Еволюция на фюзелажа

Непрекъснатото увеличаване на специфичното натоварване на крилото, както и намаляване на относителната дебелина на профила (т.е. намаляване на размерите и особено на вътрешните обеми на крилото) водят до факта, че в съвременните бойни самолети, оборудване, оръжия, част от резервоарите за гориво (и често задвижващата система), бойно натоварване и др., да не говорим за пилотската кабина, са поставени във фюзелажа. Освен това фюзелажът интегрира отделните части на планера - крилото, оградата и колесника - в едно цяло. Тези обстоятелства водят до увеличаване на размера на фюзелажа и следователно до влошаване на аеродинамичните характеристики на целия самолет, главно в резултат на увеличаване на коефициента на съпротивление. Някои размери на фюзелажа, особено неговата дължина, се определят не само от необходимото полезно пространство, но и от минимално допустимото от гледна точка на стабилност и управляемост, разстоянието от опора (предимно хоризонтално) до центъра на тежестта на самолета.

През първите 10-15 години от разработването и експлоатацията на свръхзвуков самолет се смяташе, че аеродинамично най-съвършената форма на фюзелажа е формата на тяло на въртене с удължение в зависимост от скоростта на полета. Поради пространствения характер на потока около фюзелажа, кризата на вълната възниква върху него по-късно, отколкото върху профила на крилото със същата относителна дебелина. С оглед на това, първият свръхзвуков самолет със скорост на полет около 1400 км/ч е имал вретеновидни фюзелажи, т.е. с контура на конвенционален дозвуков симетричен профил: носът е заоблен по малък радиус, средната част е разположена на 40-50% от дължината от предната точка, а удължението на фюзелажа е 6-8. С увеличаване на свръхзвуковата скорост на полета, съпротивлението на вълната на такъв фюзелаж се увеличава значително, поради което се оказа необходимо да се използват фюзелажи със заострен нос и малка относителна дебелина, т.е. с удължение до 10 и дори повече до 15 (особено при тежките самолети). В случай на едномоторен самолет с фронтален въздухозаборник и дюза в „пресечената“ секция на опашката, дължината на фюзелажа (и съответно повърхността, обтечена от външния поток) значително намалява, в резултат на което аеродинамичното съпротивление също намалява. По този начин, в специфични случаи, отклоненията от теоретичните форми, за да отговорят на изискванията по отношение на разположението, технологията, теглото, здравината на конструкцията и т.н., практически не могат да влошат летателните характеристики на въздухоплавателното средство.

Тъй като използваните задвижващи системи имат ограничена тяга за дадени размери и тегло, специално внимание се обръща на дизайна на профилирането на големи изпъкнали елементи на фюзелажа (надстройки), като пилотската кабина, въздухозаборниците и радарните устройства. Тези надстройки, ако нямат аеродинамично правилни форми, не само увеличават съпротивлението (намалява M cr), но и намаляват стабилността в някои режими на полет и могат да причинят вибрации. За да се избегне това, надстройките се вписват, доколкото е възможно, в цялостната форма на фюзелажа, а изпъкналите елементи имат големи ъгли на наклон на челните повърхности и гладки очертания, които се превръщат в очертанията на фюзелажа. Много внимание се отделя и на аеродинамичния дизайн на свързващите елементи на фюзелажа с други части на планера, особено с крилото. Аеродинамичната интерференция между крилото и фюзелажа, с тяхната ирационална артикулация, предизвиква допълнително увеличаване на съпротивлението, намалява M cr и в някои случаи води до загуба на стабилност (особено при големи ъгли на атака) или до появата на вибрации на опашката (буфериране). При ниски скорости на полета смущението причинява преждевременно отделяне на въздушния поток поради появата на дифузен ефект между стената на фюзелажа и горната повърхност на крилото. От тази гледна точка най-лошото от всичко е ниско изсеченото разположение (построени са 21 самолета с такова разположение), особено с кръгъл фюзелаж и прави крила. Следователно в зоната на връзката между крилото и фюзелажа често се предвиждат специални обтекатели (обтекатели), предназначени да подравнят потока. Средното крило (42 самолета) и особено високото крило (25 самолета) е много по-добро в това отношение, тъй като стабилността на високото крило е по-висока, въпреки че отстъпва на средното крило по отношение на съпротивлението. При високи дозвукови скорости на полета явлението на смущения зависи от припокриването на полетата на скоростта около крилото и фюзелажа. В неблагоприятен случай това може да доведе до преждевременното достигане на въздушния поток до локални скорости на звука с всички произтичащи от това аеродинамични последици, причинени от въздушната свиваемост.

Фюзелажната връзка със стреловидно или делта крило също може да създаде значително съпротивление на вълната. За да се намали, тези връзки са направени така, че местните зони с ниско и високо налягане да не се припокриват помежду си.

От тази гледна точка едно от най-важните постижения през първия период в развитието на свръхзвуковите самолети е установяването на т. Нар. Правило на областта, което е, че комбинацията от крило с фюзелаж има най-малко съпротивление, когато разпределението на напречните сечения, нормални на потока по дължината на самолета, има същия характер като този на телата на въртене с най-малко съпротивление. На практика това означава намаляване на участъка на фюзелажа в зоната на крилото с количество, равно на площта на съответния участък на крилото, нормална на потока. Ефективността на правилото за площ по отношение на намаляването на съпротивлението на вълната зависи, разбира се, освен фюзелажа и от други части на самолета, най-добри резултати се постигат с удължени фюзелажи и къси, тънки крила. Това важи особено за крила с ниско съотношение, потокът около които е пространствен и има тенденция към аксиална симетрия. В тази връзка при някои самолети, сякаш „по природа“, съответстващи на гореспоменатото правило, е възможно почти напълно да се пренебрегне характерното стесняване на фюзелажа (както например при британския самолет „Мълния“). Това е така, защото всеки от факторите, които намаляват съпротивлението на вълната (малка относителна дебелина на въздушния профил, голямо размах, ниско съотношение на аспектите на крилото), е определена стъпка към изпълнението на правилото за площта, т.е. самолет, направен в съответствие с аеродинамичните изисквания, се приближава по форма към геометрично тяло с ниско аеродинамично съпротивление.

Ниската ефективност на правилото за площ по отношение на въздухоплавателни средства с М = ›2 понякога служи като причина за отхвърлянето му, особено след като прилагането на това правило води до увеличаване на разходите за производство на летателния апарат на самолета, както и до намаляване на полезния обем на фюзелажа. В допълнение, много съвременни самолети имат такова съотношение тяга към тегло, че пробиването на звуковата бариера не представлява особена трудност за тях. От друга страна обаче необходимостта от адаптиране на самолети, особено многофункционални, към дългосрочни полети с трансонични скорости на ниска надморска височина доведе до факта, че повечето от тях са построени в съответствие с правилото за района, макар че външно това е не винаги забележими.

През последните 10-20 години се появиха свръхзвукови самолети, чийто фюзелаж се използва за създаване на лифт. Такъв фюзелаж не е тяло на въртене (конус-цилиндър-конус), а паралелепипед. Това означава замяна на кръговото или овалното напречно сечение на фюзелажа с напречно сечение, близко до правоъгълно, с една от големите страни на правоъгълника, образуваща долната част на фюзелажа, която играе ролята на допълнителна носеща повърхност. Профилът на самолета също е променен. Използваната преди това форма на дъното на фюзелажа с кривина, очертана почти с дъга със същия радиус, беше заменена от форма с кривина, описана от три дъги, създавайки изпъкналост на носа и опашката и вдлъбнатина на средната част . Фюзелажът с тази форма се нарича носител. Характерна особеност на този тип фюзелаж е и фактът, че фюзелажната част на корпуса на такъв самолет е много по-голяма. Носещите фюзелажи се използват от F-4, F-5, SR-71A, F-111A, E-266, Jaguar и други.

Друга, не по-малко характерна черта на свръхзвуковия самолет е използването на фюзелажи с изпъкнала значително напред носова част. Разбира се, такова разположение на големи маси по оста на самолета доведе до значително намаляване на съотношението на момента на инерцията около надлъжната ос към моментите на инерция по отношение на другите оси. Забележимото удължаване на самолета в сравнение с неговия обхват (дължината на фюзелажа, по отношение на размаха на крилата, е в диапазона от 1,6 за самолет F-102A до 2,6 за самолет X-3) не само влоши маневреността във вертикалата самолет, но също така затруднява страничния контрол поради твърде бързото увеличаване на ъгловата скорост, когато елероните са отклонени и управляемостта по хода поради появата на ефекти на обратното руле.