звукового барьера, не дали возможность ему получить разрешение на осуществление периодических рейсов над сушей. С территории англо-американских аэропортов взлет и разгон самолета проходили над водой, поэтому его единственной судьбой долгие годы оставался трансатлантический рейс.


Для преодоления звукового барьера в авиацию могут вернуться бипланы


Но даже если в будущем самолеты будут спроектированы лучше, то проблема, связанная с преодолением звукового барьера, все равно не потеряет своей актуальности. Это связано не только с тем, что граждане, которые находятся на земле, будут всегда недовольны. Все дело в том, что, когда летательный аппарат преодолевает звуковой барьер, на передней кромке его крыла происходит процесс формирования ударной волны. При этом у передней кромки пограничный слой воздуха сохраняет дозвуковую скорость, и происходит переход избыточной кинетической энергия потока во внутреннюю энергию газа. Как результат – резкое возрастание давления и температуры пограничного слоя, ведущее к скачкообразному росту сопротивления. Иначе говоря, звуковые спецэффекты самолета на земле требуют большого расхода топлива, что считается еще одним слабым местом «Конкорда» и Ту-144.

Но не все так запущено! Биплан, который сегодня воспринимается только как архаичный кукурузник, может вернуться в авиацию и исправить положение. Еще в 50-х годах 20 века Адольф Буземан предложил решить проблему преодоления звукового барьера с помощью двойного крыла, в котором происходит наложение ударных волн, образующихся от нижнего и верхнего крыла, друг на друга и их взаимное гашение. Пограничный слой отличается температурой и меньшим давлением, что отражается на повышении экономичности ЛА.
Тогда же, в 1950-х, проблема возникла при создании крыла очень тонкого профиля, иначе сопротивление было бы очень большим, чтобы самолет смог лететь с умеренным расходом топлива.

Помимо этого, при осуществлении работы на том числе Маха, которое в такое крыло было заложено во время проектирования, все пройдет идеально. Но если скорость изменится незначительно, то крыло начинает давать сбои, а ведь до осуществления крейсерского полёта летательный аппарат должен еще взлететь и разогнаться. Самый трудный момент был в том, что между парами крыльев был маленький зазор, и большой объём воздуха, проходя через него во время преодоления звукового барьера, падал до уровня, который не мог обеспечить сохранение достаточной подъёмной силы. Получалось, что крыло «задыхалось»!

После того, как в 2009 году появилась диссертационная работа Жуй Ху, сотрудника Стэнфордского университета, стало понятно, что данный вопрос решается путем оптимизации аэродинамического профиля биплана Буземана. Однако только недавно проведенные работы по компьютерному моделированию таких профилей исследователями Жуй Ху и Ци Ци Ваном показали, какую точно форму должны иметь крылья, чтобы это можно было осуществить на практике.

Ученые заметили, что для создания достаточной подъёмной силы крыльев Буземана на дозвуке и трансзвуке нужно выполнить внутренние поверхности крыла предельно гладкими и сделать переднюю кромку так, чтобы она слегка выступала вниз для нижней пары и вверх - для верхней пары. Это приводит к засасыванию крыльями большого потока воздуха на несущие поверхности. Крылья получают подъёмную силу и сопротивление, свойственные обычным крыльям, совершающим полет на некрейсерских скоростях. Сопротивление же на крейсерской скорости упало вдвое.

Надо сказать, что это является нечто большим, чем революция. Уменьшение сопротивления в два раза по сравнению с «Конкордом» означает, что сохраняя прежнюю дальность, самолет будет меньше брать топлива или расходовать меньше горючего. Можно ожидать увеличения топливной эффективности сверхзвуковых лайнеров более чем вдвое. В одночасье стали морально устаревшими конструкции истребителей пятого поколения, поскольку и ПАК ФА, и F-22 проектировались по традиционным схемам, и эффективность их полета существенно ниже по сравнению с крылом Буземана - Вана - Ху.

Подготовлено по материалам Компьютерра–Онлайн и MIT News.
Ctrl Enter

Заметив ошибку в тексте, выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter

18 комментариев
Информация

Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо зарегистрироваться.
Уже зарегистрированы? Войти