¿Cuál es el concepto de diseño aerodinámico de pato?
Debido a diversas razones, el rendimiento a baja velocidad de la cola y el diseño aerodinámico sin cola de los aviones ordinarios de alta velocidad suelen ser deficientes. El diseño del canard puede cumplir con los requisitos de alta y baja velocidad de los aviones de combate. Requisitos de desempeño. Porque este diseño puede equilibrar bien la forma esbelta requerida para los aviones de alta velocidad y el alto coeficiente de elevación del trimado requerido para que los aviones logren despegues y aterrizajes cortos. Esto se debe a que: por un lado, cuando el diseño del canard delgado pasa de velocidades subsónicas a supersónicas, el incremento de estabilidad causado por el movimiento del centro de gravedad es menor que el diseño de la cola trasera, lo que favorece el vuelo de maniobras a alta velocidad. . Por otro lado, cuando vuela cerca o en un ángulo de ataque alto, puede generar una sustentación de compensación mucho mayor que los aviones sin cola y sin cola. Esto demuestra que también es adecuado para vuelos a baja velocidad.
Elevación de trimado alto
La Figura 1 es un diagrama esquemático del modo de trimado longitudinal de aviones con cola, sin cola y canard con estabilidad estática. Cuando un avión vuela de manera estable y nivelada en el aire, la gravedad y la sustentación, el empuje y la resistencia son iguales, y el momento de todo el avión también está equilibrado. Para lograr el equilibrio, el esquema de diseño de canard del J-10A se reflejó en el concepto inicial del J-9 de China. Sin embargo, muchos problemas técnicos involucrados fueron que el J-10 tenía que ocupar un momento y se requería el avión sin cola y con ala de cola. Paga un determinado precio de elevación. Durante el vuelo, la sustentación Y del ala y el momento de sustentación cero Mzo de todo el avión producirán un momento de proa en el centro de gravedad del avión. Para equilibrar este momento, un avión sin cola necesita usar flaps para subir y bajar, y un avión sin cola necesita usar elevadores para subir y bajar, generando sustentación negativa para el trimado, lo que reducirá la sustentación de todo el avión. Por supuesto, cuando se vuela con un ángulo de ataque pequeño, la carga en la cola horizontal no es grande y el costo de elevación que paga también es muy pequeño. Pero cuando el avión vuela con un ángulo de ataque elevado y se toman medidas para aumentar la sustentación (como colocar flaps), la situación empeora. Porque aportará mucha torsión adicional al arco al levantar. Para equilibrar estos momentos adicionales, el borde de salida de la cola horizontal debe estar inclinado en un ángulo grande, lo que reducirá significativamente el efecto de sustentación. Si el ala adopta el método de aumentar la altura. A veces incluso era difícil recortarlo, por lo que tuvimos que tomar medidas para aumentar la sustentación negativa en la cola horizontal. Hay muchos ejemplos de esto en el extranjero. Debido a la tecnología de control de la capa límite utilizada en los flaps del borde de salida del avión F-14 de fabricación estadounidense, el momento de flexión hacia abajo aumentó mucho, lo que provocó que la cola se aproximara a la pérdida durante el equilibrio. La cola horizontal tuvo que modificarse para lograr el equilibrio. El borde de ataque se levanta, provocando que el perfil aerodinámico se doble en reversa. El hidroavión japonés PS-1 sopla aire en la superficie inferior de la cola para aumentar la sustentación negativa. Incluso con un diseño de cola, los aviones sin cola tienen más dificultades para equilibrar la gran sustentación.
Por el contrario, el diseño canard es superior a los diseños con cola y sin cola porque su momento de cabeceo puede ser proporcionado por la superficie de elevación positiva (canard) frente al centro de gravedad de la aeronave. Esto realmente mata dos pájaros de un tiro: no sólo proporciona un par de equilibrio, sino que también aumenta la sustentación. Entonces, ¿por qué tan pocas personas adoptaron la disposición del pato en el pasado? Esto se debe a que los aviones canard convencionales tienen tres desventajas principales:
(1) Hay una fuerte corriente descendente entre el alerón delantero y el ala principal, lo que reduce la sustentación del ala principal. Aunque la sustentación del alerón delantero es positiva y compensa parte de la pérdida de sustentación, la sustentación total en tiempos de paz no es necesariamente mucho mayor que la del alerón trasero.
(2) El problema del equilibrio de la disposición de los patos es difícil de resolver. En general. La carga del canard es mayor que la de la cola, a menudo de 3 a 4 veces mayor que la de la cola. Debido a que los canards están colocados en la parte delantera, el centro de gravedad de todo el avión se mueve hacia adelante y es necesario ajustar el centro de gravedad hacia adelante. De esta manera, el canard está cerca del centro de gravedad y tiene un brazo de momento corto, lo que limita su capacidad de equilibrio. Además, el alerón principal lava el alerón delantero, por lo que el alerón delantero es propenso a entrar en pérdida primero en ángulos de ataque elevados. Esto es perjudicial para el despegue y el aterrizaje y para las maniobras de ataque con ángulos elevados. No fue hasta que el pueblo sueco desarrolló con éxito el avión Saab-37 a finales de la década de 1960 que estas deficiencias se superaron hasta cierto punto. Como avión de categoría 2 con número M, el Saab-37 ha acortado la distancia de despegue y aterrizaje en más de N400 metros sin tomar medidas complicadas para aumentar la sustentación, cumpliendo con los requisitos para despegues y aterrizajes cortos. Este logro ha atraído una amplia atención de la comunidad internacional. El Saab-37 adopta un diseño de canard estrechamente acoplado, que utiliza la interferencia beneficiosa de los vórtices separados de las aletas delanteras y traseras para lograr una gran sustentación. (3) La generación, desarrollo, ruptura y deriva del vórtice de separación del perfil aerodinámico principal tienen un gran impacto en las características de sustentación y momento longitudinal y transversal de la aeronave, lo que hace que la curva del momento longitudinal sea extremadamente no lineal, lo que resulta en una mala calidad del control de la aeronave. . Para resolver este problema, los aviones con diseño canard convencional tienen que aumentar la estabilidad del avión para obtener una curva de momento longitudinal recta.
De esta manera, la resistencia al trimado del avión aumenta y la capacidad de trimado del alerón delantero disminuye, lo que da como resultado que la maniobrabilidad del avión y el rendimiento de despegue y aterrizaje empeoren.
Una solución es utilizar sistemas fly-by-wire para relajar la estabilidad estática.
Utilice el vórtice de separación para obtener una gran elevación.
A través de experimentos, se descubrió que para un ala delgada con un gran ángulo de barrido de más de 45 grados, cuando el ángulo de ataque es muy pequeño, el flujo de aire se separa del borde de ataque y rueda formando un desprendimiento. vórtice. La presión central del vórtice de este vórtice separado es muy baja, lo que aumenta la sustentación del perfil aerodinámico debido a la diferencia de presión entre los lados superior e inferior. Sabemos que la sustentación total de un ala delta es igual a la suma de la sustentación potencial y la sustentación del vórtice.
La elevación del flujo potencial es la elevación calculada según la teoría del flujo potencial. En la Figura 2, la línea de puntos representa la elevación total, la línea de puntos representa la elevación potencial (los círculos son puntos experimentales) y la diferencia entre las dos líneas es la elevación teórica del vórtice. Se puede ver que la pendiente de la línea de sustentación y el coeficiente de sustentación máximo del ala delta aumentan considerablemente debido a la sustentación del vórtice. Si el canard y el ala principal con un gran ángulo de barrido están estrechamente acoplados, se producirá una interferencia favorable, la eficiencia del vórtice de escape será mayor y la sustentación del vórtice será mayor. Cuando el canard se coloca delante del ala principal, el vórtice separado del ala delantera ingresa al área de baja presión en la superficie superior del ala principal, lo que es beneficioso para la estabilidad del centro del vórtice y retrasa la ruptura del vórtice y aumenta el ángulo de ataque de pérdida del alerón delantero.
Además, el vórtice separado en el alerón delantero no solo induce una elevación de vórtice en el alerón delantero, sino que también induce una elevación de vórtice en el ala principal cuando barre la superficie superior del ala principal. La existencia del vórtice del ala delantera también ayuda a controlar el vórtice del borde de ataque formado en el ala principal y retrasa la pérdida del ala principal. Debido a que el ala principal es arrastrada hacia abajo por el alerón delantero (sección interior del ala) por un lado, y hacia arriba por el alerón delantero (sección exterior del ala) por el otro, el volumen total de lavado hacia abajo se reduce. Debido a estas interferencias favorables, los aviones canard con acoplamiento cercano tienen ángulos de ataque de sustentación y pérdida más altos en ángulos de ataque grandes (hasta más de 30 grados, mientras que el ángulo de ataque de pérdida de los aviones de ala de cola ordinarios es solo de más de diez grados). ). Esto es de gran importancia para ampliar el rango de vuelo maniobrable del avión y mejorar el rendimiento de despegue y aterrizaje de aviones de alta velocidad.
En la interferencia entre el alerón delantero y el alerón trasero, a excepción de la caída del alerón delantero sobre el ala principal, otras interferencias son beneficiosas, lo que hace que la sustentación del avión canard monobloque sea mucho mayor. que el de la misma área del ala de un avión canard ordinario. En estado de despegue, el coeficiente de sustentación de un avión canard estrechamente acoplado puede alcanzar el doble que el de un avión de ala delta sin cola.
Por supuesto, debido a la gran cantidad de interferencia descendente, la interferencia favorable no es suficiente para compensar la interferencia desfavorable en ángulos de ataque pequeños. Aun así, en ángulos de ataque pequeños, la relación máxima de sustentación y resistencia de un avión canard acoplado es comparable a la de un avión de cola trasera del mismo nivel. A medida que aumenta el ángulo de ataque, la interferencia favorable gradualmente supera a la interferencia desfavorable. Cuando el ángulo de ataque alcanza aproximadamente 16 grados, la interferencia favorable del avión canard estrechamente acoplado excede la interferencia desfavorable, y el coeficiente de sustentación de todo el avión es mayor que la suma de los coeficientes de sustentación de un solo ala delantera y un solo ala principal. ala, que está fuera del alcance de los aviones ordinarios de ala de cola. Porque para aviones con ala de cola. También existe el problema de la caída del ala principal sobre el ala de cola. Esta interferencia adversa aumenta con el aumento del ángulo de ataque. Incluso si la cola produce sustentación positiva, su coeficiente de sustentación total es siempre menor que la suma de los coeficientes de sustentación de las dos alas independientes.
Gran ángulo de raspado
El avión con diseño canard también tiene otra ventaja: dado que el ala principal está en la parte trasera y la cola del fuselaje es corta, el ángulo de fricción con el suelo (el ángulo en el que la cola toca el suelo, determinado por el ángulo entre la línea de conexión entre la rueda principal y la boquilla de cola y la línea horizontal en el suelo), se puede diseñar para que sea relativamente grande, lo que favorece el despegue del avión. y aterrizar en un ángulo de ataque más alto (14 grados a 18 grados). Sin embargo, el fuselaje trasero de los aviones normales con ala de cola es más largo y el ángulo de fricción con el suelo suele ser de sólo 8 o 9 grados.
El avión canard monobloque también tiene desventajas: el problema del difícil equilibrio no se ha resuelto fundamentalmente, lo que limita en gran medida su rango de aplicación y rendimiento. Para superar esta contradicción, los departamentos de diseño de aeronaves nacionales y extranjeros han adoptado una serie de tecnologías. Por ejemplo, se utiliza soplado de aire en sentido transversal o en sentido de cuerda para mejorar la capacidad de ajuste del alerón delantero; o se pueden utilizar sistemas de control de vuelo por cable y tecnología activa para relajar el margen estático del avión, liberando al alerón delantero del peso. carga y uso La acción coordinada de los perfiles móviles del ala delantera y del ala principal logra una elevación directa y un control directo de la fuerza lateral. Los aviones de combate de nueva generación con diseño aerodinámico canard como Rafale, Typhoon y JAS 39 están equipados con sistemas de control fly-by-wire que pueden lograr un control activo. Por lo tanto, son un paso adelante que el Saab-37 y su rendimiento aerodinámico. Ha mejorado mucho.
En los años 90 aparecieron nuevos tipos de canards, que todavía tienen un gran potencial aerodinámico.
Es previsible que con la aplicación de nuevas tecnologías como boquillas binarias, materiales compuestos, barrido hacia adelante, sustentación dinámica y control activo, el rendimiento de los aviones canard mejorará enormemente.