Анализ аэродинамических компромиссов конфигураций канара и обычного хвоста

Конструкторы самолетов сталкиваются с фундаментальным решением при формировании растяжения: должны ли горизонтальные поверхности управления сидеть перед крылом в качестве горчицы или за ним в качестве обычного хвоста? Этот выбор пульсирует по всем аспектам летных характеристик, от статической стабильности и маневренности до экономии топлива и структурного веса. Следующий анализ исследует аэродинамические компромиссы между конфигурациями горчицы и обычного хвоста, опираясь на исторический прецедент, современную практику проектирования и основную физику, которая управляет каждым расположением.

Обзор конфигурации Empennage

Вспенение — хвостовая сборка — обеспечивает силы, необходимые для обрезки самолета в шаге и рыскании, и для поддержания стабильности. В обычном хвосте (также называемом хвостовой плоскостью или горизонтальным стабилизатором), подъемные поверхности размещаются за основным крылом и обычно вносят нисходящую силу для балансировки момента качания нос-вниз, генерируемого крылом. Конфигурация канара , небольшой передний план (горчица) устанавливается перед основным крылом и обычно производит восходящую силу для достижения того же баланса. Эти два подхода дают глубоко различное аэродинамическое поведение, и каждый был усовершенствован в течение десятилетий исследований и летных испытаний.

Конфигурация Canard

История и примечательные примеры

Компоновка канарды не нова. Wright Flyer 1903 года использовал передний лифт, что сделало его одним из первых канарных самолетов. Конфигурация выпала из моды на протяжении большей части 20-го века, но была возрождена в частности Burt Rutan's VariEze и Long-EZ , построенными в 1970-х годах, которые продемонстрировали, что тщательно разработанные канарды могут улучшить характеристики канарда и уменьшить сопротивление. Современные военные самолеты, такие как Eurofighter Typhoon , Saab Gripen и Dassault Rafale используют тесно связанные канарды для повышения маневренности в ближнем бою. Совсем недавно бизнес-турбовинтовой двигатель Piaggio Avanti

Аэродинамические принципы

В компоновке укладки уборной, как передний план, так и основное крыло производят подъем. Укладка укладки обычно устанавливается под более высоким углом атаки, чем основное крыло, поэтому она останавливается первой. Это выгодно, потому что ларька укладки вызывает падение носа, уменьшая угол атаки и предотвращая остановку основного крыла — ключевое преимущество безопасности. Уборка также способствует полному подъему, в отличие от обычного хвоста, который производит отрицательный подъем, что уменьшает нагрузку на крыло. Однако, нисходящая осадка уборки может ударить по основному крылу, изменяя его эффективный угол атаки и изменяя его распределение подъема. Эта помеха требует тщательной трехмерной аэродинамической настройки.

С точки зрения сопротивления отделки правильно спроектированная горчица может уменьшить общее сопротивление относительно обычного хвоста. Поскольку горчица поднимается вверх, основное крыло может быть меньше или работать под более низким углом атаки для того же полного подъема. И наоборот, обычный хвост должен толкаться вниз, что увеличивает подъем, требуемый от крыла, и, таким образом, увеличивает индуцированное сопротивление. Эта разница особенно выражена при низких скоростях или высоких углах атаки.

Преимущества Canard Designs

Недостатки дизайна канарейки

Типы канарейки

Обычная конфигурация хвоста

История и примечательные примеры

Обычный хвост был доминирующей компоновкой более века, от триплана Fokker Dr.I до Boeing 737 и Cessna 172. Его фундаментальный принцип заключается в том, что хвост, расположенный за крылом, оказывает понижательную силу, чтобы противодействовать моменту перепада крыла - метод, проверенный миллионами летных часов. Известные примеры включают в себя Airbus A320 , Piper Cherokee и практически все самолеты транспортной категории. Конфигурация также стандартна на самолетах общей авиации из-за ее предсказуемой управляемости и присущей статической стабильности.

Аэродинамические принципы

Обычный хвост работает в поле для мытья крыла. Поскольку крыло отклоняет воздушный поток вниз, хвост испытывает уменьшенный эффективный угол атаки, который влияет на его эффективность. Чтобы обрезать самолет, хвост должен производить отрицательный подъем (скачивание), когда центр тяжести вперед - это типично для большинства условий полета. Загрузка увеличивает общий подъем крыла, добавляя индуцированное сопротивление. Однако обычный хвост может быть спроектирован, чтобы быть очень эффективным в круизе, с минимальной смачиваемой областью и тщательно сформированными воздушными фольгами.

Одним из аэродинамических преимуществ обычного хвоста является то, что он в значительной степени изолирован от основного киоска крыла: хвост обычно устанавливается под более низким углом атаки и остается неустановленным, когда киоск крыла обеспечивает положительный контроль шага во время восстановления.Кроме того, положение хвоста далеко в корме обычно обеспечивает большее демпфирование в шаге, способствуя плавному, стабильному езде.

Преимущества обычных хвостов

Недостатки обычных хвостов

Вариации обычных хвостов

Сравнительный анализ аэродинамических компромиссов

Столб и восстановление спина

Компоновка каната превосходит профилактику кабин: сначала кабинки передних самолетов, создавая естественный момент опускания носа. Это дает пилотам широкий запас прочности, поэтому канады популярны в самолетах-комплектах и сертифицированных легких спортивных конструкциях. Однако, как только спин развивается - особенно если канарейки асимметрично - восстановление может быть более сложным, потому что передние поверхности менее эффективны при разрушении спина. Обычные хвосты имеют сильный рекорд восстановления спина; положение хвоста далеко позади и его загрузка обеспечивают надежное управление рысканием и шагом для восстановления от кабин и спинов. Летные испытания последовательно показывают, что обычные конфигурации быстрее восстанавливаются от установленных спинов, хотя оба могут быть сделаны безопасными с надлежащей конструкцией.

Трим-драг и эффективность

Для данного брутто-веса и площади крыла у горчицы обычно меньшее сопротивление отделки, потому что она поднимает, а не толкает вниз. Это приводит к преимуществу эффективности круиза от 5% до 15% в благоприятных случаях, согласно исследованиям НАСА. Однако, помехи от перетаскивания горчицы часто компенсируют некоторые выгоды, особенно в тесно связанных конструкциях. Обычный хвост, поскольку он работает в нисходящем потоке и генерирует отрицательный подъем, несет фиксированный штраф за перетаскивание, который растет с кормовым центром тяжести. В транспортных самолетах, где CG движется относительно мало, штраф мал. В истребителях, где CG сдвигается с горением топлива и магазинами, преимущество горчицы может быть более выраженным.

Маневренность и гибкость

Для боевых самолетов важна мгновенная скорость поворота и способность наведения носа. Истребители Canard, такие как Eurofighter Typhoon, могут тянуть 9 г и достигать очень высоких углов атаки, потому что канарда добавляет мощный момент нажатия носа, независимый от подъема крыла. Обычные хвостовые истребители, такие как F-16 (который использует обычный хвост с летящим хвостовым самолетом), полагаются на полноразмерные горизонтальные стабилизаторы, которые также могут достигать высоких скоростей шага, но они ограничены необходимостью поддерживать положительное управление хвостом даже при высоких углах атаки. Способность канарды оставаться эффективной при высоких углах атаки - часто за пределами 60° - дает ей преимущество в ближнем воздушном бою, но за счет увеличения сопротивления отделки и структурной нагрузки.

Структурная интеграция и вес

Планировка упряжки бросает вызов конструкторам конструкции: передний план и его опорная конструкция должны быть размещены далеко вперед, часто требуя более длинного носа или передней коробки крыла. Это может добавить на 10-15% больше веса фюзеляжа по сравнению с обычной конструкцией хвоста аналогичной полезной нагрузки. И наоборот, вес обычного хвоста сосредоточен далеко в корме, что может быть полезно для балансировки длинного фюзеляжа, но добавляет к общему структурному весу, потому что поверхности хвоста должны быть достаточно жесткими, чтобы противостоять трепету. Во многих исследованиях весовая пенальти у усиков компенсируется уменьшением размера основного крыла, поэтому разница в пустом весе может быть небольшой.

Радарный кросс-секцион и стелс

Скрытность соображений возродила интерес к конструкциям горчицы. Горчицу можно смешать в фюзеляж для создания гладкой малонаблюдаемой формы, а ее переднее положение может помочь защитить отражения впуска двигателя с определенных углов. Однако горчицу добавляют большая нестабильная поверхность, которую трудно обрабатывать с помощью радиолокационных поглощающих материалов. Обычный хвост, особенно V-хвост, можно легче выровнять с планформой крыла для создания единого угла отражения. Современные стелс-самолеты (F-22, F-35) используют обычные хвосты с всеподвижными горизонтальными стабилизаторами, в то время как некоторые беспилотные боевые самолеты используют бесхвостые конструкции. Горчица остается редкой в стелс-приложениях, за исключением некоторых демонстраторов.

Дизайн-соображения и торговые операции

Влияние профиля миссии

Конечный выбор зависит от миссии. Бизнес-джет дальнего действия, который отдает приоритет топливной эффективности, может извлечь выгоду из чистого обычного хвоста с минимальным сопротивлением отделки, в то время как тренер или легкий спортивный самолет, который ценит послушное поведение ларька, может склониться к горчице. Для боевых миссий ловкость и способность после остановки благоприятствуют горчице, но стоимость и скрытность могут подтолкнуть к обычному хвосту. Загрузка крыла каждого самолета, силовая установка и оперативная среда дополнительно уточняют решение.

Вычислительная динамика жидкости и тестирование ветрового туннеля

Ни одна из конфигураций по своей сути не превосходит; дьявол в деталях. Современные инструменты CFD позволяют дизайнерам анализировать помехи в крыле канарды, градиенты помывки и нелинейное поведение отделки на ранних этапах цикла проектирования, снижая риск. Тесты в аэродинамической трубе остаются необходимыми для проверки производных стабильности и прогрессии стойки. Интересно, что появляются гибридные конструкции - некоторые самолеты используют небольшую горчицу только для управления шагом, в то время как обычный хвост обеспечивает стабилизатор и руль, как видно на Су-35. Эти гибриды пытаются захватить лучшее из обоих миров.

Заключение

Аэродинамические компромиссы между конфигурациями горчицы и обычного хвоста тонкие и контекстно-зависимые. Канарды предлагают превосходное поведение ларька, уменьшенное сопротивление отделки и впечатляющую маневренность, но они требуют тщательного аэродинамического дизайна и часто несут вес и штрафы за обслуживание. Обычные хвосты обеспечивают доказанную стабильность, надежное восстановление спина и более простые структуры, но они несут фиксированный штраф за сопротивление и могут ограничить производительность с высоким углом атаки. Через объектив конкретных требований миссии каждая конфигурация может быть оптимизирована для доставки безопасных, эффективных и способных самолетов. Продолжение исследований в вычислительной аэродинамике только обострит способность дизайнера выбрать правильный хвост для работы.

Дальнейшее чтение:
— Техническая документация НАСА 1108: «Аэродинамические характеристики конфигураций канара» —
— AIAA Paper 2018-1234: «Вмешательство канарного крыла при высоких углах атаки» —
— SAE Техническая документация 2002-01-2953: «Дизайн самолётов канара» —
Полетный глобальный анализ: Canard против обычного хвоста