Интересно сравнить аэродинамику истребителей 4-го поколения "наглядно", с помощью сопоставления поляр, показывающих соотношение коэффициентов подъёмной силы Су и сопротивления Сх на разных режимах полета. На данный момент в открытом доступе имеются данные о полярах F-15, F-16 и F-18. К сожалению, некоторые вопросы есть по F-14 - хотя данных продувок по нему много, но точной балансировочной поляры, по которой считаются летные характеристики, пока найти не удалось. Не лишним для сравнения будет взять и поляру F-4 - для того что бы понять, как улучшилась аэродинамика 4-го истребителей поколения по сравнению с аэродинамикой 3-го.
Для F-15, F-16 и F-18 источник данных по полярам - работа "THE DETECTION OF UNIQUE TURBULENT SIGNATURES RESULTING FROM ATMOSPHERIC DISTURBANCES OF FLYING AIRCRAFT" с шифром 232847155, для F-4 - документ NASA-CR-137721 с шифром 19760003492. Также приведен фрагмент поляры для оснащенных маневренными предкрылками F-4F и F-4E (модификация F-4E начала оснащаться ими примерно с 1971-го года). Этот фрагмент получен пересчетом из графиков виража F-4E/F.
Сравниваются поляры на дозвуке, для числа Маха 0,6. Для начала приведем область малых и средних углов атаки.
Первым делом сравним поляры F-4 и F-15. Как видно, поляра F-15 лежит выше поляры F-4, за исключением Су<0,4, области малых углов атаки, где F-4 имеет небольшое преимущество за счет меньшего Сх0. На Су>0,4 хорошо видно преимущество F-15, пусть и не особо большое, но достаточно заметное. Основные причины этого вероятно следующие:
- Несколько большее удлинение крыла (3 единицы у F-15, 2.82 единиц у F-4).
- Более выгодная с точки зрения создания подъёмной силы форма фюзеляжа. У F-15 значительно более уплощенная средняя и хвостовая часть по сравнению с Фантомом. Если у Фантома заметная часть омываемой площади фюзеляжа создает сопротивление трения, но не участвует в создании подъёмной силы, то у F-15 за счет уплощения центроплана этот эффект минимизирован, большая часть омываемой площади средней и хвостовой части его фюзеляжа участвует в создании подъёмной силы. Кроме этого, можно предположить, что широкая хвостовая часть на F-15 обеспечивает больший эффективный размах стабилизаторов и в итоге создает меньше индуктивного сопротивления, чем более узкий хвост на F-4 .
- На Фантоме применены профили крыла НАСА 4-й серии, а на F-15 - ламинарные профили НАСА 6-й серии, ламинарные профили должны быть несколько лучше в плане улучшения аэродинамического качества крыла.
В итоге наглядно видно улучшение аэродинамики F-15 по сравнению с F-4 (самолеты созданы одной фирмой и Игл можно считать продуктом глубокой эволюции концепции Фантома). Но при этом поляра F-4E/F, оснащенных маневренными предкрылками, как видно на графике, превосходит поляру F-15 на средних углах атаки (F-15 не имеет механизации передней кромки крыла). Таким образом, улучшение аэродинамики крыла с помощью введения механизации передней кромки, создает по сути больший эффект, чем более продвинутая компоновка всего самолета! Но, конечно, это справедливо именно для средних углов атаки. На больших углах атаки для увеличения подъёмной силы очень важна грамотная компоновка планера, о чем будет сказано в дальнейшем.
Выше поляр F-15 и Фантома с предкрылком находится поляра F-16. Удлинение крыла у F-16 сопоставимое с F-15 (формально те же 3 единицы, однако за счет балок на законцовках фактически больше, 3,2 единицы), а вот разница в их полярах куда больше, чем между полярами F-15 и F-4 без предкрылок. Основные причины тут две:
- Наличие на F-16 отклоняемого носка крыла (как видно на примере поляр Фантома, механизация передней кромки очень эффективна).
- Наличие на F-16 вихрегенерирующего наплыва.
Оба этих фактора скорее всего примерно равнозначны, и складываясь, создают большую разницу, которую мы видим между полярами F-16 и F-15. Ещё одним фактором является то, что F-16 статически нейтральный самолет и практически не имеет потерь на балансировку в отличи от F-15, но вероятно на малых и средних углах атаки этот фактор хоть в вносит свой вклад, но имеет меньшее значение, чем механизация и наплывы.
Выше всех лежит поляра F-18, однако на Су<0,6 она проигрывает поляре F-16. Также как и F-16, F-18 обладает маневренной механизацией крыла и развитыми наплывами, кроме того у обоих самолетов профили крыла ламинарные НАСА 6-й серии. F-18 обладает большим удлинением крыла, чем F-16 (3,68 единиц против 3,2 с учетом балок на законцовках; или 3,51 единиц против 3 если не учитывать балок). При этом, Сх0 у F-16 меньше чем у F-18, что во многом обусловлено максимальной интегральностью системы наплыв+крыло+фюзеляж на F-16, что минимизирует омываемую площадь. На F-18 напротив, наплывы можно сказать просто "наложены" по бокам фюзеляжа, без каких либо сглаживаний на местах стыка. Поэтому вполне логично что на малых углах атаки F-18 проигрывает F-16, но с увеличением подъёмной силы за счет большего удлинения крыла, начинает выигрывать, за счет меньшего индуктивного сопротивления. Но при этом, на Су>0,8 выигрыш F-18 над F-16 начинает становится очень большим, что врядли может быть объяснено лишь удлинением крыла, особенно с учетом того, что F-16 не имеет потерь на балансировку, в отличии от F-18. О причинах этого будет сказано дальше.
Для полного понимания ситуации нужно взглянуть на всю картину целиком, и включить в график области поляр, соответствующие большим угла атаки и максимальным значениям подъёмной силы.
Продолжая сравнение F-4 без маневренных предкрылков и F-15, следует отметить, что F-4 полностью проигрывает F-15-му в области больших углов атаки. В документе, из которого бралась поляра F-4, поляра дана до значений коэффициента подъёмной силы Су=0,8, фактически же максимальный коэффициент подъёмной силы F-4 ограничен примерно Су=0,9, что не сильно меняет ситуацию, которую мы видим на графике. Для F-15 график доходит до Су=1,6 (правда, с учетом ограничений угла атаки по эффективности стабилизатора, реальный Су макс=1,4). Превосходство в коэффициенте подъёмной силы над Фантомом более чем в 1,5 раза. Основными причинами этого видятся:
- Относительно уплощенный фюзеляж F-15.
- Расположение крыла по схеме "высокоплан" на F-15, что должно быть выгоднее для повышения максимальной подъёмной силы, чем схема "низкоплан" на F-4.
- Можно предположить, что на больших углах атаки верхняя передняя кромка клиновидного воздухозаборника F-15 может играть роль своеобразного "вихрегенератора" перед крылом, повышая тем самым подъёмную силу крыла.
Если говорить про F-4E/F-4F с предкрылками, то расчетный фрагмент поляры также не доходит до его реального Су макс, который по некоторым источникам находится примерно в районе 1,1. Это заметно больше чем у обычного Фантома, но также довольно далеко от F-15. Даже с эффективными предкрылками, в подъёмной силе на больших углах атаки F-4 проигрывает F-15-му. Вот где полностью проявляется значение значительно переработанной в сравнении с Фантомом компоновочной схемы F-15.
Продолжая сравнение F-15 и F-16, стоит отметить что на больших углах атаки разница между их полярами даже несколько усиливается - также работают факторы наплывов и механизации передней кромки, да ещё и потери на балансировку у F-15 начинаю "съедать" подъёмную силу куда заметнее, чем было на малых и средних углах атаки. Даже достаточно уплощенный и широкий фюзеляж Игла не помогает дотянуться до поляры F-16.
И наконец, продолжим сравнение поляр F-16 и F-18. Как было сказано выше, разница в их полярах не может быть объяснена только разницей в удлинении крыла. На полном графике видно, что наибольшая разница между F-16 и F-18 находится в диапазоне Су от 1 до 1,2, где график поляры 18-го буквально "вспухает". А объясняется это вобщем-то просто - на F-18 помимо носков передней кромки крыла, на маневре работают ещё и закрылки, которые и дают 18-му значительную прибавку в сравнении с F-16. По всей видимости, эффект от закрылок настолько велик, что он значительно "перекрывает" эффект отсутствия потерь на балансировку на F-16. При этом наибольшие углы отклонения закрылок приходятся на средние углы атаки. На больших углах атаки закрылки постепенно убираются, так как теряют эффективность. Таким образом, на самых больших значения подъёмной силы F-18 летает без отклоненных закрылок, также как и F-16. Здесь казалось бы, можно было ожидать что самолеты сравняются, или даже некоторое преимущество будет за F-16, так как у него не должно быть потерь на балансировку, а на больших углах атаки это экономит много подъёмной силы. Но на деле, как видно по графикам поляр, и на этих режимах некоторое преимущество за F-18. Скорее всего, решающую роль тут играют следующие факторы:
- Более уплощенный "двухдвигательный" фюзеляж F-18, создающий несколько большую подъёмную силу на больших углах атаки, чем "однодвигательный" фюзеляж F-16.
- Несколько более "протяженные" наплывы F-18, дающие большую вихрегенерацию, увеличивающую подъёмную силу крыла.
- Значительно больший угол отклонения носка передней кромки крыла F-18 - 35 градусов против 25 на F-16, что очевидно обеспечивает лучшее обтекание крыла на больших углах атаки.
По всей видимости, вместе значение этих факторов настолько велико, что с некоторым запасом "перекрывает" фактор отсутствия потерь на балансировку на F-16.
Итоги
График поляры можно воспринимать как показатель того, насколько эффективна аэродинамика самолета, насколько много подъёмной силы удалось "выжать" с квадратного метра крыла, и сколько на эту подъёмную силу приходится силы сопротивления. По итогам можно сказать, что с точки зрения параметров, важных для истребителя, наиболее эффективна аэродинамика F-18 - в этом истребителе реализованы многие факторы, дающие преимущество на маневренных режимах: наплывы, отклоняемые носки с очень большими максимальными углами отклонения, маневренные закрылки, крыло наибольшего среди сравниваемых самолетов удлинения, относительно уплощенный "двухдвигательный" фюзеляж. Пожалуй, не применено только две вещи - статическая нейтральность и максимально плавное сопряжение наплыва, фюзеляжа и крыла. Это реализовано на F-16, наряду с отклоняемыми носками и наплывами. Хотя его поляра несколько проигрывает F-18, вполне вероятно, что если убрать фактор закрылок F-18-го, на многих режимах поляры F-16 и F-18 практически бы сравнялись. На F-15 нет ни механизации передней кромки крыла, ни эффективного вихрегенерирующего наплыва, поэтому его поляра достаточно сильно отстает от поляр F-16 и F-18. Но при этом уплощенный фюзеляж дает ему достаточно большую максимальную подъёмную силу, несколько меньшую чем у F-16 и F-18, но значительно большую, чем у F-4. Фантом в свою очередь, как самолет предыдущего поколения, значительно отстает от F-15/16/18 практически везде, за исключением области малых углов атаки, не особо важных для истребителя. Но с применением маневренного предкрылка при полете на средних углах атаки, поляра Фантома ощутимо превосходит поляру F-15.
Следует отметить важную вещь - сама по себе поляра не может полностью отобразить летные характеристики самолета, она говорит только о качестве его аэродинамики. Кроме поляры, важны нагрузка на крыло и тяговооруженность. Поэтому хоть поляра Фантома с предкрылком и превосходит поляру F-15 на отдельных режимах, в реальном полете в силу заметно более малой нагрузки на крыло и более высокой тяговооруженности у F-15, он в сравнении с Фантомом будет иметь лучший вираж на любых режимах полета. При сравнении 15-го с 16-м и 18-м играют роль те же факторы - по сравнению с этими машинами у 15-го несколько меньшая нагрузка на крыло и несколько большая тяговооруженность. Поэтому, хоть поляра 15-го и уступает, но летные характеристики машин могут оказаться примерно равными. 16-й в свою очередь обладает немного меньшей нагрузкой на крыло и большей тяговооруженностью в сравнении с 18-м, поэтому превосходство F-18 по поляре также не гарантирует ему превосходство над F-16 в летных характеристиках на режимах маневра.