Морфное крыло истребителей будущего: забытые истоки

Морфная революция в авиации

Сто лет спустя после появления первых летающих аэропланов, в США начались работы над созданием гибкого крыла для боевых сверхзвуковых летательных аппаратов. В испытательном центре НАСА им. Драйдена на авиабазе Эдвардс в Калифорнии проходит испытания так называемый трансформный, или морфный, сверхзвуковой самолет F/A-18, на котором установлены специальные эластичные крылья (система AAW, Active Aeroelastic Wing).

Концепция гибкого, или морфного, крыла очень перспективна по многим причинам. Скорости самолётов растут, и это приводит к тому, что аэродинамическая нагрузка на крыло возрастает, а любой шов или выступ, конечно, влияет на расход топлива. Борьба за «плавность» аэродинамических форм становится актуальной задачей.

Вдвойне это важно для военных – их морфные аэродинамические поверхности привлекают возможностью снизить эффективную отражающую поверхность самолета в радиодиапазоне, уменьшить вес механических приводов – а тем самым получить резервы для увеличения дальности, манёвренности и живучести самолёта при боевых столкновениях.

Но и это не все – учёные настойчиво ищут пути эффективного управления формой крыла самолётов, что позволит менять его аэродинамику. Вот как выглядит в представлениях НАСА самолёт с морфинг – крылом.

Парапланы и концепция морфности

Нетрудно догадаться, что концепция морфного крыла уже много лет применяется в авиации – в парапланах.

Движение строповых систем, управляемых левой и правой рукой, позволяет изменять кривизну и уменьшать эффективные площади крыла слева или справа, что позволяет управлять креном аппарата и совершать повороты.

В «обычных» летательных аппаратах аналогичная задача решается с помощью элеронов, появившихся в 1914 году на самолетах Игоря Сикорского, и рулей хвостового оперения.

Глядя на фотографию параплана и рисунок элерона, любопытно отметить, что различия в движениях частей крыла очевидны:

В параплане кривизна крыла изменяется относительно оси, параллельной направлению движения аппарата; в оснащенном элеронами крыле кривизна изменяется относительно оси, которая перпендикулярна направлению движения.

Это отличие условно можно назвать «феноменом поворота плоскости или оси вращения в исполнительном органе механизма».

До появления элеронов проблема изменения крена самолёта и его поворота в горизонтальной плоскости решалась с помощью метода «гоширования» - от французского слова gauchissement, что означает искривлённость; смещение; изгиб; перекашивание, пучение, вспучивание – «перекашивания» крыльев. Впервые гоширование крыльев было применено пионером планеризма - Отто Лилиенталем в 1895 году, а впоследствии и пионерами самолётостроения - братьями Райт. На заре авиации применялось 2 вида гоширования. В первом варианте тяги работали в плоскости крыла и крыло как бы становилось «короче» за счет искривления кончиков крыла. Во втором варианте тяги работали в плоскости, ортогональной плоскости крыла. Крыло «скручивалось», превращаясь в элемент спирали. Первый вариант использовался Отто Лилиенталем, второй – братьями Райт.

Почему братья Райт отказались от схемы Отто Лилиенталя? Объяснений много. Во-первых, они столкнулись с тем, что все таблицы промеров скорости и профилей крыла, которые они взяли у Лилиенталя, у них не «подтвердились» из-за различий в аэродинамическом обтекании моторного и безмоторного аппарата.

Во-вторых, искривление в спираль по сравнению со «сморщиванием» обеспечивает более высокую эффективность управления креном.

Для увеличения эффективности братья Райт использовали загибание одной кромки крыла вверх, а другой вниз – причём одним движением. Но эта схема тоже оказалась не лишена недостатков. Как только скорости самолетов возросли, потребовалось иметь возможность независимо изменять профили одного из крыльев в полёте. Так и появился элерон, который позволял изменять кривизну крыла независимо.

Управление крылом: анализ подходов

В представленных примерах решения проблемы управления креном самолёта мы снова наблюдаем «феномен поворота осей», как в первом примере с элероном и крылом параплана ( или гибким крылом современного военного самолёта F/A-18 ).

В конструкции гоширования Отто Лилиенталя ось, относительно которой фрагменты крыла перемещались, была направлена вертикально, т.е. была ортогональна по отношению к направлению движения аппарата, а в конструкции перекашивания тяг братьев Райт ось вращения расположена горизонтально.

Говоря о техническом решении, которое применил Отто Лилиенталь сразу приходит на ум конструкция самолётов с изменяющейся геометрией крыла. В аппарате О.Лилиенталя, вообще говоря, изменялась стреловидность части крыла. У некоторых самолётов с изменяемой геометрией крыла – например, истребителя-бомбардировщика Су-17 конструкции Сухого – тоже изменяется стреловидность только части крыла.

Если представить в хронологическом порядке применение различных инженерных решений для решения проблемы поворотов летательных аппаратов и борьбы с уменьшением аэродинамического сопротивления по отношению к свойствам применяемых конструкций, то получится довольно любопытное наблюдение

Наблюдения 1 и 4 совпадают: планер Отто Лилиенталя «повторился» в самолётах с изменяемой геометрией крыла. Наблюдения 2 и 5 очень похожи: система гоширования в биплане братьев Райт по типу связи повторилась в парапланах и концепции гибкого крыла.

Могут ли все эти рассуждения помочь «сочинить» конструкцию самолёта, «которого ещё нет»? Хочется ответить - «Да», потому что в развитии техники очень много похожих сценариев и плохо изученных закономерностей. Например, феномен поворотов оказался очень распространённым. Известно не менее 70 примеров его проявления в различных областях техники. Еще раз подтверждается старая и, в сущности, банальная истина чтобы приблизить будущее, необходимо очень хорошо знать прошлое.

Классически идея «морфной» аэродинамической поверхности воплотилась в живой природе. В какой мере ее удастся использовать в технических решениях? Идея машущего полёта, как буквальный перенос конструкций природы в техническую область, по мнению большинства экспертов, нереализуема. Но этот вердикт может измениться в любое мгновение.

Юрий Даниловский / R&D.CNews