Почему Ту-144 единственный коммерческий самолет с конфигурацией «слух»?

Короткий ответ: утки имеют наибольший смысл с отрицательной статической стабильностью и высокой маневренностью. Коммерческий самолет тоже не нужен, поэтому обычная компоновка работает лучше всего.

Для статически стабильного самолета обычная компоновка дает наибольшую эффективность при достаточном демпфировании. Статическая стабильность требует, что передние поднимаясь поверхности создают больше подъема пропорционально к их размеру чем задние поверхности. Вот ответ на соответствующий вопрос.

Вы хотите, чтобы самолет вернулся в исходное положение полета, если он был нарушен, скажем, порывом или толчком на палке. Это может быть сделано, создавая пропорционально больше подъемной силы с передними поверхностями (= крыло в обычной конфигурации), чем с задними поверхностями (= крыло в конфигурации утки). Скажем, толчок поднимает самолет. Теперь аэродинамические силы должны измениться таким образом, чтобы увеличить подъемную силу пропорционально больше на задних поверхностях, поэтому самолет опускается и возвращается в исходное положение. Распределяя подъемную силу вышеописанным способом, одно и то же изменение угла атаки как на переднюю, так и на заднюю поверхность создаст пропорционально более высокое увеличение подъемной силы на задней поверхности, делая самолет (статически) стабильным.

Это требует, чтобы одна из (в основном) двух поверхностей не вносила столько же вклада в создание лифта, сколько могла. Вы хотите, чтобы эта поверхность была меньше одной из них, поэтому вся конфигурация может создать как можно больше лифта с заданной скоростью. Слух был бы плохим выбором для коммерческого самолета, потому что большое крыло теперь будет летать на долю его потенциала.

Как только вы переместите центр тяжести назад, чтобы улучшить маневренность, все изменится: теперь задняя поверхность создает пропорционально больше лифта, поэтому меньшая поверхность должна идти впереди. Вуаля, слух!

Теперь добавьте вперед стреловидность, которая заставит кончики крыльев закручиваться на более высокие углы атаки при увеличении подъемной силы, и вы получите действительно отзывчивый самолет (но нужно быть осторожным, чтобы не перенапрячь его!). Это было сделано на Х-29 и «Беркуте«.

Как отметил джуэнтинг, утка на Ту-144 не была контрольной поверхностью, но ее следует рассматривать как своего рода отдельную планку. Кроме того, добавляя некоторую подъемную силу перед крылом, он позволяет опускать закрылки крыла в медленном полете, увеличивая потенциал подъема основного крыла при сохранении местоположения центра тяжести и стабильности.

И пока мы этим занимаемся: у Piaggio Avanti есть слух и обычный хвост. Здесь утка помогает поставить лонжерон крыла за зону кабины, облегчает полет с широким диапазоном c.g. положения и увеличить аэродинамическое демпфирование. Это один из очень немногих примеров, когда в коммерческих самолетах слухи делаются правильно!

Слухи на Ту-144 технически не были утками. Это были неподвижные поверхности, не двигающиеся.
Они были чисто подъемными устройствами для улучшения низкоскоростной обработки (и, таким образом, помогали снизить скорость посадки, которая была чрезмерно высокой).
Они были добавлены, потому что низкоскоростная обработка, как находили, была недостаточной из-за худшего (по сравнению с Concorde) дизайна крыла.

Потому что это не аэродинамически эффективно. Для достижения устойчивости передняя поверхность должна лететь под большим углом атаки, чем задняя. Таким образом, утка должна летать под довольно высоким углом атаки, что приводит к высокому сопротивлению и нарушает воздушный поток для основного крыла, что еще больше снижает его эффективность. Это не шанс, что большинство современных самолетов имеют одинаковую компоновку. Самая эффективная известная конструкция.

Кроме того, в то время как более высокий угол атаки утки приводит к его самому большому преимуществу, нежное поведение сваливания, когда самолет просто мягко опускает нос, это означает, что максимальный применимый угол атаки уменьшается. Это увеличивает скорость посадки и уменьшает запас прочности в случае, если самолет попадет в сдвиг ветра. Подходящий поворот крыла обеспечивает не намного худшее поведение стойла без этих недостатков.

С крыльями перепада, утка имеет преимущество что она увеличивает угол стойла нападения и таким образом максимального подъема, потому что утка действует как генератор Вортекса. Это означает более резкие повороты на высокой скорости и более низкую посадочную скорость, поэтому такая конфигурация популярна у истребителей (Eurofighter Typhoon, Dassault Rafale, Saab JAS-39 Grippen), где маневренность важнее эффективности. Кроме того, эти конструкции не являются стабильными (вместо этого стабилизированы компьютером; позволяет быстрее управлять ответом), поэтому утка не производит столько сопротивления.

Су-47 использует утку в первую очередь по компоновочным соображениям, так как крыло с прямой стреловидностью не оставляет много места в хвосте, но много места в носу. И неясно, насколько хороша компоновка на самом деле; похоже, что за ней не следуют другие военные проекты. Grumman X-29 впервые полетел в 1984 году, но никакого последующего дизайна не было создано.

Rutan Voyager противостоит неэффективности, не летая на утке под высоким углом атаки, что дает хорошую эффективность, но плохую стабильность высоты тона. Это было управляемо для хороших летчиков-испытателей, но не подходит для среднего пилота авиакомпании. И заметьте что это также исключает преимущество поведения стойла утки.