Прямое против стреловидного

Сравнение ЛК: Прямое против стреловидного.
перевод статьи ​из ​RC Soaring Digest

(Кратко и не для профессионалов).

Прямое трапецевидное крыло.
Стреловидное крыло – крыло с отклонением передней кромки от поперечной оси (нормали).
Винглеты - концевые шайбы, уши, вертикальные законцовки .
Тангаж - угловое отклонение вдоль поперечной оси, при котором нос отклоняется вверх - кабрирование, или вниз – пикирование.
Индуцированная (н аведенная) тяга - у стреловидного крыла.
Adverse yaw – нежелательное, паразитное рыскание (поворот вокруг вертикальной оси).
Кабрирующий момента см. тангаж.
Инертность по тангажу – свойство модели сопротивляться отклонению от своего положения под воздействием управления или порывов ветра.
Лонжерон - основной силовой элемент конструкции инженерных сооружений.

Нас часто просят прокомментировать отношение между формой в плане и характеристиками (качеством) у ЛК. Ответ практически всегда зависит от задач (терма на продолжительность, скорость, слоп или динама), и возможностями задающего вопрос (будущего строителя). Из за наличия как положительных, так и отрицательных свойств, аэродинамических характеристик и используемых строительных технологий у обоих типов ЛК, это вполне оправдано.
Мы сделали краткий список преимуществ и недостатков, в этой статье этот список по возможности раскрывается.

Прямое (трапецевидное) ЛК

Достоинства:
Нет крутки
Простая конструкция
Возможно использование дифференциала элеронов
Параллельный поток
Обычная система управления
Возможно ограниченное применение закрылков

Нейтральные свойства.
Малая инерция по тангажу

Недостатки:
Выбор профиля ограничен по Cm
Увеличенное сопротивлении из за S-образности
Мало плечо РВ
Эффект закрылков ограничен
Фюзеляж впереди передней кромки крыла
Винглеты могут ухудшать характеристики

Стреловидное ЛК.
Достоинства:
Выбор профиля имеет ограничения
удовлетворительное плечо РВ
винглеты уменьшают индукционное сопротивление
фюзеляж расположен за передней кромкой крыла
возможно применение закрылков
«наведенная тяга»

Нейтральные свойства.
Средняя инерция по тангажу

Недостаки:
Необходимая крутка увеличивает сопротивление
Сложная конструкция
Применение дифференциал элеронов ограничено
Винглеты работают лучше на одной скорости
Сложная система управления
Закрылки требуют тщательного проектирования

Прямое в плане ЛК, привлекает будущих строителей простотой конструкции. Отсутствие стреловидности, позволяет строить модель по стандартным технологиям. Лонжерон работающий на изгиб так же может быть спроектирован чтобы противостоять кручению, но намного лучше с крутящим моментом справляется D-tube структура или работающая обшивка (соответственно спроектированная).

Стреловидное в плане ЛК, с другой, впечатляет грациозной красотой устойчивого полета.
Внутренняя структура стреловидного ЛК должна быть спроектирована принимая во внимание, большИй эффективный размах и большИе нагрузки от крутящего момента. Лонжерон должен обеспечивать жесткость исходя из того, что изгиб консоли приводит к изменению установочного угла у концов крыла. Исходя из экономии веса, с нагрузками кручения оптимальнее (чем лонжерон) справляется обшивка, обычно стекло- или углетканевая, с волокнами расположенными по диагонали - 45 град относительно лонжерона.

Конструкция стреловидного ЛК усложняется использованием винглет (законцовок). Их использование может улучшать аэродинамическое качество, формируя воздушный поток у концов крыльев. Однако многочисленные исследования показывают недостаток концевых шайб в их однорежимности, т.к. их положительный эффект проявляется только в узком диапазоне полетных скоростей. Эффект может полезен в терме, но при этом лонжерон и концы крыла должны быть спроектированы так, чтобы воспринимать дополнительные аэродинамические нагрузки от винглет.

Характеристики прямых трапецевидных ЛК с небольшой положительной стреловидностью страдают от использования винглет. Использование винглет или отклоненных вниз законцовок препятствует развитию срыва на конце крыла, что приводит к появлению положительного момента, поднимающего нос (и увеличивающего угол атаки) при срыве и является опасным и делает выход из срыва (штопора) более сложным. Правильно спроектированное прямое ЛК с такими законцовками может быть почти полностью устойчиво, по сваливанию на крыло, даже при полностью отклоненном вверх РВ (т.к. управляемость по тангажу на больших углах атаки уменьшается из за затенения РВ турбулентным потоком ).

С аэродинамической точки зрения, трапецевидное прямое ЛК, так же обладает простотой. Выбор профиля не сложен, но задает ограничения из за необходимости создания балансирующего момента (требуется S-образность профиля, отклонение вверх задней кромки крыла). Ранее использовались профили с выраженной S-образностью, в то время как тенденция к уменьшению ее до нуля существует уже десятки лет. Уменьшение S-образности, уменьшает коэффициент сопротивления и увеличивает максимальный коэффициент подъемной силы.

Стреловидные ЛК характеризуются хорошей устойчивостью по тангажу в результате использования крутки на конце консолей. Легко можно понять, что крутка это неизбежное зло – которое необходимо для стабильности, но увеличивает сопротивление на большинстве полетных режимов.

Аэродинамическая крутка так же связана с распределением коэффициента подъемной силы и качества. Например, крутка выбранная для настройки требуемой стабильности и качества для термы на продолжительность, будет ухудшать скоростные качества (будет требоваться отклонение РВ -элевонов вниз для уменьшения S-образности) . Поэтому крыло с круткой нельзя назвать аэродинамически чистым. Сопротивление может быть выбрано минимальным только для определенного режима полета.
Выбор (дизайн) профиля для стреловидных крыльев это компромисс. Хотя жесткое ограничение по моменту профиля как в прямых ЛК отсутствует, профиль должен работать в потоке идущем вдоль размаха стреловидного крыла. Профили созданные для двумерного параллельного потока (прямого крыла), часто не подходят в данном случае. Трехмерный поток вызываемый стреловидностью крыла отличается от от двумерного, это должно учитываться при выборе или разработке профиля. Для этого так же требуется другое программное обеспечение.

Стреловидные крылья могут использовать «наведенную тягу» (induced thrust), которая вызывается увеличением эффективного угла атаки концов крыла. Для компенсации этого эффекта применяется крутка. Вектор подъемной силы при этом отклоняется вперед (поворачивается), создавая «наведенную тягу».

Полет это не просто движение по прямой. Нам нужно управлять моделью по всем трем осям. Модели классической схемы, управляются по тангажу, рулем высоты, расположенном на длинном плече фюзеляжа( далеко от ЦТ). Аналогично работают элероны на стреловидном крыле, если обеспечено достаточное плечо их действия (расстояние от ЦТ). Прямое крыло в этом плане J несколько ограничено в возможностях (плечо приложения отклоняющего момента очень мало).

Есть два основных способа получения требуемого плеча силы у прямых ЛК: если крыло имеет сравнительно небольшое удлинение, получение нужного плеча не сложно. Элеватор (элевон) может быть размещен на внешней (концевой) части консоли. В случае больших удлинений этот способ становится сложным по причине малой хорды на концах крыла, поэтому РВ размещают в корневой части консолей и сдвигают его назад, увеличивая в центроплане хорду.

Нужно заметить, что отклонение РВ на прямых ЛК всегда действует против желаемого изменения коэффициента подъемной силы. Так РВ при отклонении вверх для увеличения угла атаки, выполняет это за счет появления силы направленной вниз (увеличения давления на верхней поверхности крыла). РВ действуют аналогично закрылку, когда он отклоняется вниз, вызывая увеличение подъемной силы для отклонения крыла на меньший угол атаки.

Функция элеронов несколько более сложная для стреловидных ЛК, чем для прямого ЛК, но при этом появляются дополнительные возможности. Паразитное рыскание – это основная проблема при использовании элеронов. В классической схеме рыскание компенсируется дифференциалом элеронов (элерон отклоняется сильнее вверх, чем вниз) и соответствующего использования РН. Это невозможно на стреловидных ЛК, из за смещенного назад положения элерона. Отклоненный вверх элерон вызывает тенденцию к кабрированию (поднимает нос модели). Способы компенсации этого эффекта довольно сложны и требуют использования вспомогательной управляющей плоскости посредством функции микширования или специального распределения крутки и коэффициента подъемной силы.

На прямых ЛК с большим удлинением, где используется центральный РВ , внешние элероны расположены так близко к ЦТ, что использование дифференциала становится неэффективным. На прямых ЛК с малым удлинением для предотвращения паразитного рыскания, может быть необходимо использование дополнительных управляющих поверхностей (например элеронов типа Фрайз).

Один центральный вертикальный киль и РН довольно эффективен на прямых ЛК. При этом желательно соответствующее аэродинамическое исполнение места соединения фюзеляжа и крыла для обеспечения невозмущенного потока у киля. Если фюзеляжа нет совсем, его может заменить легкая тонкая балка. Необходимо обеспечить достаточное плечо для киля и РН, чтобы они работали. Для увеличения плеча может быть использована стреловидность киля (слишком наклоненная линия поворота РН может приводить к появлению момента тангажа). Все вышесказанное о вертикальном оперении справедливо и для стреловидных крыльев.

Закрылки это для бесхвостого летательного аппарата. На обычной классической схеме могут быть использованы большие отклонения закрылков, потому, что момент вызываемый ими компенсируется эффективным стабилизатором (имеющим большое плечо). ЛК (прямые и стреловидные) имеют меньшее плечо стабилизирующей поверхности, проблемы управления при этом не возникает из за малого момента инерции (малого разнесения масс по короткому фюзеляжу). Но при отклонении закрылков возникают большие моменты тангажа которые не могут быть скомпенсированы. Этот момент важен для выбора размера, формы и места установки закрылков на ЛК, так чтобы их отклонение не вызывало значительных нескомпенсированых моментов.
На прямых ЛК могут быть использованы закрылки не более 5% от площади крыла, с размещением на 40% хорды. Такое размещение минимизирует возникающий при их отклонении момент (может быть использовано отклонение до 45 градусов). Но закрылки такого типа не могут быть использованы для парения в терме, из за большого их сопротивления. Но могут быть использованы на затяжке на леере.

На стреловидных ЛК закрылки могут быть использованы для повышения качества в терме и для улучшения скоростных характеристик (когда убраны?). Размещение закрылков так же важно, как и на прямых ЛК. Закрылки могут быть размещены на задней кромке крыла, но их размещение по размаху определить не просто. При размещении в корневой части их отклонение приводит к появлению кабрирующего момента. При размещении далеко к внешнему краю (концу) крыла возникает пикирующий момент. Общий размер и величина локальной хорды так же имеют значение. В идеале, для термы, закрылки в корневой части могут быть отклонены на небольшую величину с компенсацией момента отклонением элеронов так же вниз. Отклонение закрылков, вверх при таком размещении, приводит к появлению пикирующего момента и увеличивает скорость полета.

Инертность по тангажу. Эта характеристика которую сложно оценить. Наше мнение, что этот вопрос скорее зависит от «предвзятой точки зрения» на эту характеристику ЛК. Пилотам обычных классических моделей, имеющих большую инертность по тангажу, непривычно сталкиваться с недостатком интертности проявляемой ЛК . На полноразмерных ЛК недостаток инерции положительно проявляется при полете в турбулентности. Самолет быстро реагирует на локальные изменения угла атаки в турбулентном потоке, «приноравливаясь» к изменениям скорости и направления локального воздушного потока. Классический самолет в подобных условиях имеет тенденцию «подпрыгивать» на воздушных горках и проваливаться в «ямы». Поведение стреловидных ЛК в подобных условиях можно характеризовать как среднее между прямыми ЛК и классикой.

Тот кто планирует использовать прямые ЛК, обычно озабочены общим недостатком длины и возможности видеть (в терме) изменение тангажа. После нескольких полетов обычно это их уже не так волнует. Для них становится «нормальным» позволять модели самой искать нужное положение в пространстве и управлять при помощи РВ скоростью модели, а не реагировать на изменение тангажа (по наклону фюзеляжа). Этот же метод становиться естественным при управлении стреловидными ЛК.

Из всего вышесказанного следует вывод, что выбор прямого ЛК логичен как более простого в постройке (без использования композитов).

Стреловидные ЛК, несмотря на некоторые трудности в проектировании и постройке, имеют значительный потенциал в более широком диапазоне полетных режимов. Система управления может быть достаточно сложной, с большим количеством управляющих поверхностей. Требуется тщательное проектирование распределения подъемной силы ( и крутки) вдоль размаха для получения хорошей эффективности при парении, на скорости и маневрировании. Так же эффективная «деградация» зависит от коэффициента подъемной силы (угла атаки), что делает стреловидные ЛК очень устойчивыми в большом диапазоне скоростей. Конструктор должен потратить много времени при проектировании, для раскрытия потенциала стреловидных ЛК. Насколько хорошо потрачено это время , никогда не известно пока модель не будет облетана в воздухе.