28.03.2012

Если бипланы вернутся в авиацию, то только чтобы преодолеть звуковой барьер

Группа исследователей из Массачусетского технологического института (МТИ) и Стэнфордского университета (оба — США) провела тщательное компьютерное моделирование крыла Буземана, предложенного в 1950-х годах, и обнаружила, что его практическая реализация не только вполне достижима, но и может привести к созданию сверхзвукового самолёта, не дающего ударной волны при преодолении звукового барьера, пишет MIT News.

«Конкорд», хотя и закончил свою карьеру в 2003 году вовсе не из-за шумности, имел не слишком широкое распространение в первую очередь из-за того, что дикие звуки, издаваемые самолётом при прохождении звукового барьера, так и не позволили ему получить разрешение на периодические рейсы над сушей. В англо-американских аэропортах его взлёт и разгон проходили над водой — а значит, трансатлантический рейс долго оставался его единственной судьбой.

Даже если самолёты будущего будут спроектированы лучше, проблема преодоления звукового барьера по-прежнему останется значимой. И дело не только в том, что «граждане [те, что внизу] будут недовольны». При преодолении звукового барьера на передней кромке крыла летательного аппарата происходит формирование ударной волны. При этом пограничный слой воздуха у передней кромки сохраняет дозвуковую скорость, а избыточная кинетическая энергия потока (воздух-то набегает на крыло уже со сверхзвуком) переходит во внутреннюю энергию газа. В результате давление и температура пограничного слоя резко возрастают, что, как вы догадались, ведёт к скачкообразному росту сопротивления. Иными словами, звуковые спецэффекты на земле оплачиваются резким ростом расхода топлива, вторым уязвимым местом Ту-144 и «Конкорда».

Но не всё потеряно! Биплан, воспринимающийся сегодня исключительно в ипостаси архаичного кукурузника, может вернуться в авиацию, чтобы исправить положение. Ещё в 1950-х Адольф Буземан (известен вам по разработке дельтавидных крыльев в конце Второй мировой) предложил для решения проблемы преодоления звукового барьера двойное крыло, в котором ударные волны от верхнего и нижнего крыла накладываются друг на друга и взаимно гасятся. Пограничный слой при этом характеризуется меньшим давлением и температурой, что повышает экономичность ЛА.

Однако тогда, в 50-х, проблемой стала необходимость изготовления крыла очень тонкого профиля: в противном случае сопротивление от крыльев было бы слишком большим, чтобы самолёт мог летать с умеренным расходом топлива. Кроме того, при работе на том числе Маха, которое было заложено в такое крыло при проектировании, всё получается идеально, но при чуть изменившейся скорости крыло начинает сбоить, а ведь до крейсерского полёта ЛА должен ещё как-то взлететь и разогнаться. Самым трудным моментом оказалось то, что зазор между двумя парами крыльев был мал, и проходящий через него большой объём воздуха в момент преодоления звукового барьера падал до уровня, не обеспечивающего сохранение достаточной подъёмной силы. Крыло «задыхалось»!

После появления в 2009 году диссертационной работы Жуй Ху, одного из сотрудников Стэнфордского университета, стало ясно, что вопрос решается оптимизацией аэродинамического профиля биплана Буземана. Но лишь недавняя серия работ по компьютерному моделированию таких профилей, проведённая Жуй Ху вместе с другим американским исследователем Ци Ци Ваном (из МТИ), показала, какой конкретно должна быть форма крыльев, чтобы это стало практически осуществимо.

Учёные выявили следующее: чтобы крылья Буземана создавали достаточную подъёмную силу на дозвуке и трансзвуке, необходимо выполнить их внутренние поверхности предельно гладкими и, что особенно важно, сделать переднюю кромку слегка выступающей вверх для верхней пары и вниз — для нижней. Это позволяет крыльям засасывать больший поток воздуха на несущие поверхности и обеспечивает им подъёмную силу и сопротивление как у обычных крыльев на некрейсерских скоростях. При этом на крейсерской (в расчётах от 1,1 до 1,7 Маха) сопротивление упало вдвое.

Прямо скажем: это больше, чем революция. Уменьшение сопротивления вдвое в сравнении с «Конкордом» означает, что при прежней дальности самолёт сможет брать меньше топлива (а значит, больше полезной нагрузки) либо тратить меньше горючего. В любом случае топливная эффективность сверхзвуковых лайнеров может вырасти даже более чем вдвое. В одночасье морально устарели конструкции так называемых истребителей пятого поколения: и F-22, и даже более скоростной ПАК ФА проектировались по традиционным рецептам, и эффективность их сверхзвукового крейсерского полёта радикально ниже, чем у крыла Буземана — Вана — Ху.

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА