Більшість літаків спроектовані за нормальною аеродинамічною схемою, тому така схема і називається “нормальною”. Але є також інші літаки, у яких крило та хвостове оперення розташовані по-іншому, з точністю до навпаки. Конфігурація, де горизонтальне оперення знаходиться перед крилом літака, називається “качка”. І це досить часто використовується і зараз, коли літаки майже неможливо відрізнити один від одного.
Аеродинамічна схема “качка” відома давно, вже більше 100 років минуло з моменту першого польоту літака 14 Біс, створеного Альбертом Сантосом. Літак дійсно дуже схожий на качку, що піднялася в повітря в 1906 році, всього через 3 роки після польоту братів Райт, чий літак Флайер 1 також справедливо віднести до літаків з такою конфігурацією. Тобто ера авіації розпочиналася саме з “качка”, але далі найпопулярнішою схемою стала інша.
Більшість літаків початку 20-го століття були спроектовані за нормальною аеродинамічною схемою – крило спереді, а хвостове оперення ззаду. Звісно, було кілька експериментальних літаків під час Другої світової війни, але на серійне виробництво вони не пішли. Спробували створити такі літаки в США (XP-55), Німеччині (Фоке Вульф F 19), Японії (J7W1) та СРСР (Міг-8).
Перший серійний літак за аеродинамічною схемою “качка” побудували шведи, у 1967 році він здійснив свій перший польот. У Віггена було дельтоподібне крило, як і у його попередника Saab 35 Draken, але крім того з’явилося переднє горизонтальне оперення. Раніше такі реактивні винищувачі ніхто не проектував.
Аеродинамічну схему Віггена можна назвати і біпланом-тандем. Адже це дійсно два крила, лише не як у класичного біплана, одне над іншим, а коли одне крило розташоване за іншим. Вігген переводиться зі шведської як “розгін грому”. Літак вийшов дуже вдалим, на озброєння ВПС Швеції він надійшов в 1971 році, а знятий був тільки в 2005 році.
Реалізувати задумане у інженерів Saab вдалося завдяки тому, що вони впровадили автоматичну систему управління, яка допомагала льотчику керувати таким неординарним літаком. Достоїнства схеми “качка” Важливо відзначити, що в класичній схемі стабілізатор, розташований у хвості, створює від’ємну підйомну силу. Це зроблено тому, що крило літака створює пікіруючий момент, і щоб літак не клював носом, його хвостове оперення повинно створювати силу у протилежному напрямку, тобто вниз. Це називається втратами на балансування. З одного боку ми намагаємося створити як можна більшу підйомну силу, а з іншого, горизонтальний стабілізатор відбирає її частину. У аеродинамічній схемі “качка” немає втрат на балансування, стабілізатор спереду і також створює підйомну силу. Друге важливе перевага це стійкість до сваливання, такий літак практично неможливо ввести в штопор. Він спроектований так, що зрив потоку відбувається раніше на передньому стабілізаторі і ніс літака опускається сам. Французький істребитель Rafale з переднім горизонтальним оперенням
Звалювання, це втрата підйомної сили крила через зрив потоку. Відбувається це явище через збільшення кута атаки, тоді на крилі утворюються зони, в яких рух повітря сповільнюється настільки, що пограничний шар (шар повітря, що прилягає до крила) відокремлюється від нього і крило перестає нормально обдуватися повітрям. І так як це явище може бути нерівномірним, то літак може не тільки втратити підйомну силу на крилі, а й почати закручуватись – свалюватись в штопор. Завдяки конфігурації з переднім горизонтальним оперенням і трикутним крилом літак може безпечно виходити на великі кути атаки. Що для істребителя дуже добре, так як збільшує наміреність. Немає втрат на балансування Стійкість до сваливання Великі кути атаки, велика маневреність.
Недоліки схеми “качка”.
Основним недоліком такої конфігурації вважається погана продольна стійкість. Заднє розташування хвостового оперення стабілізує літак, а переднє, навпаки, створює “зайве” качання. Проте з тих пір як в системи управління польотом були впроваджені автоматичні системи, цей неприємний ефект бореться бортовий комп’ютер, а не пілот.
Другий недолік переднього горизонтального оперення полягає в тому, що воно може створювати пікіруючий момент (літак клює носом), але цей самий ефект вже може вважатися перевагою, оскільки не дозволяє ввести літак в штопор. З іншого боку, якщо зрив потоку на канардах не станеться, а станеться спочатку на крилі, літак вільно збільшить кут атаки і свалиться в штопор. Часто згадується, що переднє горизонтальне оперення погіршує стелс характеристики літака. Це дійсно можна було б вважати недоліком, але він нівелюється використанням радіопрозорих матеріалів.
Наприклад, у істребителя Rafale канарди в основному з вуглепластика і ніяк не збільшують ЕПР літака.
Ракета зі схеми “качка”.
Більшість ракет повітря-повітря ближнього бою та зенітних ракет виконані за схемою “качка”. Так забезпечується їх висока маневреність. Ракети середнього та дальнього радіусу дії, навпаки, частіше проектують за нормальною аеродинамічною схемою. Чому ж незважаючи на всі переваги, схему “качка” не використовують у цивільній авіації.
Чому всі пасажирські лайнери спроектовані за класичною аеродинамічною схемою?
Пасажирському літаку більшість таких переваг як великий кут атаки та маневреність просто не потрібні. Втрати на балансування не такі значущі, щоб збільшувати технічні ризики та проектувати літак інакше. Ліпше використовувати інші способи збільшення ефективності літака, менш ризиковані. Проте, існують кілька моделей цивільних літаків: Beech Starship Rutan Long-EZ та VariEze Piaggio P.180 Avanti Rutan Voyager Beech Starship – бізнес-джет Також варто згадати надзвукові лайнери минулого, Ту-144 та Конкорд. У Конкорда були зовсім маленькі аеродинамічні поверхні перед крилом, але у Ту-144 на зліті та посадці висувалися досить великі “вуха”.
Проте для великих пасажирських літаків переднє горизонтальне оперення практично не використовується. А от у інженерів бойової авіації схема “качка” використовується досить часто. Особливо полюбилися Конкорди в Європі та Китаї. наприклад сучасні європейські винищувачі: Eurofighter Typhoon Dassault Rafale Saab Gripen У всіх трьох є переднє горизонтальне оперення. І фактично це всі 100% європейських винищувачів.
Багато китайських винищувачів теж побудовані за такою ж схемою: Chengdu J-9 Chengdu J-10 Chengdu J-20 Аеродинамічна схема “качка” пройшла велику еволюцію від перших у світі літаків до сучасних звинувачувачів. Це дійсно цікаво з точки зору поліпшення льотних характеристик конфігурація, хоча можливо і не така перспективна як літаюче крило (де немає нічого зайвого, тільки крило). Можливо в недалекому майбутньому почне возити пасажирів надзвуковий, але тихий літак X-59, у якого теж є переднє оперення, хоча одночасно є і заднє. Проте X-59 проектується саме для того щоб зменшити надзвукову ударну хвилю і так обійти вимоги до сертифікації, а не для поліпшення саме льотних якостей. Так що ймовірно схему “утка” продовжать використовувати тільки військові.