Применение «летающего крыла» малого размаха в качестве атмосферного спутника
Изучение проводились на ЛА, осуществленных по схеме «ЛК» малого размаха. Крыло ЛА при этом осуществляет функции крыла, фюзеляжа и оперения ЛА, обеспечивая элементарную конструкцию. Удлинение крыла колеблется от 1 до 2,5, что достаточно для размещения в нем полезной нагрузки в отсутствии фюзеляжа. Конструкция также упрощается за счет «фасеточной» конфигурации – то есть состоящей из отдельных плоских панелей. Такая конструкция упрощает производство отдельных элементов ЛА, хотя незначительно увеличивает сопротивление.
Анализ основывается на результатах, приобретенных при изучении ЛА Wainfan FMX-4 Facetmobile.
FMX-4 сделал первый полет в 1993 году и суммарно налетал около 130 часов. В это время входит перелет из Чино, шт. Калифорния в Ошкош, шт. Висконсин и обратно, программа испытаний FMX-4 показала, что конструкция имеет следующие преимущества при применении в качестве АC:
· Элементарную конструкцию с малым числом элементов;
· Конструкция может быть произведена из дешевых материалов;
· Высокое значение полезной нагрузки;
· Благоприятные летные характеристики;
· Плавный режим сваливания;
· Большой диапазон эксплуатационных центровок;
· Характеристики, сопоставимые с ЛА обычной схемы.
Анализ изучил потенциал ЛА, осуществленного по схеме «ЛК» малого размаха, по сравнению с изготовляемыми ныне ЛА Cessna 152, Diamond DA-20, и Alarus СН-2000.
В отличие от FMX-4, конструкция которого реализована из алюминиевых труб, покрытых тканью, строение анализируемого ЛА, формируется из плоских композитных материалов, составляющих его конструкцию. Эта технология обширно используется при производстве космических кораблей, а в авиации не нашла обширного использования из-за сложных изогнутых форм авиационных конструкций. Фасеточная форма ЛА делает возможным применение этой технологии.
Схема "ЛК" малого размаха очень результативна с точки зрения обеспечения потребной прочности. Элементы конструкции испытывают минимальные напряжения, следовательно, конструкция получается более легкой, объём материалов для его изготовления будет. Во-вторых, снижается максимальный взлетный вес, по сравнению с ЛА традиционной схемы, что существенно улучшает летные характеристики.
У FMX-4 вес пустого составляет 55% сравнимого с ним ЛА традиционной схемы, а максимальный взлетный вес 70%.
В процессе анализа, характеристики изучаемого ЛА сравнивались с характеристиками нескольких традиционных ЛА, того же класса и предназначения. Большинство выводов были основаны в опытных данных FMX-4 и других ЛА, осуществленных по схеме "ЛК" малого удлинения, а также результатов продувок в аэродинамической трубе и экспериментов, осуществленных автором (Wainfan).
Элементарное строение анализируемого ЛА имеет намного меньше элементов, чем у аналогичного ЛА традиционной схемы. Такая конструкция потребует существенно меньше времени на сборку [5].
Преимущества схемы «летающего крыла» малого размаха
Конструкция требует минимальное число материалов для изготовления, и, следовательно, получается легче. Более малые нагрузки на конструкцию позволяют применить менее прочные материалы, по сравнению с традиционными авиационными конструкциями.
Низкий уровень напряжений конструкции позволит также упростить саму конструкцию. Основой ее может быть ферма из прямых труб, или монокок с наименьшим внутренним силовым набором.
Крыло объединяет в себе функции самого крыла, фюзеляжа, и горизонтального оперения в цельное строение. Число элементов при этом сравнимо с числом элементов традиционного фюзеляжа. Соответственно, такая форма ликвидирует все элементы, связывающие крыло и горизонтальное оперение. Кроме того, ликвидируются и все узлы соединения крыла, фюзеляжа и оперения. Основные элементы корпуса могут быть произведены как цельные большие блоки.
Наружные обводы ЛА схемы «ЛК» малого размаха могут быть созданы за счет плоских панелей. Эксперименты ЛА Wainfan FMX-4 Facetmobile аргументируют, что ЛА с такими обводами может иметь характеристики, сравнимые с ЛА традиционной схемы при той же мощности двигателя и полезной нагрузке.
Значительный внутренний объем упрощает размещение, установку и обслуживание систем ЛА. Число систем, проводок, шлангов и т.д., находящихся в труднодоступных местах минимально. Для обслуживания большинства узлов не требуется предусматривать специальных люков.
Так как конструкция ЛА будет в основном состоять из малого числа больших элементов, существенно упрощается сборка ЛА.
Режим сваливания у «ЛК» малого размаха различается от сваливания традиционного ЛА. На высоких углах атаки протекание воздуха через боковые кромки создает вихри, повышающие подъемную силу, при этом критический угол атаки повышается до углов, превышающих 30 градусов. Более благоприятный характер протекания сваливания ЛА увеличивает безопасность, так как 25 – 35% всех катастроф происходит из-за потери управления на малых скоростях.
«ЛК» малого размаха как правило будет иметь более малую нагрузку на площадь крыла, чем у традиционного ЛА. Хотя у него коэффициент подъемной силы будет небольшой, небольшая нагрузка на крыло восполняет это, обеспечивая небольшие взлетно-посадочные скорости. Уменьшение посадочной скорости также увеличивает безопасность ЛА.
Наружные обводы FMX-4, изготавливаются из 11 элементов, 8 из которых размещены на верхней поверхности, и 3 на нижней. В основном все кромки имеют острый угол.
Каркас FMX-4 имеет ферменную конструкцию из дюралевых труб. Все трубки – прямые, без изгибов. Никаких дополнительных стрингеров, формирующих более гладкие обводы ЛА, не применяется.
Программа летных испытаний FMX-4 показала, что предоставленная схема совершенно годна в качестве легкого ЛА общего назначения. Характеристики ЛА были сопоставимы с характеристиками ЛА традиционной схемы, использующих тот же двигатель. ЛА показал способность нести полезную нагрузку, равную своему пустому весу, то есть его весовая результативность составляет 50%.
Летные качества FMX-4 похожи с общеустановленными. Управляющие силы имеют линейную зависимость. ЛА хорошо балансируется по всем осям. Необходимая площадь руля направления очень незначительная.
ЛА имеет неплохие характеристики при полете на высоких углах атаки. При экспериментах ЛА не имел указателя угла атаки, но по результатам продувок в аэродинамической трубе было выявлено, что при целиком взятой на себя ручке управления ЛА балансируется при угле атаки 30 градусов. При летных экспериментах, при целиком взятой ручке на себя и максимальных оборотах двигателя ЛА продемонстрировал значение скороподъемности до 5м/с. При снижении оборотов ЛА не продемонстрировал какой-либо тенденции к сваливанию в штопор даже при легком маневрировании. Элементы управления оставались результативными по всем осям.
Истинная минимальная скорость не была измерена при летных экспериментах, так как из-за применения фиксированной трубки приемника воздушного давления на высоких углах атаки указатель скорости изображал нулевое значение. Данные эксперимента в аэродинамической трубе продемонстрировали, что скорость при угле атаки, надлежащем значению максимальной подъемной силы составляет 60км/ч
Эти результаты летных экспериментов, а также результаты экспериментов радиоуправляемой модели для изучения поведения ЛА на еще высоких углах атаки продемонстрировали, что FMX-4 имеет безопасные характеристики сваливания и штопора и будет не расположенным к характерным аварийным обстоятельствам, которые случаются со традиционными ЛА при потере скорости [5].