Стрілоподібність крила літака та яка від неї користь

На сьогодні більшість швидкісних літаків мають стрілоподібне крило, що вирізняє їх, наприклад, від літаків легкомоторної малої авіації.

Далі коротко розкажу про стрілоподібність, також розглянемо, у чому плюси та мінуси прямої та зворотної стрілоподібності крила.

Стрілоподібність крила

Стрілоподібністю називають відхилення крила (кут) від перпендикуляра до поздовжньої осі літака. Інакше кажучи, стрілоподібність присутня, якщо кінцевий профіль відведено вперед або назад щодо профілю.

Та для чого нам стрілоподібність? Невже не можна обмежитись прямим крилом, як, наприклад, у невеликих літаків типу Cessna 172?

Згадаймо закон Бернуллі, який пояснює те, що повітря прискорюється, коли воно рухається над верхньою частиною крила. Отже, ми летимо зі швидкістю, скажімо, 0,8 Маха, швидкість повітря, що протікає над крилом, може досягати аж 1 Маха. Виходить, тепер у нас «частково» надзвуковий потік. Однак у чому проблема?

Хвильовий опір

Для досягнення великої швидкості польоту потрібна висока тяга та низький опір.

Якщо з тягою все більш-менш зрозуміло: установлюємо потужніший двигун, з опором все дещо складніше. Серед видів опору виділяється окремий вид опору, що проявляється лише на швидкостях, близьких до швидкості звуку, а саме хвильовий опір.

Хвильовий опір — це четвертий компонент опору аеродинамічного опору, що проявляється на трансзвукових швидкостях, а саме близьких до швидкості звуку (в районі Mach 1). В цей момент сильно збільшується загальний опір.

Саме тому хвильовий опір заважає літакам розвивати надзвукову швидкість. Тому було вирішено впроваджувати різні варіанти «відтягнути» вплив хвилевого опору. Одним із варіантів стало збільшення стрілоподібності крила літака.

Збільшення стрілоподібності

Джон Стек (John Stack) був одним з провідних фахівців у галузі аеродинаміки та брав активну участь у дослідженнях, пов’язаних з використанням стрілоподібних крил. Основні дослідження Джона Стека в галузі стрілоподібності крила припали на період 1940-х і початок 1950-х. У цей період після Другої світової війни активно займалися вивченням аеродинамічних характеристик різних типів крил, включаючи стрілоподібні, з метою подальшого використання в на той момент нових реактивних і надзвукових літаках.

Дослідження охоплювали вивчення аеродинамічних характеристик стрілоподібних крил на високих швидкостях, особливо під час переходу через звуковий бар’єр. Стек та його команда виявили, що стрілоподібні крила значно знижують хвильовий опір, що дозволяє літакам досягати та долати звуковий бар’єр ефективніше. Ці дослідження стали основою для розробки багатьох надзвукових літаків та вплинули на дизайн сучасних бойових та цивільних літаків.

1951 року було презентовано Bell X5. Це був перший літак у світі зі змінною геометрією крила (так званою варіабельною стрілоподібністю), що дозволяло змінювати кут стрілоподібності крила в польоті для оптимізації аеродинамічних характеристик на різних швидкостях та висотах. Таким чином виникла можливість аналізувати ефективність роботи стрілоподібного крила за різних умов.

Як «працює» стрілоподібне крило

Як стрілоподібність крила допомагає запобігти хвильовому опору? Вона затримує початок надзвукового потоку, зменшуючи прискорення повітря над крилом.

Коли крило стрілоподібне, частина повітря тече уздовж розмаху крила, а не паралельно лінії хорди, як це відбувається на прямому крилі. Це зменшує загальне прискорення повітря й дозволяє літаку досягати вищих швидкостей Маха, дещо відтягуючи надходження росту хвильового опору.

Зворотна стрілоподібність

Крило зворотної стрілоподібності (КОС) має ті ж переваги у зниженні хвильового опору, що й звичайне крило прямої стрілоподібності. Основною перевагою КОС є відсутність кінцевого зриву, оскільки повітряний потік рухається від кінцівок до кореня крила, що запобігає утворенню умов для зриву. Однак зриви все ж можуть виникати в кореневій частині крила при збільшенні кута атаки, хоча керованість при цьому зберігається завдяки ефективності елеронів.

Недоліки стрілоподібного крила

Стрілоподібне крило має кілька значних недоліків, основні з яких:

• Схильність до зриву потоку на закінцівках крила: Через збільшений кут атаки на кінцевих частинах крила виникає ймовірність зриву потоку, що призводить до втрати підіймальної сили та зниження стійкості літака.
• Зниження підіймальної сили на малих швидкостях: Це крило створює меншу підіймальну силу на низьких швидкостях, що підвищує ризик зриву.
• Погіршення стійкості та керованості: На низьких швидкостях літак може стати менш стійким і важчим у керуванні. Зрив потоку на низькій висоті може призвести до катастрофічних наслідків через втрату стійкості та керованості.

Отож

Основною перевагою прямого крила є високий коефіцієнт підіймальної сили. Однак на трансзвукових та надзвукових швидкостях значно зростає хвилевий опір, що робить пряме крило проблемним для швидких літаків. Стрілоподібне крило частково розв’язує ці проблеми. Однак воно має недоліки, такі як знижена підіймальна сила, погіршення стійкості та керованості літака.