КЛАССИФИКАЦИЯ ПО АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЕ

Аэродинамическую схему самолета характеризует количество и взаимное расположение его несущих поверхностей.
Современные самолеты, представляющие собой монопланы, выполняются по одной из следующих трех схем: нормальной, или, как ее часто называют, классической, схемы «утка» и схемы «летающее крыло».
Самолеты нормальной (классической) схемы
Для этой схемы характерным является расположение горизонтального оперения за крылом (см. рис. 1.2). Подавляющее большинство самолетов мира — самолеты нормальной схемы. Эта схема хорошо .исследована и имеет следующие преимущества:
— перед крылом нет никаких частей, которые могли бы его затенить при изменении положения самолета или возмущать набегающий воздушный поток, что нарушало бы плавность обтекания крыла и снижало бы его несущие способности;
— размещение оперения сзади крыла позволяет укоротить носовую часть фюзеляжа, что улучшает о'бзор и дает возможность уменьшить площадь вертикального оперения (носовая часть фюзеляжа создает дестабилизирующий путевой момент).
Наряду с преимуществами схеме свойственны следующие недо-статки:
— горизонтальное оперение работает в условиях скошенного и заторможенного крылом воздушного потока, поэтому истинный угол атаки оперения может стать отрицательным, а скорость обтекающего его потока будет меньше, чем у крыла;
— практически почти на всех режимах полета горизонтальное оперение создает отрицательную подъемную силу. В результате уменьшается
подъемная сила всего самолета, причем потери в подъемной силе особенно велики на режимах взлета и посадки.

Самолеты схемы «утка»

В схеме «утка» (рис. 1.12) горизонтальное оперение расположено на передней части фюзеляжа перед крылом. Такая схема была применена еще в начале века на самолетах братьев Райт и русского конструктора А. В. Шиукова («Канар», 1912 г.). В такой схеме:
— крыло не нарушает характер обтекания горизонтального оперения;
— горизонтальное оперение в полете создает положительную подъемную силу;
— при достижении больших углов атаки срыв потока на горизонтальном оперении автоматически переводит самолет на малые углы атаки, что уменьшает опасность перехода крыла на закритические углы и срыва самолета в штопор.
Смещение положения фокуса самолета назад при переходе от дозвуковой скорости полета к сверхзвуковой у самолета, выполненного по схеме «утка», меньше, чем у самолета нормальной схемы, поэтому и увеличение степени продольной статической устойчивости происходит не
 

Рис. 1.13. Изменение степени продольной статической устойчивости (/ncj/) самолетов различных схем:
i—самолет нормальной (классической) схемы; 2—«летающее крыло»; 3—«утка»; 4— «утка» с «плавающим» оперением так значительно.

На рис. 1.13 представлены графики изменения продольной статической устойчивости в зависимости от скорости полета. Если на самолете «утка» применить плавающее или убирающееся горизонтальное оперение при полетах на дозвуковых скоростях, то практически смещения фокуса при переходе от дозвуковых скоростей к сверхзвуковым не происходит.
Одним из недостатков рассматриваемой схемы является уменьшение путевой устойчивости из-за увеличения дестабилизирующего момента, создаваемого удлиненной носовой частью фюзеляжа, и сравнительно малого плеча сил, возникающих на вертикальном оперении.
Несмотря на раннее появление схемы «утка», она до сих пор применяется редко.
Самолеты схемы «летающее крыло»
Самолеты схемы «летающее крыло», как это явствует из самого названия, не имеют горизонтального оперения (рис. 1.14) и могут не иметь фюзеляжа. Самолет с фюзеляжем, не имеющий горизонтального оперения, часто называют бесхвосткой.
В 1920 г. в СССР были построены первые планеры и самолеты, имеющие схему «летающее крыло» (рис. 1.15). В процессе их проектирования и невмойки были изучены некоторые их особенности — обеспечение продольной устойчивости и управляемости, взлета и посадки. \
Самолет схемы «летающее крыло» обладает минимальным ло-бовым сопротивлением.
Современные самолеты этой схемы имеют удлиненную переднюю часть фюзеляжа и несколько укороченную заднюю, на которой устанавливается вертикальное оперение.
 

Рис. 1.14. Самолеты схемы «летающее крыло»

В разное время были опубликованы проекты тяжелых самолетов схемы «летающее крыло» в чистом виде, т. е. без фюзеляжа. Характерным для них была большая строительная высота крыла, при которой в крыле можно было разместить кабины для экипажа и пассажиров, двигатели, различные грузы и оборудование.
В таких самолетах, видимо, было возможно наиболее полно реализовать преимущества схемы: уменьшение лобового сопротивления, уменьшение веса конструкции и др.
Наряду с достоинством эта схема имеет также и недостатки:
— для балансировки самолета на некоторых режимах полета необходимо отклонять часть закрылков вверх, что снижает коэффициент подъемной силы крыла;
— сложность в обеспечении продольного управления, осуществляемого элевонами, из-за сравнительно малого плеча управляющей силы на элевонах;
— так как часть закрылков используют для балансировки самолета, то применение их в качестве взлетно-посадочных устройств не всегда возможно, поэтому для самолетов такой Схемы для уменьшения посадочной скорости приходится принимать пониженное значение нагрузки на крыло G/S.
Схема «летающее крыло» не получила широкого распространения на самолетах, и только в последние годы она снова привлекла внимание при проектировании сверхзвуковых самолетов.
в. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ И ДРУГИМ ПРИЗНАКАМ
Из всего многообразия конструктивных признаков, по которым мож- * но классифицировать самолеты, укажем основные из них:
— количество и расположение крыльев,
— тип фюзеляжа,
 

Pric. 1.15. Самолет «парабола» советского конструктора Б. И. Черановского

— тип применяемых двигателей, их число и расположение,
— схема шасси, т. е. число и взаимное расположение опор.
Классификация самолетов по этим признакам приведена на схеме
рис. 1.16.
Рассмотрим более подробно особенности самолетов, обусловленные количеством и расположением крыльев.
По количеству крыльев самолеты подразделяются на монопланы и бипланы.
Монопланом называется самолет с одним крылом (см. рис. 1.16).
Первый в мире самолет, построенный в России в 1882—1884 гг. нашим талантливым соотечественником А. Ф. Можайским, был монопланом (рис. 1.17). В 1881 г. 3 ноября А. Ф. Можайскому была выдана «привилегия» (патент), в которой значилось, что «... на сие изобретение прежде сего никому другому в России привилегий выдано не было».
В настоящее время моноплан является основным типом самолета.
По расположению крыла относительно фюзеляжа различают низко- планы, среднепланы и высокопланы.
Низкоплан—самолет с нижним расположением крыла относительно фюзеляжа (см. рис. 1.16). С аэродинамической точки зрения низкоплан не представляет собой наивыгоднейшей схемы, так как в зоне стыка крыла и фюзеляжа нарушается плавность обтекания и возникает дополнительное сопротивление, обусловленное взаимным влиянием крыла и фюзеляжа, называемым интерференцией.
Существует ряд конструктивных мер, при помощи которых можно уменьшить сопротивление интерференции. К таким мерам относятся:
— наивыгоднейшее положение крыла относительно фюзеляжа по высоте,
— установка зализов в местах, где крыло соединяется с фюзеляжем (рис. 1.18), для улучшения обтекания в зоне перехода от крыла к фюзеляжу. Однако зализ только уменьшает дополнительное сопротивление, но не устраняет его как это видно из графика (рис. 1.19). Многие современные самолеты-монопланы различного назначения являются низкопланами, особенно такая схема характерна для пассажирских самолетов. Это объясняется тем, что низкопланы наряду с недостатками имеют ряд достоинств:
— приращение подъемной силы при посадке вследствие экранирующего влияния земли получается больше, чем у монопланов с иным расположением крыла;
— возможность повышения эффективности механизации за счет использования подфюзеляжной части крыла;
— значительно меньшая высота стоек главных ног шасси, что позволяет упростить их уборку и существенно уменьшает вес шасси;
— меньшая опасность для экипажа и пассажиров при аварийной посадке, так как при такой схеме приземление происходит на крыло, кроме того, значительно снижается возможность капотирования;
— проще и удобнее обслуживание силовых установок на стоянке гамолета при размещении двигателей на крыле;
— при аварийной посадке самолета на воду сохраняется хорошая плавучесть.
Кроме уже указанного недостатка (большое сопротивление интерференции), на низкоплане не удается обеспечить летчику и многим пассажирам обзор нижней полусферы л полностью обезопасить двигатели, расположенные на крыле или под крылом, от засасывания при работе на земле пыли и грязи с взлетной полосы аэродрома.

 Рис. 1.17. Самолет русского конструктора А. Ф. Можайского

Рис. 1. 18. Зализы для улучшения обтекания крыла в месте соединения его с фюзеляжем

— внутри фюзеляжа под крылом удобно размещать отсеки для грузов.
К недостаткам рассматриваемой схемы следует отнести:
— неизбежное ухудшение обзора летчиков назад;
— конструктивные трудности расположения пассажирских кабин в средней части фюзеляжа на самолетах средних размеров.
Высокоплан — самолет, у которого крыло крепится к верхней части фюзеляжа. Интерференция между крылом и фюзеляжем получается минимальной, кроме того:
— обеспечивается очень хороший обзор нижней полусферы летчикам и пассажирам;
— конструктивно упрощаются внутри фюзеляжа пассажирские салоны и грузовые отсеки, при этом существенно расширяются возможности механизации загрузки и выгрузки крупногабаритных грузов.
Наряду с достоинствами эта схема имеет следующие недостатки:
— конструктивно усложняется уборка шасси в крыло благодаря увеличению высоты стоек подкрыльных ног;
— неизбежное увеличение высоты фюзеляжа и, следовательно, его миделя;
— усложнение обслуживания силовых установок при расположении двигателей на крыле;
— необходимость усиления конструкции нижней части фюзеляжа.
В каждой из рассмотренных схем крыло, кроме узлов крепления его к центроплану и фюзеляжу, может иметь подкосы. По этому признаку монопланы разделяются на свободнонесущие и подкосные.
Свободионесущее крыло следует рассматривать как консольную балку, а подносное или расчалочное—как балку на двух опорах с коисолью.
Типичные расчетные эпюры изгибающих моментов (МИЗг) по размаху у свобод- ноиесущего и подкосиого крыльев моноплана приведены на рис. 1.20. Как видно из

Рис. 1.19. Влияние зализов на коэффициент лобового сопротивления крыла:
1—изолированное крыло; 2—крыло с фюзеляжем и зализом; 3—крыло с фюзеляжем без зализов
 

Рис. 1.20. Типичные расчетные эпюры изгибающих моментов (Мизг) по размаху для подносного и свободно- несущего крыла моноплана (при одинаковых размерах1 и нагрузках крыла):
а—моноплан с подносным крылом; б—моноплан со свободноиесущим крылом
 

Рис. 1.21. Американский самолет биплан братьев О. и В. Райт (1903 г.)
 

Рис. 1.22. Коробка крыльев самолета-биплана

Ьи ~ размеры хорды верхнего н ннжнего крыльев; р — угол выноса переднего крыла над иижним) рисунка, изгибающие моменты при одинаковых размерах и нагрузках крыла у подносного моноплана существенно меньше, чем у свободнонесущего.
Следовательно, при равных размерах и нагрузках подносное крыло получается легче, чем свободнонесущее. Вместе с тем подкос создает добавочное сопротивление, поэтому подкосеое крыло аэродинамически менее, выгодно, чем свободнонесущее. Этим объясняется широкое применение на самолетах схем моноплана со свободнонесущим крылом.
Бипланом называется самолет с двумя крыльями, расположенными одно над другим (см. рис. 1.3 и 1.16).
Первый в мире биплан с поршневым двигателем, поднявшийся в воздух, был построен в 1903 г. американскими конструкторами братьями Орвилем и Вильбуром Рант (рис. 1.21).
Вскоре в России русские конструкторы Я. М. Гаккель, Д. Г1. Григорович и другие разработали новую, более совершенную схему биплана, получившую впоследствии широкое распространение.
Для уменьшения сопротивления интерференции между верхним и нижним крыльями, обеспечения необходимой центровки самолета и хорошего обзора верхнее крыло самолета смещается вперед относительно нижнего, как это показано на рис. 1.22. Такое смещение называется выносом крыла и определяется величиной угла выноса р.
Для обеспечения достаточной прочности и жесткости верхнее и нижнее крылья биплана соединяют стойками и лентами — расчалками, которые образуют пространственную систему, получившую название коробки крыльев. Количество стоек в коробке крыльев зависит от величины размаха крыльев. Совершенствование схемы биплана заключалось в постепенном переходе от многостоечных коробок крйльев к одностоечным, причем биплан превращался в полутороплан (нижнее крыло по размаху меньше верхнего).
Лобовое сопротивление биплана даже со свободнонесущими крыльями, естественно, было в несколько раз больше сопротивления свободнонесущего моноплана при прочих равных условиях. Поэтому схема биплана для больших скоростей не применяется. Однако она еще применяется как в СССР, так и за рубежом на тихоходных самолетах.