Зачем самолетам крылья с обратной стреловидностью?
Для того чтобы ответить на вопрос, зачем нужна обратная стреловидность крыла, необходимо пояснить, для чего вообще используется стреловидность. Дело в том, что при движении на скоростях полета свыше 450 км/ч к обычному сопротивлению воздуха, которое пропорционально квадрату скорости, начинает добавляться и волновое сопротивление. Не вдаваясь в дебри газовой динамики, поясним, что волновое сопротивление — результат затрат энергии на образование ударных волн при сверхзвуковом течении газа. Возникает вопрос, почему волновое сопротивление появляется уже при 750 км/ч, тогда как скорость звука в воздухе у земли — около 1220 км/ч? Все просто — и на скоростях полета много меньше скорости звука некоторые потоки воздуха могут обтекать планер со сверхзвуковыми скоростями.
Волновое сопротивление резко увеличивается при приближении скорости самолета к скорости звука, в несколько раз превышая сопротивление, связанное с трением и образованием вихрей. Своего максимума коэффициент волнового сопротивления достигает при небольших сверхзвуковых скоростях (так называемый волновой кризис), после чего постепенно уменьшается. Помимо скорости, волновое сопротивление напрямую зависит от формы тела. Так вот, стреловидное крыло заметно уменьшает именно волновое сопротивление.
Но стреловидное крыло имеет один существенный недостаток. При сравнительно небольших углах атаки на концах стреловидного крыла возникает срыв потока (концевой эффект стреловидного крыла), что ведет к уменьшению продольной устойчивости. Дальнейшее увеличение угла атаки при маневрировании ведет к распространению срыва потока по всему крылу, потери управляемости и сваливании самолета в штопор. Проблему решали по-разному — включая установку на крыльях специальных гребней, препятствующих распространению срыва по крылу.
Крыло с обратной стреловидностью частично лишено этого недостатка. Во-первых, в крыле обратной стреловидности нет концевых срывов, и, следовательно, его подъемная сила выше. Во-вторых, срыв потока на больших углах атаки у такого крыла возникает сначала в его корневой части, не нарушая работу элеронов, оставляя самолет управляемым. Но не все так просто. При создании крыла обратной стреловидности возникли сложные проблемы, связанные в первую очередь с упругой положительной дивергенцией (а попросту — со скручиванием и последующим разрушением крыла). Продуваемые в сверхзвуковых трубах крылья из алюминиевых и даже стальных сплавов разрушались. Попытки увеличения жесткости крыла, имеющего традиционную металлическую конструкцию, приводили к недопустимому возрастанию массы.
Лишь в 1980-х годах появились композитные материалы, позволяющие бороться со скручиванием с помощью специально ориентированной намотки углепластиковых волокон. Такая технология была применена на двух экспериментальных самолетах X-29, созданных американской компанией Grumman Aircraft Corporation и проходивших испытания с 1984-го по 1992 год на базе «Эдвардс» в Калифорнии.
Испытания показали, что крыло обратной стреловидности обеспечивает: некоторое повышение аэродинамического качества при маневрировании, особенно на малых скоростях; большую, по сравнению с крылом прямой стреловидности, подъемную силу, а следовательно, и большую относительную грузоподъемность; лучшую управляемость на малых дозвуковых скоростях (и, как следствие, улучшение взлетно-посадочных характеристик); меньшую скорость сваливания в штопор. По оценкам американских специалистов, замена на самолете типа F16 обычного крыла на крыло обратной стреловидности должна была привести к увеличению угловой скорости разворота на 14%, а боевого радиуса действия — на 34%. При этом взлетно-посадочная дистанция сокращалась на 35%. (Российские специалисты считают эти цифры чрезмерно оптимистичными.) Однако дальше экспериментов дело не пошло. Мало того, компания Grumman проиграла все конкурсы на перспективный истребитель для ВВС США.
Большим энтузиастом крыла обратной стреловидности был генеральный конструктор ОКБ Сухого Михаил Симонов. Провал Grumman в тендерах не остановил конструктора — уж больно большие преимущества сулило новое крыло в случае удачи. Тем более, стал известен основной недостаток X-29 — неприемлемая аэродинамическая тряска. Возникала она при встрече двух набегающих вихревых потоков: одного — с носка крыла, другого — с околофюзеляжных наплывов. Победить тряску рассчитывали при помощи отработанной на серийных Су-27 и МиГ-29 технологии отклоняемого носка передней кромки крыла, которая была на экспериментальном истребителе ОКБ Сухого С-37, более известного как «Беркут», но не было на X-29. Начавшиеся в 1997 году летные испытания С-37, продолжавшиеся несколько лет, показали, что справиться с тряской, к сожалению, ОКБ Сухого не удалось. Как стало известно «Популярной механике», перспективный российский истребитель пятого поколения в ОКБ рисуют по традиционной схеме.