Skraidantis sparnas

Skraidantis sparnas – fiksuoto sparno lėktuvo konstrukcija be apibrėžto fiuzeliažo, horizontalių stabilizatorių, o įgula, krovinys, kuras ir įranga yra sparno-planerio viduje.

Savybės 
Pasižymi mažiausiu teoriniu aerodinaminiu pasipriešinimu ir efektyvumu – lengvumu ir mažesnėmis energijos sąnaudomis. Dėl storesnio sparno ir didėjant greičiui eksponentškai augančio oro pasipriešinimo, konstrukcija naudojama ikigarsiniams (iki 1225 km/h) lėktuvams.

Tokiuose lėktuvuose nėra įprastų stabilizuojančių ir valdymo plokštumų, tad nestabilesni ir sunkiau valdomi. Šie iššūkiai sunkiai suderinami, pastangos tai padaryti gali sumažinti arba net nusverti konstrukcijos pranašumus (t. y. mažesnį svorį ir pasipriešinimą). Komercinėje aviacijoje to net nesiekiama.

Kategorijai priskiriamos ir pvz. mišraus korpuso lėktuvai bei lėktuvai nešančiu fiuzeliažu, neturintys aiškiai apibrėžtų sparnų. Tokių lėktuvų konstrukcijoje gali būti įvairių nedidelių iškilimų ir angų – gondolų, angų, buomų. Kartais taip įvardijami ir lėktuvai su už sparno iškilusiais vertikaliais stabilizatoriais.

Sunkumų kyla ir dėl piloto, variklių, skrydžio įrangos ir naudingojo krovinio įrengimo gabenimo sparno viduje. Kitos problemos susijusios su posvyrio, polinkio ir pokrypio valdymu.

Ištakos 
XX a. trečiame dešimtmetyje pradėtos tyrinėti tokios konstrukcijos.

Antrojo pasaulinio karo metu vokiečiai ir sąjungininkai padarė nemažą pažangą. XX a. šeštajame dešimtmetyje, sukūrus viršgarsinius lėktuvus, kariškių susidomėjimas šiomis konstrukcijomis sumažėjo. O devintajame dešimtmetyje atgijo dėl konstrukcijos mažesnio atspindžio radaruose.

Remiantis konstrukcijos potencialu, JAV sukurtas radarams menkiau matomas bombonešis Northrop Grumman B-2 Spirit. „Boeing“, „McDonnell Douglas“ ir „Armstrong Whitworth“ vykdė civilinius šių konstrukcijų galimybių tyrimus, sukūrė lėktuvų projektus, bet 2023 m. jie neperžengė koncepcijų stadijos.

Konstrukcija

Inžineriniai sprendimai 
Tokią aerodinaminę schemą naudojantys lėktuvai turi būti pakankamai stori, kad jame tilptų pilotai, varikliai, kuras, važiuoklė ir kita įranga, kroviniai. Konstrukcija, lyginant su įprastu sparnu, pasižymi didesniu priekiniu skerspjūviu ir ilgu plonu fiuzeliažu. Tai lems didesnį oro pasipriešinimą ir mažesnį efektyvumą nei įprastos konstrukcijos. Problema sprendžiama ploninant sparną ir įrangą slepiant po aerodinaminiais gaubtais.

Didėjant greičiui auga aerodinaminis pasipriešinimas, todėl neįmanoma sukurti viršgarsinio „skraidančio sparno“.

Krypties stabilumas 
Konstrukcijoje nėra vertikalaus stabilizatoriaus, kituose lėktuvuose užtikrinančio skrydžio krypties stabilumą.

Dėl trumpesnio fiuzeliažo sparno galas pasižymi labai mažu jėgos momentu. Todėl jame montuojamas vertikalus stabilizatorius,, kad būtų efektyvus, turėtų būti labai didelis, kas sąlygotų didelį aerodinaminį pasipriešinimą. Šią problemą galima spręsti didinant sparno strėliškumą ir sparnų galuose įrengiant vertikalius stabilizatorius. Atsižvelgiant į menkėjantį efektyvumą, daugelis skraidančių sparnų pasižymi mažesniu strėliškumu ir ribotu krypties stabilumu.

Pokrypio valdymas 
Kai kuriose skraidančių sparnų konstrukcijose, vertikalūs stabilizatoriai/vairai būtų per toli į priekį, kad turėtų didelį poveikį. Todėl naudojamos kitos pokrypio priemonės.

Vienas tokių sprendimų yra pasipriešinimo diferencijavimas: dirbtinai padidinant pasipriešinimą šalia vieno sparno galo orlaivis pasisuka to sparno kryptimi. Įprasti „skraidančio sparno" diferencialinio pokrypio valdymo metodai:

 Padalinti eleronai. Viršutinis elerono paviršius juda aukštyn, o apatinis – žemyn. Taip, naudojant tik vienos pusės eleronus sukuriamas diferencialinio oro stabdžio efektas, atsiranda pokrypio momentas.
 Spoileriai. Pakeliant viršutiniame sparno apvalkale esantį spoilerį sutrikdomas oro srautas ir padidėja pasipriešinimas. Šį poveikį paprastai lydi keliamosios galios sumažėjimas, kurį turi kompensuoti pilotas arba automatika.
 Spoileronai. Viršutinio paviršiaus spoileris, kuris taip pat sumažina keliamąją galią (atitinka elerono nukreipimą į viršų), todėl orlaivis pasvirsta posūkio kryptimi – posūkio kampas priverčia sparno keliamają galią veikti posūkio kryptimi, sumažindamas pasipriešinimo kiekis, reikalingas orlaivio išilginei ašiai pasukti.

Naudodamas diferencialinio pasipriešinimo metodą dažnai manevruodamas orlaivis sukurs pasipriešinimą ir praras daug energijos. Todėl „skraidantys sparnai" efektyviausi veikia ramiu oru. Audringame ore ar manevruojant, toks orlaivis bus mažiau efektyvus nei kiti lėktuvai.

Susijusios konstrukcijos 
„Skraidančio sparno" sąvoka kartais apibūdinamos ir konstrukcijos, kurios pilnai neatitinka jos apibrėžimo. Pavyzdžiu amerikietiškas Northrop Flying Wing (NX-216H), vokiškas DFS-39 ar prancūziškas Fauvel AV.60 turėjo vertikalius stabilizatorius.

Yra nemažai beuodegių lėktuvų konstrukcijų, kurios vadinami „skraidančiais sparnais", bet neatitinka klasikinio konstrukcijos apibrėžimo, dėl po sparnu, o ne jo viduje sumontuotų piloto kabinos irba variklių.

Istorija 

XIX a. pabaigoje skelbti teoriniai skaičiavimai. XX a. antrojo dešimtmečio pradžioje pradėti pirmieji eksperimentai su beuodegiais orlaiviais.

1910 m. britų aviatorius Džeimsas Diunas () išbandė pirmą tokį lėktuvą. Kitas britas, Džofris Hilas () trečiame ir ketvirtame dešimtmetyje sukūrė eksperimentinių beuodegių orlaivių konstrukcijų seriją, bendrai žinomų kaip Westland-Hill Pterodactyl. Nepaisant bandymų gauti Didžiosios Britanijos Aviacijos ministerijos užsakymų, Pterodactyl programa atšaukta ketvirtojo dešimtmečio viduryje, nesulaukus užsakymo gaminti modelį Mk. VI.

1910 m. Hugo Junkersas Vokietijoje užpatentavo savo konstrukcijos „skraidančio sparno“ koncepciją. Pirminiu projektu jis siekė sukurti didelį lėktuvą, pajėgų gabenti keleivius, krovinį ir Atlanto vandenynui perskristi pakankamai degalų. Potencialiai didelis „skraidančio sparno“ vidinis tūris ir mažas pasipriešinimas siūlė akivazidų šios problemos sprendimą. Tolimesnį konstrukcijos tobulinimą sustabdė karas, jos elementai buvo panaudoti kuriant karinius lėktuvus, tokius kaip 1915 m. gruodžį išbandytas monoplanas „Junkers J 1“. 1919 m. jis pradėjo kurti keleivius sparne turėjusi vežti „JG1 Gigant“, tačiau po dvejų metų Sąjungininkų aeronautikos kontrolės komisija įsakė sunaikinti nebaigtą „JG1", kaip viršijantį apribojimus, nustatytus vokiečių orlaiviams. Junkersas projektavo futuristinius „skraidančius sparnus", galinčius pervežti <1000 keleivių. 1931 m. sukurtame 34 vietų „Junkers G.38" Grossflugzeug priartėjo arčiausiai praktinės realizacijos. Storos lėktuvo chordos sparne buvo įrengtos vietos degalams, varikliams ir du keleivių salonai.

1924 m. beuodegius sklandytuvus pradėjo bandyti SSRS inžinierius Borisas Čeranovskis. Trečiame dešimtmetyje SSRS Čeranovskio, Antonovo, Čiževskio pastangomis sukurta keletas tolimesnio vystymo nesulaukusių beuodegių orlaivių – BICh-3, BICh-14, BICh-7A, BOK-5, OKA-33. Šie orlaiviai buvo vadinami „motorizuotais sklandytuvais“ dėl savo panašumo į populiarius to meto sklandytuvus. 1932 m. Čeranovskio sukurtas BICh-11 1933 m. devintosiose sklandytojų varžybose varžėsi su brolių Hortenų surkurtu H1 ir Adolfu Gallandu, tačiau 1936 m. vasaros olimpinėse žaidynėse Berlyne jis nepasirodė.

Vokietijoje Alexanderis Lippischas sukūrė keletą beuodegių sklandytuvų. Perėjo prie lėktuvų projektavimo, propeleriu varomų (DFS 39), reaktyvinių (Me 163 Komet) lėktuvų, tiek pagal delta sparno, tiek pagal skraidančio sparno schemas. XX a. ketvirtajame dešimtmetyje broliai Hortenai sukūrė sklandytuvų seriją. Pirmasis jų sklandytuvas H1 sėkmingu laikytinas tik iš dalies, o vėlesnis modelis – H2 sėkmingai skraidė tiek kaip sklandutuvas, tiek, sumontavus variklį – ir kaip lėktuvas.

Skraidančio sparno tipo orlaivius JAV pradėjo kurti Džekas Nortropas. 1940 m. sukurtas tolimo nuotolio bombonešio prototipas Northrop N-1M. 1941 m. JAV kariuomenė Nortropui užsakė pagaminti 2 skraidančio sparno tipo keturmotorius bombonešius (indeksas YB-35) su tada ilgais 172 pėdų mojo sparnais. Lėktuvo kūrimas/surinkimas tęsėsi viso Antrojo Pasaulinio karo metu.

XX a. trečiajame dešimtmetyje tokio tipo lėktuvus kūrė  (1933 m. sklandytuvas AV3). 1937 m. JAV inžinierius Čarlzas Frilas () sukūrė skrandančio sparno tipo sklandytuvą su savaime stabilizuojančiu aerodinaminiu profiliu, pavadintą „Freel Flying Wing“.

Antrasis Pasaulinis karas 

Per Antrojo pasaulinį karą, pusės siekdamos oro pranašumo rėmė ir įv. „skraidančio sparno" tipo orlaivių kūrimą. Nacistinėje Vokietijoje tokios konfigūracijos šalininkai broliai Valteris ir Reimaras Hortenai sukūrė paukščio kūno formos „varpo formos keliamosios galios paskirstymu“ paremtą planerį. Ši serija apėmė tiek nedidele serija 1941–1943 m. gamintą sklandytuvą Horten H.IV, tiek ir reaktyviniais varikliais varomus bombonešius.

1944 m. reaktyvinio naikintuvo Horten Ho 229 prototipas pakilo pirmam skrydžiui. Konstrukcija apjungė skraidantį sparną () su pora Junkers Jumo 004 reaktyvinių variklių. Tai buvo pirmasis pasaulyje grynai skraidantis sparnas, varomas dviem reaktyviniais varikliais. Bandant užsidęgus varikliui žuvo pilotas bandytojas Ervinas Cileris (). Karo pabaigoje modelis patvirtintas serijinei gamybai kaip Gotha Go 229, rengtasi pradėti daugiafunkcinio naikintuvo Go P.60 gamybą. Serijinę gamybą nutraukė karo pabaiga. Neskraidantį, beveik užbaigtą išlikusį „V3“ arba trečiąjį prototipą užgrobė JAV kariuomenė. Ištyrus perduotas Smitsono institutui.

Per karą Sąjungininkai irgi sukūrė keletą šio pavidalo lėktuvų. 1942 m. gruodį Northrop išbandė N-9M – 1/3 mastelio tolimojo nuotolio bombonešio prototipą. Programa nutraukta karo pabaigoje. Didžiojoje Britanijoje sukurtas sklandytuvas Baynes Bat buvo 1/3 mastelio eksperimentinis orlaivis, kuriuo bandyta „skraidančio tanko“ koncepciją.

1944 m. britai išbandė Armstrong Whitworth AW52G – „skraidančio sparno“ tipo tolimųjų nuotolių keleivinio lėktuvo prototipą, kurio pagrindu 1947 m. buvo pagamintas reaktyvinis lėktuvas, galintis pasiekti didelius greičius. Bandymų rezultatai pasirodė mažesni nei tikėtasi, pirmas prototipas sudužo 1949 m. gegužės 30 d. (avarijos metu britų pilotas pirmą kartą panaudojo katapultavimosi sėdynę), antrasis AW52 skraidė su iki 1954 m.

Pokaris 

Pokariu skraidančio sparno koncepcija daugiausiai vystyta JAV. 1941 m. pradėtas kurti tolimasis bombonešis YB-35 1946 m. pakilo su proplereiniais varikliais, o 1947 m. su reaktyviniais (kaip YB-49). Pradžioje ši konstrukcija nesiūlė pranašumo prieš lėtesnius stūmokliniais varikliais varomus bombonešiais. To priežastis buvo didelės ankstyvųjų turboreaktyvinių variklių degalų sąnaudos.

Sovietų Sąjungoje vienu pirmųjų bandymų pagaminti viršgarsinį reaktyvinį lėktuvą pagal „skraidančio sparno“ 1948 m. tapo B. Čeranovskio konstrukcijos BICh-26. Nors aviacijos autoriaus Bilo Gunstono (angl. Bill Gunston) teigimu BICh-26 aplenkė savo laiką, sovietų kariškiai lėktuvo nepriėmė ir tolimesni konstrukcijos tobulinimai nutrūko sulig Čeranovskio mirtimi.

Skraidančio sparno konstrukcijos kurtos ir Turkijoje. 1948 m. „Turkijos lėktuvų fabrike“ sukurtas beuodegis sklandytuvas THK-13.

Pokariu į Argentiną persikėlę broliai Hortenai pratęsė darbą. Argentinoje sukūrė keletą „skraidančio sparno“ tipo orlaivių - pramoginį FMA I.Ae. 34 Clen Antú, naikintuvą FMA I.Ae. 37 Ala Delta, transportinį FMA I.Ae. 38 Naranjero, taip pat FMA I.Ae. 41 Urubú.

Didžiojoje Britanijoje Rojus Čedvikas () branduoliniam ginklui skraidinti skirto strateginio bombonešio Avro Vulcan pirminiai variantai kurti naudojant skraidančio sparno principą. Bet galutinis dizainas buvo delta formos sparno ir pasižymėjo aiškiu fiuzeliažu.

Skraidančio sparno tipo lėktuvų, skirtus krovinių ar keleivių pervežimui, koncepcijas kūrė „Boeing“, „McDonnell Douglas“ ir „Armstrong Whitworth“, tačiau tokių lėktuvų dar nepastatyta.

Šeštajame dešimtmetyje pasirodžius viršgarsiniams orlaiviams, kariuomenės susidomėjimas skraidančiu sparnu greitai sumažėjo. Storas sparnas, kuriame telpa įgula ir įranga yra priešingas viršgarsiniam skrydžiui reikalingo plono sparno reiklavimams.

Devintajame dešimtmetyje susidomėjimas skraidančiais sparnais atsinaujino dėl jų mažo radaro atspindžio skerspjūvio. „Stealth“ technologija pagrįsti aerodinaminiai paviršiai atspindi radaro bangas tik tam tikromis kryptimis, todėl orlaivį sunku aptikti. Šis požiūris sąlygojo „skraidančio sparno“ tipo bombonešio Northrop Grumman B-2 Spirit sukūrimą. Tuo metu elektronikos išsivystymo lygis sudarė galimybę kompensuoti konstrukcijai būdingą aerodinaminį nestabilumą kompiuteriu valdomomis „fly-by-wire“ sistemomis.

2011 m. buvo pristatyta nauja „skraidančio sparno“ evoliucijos kryptis – dvikryptis skraidantis sparnas. Tai – kintamos geometrijos aerodinaminė koncepcija, kurią sudaro dideio proilgio ikigarsinis sparnas ir mažo proilgio viršgarsinis sparnas, sujungti nelygios formos kryžiaus forma. Ikigarsinis sparnas – storas ir ilgas, galintis išlaikyti naudingąją apkrovą. Viršgarsinis sparnas – plonas, siauras, kintančios geometrijos. Šios konstrukcijos lėktuvas kiltų ir leistųsi mažiems greičiams skirtais sparnais, pakilęs pasisuktų ketvirtį apsisukimo ir toliau skristų naudodamas dideliems greičiams skirtus sparnus. Pasiūlymas sulaukė NASA finansavo tolimesniems tyrimams. Teigiama, kad ši koncepcija pasižymi mažu oro pasipriešinimu, dideliu ikigarsiniu efektyvumu ir mažesne sukuriama smūgine banga.

Po Šaltojo karo pabaigos „skraidančio sparno“ koncepcija pradėta plačiau taikyti nepilotuojamų orlaivių statyboje. 

Pagal šią koncepciją XX a. dešimtame ir XXI a. dešimtmečiuose sukurti žvalgybiniai lėktuvai Lockheed Martin RQ-170 Sentinel  ir Northrop Grumman Tern. XXI a. antrame dešimtmetyje pradėti kurti koviniai „skraidančio sparno“ formos bepiločiai Dassault nEUROn (Prancūzija), Sukhoi S-70 Okhotnik-B (Rusija), BAE Systems Taranis (Jungtinė Karalystė), Xian H-20, WZ-8 ir Hongdu GJ-11 (Kinija). Kai kurie kariniai šio tipo orlaiviai rado ir civilinį pritaikymą: pavyzdžiui karinis „RQ-170 Sentinel" nuėmus ginkluotę tampa civiliniu „Sensefly eBee".

Lygiagrečiai kuriami mažomis energijos sąnaudojimis pasižymintys ir ore ilgai galintys išbūti civilinės paskirties „skraidančio sparno“ tipo bepiločiai, tokie kaip Facebook Aquila, taip pat įvairūs atmosferiniai palydovai, pavyzdžiui saulės energija varomi PathfinderI, Pathfinder Plus, Helios.

XXI a. antrame dešimtmetyje NASA pradėjo finansuoti „sulieto sparno ir fiuzeliažo“ (angl. Blended wing body) tipo lėktuvų kūrimo tyrimus. Šią koncepciją, artimą „skraidančio sparno“ principams (skirtumas - išorinėse gondolose montuojami varikliai ir sparnų galiukuose esantys vertikalūs stabilizatoriai), numatoma pritaikyti didelės apimties keleivių (apie 1000 žmonių talpos orlaiviai) ir krovinių, įskaitant skraidančio tankerio funkciją, pervežimui. 

Antrojo dešimtmečio pabaigoje Jungtinėse Amerikos Valstijose buvo pradėti NASA užsakymu pagal koncepciją N3-X "Boeing" korporacijos sukurto „sulieto sparno ir fiuzeliažo“ prototipo X48B BWB bandymai. 2020 m. pradžioje savo BWB koncepciją pristatė Airbus, 2022 - Bombardier (EcoJet).

Bibliografija 
 (EN) Gunston, Bill (1996). „Beyond the Frontiers: Northrop’s Flying Wings“. Wings of Fame. London: Aerospace Publishing (Volume 2): 24–37. ISBN 1-874023-69-7. ISSN 1361–2034.
 (EN) Mettam, H.A. (26 March 1970), „The Pterodactyl Story“, Flight International, 97 (3185): 514–518.
 (EN) Moir, Ian; Seabridge, Allan G. (2008), Aircraft Systems: Mechanical, Electrical and Avionics Subsystems Integration, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, ISBN 978-0-4700-5996-8.
 (EN) O’Leary, Michael (June 2007). „The Shape of Wings to Come“. Aeroplane. Vol. 35, no. 6, Issue 410. pp. 65–68.
 (EN) The Illustrated Encyclopedia of Aircraft (Part Work 1982–1985). Orbis Publishing.
 (EN) Pelletier, Alain J. „Towards the Ideal Aircraft? The Life and Times of the Flying Wing Part One: Beginnings to 1945“. Air Enthusiast (64, July–August 1994): 2–17. ISSN 0143-5450.
 (EN) Sturtivant, R. (1990). British Research and Development Aircraft. G.T. Foulis. p. 45. ISBN 0854296972.
 (EN) Sweetman, Bill (2005), Lockheed Stealth, North Branch, Minnesota: Zenith Imprint, ISBN 978-0-7603-1940-6.
 (EN) Tapper, O. (1973). Armstrong-Whitworth Aircraft since 1913. London: Putnam. pp. 287–96.

Išnašos 

 
Orlaivių konstrukcija