4 Направления проектирования современных транспортных самолетов

4.1 Аэродинамика адаптивного крыла самолета - исследования

Адаптивное крыло может значительно увеличить аэродинамическое качество крылатого летательного аппарата, а также существенно увеличить его маневренность, топливную эффективность, его технико-экономические параметры, а также обеспечить крылатый летательный аппарат новыми нетрадиционными функциональными возможностями.

  Под адаптивным крылом в большинстве случаев понимается крыло с отклоняемой носовой и хвостовой частями без нарушения плавности аэродинамических обводов контура профиля крыла. При этом плавно меняется кривизна профиля крыла.

  Целью плавного изменения кривизны профиля крыла в полете является обеспечение наименьшего коэффициента лобового сопротивления самолета при различных значенииях коэффициентов подъемной силы крыла. Это позволяет оптимизировать аэродинамические характеристики крыла самолета на различных режимах полета.

  Изменение кривизны профиля крыла в полете (без нарушения плавности аэродинамических обводов крыла) дает более высокое приращение аэродинамического качества, чем у крыла с обычной механизацией (при равных геометрической форме в плане и площади для этих крыльев), а также малое изменение продольного момента, а значит малые балансировочные потери.

  Изменение кривизны крыла выполняется в полете, в зависимости от угла атаки крыла, скорости полета (от числа Маха) и высоты полета, для обеспечения наименьшего коэффициента лобового сопротивления крыла самолета при каждом значении коэффициента подъемной силы. Передняя часть крыла и хвостовая часть крыла с гибкой обшивкой позволяют плавно изменять кривизну крыла. В этом случае полярой самолета является огибающая поляр, соответствующих различным конфигурациям крыла.   Применение адаптивного крыла особенно актуально для сверхкритических профилей крыла, так как они более чувствительны к нарушениям обводов контура, чем обычные профили крыла. Поэтому и выигрыш от использования плавного изменения кривизны контура профиля для сверхкритических профилей крыла будет более высоким, чем для обычных крыльев.

  Наибольший эффект адаптивное крыло может дать для сверхзвуковых самолетов, для самолетов с сверхкритическим профилем крыла, для самолетов с коротким взлетом и посадкой, а также для других летательных аппаратов, для которых очень важно обладать оптимальными аэродинамическими характеристиками при различных режимах полета, таких как: – взлет и посадка самолета (летательного аппарата); – маневрирование самолета (летательного аппарата) на критических углах атаки и на малых скоростях полета; – маневрирование самолета (летательного аппарата) с большими ускорениями и высокой точностью движения в воздухе; – выполнение экономичного крейсерского полета как на дозвуковых скоростях, так и на сверхзвуковых скоростях полета; – экстремальные режимы полета самолета (летательного аппарата) в критических условиях; – другие режимы полета самолета (летательного аппарата), при которых самолет становится неустойчивым и плохо управляемым.

  В процессе исследований возможностей использования адаптивного крыла на реальном самолете, был сформулирован "Список правил для проектирования адаптивного крыла -1987".   При проектировании адаптивного крыла самолета было сложно удовлетворить все положения названного документа. Но после изготовления экспериментальной модели адаптивного крыла самолета, в границах проекта "ТС-100" (Транспортный самолет с коротким взлетом и посадкой), "Список правил для проектирования адаптивного крыла -1987" был переработан с учетом основных конструкционных, технических и технологических требований, которые предъявляются к крылу транспортного самолета. Таким образом, авиационными специалистами исследовательской лаборатории был создан "внутренний" документ для проектирования адаптивного крыла: "Список правил для проектирования адаптивного крыла –1987-03ТС".   С учетом правил и требований к адаптивному крылу, а также с учетом требований взаимозаменяемости с традиционным крылом самолета проекта "ТС-100" (Транспортный самолет с коротким взлетом и посадкой), было спроектировано новое Х- адаптивное крыло.  Это крыло имело очень большую степень общности конструкции с традиционным крылом самолета проекта "ТС-100". Была построена масштабная модель такого адаптивного крыла и установлена на масштабную летающую модель самолета проекта "ТС-100-35" (транспортный самолет с коротким взлетом и посадкой).   Новый проект получил называние – "ТС-200-ПАК-87".   Были проведены испытания летающей модели самолета "ТС-200-ПАК-87" с Х- адаптивным крылом на нескольких режимах полета. Результаты оказались положительными, но неоднозначными.

  С позиции аэродинамики - адаптивное крыло дает существенные преимущества перед обычным крылом, но при этом конструкция крыла значительно усложняется, увеличивается его цена и вес, усложняется его обслуживание и увеличивается стоимость эксплуатации самолета с адаптивным крылом.   Основные сложности при создании адаптивного крыла заключаются в отсутствии таких авиационных конструкционных материалов, которые могли бы автоматически трансформироваться из одной формы в другую форму без потери новой формы, и при этом обеспечивать прочность, жесткость и надежность всей конструкции крыла.

  Создание новых авиационных конструкционных материалов, которые могут принимать различные формы, отличные от своей первоначальной формы, и при этом сохранять свои технические параметры в широком диапазоне температур и нагрузок, такие как: - прочность, - жесткость, - упругость, устойчивость к потере формы – будет являться огромным шагом в создании новых технологий. Это будут поистине революционные технологии. И первый шаг в этих технологиях уже сделан…

  Для обеспечения высокой эффективности транспортного самолета (как и любого летательного аппарата) необходимо принимать компромиссные решения. Поэтому, было принято решение о создании модели упрощенного варианта адаптивного крыла, в котором будут использованы только те элементы конструкции, благодаря которым обеспечивается наибольшая эффективность при умеренной сложности конструкции. В результате было сконструировано крыло, которое назвали Х2- адаптивным крылом. 

В новом Х2- адаптивном крыле широко использовались гибкие неразъемные и разъемные соединения и узлы.   Изменения в конструкции адаптивного крыла позволили: – создать относительно простую и технологичную конструкцию непосредственно самого крыла самолета; – значительно увеличить прочность, надежность и живучесть Х2- адаптивного крыла; – значительно снизить стоимость непосредственно самого крыла и эксплуатационные расходы; – обеспечить рациональные относительные аэродинамические характеристики Х2- адаптивного крыла в широком диапазоне режимов полета, как по углу атаки, так и по скорости полета; – обеспечить быструю адаптацию крыла при смене режимов полета, как по углу атаки, так и по скорости полета.

Новые технические и технологические решения позволили увеличить аэродинамическое качество Х2- адаптивного крыла самолета на 36-41 % (при обеспечении заданной прочности и жесткости крыла, а также с учетом минимального удорожания технологии производства). При этом, общий рост аэродинамического качества модели самолета составил 27-34 % (для исследуемой модели транспортного самолета "ТС-200-ПАК-87-2" с Х2- адаптивным крылом разброс результатов получен на нескольких режимах полета,).   Прирост аэродинамического качества на 34 % был получен в аэродинамической трубе для крейсерских режимов полета для полной модели самолета "ТС-200-ПАК-87-2".

    Во время работ по программе: "Х2- адаптивное крыло транспортного самолета" оказалось, что многие элементы конструкции Х2- адаптивного крыла можно выгодно использовать при проектировании и создании крыла для любого типа самолета: – для транспортных самолетов (включая тяжелые транспортные самолеты); – для самолетов с коротким взлетом и посадкой; – для сверхзвуковых самолетов; – для маневренных самолетов; – даже для легких самолетов.   Применение новых гибких неразъемных и разъемных соединений и узлов в конструкции Х2- адаптивного крыла позволило значительно повысить его аэродинамическое качество, прочность и весовую эффективность.

В программе исследования возможностей адаптивного крыла были выполнены исследования (проекты, масштабные модели, экспертизы, испытания) конструкций крыла с плавным изменением формы поверхности - крыла-трансформера. Также были проведены исследования аэродинамики крыла-трансформера. Были получены ценные данные, которые вошли в список технического задания (ТЗ) для разработки новых конструкций крыльев самолетов, а также для разработки новых авиационных конструкционных материалов.

Ведутся также исследования по созданию активнного аэроупругого крыла самолета. Уже получены некоторые положительные результаты. Активные аэроупругие крылья пока можно применять только для самолетов с малыми размерами. Но уже скоро будут проведены исследования и для более тяжелых самолетов.