Canard (lotnictwo) - Canard (aeronautics)

W dziedzinie aeronautyki , A kaczka jest układ, w którym małe foreplane przedniego skrzydła albo jest umieszczony z przodu głównego skrzydła z samolotów stałopłatowych lub broni. Termin „kaczka” może być używany do opisania samego samolotu, konfiguracji skrzydła lub przedniej płaszczyzny. Skrzydła Canarda są również szeroko stosowane w pociskach kierowanych i inteligentnych bombach .

Określenie „kaczka” wynikły z wyglądu Santos-Dumont 14-bis 1906, który został uznany za przypominający kaczki ( canard po francusku) z karku rozciągnięta w locie.

Pomimo zastosowania powierzchni kaczki w pierwszym samolocie z napędem, Wright Flyer z 1903 roku, projekty kaczek nie były produkowane masowo aż do pojawienia się myśliwca odrzutowego Saab Viggen w 1967 roku. Aerodynamika konfiguracji kaczki jest złożona i wymaga dokładnej analizy .

Zamiast korzystać z konwencjonalnej konfiguracji usterzenia ogonowego, którą można znaleźć w większości samolotów, projektant samolotu może zastosować konfigurację canard w celu zmniejszenia obciążenia głównego skrzydła, lepszej kontroli przepływu powietrza w głównym skrzydle lub zwiększenia zwrotności samolotu, zwłaszcza przy dużych kątach natarcia lub podczas stoisko . Canard foreplanes, stosowany w canard lub trzech powierzchni konfiguracji ma ważne konsekwencje dla równowagi wzdłużnej samolotu, statycznych i dynamicznych właściwości stabilności.

Historia

Pionierskie lata

The Bracia Wright zaczął eksperymentować z foreplane konfiguracji wokół 1900. Ich pierwszy latawiec zawarte przednią powierzchnię do kontroli skoku i przyjęła tę konfigurację swojego pierwszego Flyer . Byli podejrzliwi co do tylnego ogona, ponieważ Otto Lilienthal zginął w szybowcu z jednym z nich. Wrightowie zdali sobie sprawę, że samolot przedni miałby tendencję do destabilizacji samolotu, ale spodziewali się, że będzie on lepszą powierzchnią sterową, oprócz tego, że będzie widoczny dla pilota w locie. Uważali, że niemożliwe jest zapewnienie zarówno kontroli, jak i stabilności w jednym projekcie, i zdecydowali się na kontrolę.

Wielu pionierów początkowo poszło w ślady Wrightów. Na przykład samolot Santos-Dumont 14-bis z 1906 roku nie miał „ogonu”, ale zestaw powierzchni sterowych przypominających latawiec z przodu, obracających się na uniwersalnym przegubie na skrajnym dziobie kadłuba, dzięki czemu mógł zawierać oba kontrola odchylenia i nachylenia. Fabre Hydravion od 1910 roku był pierwszym wodnosamolotu latać i miał foreplane.

Ale zachowanie kaczki nie zostało właściwie zrozumiane i inni europejscy pionierzy – wśród nich Louis Blériot – uznawali statecznik za bezpieczniejszy i bardziej „konwencjonalny” projekt. Niektórzy, w tym Wrights, eksperymentowali z samolotami przednimi i tylnymi na tym samym samolocie, znanym obecnie jako konfiguracja trzech powierzchni .

Po 1911 roku przez wiele dziesięcioleci produkowano kilka rodzajów kaczki. W 1914 WE Evans skomentował, że „model typu Canarda praktycznie otrzymał śmiertelny cios, jeśli chodzi o modele naukowe”.

1914 do 1945

Eksperymenty kontynuowano sporadycznie przez kilkadziesiąt lat.

W 1917 roku de Bruyère skonstruował swój dwupłatowy myśliwiec C 1 , wyposażony w przedni samolot typu canard i zamontowane z tyłu śmigło pchające. C 1 był porażką.

Po raz pierwszy oblatany w 1927 roku eksperymentalny Focke-Wulf F 19 „Ente” (kaczka) odniósł większy sukces. Zbudowano dwa egzemplarze, a jeden z nich latał do 1931 roku.

Bezpośrednio przed i podczas II wojny światowej poleciało kilka eksperymentalnych myśliwców canard, w tym Ambrosini SS.4 , Curtiss-Wright XP-55 Ascender i Kyūshū J7W1 Shinden . Były to próby wykorzystania konfiguracji canard w celu uzyskania korzyści w takich obszarach, jak wydajność, rozmieszczenie uzbrojenia lub widok pilota, ale nie ukończono żadnego samolotu produkcyjnego. Shinden został zamówiony do produkcji „z deski kreślarskiej”, ale działania wojenne ustały, zanim odleciały jakiekolwiek inne niż prototypy.

Tuż po zakończeniu II wojny światowej w Europie w 1945 roku, jako pierwszy samolot testowy , który mógł być pierwszą kaczką zaprojektowaną i oblataną w Związku Radzieckim, pojawił się lekki samolot Mikojan-Gurewicz MiG-8 Utka (po rosyjsku „kaczka”). Podobno był ulubioną maszyną pilotów testowych MiG OKB ze względu na łagodną charakterystykę prowadzenia przy małej prędkości i latał przez kilka lat, będąc używanym jako stanowisko testowe podczas opracowywania skośnego skrzydła (konwencjonalny układ) myśliwca odrzutowego MiG-15 .

Odrodzenie Canard

Wraz z nadejściem ery odrzutowców i lotów naddźwiękowych, amerykańscy projektanci, w szczególności North American Aviation , zaczęli eksperymentować z naddźwiękowymi konstrukcjami delta canard, z niektórymi, takimi jak North American XB-70 Valkyrie i sowiecki odpowiednik Sukhoi T-4 latające w prototypie. Formularz. Jednak napotkane problemy ze stabilnością i kontrolą uniemożliwiły powszechne przyjęcie.

W 1963 szwedzka firma Saab opatentowała konstrukcję ze skrzydłami w kształcie delta, która przezwyciężyła wcześniejsze problemy, w tym, co stało się znane jako kaczka typu Close-coupled. Został zbudowany jako Saab 37 Viggen, aw 1967 roku stał się pierwszym nowoczesnym samolotem canard, który wszedł do produkcji. Sukces tego samolotu zachęcił wielu projektantów, a powierzchnie kaczek wyrosły na wielu typach zaczerpniętych z popularnego odrzutowego myśliwca Dassault Mirage o deltaskrzydłej konstrukcji. Wśród nich znalazły się warianty francuskiego Dassault Mirage III , izraelskiego IAI Kfir i południowoafrykańskiego Atlas Cheetah . Blisko sprzężona delta canard pozostaje popularną konfiguracją dla samolotów bojowych.

Viggen zainspirował także Amerykanina Burta Rutana do stworzenia dwumiejscowego, domowej konstrukcji delty canard, odpowiednio nazwanej VariViggen i oblatany w 1972 roku. Rutan następnie porzucił skrzydło delty jako nieodpowiednie do tak lekkich samolotów. Jego kolejne dwa projekty canard, VariEze i Long-EZ, miały skrzydła o większej rozpiętości. Projekty te nie tylko odniosły sukces i były budowane w dużych ilościach, ale także radykalnie różniły się od wszystkiego, co widziano wcześniej. Pomysły Rutana szybko rozprzestrzeniły się na innych projektantów. Od lat 80-tych zdobyli uznanie na rynku wykonawczym dzięki pojawieniu się typów takich jak OMAC Laser 300 , Avtek 400 i Beech Starship .

Sterowanie komputerowe

Statyczne konstrukcje kaczek mogą mieć złożone interakcje w przepływie powietrza między kaczką a głównym skrzydłem, co prowadzi do problemów ze stabilnością i zachowaniem w boksie. Ogranicza to ich zastosowanie. Rozwój technologii fly-by-wire i sztucznej stabilności pod koniec stulecia otworzył drogę dla skomputeryzowanych systemów sterowania, aby zacząć przekształcać te złożone efekty z problemów ze stabilnością w zalety manewrowości.

Dzięki temu podejściu powstała nowa generacja projektów wojskowych kaczek. Dassault Rafale wielozadaniowy myśliwski oblatana w 1986 roku, a następnie Saab Gripen (pierwszych wejść usługi) w 1988 roku, a Eurofighter Typhoon w 1994. Wszystkie te sposoby i pokrewnych konstrukcyjne są czasami określane jako eurocanards lub eurocanards. Chiński Chengdu J-10 pojawił się w 1998 roku.

Podstawowe zasady projektowania

Przedplot canard może być używany z różnych powodów, takich jak nośność, (nie)stabilność, trymowanie, sterowanie lotem lub modyfikowanie przepływu powietrza nad głównym skrzydłem. Analiza konstrukcji została podzielona na dwie główne klasy, dla canarda podnoszącego i canarda kontrolnego. Klasy te mogą być zgodne lub nie z typem blisko sprzężonym, a dany projekt może zapewniać jedną lub obie funkcje podnoszenia i sterowania.

Wyciąg

W konfiguracji kaczki do podnoszenia ciężar samolotu jest dzielony między skrzydło i kaczkę. Opisano go jako ekstremalną konfigurację konwencjonalną, ale z małym, mocno obciążonym skrzydłem i ogromnym unoszącym się ogonem, który umożliwia umieszczenie środka masy bardzo daleko z tyłu w stosunku do powierzchni przedniej.

Podnoszona kanapa generuje ładowanie, w przeciwieństwie do konwencjonalnego tylnego ogona, który czasami generuje ujemną siłę nośną, której należy przeciwdziałać dodatkowym uniesieniem na głównym skrzydle. Ponieważ podnośnik kaczki zwiększa ogólną zdolność nośną samolotu, może to wydawać się faworyzować układ kaczki. W szczególności podczas startu skrzydło jest najbardziej obciążone i tam, gdzie konwencjonalny ogon wywiera siłę docisku, pogarszając ładunek, kaczka wywiera siłę skierowaną do góry, odciążając ładunek. Pozwala to na mniejsze skrzydło główne.

Jednak przednia płaszczyzna tworzy również dolny nurt, który może niekorzystnie wpływać na rozkład siły nośnej skrzydeł, więc różnice w ogólnej sile nośnej i indukowanym oporze nie są oczywiste i zależą od szczegółów projektu.

Niebezpieczeństwo związane z niewystarczająco załadowaną kaczką – tj. gdy środek ciężkości jest zbyt daleko w rufie – polega na tym, że zbliżając się do przeciągnięcia , skrzydło główne może najpierw utknąć. Powoduje to opadanie tyłu jednostki, pogłębianie przeciągnięcia i czasami uniemożliwianie odzyskania. Aby zapewnić bezpieczną stabilność pochylenia w boksie, kaczka musi najpierw przeciągnąć, więc skrzydło musi zawsze pozostawać poniżej maksymalnego udźwigu. W związku z tym skrzydło musi być większe niż jest to konieczne, co zmniejsza lub nawet odwraca zmniejszenie rozmiaru, które umożliwia podnośnik canard.

W przypadku skrzydeł typu "lift-canard" główne skrzydło musi znajdować się dalej za środkiem ciężkości niż skrzydło konwencjonalne, co zwiększa moment pochylania w dół spowodowany ugięciem klap krawędzi spływu . Mocno obciążone kaczki nie mają wystarczającego dodatkowego udźwigu, aby zrównoważyć ten moment, więc samoloty podnoszące kaczki nie mogą być łatwo zaprojektowane z potężnymi klapami krawędzi spływu.

Kontrola

Kontrolę pochylenia w typie kaczki można osiągnąć za pomocą powierzchni kaczki, jak na kaczce sterowej lub w ten sam sposób, jak w samolocie bezogonowym , za pomocą powierzchni sterowych z tyłu głównego skrzydła, jak w Saab Viggen.

W konstrukcji kaczki kontrolnej większość ciężaru samolotu jest przenoszona przez skrzydło, a kaczka służy przede wszystkim do kontroli nachylenia podczas manewrowania. Czysta sterownica działa tylko jako powierzchnia sterowa i nominalnie ma zerowy kąt natarcia i nie przenosi żadnego obciążenia w normalnym locie. Współczesne samoloty bojowe o konfiguracji canard zazwyczaj mają sterownicę sterowaną przez skomputeryzowany system sterowania lotem .

Canardy z niewielkim ładunkiem lub bez ładunku (tj. canardy sterujące) mogą być użyte do celowej destabilizacji niektórych samolotów bojowych w celu zwiększenia ich zwrotności. Elektroniczny system kontroli lotu wykorzystuje funkcję kontroli nachylenia przednich samolotów canard, aby stworzyć sztuczną stabilność statyczną i dynamiczną.

Korzyścią, jaką można uzyskać z kaczki kontrolnej, jest korekta pochylenia podczas przeciągnięcia końcówki skrzydeł. Całkowicie poruszająca się kaczka zdolna do znacznego ugięcia nosa w dół może być użyta do przeciwdziałania skokowi w górę z powodu przeciągnięcia końcówki. W rezultacie można zoptymalizować wydłużenie i wychylenie skrzydła bez konieczności zabezpieczania się przed wznoszeniem. Wysoko obciążony uchwyt do podnoszenia nie ma wystarczającego zapasowego udźwigu, aby zapewnić tę ochronę.

Stabilność

Przedni samolot Canard może być używany jako statecznik poziomy , niezależnie od tego, czy stabilność jest osiągnięta statycznie, czy sztucznie (fly-by-wire).

Umieszczony przed środkiem ciężkości, przedni kaczek działa bezpośrednio w celu zmniejszenia podłużnej stabilności statycznej (stabilność w pochyleniu). Pierwszy samolot, który osiągnął kontrolowany lot z napędem, Wright Flyer , był pomyślany jako kaczka kontrolna, ale w efekcie była również niestabilna kaczka do podnoszenia. W tamtym czasie bracia Wright nie rozumieli podstaw stabilności tonu w konfiguracji canard i w każdym razie bardziej interesowali się sterowalnością.

Niemniej jednak, stabilizator kaczki może być dodany do niestabilnej konstrukcji w celu uzyskania ogólnej statycznej stabilności skoku. Aby osiągnąć tę stabilność, zmiana współczynnika nośności kaczki wraz z kątem natarcia (nachylenie współczynnika nośności) powinna być mniejsza niż w przypadku płaszczyzny głównej. Na tę cechę wpływa szereg czynników.

W przypadku większości płatów nachylenie nośne zmniejsza się przy wysokich współczynnikach nośności. Dlatego najczęstszym sposobem, w jaki można osiągnąć stabilność nachylenia, jest zwiększenie współczynnika nośności (czyli obciążenia skrzydła) kaczki. Ma to tendencję do zwiększania oporu przednich samolotu wywołanego siłą nośną, której można nadać wysoki współczynnik kształtu w celu ograniczenia oporu. Taki profil canard ma większe wygięcie niż skrzydło.

Inną możliwością jest zmniejszenie współczynnika kształtu kaczki, z ponownie większym oporem wywołanym przez podnoszenie i prawdopodobnie większym kątem przeciągnięcia niż skrzydło.

Podejście projektowe stosowane przez Burta Rutana to kaczka o wysokim wydłużeniu i wyższym współczynniku nośności (obciążenie skrzydła kaczki wynosi od 1,6 do 2 razy większe od skrzydła) oraz profil kaczki, którego nachylenie współczynnika nośności jest nieliniowe (prawie płaskie) między 14° a 24°.

Kolejnym parametrem stabilizacji jest efekt mocy. W przypadku śmigła popychacza canard : „przepływ wywołany siłą czyszczenia krawędzi spływu skrzydła” zwiększa nachylenie współczynnika unoszenia skrzydła (patrz powyżej). Odwrotnie, śmigło znajdujące się przed kaczką (zwiększające nachylenie kaczki) ma silne działanie destabilizujące.

Przycinać

Mocno obciążony uchwyt do podnoszenia może nie mieć wystarczającego zapasu udźwigu, aby pomieścić duże ruchy środka nacisku lub środka ciężkości. Trymowanie można wykonać w podobny sposób jak w przypadku łodzi bezogonowych, poprzez regulację powierzchni krawędzi spływu. W szczególności zastosowanie klap do lądowania na głównym skrzydle powoduje dużą zmianę trymu. Saab Viggen ma klapy na powierzchni kaczki, które zostały uruchomione jednocześnie, aby zniwelować zmianę trymu. Beech Starship używa przednich samolotów o zmiennym nachyleniu, aby dostosować położenie siły nośnej.

Kiedy główne skrzydło jest najbardziej obciążone, podczas startu, aby obrócić nos w górę, konwencjonalny statecznik zazwyczaj dociska się w dół, podczas gdy przednia część podnosi się. W celu utrzymania trymu, skrzydło główne w konstrukcji kaczki musi zatem być umieszczone dalej w stosunku do tyłu względem środka ciężkości niż w równoważnej konstrukcji konwencjonalnej.

Wariacje

Zamknij sprzężenie

Wykazano, że blisko sprzężona kaczka przynosi korzyści naddźwiękowemu projektowi skrzydła delta, który zyskuje siłę nośną zarówno w locie transsonicznym (takim jak w przypadku supercruise ), jak i w locie z małą prędkością (takim jak starty i lądowania).

W blisko sprzężonej kaczce skrzydła delta przedni płat znajduje się tuż nad i przed skrzydłem. Wiry generowane przez przednią płaszczyznę w kształcie delty przepływają z powrotem obok głównego skrzydła i oddziałują z własnymi wirami. Ponieważ mają one kluczowe znaczenie dla siły nośnej, źle umieszczony samolot przedni może powodować poważne problemy. Dzięki zbliżeniu samolotu do skrzydła i tuż nad nim w ciasnym ustawieniu, interakcje mogą być korzystne, pomagając w rzeczywistości również w rozwiązywaniu innych problemów. Na przykład przy dużych kątach natarcia (a zatem zazwyczaj przy niskich prędkościach) powierzchnia kaczki kieruje strumień powietrza w dół nad skrzydłem, zmniejszając turbulencje, co powoduje zmniejszenie oporu i zwiększenie siły nośnej. Zazwyczaj płaszczyzna przednia tworzy wir, który przyczepia się do górnej powierzchni skrzydła, stabilizując i wzmacniając przepływ powietrza nad skrzydłem oraz opóźniając lub zapobiegając przeciągnięciu.

Kaczka przednia może być zamocowana jak w IAI Kfir , mieć klapy do lądowania jak w Saab Viggen , lub być ruchoma i również pełnić funkcję kaczki kontrolnej podczas normalnego lotu jak na Dassault Rafale .

Swobodnie pływająca kanada

Swobodnie pływająca kaczka jest zaprojektowana tak, aby zmieniać swój kąt padania na kadłub bez udziału pilota. W normalnym locie rozkład ciśnienia powietrza utrzymuje swój kąt natarcia do przepływu powietrza, a tym samym również generowany przez niego współczynnik siły nośnej , na stałym poziomie. Mechanizm swobodnego ruchu może zwiększyć stabilność statyczną i zapewnić bezpieczne odzyskiwanie z ewolucji pod dużym kątem ataku . Jednak wpływa to negatywnie na charakterystykę przeciągnięcia, ponieważ główne skrzydło może utknąć przed kaczką. Powierzchnie sterowe mogą być dodane do swobodnie pływającej kaczki, dzięki czemu wejście pilota może wpływać na generowaną siłę nośną, zapewniając w ten sposób kontrolę nachylenia lub regulację trymu.

Zmienna geometria

Beechcraft Starship ma zmienną powierzchnię zamiatać canard. Podcięcie jest zróżnicowane w locie poprzez wychylenie przednich samolotów do przodu, aby zwiększyć ich skuteczność, a tym samym zniwelować efekt kołysania dziobem w dół spowodowany przez klapy skrzydeł po ich wypuszczeniu.

Wąsy jest mała, wysoki współczynnik proporcji foreplane które jest stosowane dla niskich prędkości lotu w celu poprawy przenoszenia dużych kątów ataku, takiego jak podczas startu i lądowania. Jest wciągany z dużą prędkością, aby uniknąć kary za przeciąganie fali wynikającej z konstrukcji kaczki. Po raz pierwszy zaobserwowano go na Dassault Milan, a później na Tupolevie Tu-144 . NASA zbadała również jednoczęściowy ekwiwalent zwieszany, zwany wygodną chowaną kanapką, w którym podczas przechowywania powierzchni jedna strona przesuwa się do tyłu, a druga do przodu.

Kontrola jazdy

Rockwella B-1 Lancer ma małe skrzydełka usterzenia przedniego lub żeber po obu stronach kadłuba nadawcze, które tworzą część aktywnego systemu tłumienia, który zmniejsza aerodynamiczny strug w wysokiej prędkości, o niskiej wysokości lotu. Takie uderzenie powodowałoby w przeciwnym razie zmęczenie załogi i skróciłoby żywotność płatowca podczas długich lotów.

Podstęp

Samoloty Canard mogą potencjalnie mieć słabą charakterystykę ukrywania się, ponieważ mają duże, kanciaste powierzchnie, które mają tendencję do odbijania sygnałów radarowych do przodu. Eurofighter Typhoon wykorzystuje kontrolę programową jego canards w celu zmniejszenia jej skutecznego radarowego przekroju .

Canards zostały włączone do samolotów stealth, takich jak program Lockheed Martin Joint Advanced Strike Technology (JAST) . i prototyp badawczy McDonnell Douglas / NASA X-36 .

Zobacz też

• Lista samolotów canard
• Skrzydło tandemowe
• wiropłat

Bibliografia

Cytaty

Bibliografia

• Burns, BRA (grudzień 1983), „Czy Wrights mieli rację?”, Air International.
• ——— (23 lutego 1985), "Canards: Design with Care" , Flight International , s. 19-21.
• Nebletta, Evana; Metheny, Michael „Mike”; Leifsson, Leifur Thor (17 marca 2003), „Canards” (PDF) , AOE 4124 Class notes , Department of Aerospace and Ocean Engineering, Virginia Tech, zarchiwizowane z oryginału (PDF) 27 lutego 2008.
• Garrison, P (grudzień 2002), "Trzy Firma" , Latanie , 129 (12), s. 85-86
• Raymer, Daniel P (1989), Aircraft Design: A Conceptual Approach , Waszyngton, DC: Amerykański Instytut Aeronautyki i Astronautyki, ISBN 978-0-930403-51-5

Dalsza lektura

• Abzug; Larrabee (2002), Stateczność i kontrola samolotu , Cambridge University Press.
• Gambu, J; Perard, J (styczeń 1973), "Saab 37 Viggen", Aviation International (602), s. 29-40.
• Lennon, Andy (1984), Canard : rewolucja w locie , Lotnictwo.
• Rollo, Vera Foster (1991), Burt Rutan odkrywa na nowo samolot , Maryland Historical Press.
• Wilkinson, R (2001). Struktury i systemy statków powietrznych (wyd. 2). Wydawnictwo MechAero.
• Selberg, Bruce P; Cronin, Donald L, Aerodynamiczno-strukturalne studium Canard Wing, dwuskrzydłowe i konwencjonalne systemy skrzydeł do zastosowań w lotnictwie ogólnym. Uniwersytet Missouri-Rolla. Raport kontraktowy 172529 , Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej[3]

Zewnętrzne linki