Экспериментальный самолёт с крылом обратной стреловидности Grumman X-29
С увеличением скоростей полета в авиации вполне закономерным стал переход от использования прямого крыла к стреловидному. Этот факт общеизвестен. Однако как с компоновочной, так и с аэродинамической точек зрения существенно более привлекательным решением виделось использование КОС — крыла обратной стреловидности. Работы над самолетами с таким крылом велись во многих странах. К примеру, в России таким проектом стал истребитель Су-47 (С-37) «Беркут». В США подобная машина была создана авиационной корпорацией Grumman (с 1994 года Northrop Grumman). Экспериментальный истребитель получил обозначение Grumman X-29.
Крыло обратной стреловидности (КОС)
Известно, что на самолетах с крылом прямой стреловидности набегающий поток воздуха стекает от корня к законцовке и образует два мощных вихря, которые сходят оттуда. При этом сопротивление, которое создается спутной струей (воздушное течение в виде вихрей, которые срываются с законцовок крыла самолета в полете), называется индуктивным. В случае применения КОС перетекание осуществляется в обратном направлении — от законцовки к фюзеляжу, при этом спутная струя имеет меньшую интенсивность, что ведет к существенному снижению индуктивного сопротивления. При этом расположение в зоне действия спутной струи за крылом обратной стреловидности малых поверхностей аэродинамического управления ведет к увеличению маневренности самолета.
Повышению уровня маневренности летательного аппарата способствует также и тот факт, что самолет с КОС обладает существенно меньшим запасом статической устойчивости. Достигается это за счет того, что аэродинамический фокус самолета с КОС значительно проще совместить с его центром масс, нежели в случае использования крыла с прямой стреловидностью. Еще одним преимуществом данной схемы является то, что удается более равномерно распределить подъемную силу по размаху, что в свою очередь ведет к упрощению расчета крыла и способствует повышению управляемости и аэродинамических качеств.
Компоновочное преимущество КОС при разработке пассажирских, военных или транспортных самолетов заключается в том, что массивный лонжерон крыла располагается далеко позади центра масс самолета, где расположены пассажирский салон или бомбовый отсек. Все эти факты были известны конструкторам и ученым еще в годы Второй мировой войны. Еще в 1944 году в нацистской Германии был спроектирован экспериментальный самолет — тяжелый бомбардировщик Ju-287 с крылом обратной стреловидности. Данный прототип из-за низкого приоритета программы и большого количества проблем, которые возникли в ходе работ на ним, так и не вышел за рамки обычных, хоть и летающих, прототипов.
Что же мешало воплотить знания в жизнь? Крыло обратной стреловидности было реально реализовано на считанных образцах авиационной техники. Все дело в том, что крыло обратной стреловидности обладало одним, но очень труднопреодолимым недостатком: данное крыло — очень неустойчивая конструкция с точки зрения сопромата. Под действием набегающего потока воздуха крыло обратной стреловидности стремится согнуться. Такой процесс получил обозначение аэродинамической дивергенции. Бороться с этим процессом можно, сделав конструкцию крыла обратной стреловидности абсолютно жесткой. Но такое решение в свою очередь вело к резкому росту массы летательного аппарата. Поэтому долгие годы идея самолета с КОС не могла получить логического развития и воплощения в металле.
Grumman X-29
Начиная с 1977 года, в США начали проводить исследования, которые были направлены на изучение перспективных схем высокоманевренных боевых самолетов. Данная программа осуществлялась под руководством DARPA. В 1980 году компании «Грумман», «Дженерал Дайнэмикс» и «Рокуэлл» создали проекты самолетов с крылом обратной стреловидности. Для обоснования представленных ими конфигураций были проведены испытания моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах. По результатам рассмотрения представленных проектов агентство DARPA остановило свой выбор на фирме «Grumman». В декабре 1981 года данная компания получила контракт на 80 миллионов долларов, который предусматривал строительство двух экспериментальных самолетов, которые получили обозначение Grumman X-29A.
Экспериментальный самолет Grumman X-29A был построен с применением аэродинамической схемы «утка» и с крылом обратной стреловидности. Помимо этого самолет получил цельноповоротное переднее горизонтальное оперение (ПГО), которое могло аэродинамически взаимодействовать с крылом самолета. Передний лонжерон крыла был выполнен из сплава титана с использованием электросварки. Задний лонжерон, а также поперечный и продольный силовые наборы были выполнены из сплава алюминия. По всему размаху крыла располагались трехсекционные элероны.
Именно КОС было изюминкой самолета X-29A. В корневой части оно занимало по длине 2/3 фюзеляжа самолета. Прочность крыла достигалась за счет использования сварного кессона из титана и других легких сплавов. Верхняя и нижняя обшивка крыла были изготовлены цельными из специального материала CFRP (усиленный углеродом пластик). На концах крыла обшивка склеивалась сразу из 156 слоев данного материала. Такая обшивка обладала очень высоким уровнем прочности при достаточно малой массе. Стреловидность крыла по четвертой хорде равнялась 34 градусам, при этом крыло было в состоянии выдержать даже очень высокие нагрузки.
Фюзеляж самолета X-29 полумонококовой конструкции был изготовлен из алюминиевых сплавов. Фонарь кабины открывался вверх-назад при помощи специальных гидроцилиндров. Кабина пилота была герметизированной, в ней устанавливалось катапультное кресло Мартин-Бейкер GRQ7A. По бокам фюзеляжа машины, начиная от корня крыла, находились наплывы, которые завершались отклоняемыми щитками для управления вихрями, которые сходили с крыла самолета. Щитки помимо этого могли применяться для облегчения отрыва носового колеса самолета на взлете, увеличивая подъемную силу при заходе самолета на посадку, а также вместе с ПГО и зависающими элеронами для балансировки машины. Киль и ПГО самолета также были выполнены из алюминиевых сплавов.
Шасси экспериментального самолета было выполнено трехопорным, с одноколесными стойками. Шасси оснащалось масляно-пневматическими амортизаторами компании «Менаско», а также пневматиками и колесами компании «Гудрич». Все стойки самолетного шасси убирались поворотом вперед. На самолете использовались боковое плоские воздухозаборники. В качестве силовой установки использовался двигатель Дженерал Электрик» F404-GE-400, обладающий двухвальной схемой и степенью двухконтурности 0,34. Запас топлива располагался в двух мягких баках в фюзеляже самолета, а также в отсеках-баках в корневой части крыла. Помимо всего прочего на самолете имелась вспомогательная силовая установка, которая обеспечивала привод аварийных генераторов и гидронасоса.
На борту Grumman X-29 была смонтирована специальная цифровая ЭДСУ — электродистанционная система управления компании «Ханиуэлл», обладающая трехкратным резервированием. Изначально самолет X-29 обладал статически неустойчивой компоновкой, что позволяло ему очень интенсивно маневрировать. В то же время ЭДСУ обеспечивала самолету искусственную устойчивость, осуществляя согласованное отклонение ПГО, фюзеляжных щитков и элеронов. Также на самолете было установлено полноценное радиоэлектронное оборудование, которое включало в себя пространственно-курсовую систему Литтон LR-80 и другое навигационное оборудование. Помимо этого на самолете имелась система опознавания «Теледайн» RT-1063B/APX-101V и аппаратура связи «Магнавокс» AN/ARC-164, работающая в дециметровом диапазоне волн. На втором экспериментальном образце появилась и инерциальная навигационная система.
Важной задаче при разработке X-29 являлось уменьшение стоимости самолета. По этой причине компания Grumman широко применяла в конструкции агрегаты и узлы уже существующих машин: носовую опору шасси и кабину от F-5A Freedom Fighter, основные опоры шасси и топливные баки — от F-16 Fighting Falcon, силовая установка представляла собой «ополовиненный» вариант таковой на F/A-18 Hornet, гидравлические фильтры с самолета Grumman E-2C.
Экспериментальный самолет Grumman X-29 был рассчитан на совершение полетов на сравнительно небольшой сверхзвуковой скорости, статическая устойчивость машины в полете обеспечивалась искусственным путем. Первый полет самолет совершил 14 декабря 1984 года. Самолет X-29А применялся для осуществления первичной оценки пилотажных и летных характеристик самолета с крылом обратной стреловидности. Освещавшие его полет корреспонденты были в восторге от нового самолета и его внешнего вида. Журналисты, которые привыкли к традиционному виду реактивных самолетов с крылом прямой стреловидности, даже считали, что самолет летел задом наперед. При этом самолет летал достаточно интенсивно. Иногда он совершал до 4-х полетов в день, в среднем же каждый месяц выполнялось по 8 полетов. Во время испытательных полетов самолет сумел достичь максимальной высоты 15 500 метров, скорости М = 1,47 и угла атаки 22,5 градуса. Также удалось достичь перегрузки в 6,4g (80% от расчетного максимального значения) во время совершения форсированных разворотов.
Летные испытания экспериментального самолета подтвердили результаты, которые уже были получены во время совершения продувок в аэродинамических трубах. Машина не сваливалась в полете даже с очень большими углами атаки и сохраняла способность к совершению контролируемого крена даже при достаточно малых скоростях полета. Осенью 1988 года первый самолет принял участие в серии испытаний, основной целью которых бала оценка боевой маневренности машины в рамках программы ВВС США по разработке базы данных, которая позволила бы количественно сопоставлять и определять параметры маневренности летательных аппаратов.
Второй самолет Grumman X-29 выполнил первый полет 18 мая 1989 года. Он применялся для проведения исследований по границе маневренности во время полетов на больших углах атаки. На этом самолете удалось достигнуть очень высокого угла атаки — 67 градусов. Также потенциальный заказчик машины в лице американских ВВС оценивал пригодность схемы «утка» с крылом обратной стреловидности и с тремя поверхностями, управляемыми по тангажу — рулевыми поверхностями крыла, ПГО и фюзеляжными щитками. Также оценивались возможности самолета c КОС достигать высокой угловой скорости разворота и управления по крену при полете на больших углах атаки. Экспериментальная машина могла сохранять хорошую управляемость на углах атаки до 45 градусов.
Однако в дальнейшем от применения и продолжения испытаний самолета Grumman X-29 было решено отказаться. Не были реализованы и идеи по постройке боевого самолета с крылом обратной стреловидности. Причинами стало то, что аэродинамические преимущества от применения КОС, с точки зрения американских военных, были не так уж высоки, как это ожидалось. Помимо этого в ходе реализации программы были выявлены серьезные трудности с созданием ЭДСУ для такого самолета из-за наличия серьезных трудностей с устранением перекрестных связей при управлении машиной. В довершение ко всему за время разработки и проведения испытаний Grumman X-29 успели сместиться акценты к требованиям для новых боевых самолетов: на первый план выдвинулась сверхзвуковая крейсерская скорость полета при сохранении достаточно большой максимальной скорости и снижение заметности. В то же время при использовании КОС максимальные скоростные характеристики ухудшаются из-за увеличения волнового сопротивления на сверхзвуковой скорости полета.
Общая стоимость программы по созданию и испытаниям двух экспериментальных самолетов составила порядка 250 миллионов долларов. При этом программа испытаний первого X-29 закончилась 2 декабря 1988 года после совершения 254 полетов, второго — 30 сентября 1991 года после совершения 120 полетов. Общее количество полетов достигло таким образом 374. Это больше, чем для всех остальных американских летательных аппаратов, имеющих в индексе букву X. В настоящее время самолеты используются как выставочные образцы.
Летно-технические характеристики Grumman X-29:
Габариты: размах крыла — 8,29 м, длина — 16,44 м, высота — 4,36 м, площадь крыла — 17,54 м2.
Масса пустого самолета — 6260 кг, максимальная взлетная — 8074 кг.
Силовая установка 1 ТРДДФ General Electric F404-GE-400, максимальная тяга на форсаже — 7260 кгс.
Максимальная достигнутая скорость полета — 1770 км/ч (М=1,48).
Практический потолок — 16 670 м.
Экипаж — 1 человек.
Источники информации:
http://www.airwar.ru/enc/xplane/x29.html
http://www.dogswar.ru/oryjeinaia-ekzotika/aviaciia/4514-eksperimentalnyi-sam.html
http://aviadejavu.ru/Site/Crafts/Craft22096.htm
http://thebrigade.thechive.com/2014/11/12/experimenting-with-a-forward-swept-wing-grumman-x-29-41-hq-photos (фото)
Крыло обратной стреловидности (КОС)
Известно, что на самолетах с крылом прямой стреловидности набегающий поток воздуха стекает от корня к законцовке и образует два мощных вихря, которые сходят оттуда. При этом сопротивление, которое создается спутной струей (воздушное течение в виде вихрей, которые срываются с законцовок крыла самолета в полете), называется индуктивным. В случае применения КОС перетекание осуществляется в обратном направлении — от законцовки к фюзеляжу, при этом спутная струя имеет меньшую интенсивность, что ведет к существенному снижению индуктивного сопротивления. При этом расположение в зоне действия спутной струи за крылом обратной стреловидности малых поверхностей аэродинамического управления ведет к увеличению маневренности самолета.
Повышению уровня маневренности летательного аппарата способствует также и тот факт, что самолет с КОС обладает существенно меньшим запасом статической устойчивости. Достигается это за счет того, что аэродинамический фокус самолета с КОС значительно проще совместить с его центром масс, нежели в случае использования крыла с прямой стреловидностью. Еще одним преимуществом данной схемы является то, что удается более равномерно распределить подъемную силу по размаху, что в свою очередь ведет к упрощению расчета крыла и способствует повышению управляемости и аэродинамических качеств.
Компоновочное преимущество КОС при разработке пассажирских, военных или транспортных самолетов заключается в том, что массивный лонжерон крыла располагается далеко позади центра масс самолета, где расположены пассажирский салон или бомбовый отсек. Все эти факты были известны конструкторам и ученым еще в годы Второй мировой войны. Еще в 1944 году в нацистской Германии был спроектирован экспериментальный самолет — тяжелый бомбардировщик Ju-287 с крылом обратной стреловидности. Данный прототип из-за низкого приоритета программы и большого количества проблем, которые возникли в ходе работ на ним, так и не вышел за рамки обычных, хоть и летающих, прототипов.
Что же мешало воплотить знания в жизнь? Крыло обратной стреловидности было реально реализовано на считанных образцах авиационной техники. Все дело в том, что крыло обратной стреловидности обладало одним, но очень труднопреодолимым недостатком: данное крыло — очень неустойчивая конструкция с точки зрения сопромата. Под действием набегающего потока воздуха крыло обратной стреловидности стремится согнуться. Такой процесс получил обозначение аэродинамической дивергенции. Бороться с этим процессом можно, сделав конструкцию крыла обратной стреловидности абсолютно жесткой. Но такое решение в свою очередь вело к резкому росту массы летательного аппарата. Поэтому долгие годы идея самолета с КОС не могла получить логического развития и воплощения в металле.
Grumman X-29
Начиная с 1977 года, в США начали проводить исследования, которые были направлены на изучение перспективных схем высокоманевренных боевых самолетов. Данная программа осуществлялась под руководством DARPA. В 1980 году компании «Грумман», «Дженерал Дайнэмикс» и «Рокуэлл» создали проекты самолетов с крылом обратной стреловидности. Для обоснования представленных ими конфигураций были проведены испытания моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах. По результатам рассмотрения представленных проектов агентство DARPA остановило свой выбор на фирме «Grumman». В декабре 1981 года данная компания получила контракт на 80 миллионов долларов, который предусматривал строительство двух экспериментальных самолетов, которые получили обозначение Grumman X-29A.
Экспериментальный самолет Grumman X-29A был построен с применением аэродинамической схемы «утка» и с крылом обратной стреловидности. Помимо этого самолет получил цельноповоротное переднее горизонтальное оперение (ПГО), которое могло аэродинамически взаимодействовать с крылом самолета. Передний лонжерон крыла был выполнен из сплава титана с использованием электросварки. Задний лонжерон, а также поперечный и продольный силовые наборы были выполнены из сплава алюминия. По всему размаху крыла располагались трехсекционные элероны.
Именно КОС было изюминкой самолета X-29A. В корневой части оно занимало по длине 2/3 фюзеляжа самолета. Прочность крыла достигалась за счет использования сварного кессона из титана и других легких сплавов. Верхняя и нижняя обшивка крыла были изготовлены цельными из специального материала CFRP (усиленный углеродом пластик). На концах крыла обшивка склеивалась сразу из 156 слоев данного материала. Такая обшивка обладала очень высоким уровнем прочности при достаточно малой массе. Стреловидность крыла по четвертой хорде равнялась 34 градусам, при этом крыло было в состоянии выдержать даже очень высокие нагрузки.
Фюзеляж самолета X-29 полумонококовой конструкции был изготовлен из алюминиевых сплавов. Фонарь кабины открывался вверх-назад при помощи специальных гидроцилиндров. Кабина пилота была герметизированной, в ней устанавливалось катапультное кресло Мартин-Бейкер GRQ7A. По бокам фюзеляжа машины, начиная от корня крыла, находились наплывы, которые завершались отклоняемыми щитками для управления вихрями, которые сходили с крыла самолета. Щитки помимо этого могли применяться для облегчения отрыва носового колеса самолета на взлете, увеличивая подъемную силу при заходе самолета на посадку, а также вместе с ПГО и зависающими элеронами для балансировки машины. Киль и ПГО самолета также были выполнены из алюминиевых сплавов.
Шасси экспериментального самолета было выполнено трехопорным, с одноколесными стойками. Шасси оснащалось масляно-пневматическими амортизаторами компании «Менаско», а также пневматиками и колесами компании «Гудрич». Все стойки самолетного шасси убирались поворотом вперед. На самолете использовались боковое плоские воздухозаборники. В качестве силовой установки использовался двигатель Дженерал Электрик» F404-GE-400, обладающий двухвальной схемой и степенью двухконтурности 0,34. Запас топлива располагался в двух мягких баках в фюзеляже самолета, а также в отсеках-баках в корневой части крыла. Помимо всего прочего на самолете имелась вспомогательная силовая установка, которая обеспечивала привод аварийных генераторов и гидронасоса.
На борту Grumman X-29 была смонтирована специальная цифровая ЭДСУ — электродистанционная система управления компании «Ханиуэлл», обладающая трехкратным резервированием. Изначально самолет X-29 обладал статически неустойчивой компоновкой, что позволяло ему очень интенсивно маневрировать. В то же время ЭДСУ обеспечивала самолету искусственную устойчивость, осуществляя согласованное отклонение ПГО, фюзеляжных щитков и элеронов. Также на самолете было установлено полноценное радиоэлектронное оборудование, которое включало в себя пространственно-курсовую систему Литтон LR-80 и другое навигационное оборудование. Помимо этого на самолете имелась система опознавания «Теледайн» RT-1063B/APX-101V и аппаратура связи «Магнавокс» AN/ARC-164, работающая в дециметровом диапазоне волн. На втором экспериментальном образце появилась и инерциальная навигационная система.
Важной задаче при разработке X-29 являлось уменьшение стоимости самолета. По этой причине компания Grumman широко применяла в конструкции агрегаты и узлы уже существующих машин: носовую опору шасси и кабину от F-5A Freedom Fighter, основные опоры шасси и топливные баки — от F-16 Fighting Falcon, силовая установка представляла собой «ополовиненный» вариант таковой на F/A-18 Hornet, гидравлические фильтры с самолета Grumman E-2C.
Экспериментальный самолет Grumman X-29 был рассчитан на совершение полетов на сравнительно небольшой сверхзвуковой скорости, статическая устойчивость машины в полете обеспечивалась искусственным путем. Первый полет самолет совершил 14 декабря 1984 года. Самолет X-29А применялся для осуществления первичной оценки пилотажных и летных характеристик самолета с крылом обратной стреловидности. Освещавшие его полет корреспонденты были в восторге от нового самолета и его внешнего вида. Журналисты, которые привыкли к традиционному виду реактивных самолетов с крылом прямой стреловидности, даже считали, что самолет летел задом наперед. При этом самолет летал достаточно интенсивно. Иногда он совершал до 4-х полетов в день, в среднем же каждый месяц выполнялось по 8 полетов. Во время испытательных полетов самолет сумел достичь максимальной высоты 15 500 метров, скорости М = 1,47 и угла атаки 22,5 градуса. Также удалось достичь перегрузки в 6,4g (80% от расчетного максимального значения) во время совершения форсированных разворотов.
Летные испытания экспериментального самолета подтвердили результаты, которые уже были получены во время совершения продувок в аэродинамических трубах. Машина не сваливалась в полете даже с очень большими углами атаки и сохраняла способность к совершению контролируемого крена даже при достаточно малых скоростях полета. Осенью 1988 года первый самолет принял участие в серии испытаний, основной целью которых бала оценка боевой маневренности машины в рамках программы ВВС США по разработке базы данных, которая позволила бы количественно сопоставлять и определять параметры маневренности летательных аппаратов.
Второй самолет Grumman X-29 выполнил первый полет 18 мая 1989 года. Он применялся для проведения исследований по границе маневренности во время полетов на больших углах атаки. На этом самолете удалось достигнуть очень высокого угла атаки — 67 градусов. Также потенциальный заказчик машины в лице американских ВВС оценивал пригодность схемы «утка» с крылом обратной стреловидности и с тремя поверхностями, управляемыми по тангажу — рулевыми поверхностями крыла, ПГО и фюзеляжными щитками. Также оценивались возможности самолета c КОС достигать высокой угловой скорости разворота и управления по крену при полете на больших углах атаки. Экспериментальная машина могла сохранять хорошую управляемость на углах атаки до 45 градусов.
Однако в дальнейшем от применения и продолжения испытаний самолета Grumman X-29 было решено отказаться. Не были реализованы и идеи по постройке боевого самолета с крылом обратной стреловидности. Причинами стало то, что аэродинамические преимущества от применения КОС, с точки зрения американских военных, были не так уж высоки, как это ожидалось. Помимо этого в ходе реализации программы были выявлены серьезные трудности с созданием ЭДСУ для такого самолета из-за наличия серьезных трудностей с устранением перекрестных связей при управлении машиной. В довершение ко всему за время разработки и проведения испытаний Grumman X-29 успели сместиться акценты к требованиям для новых боевых самолетов: на первый план выдвинулась сверхзвуковая крейсерская скорость полета при сохранении достаточно большой максимальной скорости и снижение заметности. В то же время при использовании КОС максимальные скоростные характеристики ухудшаются из-за увеличения волнового сопротивления на сверхзвуковой скорости полета.
Общая стоимость программы по созданию и испытаниям двух экспериментальных самолетов составила порядка 250 миллионов долларов. При этом программа испытаний первого X-29 закончилась 2 декабря 1988 года после совершения 254 полетов, второго — 30 сентября 1991 года после совершения 120 полетов. Общее количество полетов достигло таким образом 374. Это больше, чем для всех остальных американских летательных аппаратов, имеющих в индексе букву X. В настоящее время самолеты используются как выставочные образцы.
Летно-технические характеристики Grumman X-29:
Габариты: размах крыла — 8,29 м, длина — 16,44 м, высота — 4,36 м, площадь крыла — 17,54 м2.
Масса пустого самолета — 6260 кг, максимальная взлетная — 8074 кг.
Силовая установка 1 ТРДДФ General Electric F404-GE-400, максимальная тяга на форсаже — 7260 кгс.
Максимальная достигнутая скорость полета — 1770 км/ч (М=1,48).
Практический потолок — 16 670 м.
Экипаж — 1 человек.
Источники информации:
http://www.airwar.ru/enc/xplane/x29.html
http://www.dogswar.ru/oryjeinaia-ekzotika/aviaciia/4514-eksperimentalnyi-sam.html
http://aviadejavu.ru/Site/Crafts/Craft22096.htm
http://thebrigade.thechive.com/2014/11/12/experimenting-with-a-forward-swept-wing-grumman-x-29-41-hq-photos (фото)
Информация