зачем нужны законцовки крыла на самолете
Винглеты: для чего у самолетов сделаны скругленные «законцовки» крыльев и почему у некоторых их нет
Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.
В наше время авиакомпании все больше внимания уделяют расходу керосина в самолетах. Все потому, что топливное обеспечение авиалайнера может составлять от 30 до 50 процентов расходов на его содержание. Снизить расход топливо можно за счет создания все более эффективных двигателей. Каждое новое поколение позволяет сократить расход от 5 до 20 процентов. Также горючее можно экономить при помощи улучшения аэродинамических качеств, правда здесь добиться новых высот инженерной мыли крайне сложно, так как самолету уже достигли аэродинамической максимы развития.
Аэродинамическое сопротивление состоит из трех компонентов: сопротивления трения, давления, а также индуктивного сопротивления. Сопротивление давления зависит от формы обтекаемого тела. Сопротивление трения зависит от ровности обтекаемого тела. Наконец индуктивное сопротивление создается за счет разницы давления воздуха над крылом и под крылом (вверху давление всегда меньше и именно это создает подъемную силу). И здесь начинаются проблемы.
Дело в том, что воздух средней и корневой части крыла самолета перетекает от передней кромки к задней более-менее равномерно. Однако, ситуация полностью меняется когда речь заходит о законцовках крыла. Воздушный поток естественным образом стремящийся перейти из зоны высокого давления в зону низкого давления переходит из-под нижней части крыла в верхнюю. Более того, поток закручивает и образует вихрь. Это в свою очередь повышает уровень индуктивного сопротивления, а вместе с ним и расход горючего самолета.
Эту проблему решают несколькими методами. Первый – это использование специальных насадок на законцовках крыльев. Второй – удлинение крыла. И третий – использование винглетов. Последние появились в 1980-е годы на фоне топливного кризиса, когда авиакомпании всерьез стали задумываться об экономии горючего. Само собой, о технологии винглетов человечество знало задолго до этого. Встречаются они даже на некоторых моделях самолетов из числа первых.
Примечание : сегодня винглеты есть фактически на всех гражданских авиалайнерах, в том числе отечественного производства. Если ничего подобного на крыле нет, то скорее всего у самолета удлиненная форма крыла для решения тех же проблем с аэродинамикой.
Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:
Авиация России
Гражданская авиация, пассажирские и боевые самолеты и вертолеты России, новости и история российской и советской авиации.
Почему у МС-21 нет винглетов
Полное аэродинамическое сопротивление крыла самолёта, летящего на околозвуковой скорости, складывается из волнового, профильного, индуктивного и паразитного сопротивлений. Аэродинамическое качество крыла тем лучше, чем меньшую силу лобового и индуктивного сопротивлений оно создаст.
Такое движение воздушных масс сообщает воздушному потоку паразитную силу, направленную вниз перпендикулярно вектору скорости, что приводит к уменьшению на конце крыла подъёмной силы.
В результате, за концами крыла образуются два вихревых жгута, которые называют спутными струями. Энергия, затрачиваемая на образование этих вихрей, и определяет индуктивное сопротивление крыла.
Влияние винглетов на уменьшение индуктивного сопротивления
Размах крыла самолёта АНТ-25 составляет 34 метра!
Современные условия накладывают свои ограничения на размах крыла, которые определяются конструктивными и эксплуатационными параметрами. Так, например, аэродромная инфраструктура и требования ICAO ограничивают до 36 метров размах крыла у среднемагистрального самолёта. Винглеты позволяют увеличить эффективное удлинение крыла при практически неизменном размахе.
Углепластик — гораздо более жёсткий материал, поэтому, даже без использования винглетов, композитное крыло МС-21 большого удлинения, образованное тонкими суперкритическими профилями (практически плоская верхняя и выпуклая нижняя поверхности), позволяет на крейсерских скоростях полёта получить аэродинамическое качество на 5-6% лучше, чем у новейших зарубежных аналогов.
Для исследования влияния винглетов на динамику полёта МС-21 в ЦАГИ были спроектированы и испытаны в аэродинамических трубах крылья с аэродинамическими законцовками. Установка винглетов требует значительного усиления конструкции крыла и увеличения его массы. При боковых порывах ветра винглеты создают серьёзную сгибающую и крутящую нагрузки на крыло, существенно увеличивают влияние бокового ветра на самолёт при взлёте и посадке, а также в зонах турбулентности.
В тоже время на начальном этапе проектирования в начале 2000-х винглеты на МС-21 предусматривались (фото макета самолёта в заголовке статьи), т.е., конструкция крыла не позволяла получить требуемую топливную эффективность. Но по мере развития проекта, появления новых материалов и технологий от них отказались — потому что МС-21 это современный и технологичный самолёт с высоким аэродинамическим качеством, не требующим какого-либо изменения геометрии законцовок его крыла.
Законцовки крыла, винглеты и прочие штучки в борьбе с индуктивным сопротивлением.
Здравствуйте, друзья!
Ну что ж, вполне логичный вопрос. И тем более очень неплохой повод написать новую статью как раз на эту тему, об этих самых «кончиках» 🙂 …
Могу сразу сказать, что нет, это не выпендреж. Это попытка (более или менее удачная) повысить эффективность летательного аппарата без внесения каких-либо радикальных изменений в его конструкцию. Однако, начнем «от ворот» :-). То есть обо всем по порядку. Для начала немного теории.
Это такие как профильное сопротивление, волновое и индуктивное сопротивление крыла. Первые два нас сегодня мало интересуют :-), а вот о третьем поговорим подробнее.
Нам уже давно известно, что при движении крыла (профиля) в воздушном потоке (уже повторяюсь :-)) возникает разность давлений между верхней и нижней поверхностью крыла. В пограничном слое потока над крылом давление ниже, а под крылом — выше.
Если две области с разными давлениями соприкасаются, то естественно возникает тенденция к тому, чтобы эти давления уравнялись. То есть газ всегда старается переместиться из области с повышенным давлением в область с пониженным. Происходит это и на крыле.
Схема перетекания на крыле.
Самый простой путь перемещения (чтобы не двигаться против потока) — через законцовку крыла. То есть пограничный слой перемещаясь к законцовке как бы «проворачивается» вокруг нее, оказываясь уже на верхней поверхности крыла.
Однако крыло ведь движется вперед и, как я его обозвал :-), « провернувшийся » воздух в определенный момент времени оказывается уже позади крыла, а на его месте теперь «проворачивается» новая порция воздуха. Таким образом вращательное движение воздуха как бы накладывается на поступательное движение крыла.
Такие вихри вытягиваются за крылом абсолютно каждого самолета. Но, конечно, в обычном полете они визуально незаметны. Наглядно увидеть их образование можно, если внутри жгута создадутся условия для конденсации влаги из воздуха, тогда жгут станет белым, либо же если самолет искусственно прогнать через полосу цветного дыма. Именно такой способ сделать вихревой шнур видимым показан на ролике.
Этот жгут сам по себе является серьезным возмущением потока. За крылом большого, тяжелого самолета он может вытянуться на расстояние до 10-15 км и стать опасным для самолетов, попавших в такую вихревую струю.
Образование вихревых жгутов за крылом самолета.
законцовку крыла (и направленной по полету) с наибольшей скоростью возле законцовки и постепенным затуханием по мере удаления от него (это понятно, воздух все же вязкий :-)).
Движение воздуха при формировании вихревых жгутов.
Образование индуктивного сопротивления за счет дополнительного скоса потока.
В итоге, что же мы получили… Крыло при движении индуцирует через вихревые жгуты дополнительный скос потока, в результате чего и образуется, как вы уже поняли, индуктивное сопротивление крыла. Чем больше подъемная сила, тем, как ни странно это звучит, больше сопротивление.
Иначе еще говорят, что для образования и раскрутки вихревых жгутов нужна энергия, которая и забирается от энергии движения самолета. Как результат летательный аппарат испытывает дополнительное сопротивление для движения вперед.
Плюс к этому еще считается, что около 5% несущей поверхности крыла вообще работает неэффективно из-за перетекания и выравнивания давлений. Эти проценты составляют как раз концевые части, на которых дела с образованием подъемной силы обстоят похуже, чем на других участках.
Вот так… Однако, летать все равно надо, поэтому со всяким сопротивлением так или иначе приходится бороться. Ведь чем меньше сопротивление, тем дальше при тех же ресурсах пролетит самолет. Особенно это важно для самолетов, летающих на большие расстояния, пассажирских и транспортных.
Бороться с сопротивлением можно по-разному. Можно противодействовать самому сопротивлению, а можно попытаться устранить причины его возникновения.
Раньше в основном использовался первый путь. То есть ставится на самолет движок помощнее (есть такое умное слово « ремоторизация » :-)) и никакое сопротивление нипочем. Вот только какой при этом будет расход топлива …
Было время, когда такая стратегия была вполне приемлема. Ведь тогда еще не знали, что такое топливный кризис и высокие цены на нефть. В наше время приходится искать иной путь. Конструкторы взялись за причины возникновения вихревых жгутов.
Причина-то собственно одна — перетекание воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю. Сделать так, чтобы это перетекание стало невозможным или хотя бы свести возможность его образования к минимуму и, считай, задача решена. Для этого существуют разные приемы.
Отрицательная крутка крыла.
Крыло в этом случае (обычно на его концевых частях, подверженных образованию вихревых жгутов) как бы слегка закручивается передней кромкой вниз (если бы вверх, была бы положительная крутка :-)), а задней вверх. При этом угол атаки становится меньше и, соответственно, уменьшается индуктивное сопротивление. Такая крутка применена, например, на Boeing-787 Dreamliner (левая консоль, фото помещено ниже). Крутка крыла вобщем-то имеет несколько видов и применяется для различных целей. Но об этом в других статьях :-). А пока о следующем приеме.
А-В: размах крыла. Airbus A320.
Размах — это скорее габаритный термин. Он может характеризовать аэродинамические свойства крыла только косвенно. Ведь два разных в плане крыла ( например, прямое и стреловидное) имеющие, вполне понятно, разную аэродинамику вполне могут иметь одинаковый размах.
Легендарный АНТ-25 на аэродроме Пирсон Филд, Ванкувер. 20 июля 1937 года.
Разведчик Lockheed U-2S. Обратите внимание на размах крыла.
Истребитель F-104 Starfighter. Обратите внимание на очень короткое крыло.
Спортивный планер. Красивый аппарат :-). Винглеты ему тоже не помешают.
Вот и все насмарку. Получается, что слишком увлекаться удлинением крыла за счет размаха не стоит. Избавиться от законцовки, способствующей перетеканию, насовсем 🙂 выходит невозможно.
Но не все так плохо. Оказывается есть другая хорошая возможность. Законцовка крыла может быть видоизменена. Она не только не будет способствовать перетеканию, но может стать преградой (в механическом или аэродинамическом плане) на его пути.
Вихревой жгут за обычным крылом и за крылом с blended winglet.
Winglet в переводе с английского как раз и означает « крылышко ». С их помощью уменьшается вредное перетекание на крыле, увеличивается его эффективное удлинение, при этом практически не увеличивая размах. Это позволяет уменьшить величину индуктивного сопротивления (снизить интенсивность вихревых жгутов) и, соответственно, ощутимо увеличить экономичность и дальность. Вихри как бы перемещаются на концы «крылышек» и становятся значительно меньше.
А началось все еще в 1897 году, когда английский инженер Frederick W. Lanchester запатентовал специальные концевые поверхности, как способ контроля вихревых шнуров. Позже в 1910 году авиационный инженер, американец шотландского происхождения William E. Sommervile запатентовал первые реально функционирующие винглеты и в дальнейшем устанавливал их на бипланы и монопланы своей конструкции.
В 70-х годах инженер NASA Ричард Уиткомб разработал и всесторонне исследовал законцовку, которая сейчас называется крылышко Уиткомба (или шайба Уиткомба ). Тогда его на это вдохновил топливный кризис 1973 года :-). Оно представляет собой поверхность, распространяющуюся перпендикулярно крылу вверх и вниз.
NASA продолжило разработку винглетов, используя для этого экспериментальные самолеты.
Самолет бизнес-авиации Learjet 31A. Хорошо видны винглеты.
Винглеты на самолете бизнес-авиации Gulfstream G450.
Винглеты на Boeing-747-400.
Винглет на крыле Boeing-747-400.
Модернизированный Gulfstream II с blended winglet.
Boeing Business Jet на базе 737-го. Boeing-737/BBJ.
Пример интерьера самолета серии Boeing Business Jet.
Boeing-737-800 (из серии NG).
Далее Boeing стал применять эту технологию на других своих самолетах ( В-757-200 ), и на некоторых экономия топлива оказалась даже большей, чем на 737-х. По словам представителей АРВ blended winglet применим и может повысить эффективность абсолютно любого типа коммерческих самолетов.
Однако интересно, что препятствия к такому широкому их применению все же есть, и к технике они отношения не имеют :-). Это конкуренция и коммерция. Известно, что Airbus — это сильнейший конкурент Boeing, к тому же в последнее время его ощутимо опережающий. Видимо поэтому АРВ (конечно же под давлением Боинга) так и не продала ему лицензию на использование blended winglet. Airbus использовал на своих самолетах крылышки Уиткомба.
«Крылышки» Уиткомба на самолетах AIRBUS.
Однако такие законцовки крыла давали только около 1,5% экономии, поэтому Airbus занялся собственными разработками для семейства самолетов А320 и в конце 2011 года начал проводить испытания опытных образцов. Они были названы sharklets ( акульи плавники ) и призваны обеспечить экономию порядка 3,5-4% на маршрутах большой протяженности. Принято решение об установке sharklets на все самолеты семейства А320NEO (начало эксплуатации планируется с 2015 года), а также на машины, находящиеся в эксплуатации.
Самолет из новой серии A320NEO (компьютерное моделирование).
Интересно, что фирма API после начала испытаний sharklets обвинила Airbus в нарушении прав интеллектуальной собственности и обратилась в суд. Тяжба в самом разгаре. Тяжела жизнь большого бизнеса :-)…
Региональный самолет Bombardier CRJ-200.
Региональный самолет EMBRAER ERJ-190.
ТУ-204. Законцовки крыла хорошо видны.
На сегодняшний момент, конечно, первенство в разработке и внедрении различных типов законцовок крыла для коммерческих самолетов принадлежит фирме Boeing совместно с фирмами APB и API.
Винглет на крыле Боинга серии NG. Сборочный цех завода Boeing.
Они представляют собой горизонтальные «крылышки» с большой стреловидностью (больше, чем у основного крыла). Здесь сделана ставка на эффективное увеличение удлиннения крыла и за счет этого уменьшение интенсивности вихревых шнуров.
Самолеты, на которые ставятся гребневые законцовки крыла (или планируется их установка) это, конечно, самолеты фирмы Boeing :-):
Новейший В-474-8 (в модификациях Freighter и Intercontinental );
Boeing 747-8 Freighter.
Raked wingtips на крыле Boeing 747-8F
Знаменитый B787 Dreamliner (в модификациях 787-8 (базовая модель) и 787-9 (увеличена дальность и полезная нагрузка));
Boeing-787 Dreamliner. Видны законцовки raked wingtips, а также отрицательная крутка крыла.
Законцовка raked wingtips на крыле Boeing-767-400ER.
Самолет ВМС США Р-8А Poseidon.
Кроме того винглеты — это часто дополнительная изгибающая сила, то есть увеличенная нагрузка на крыло, а значит его дополнительное упрочнение, что чаще всего ведет за собой увеличение веса.
Поэтому, еще раз повторю, установка законцовок крыла — это компромисс между потерями аэродинамическими, весовыми и другими и приобретениями в виде уменьшения индуктивного сопротивления. Тут уж что перевесит :-)….
Если же самолет ближнемагистральный, полет которого может длиться иной раз даже меньше часа, то крейсерский режим для него, так сказать, мало ощутим. Для такого самолета потери могут оказаться ощутимей выигрыша, поэтому винглеты на него могут быть вообще не установлены или же установлены упрощенного вида.
Вот один пример. При определенных условиях возможен такой вариант (по данным компании Boeing). При увеличении размаха на один фут создается такая же дополнительная изгибающая сила, как при установке трехфутового винглета (типа blended winglet). Но с другой стороны трехфутовый винглет имеет такую же эффективность, как двухфутовое увеличение размаха. Опять компромисс… то есть когда увеличение размаха имеет тот же эффект, что и установка винглетов, то решающим является величина дополнительной нагрузки на крыло.
Boeihg-787-3. Компьютерное моделирование.
Боинг для нового семейства самолетов В-737MAX (проходят испытания)разработал новый тип винглетов, получивших неофициальное название « двойное перо ». У этой законцовки, состоящей из двух частей, одна часть, большая, направлена вверх, а вторая, меньшая вниз. Считается, что она представляет собой нечто среднее, между тремя вышеуказанными типами винглетов, применявшихся на боингах. От этой конструкции ожидается эффект в 1.5% сверх уже имеющейся.
Boeing-737MAX. Законцовка в виде «двойного пера».
Так называемые спироиды на крыле самолета Falcon 50.
Законцовка лопасти ветрогенератора.
Военно-транспортный C-130J-30 Hercules.
Винты транспортника Hercules с законцовками по принципу raked wingtips.
Вертолет Agusta Westland AEW101. Хорошо видны специальные законцовки лопастей.
Все…. Пожалуй достаточно. Статья получилась длинная и объемная, но я все же очень надеюсь, что никого не утомил :-). По крайней мере теперь я думаю всем понятно, что это за «кончики» такие. Ясно, что это не уловка дизайнера, хотя иной раз думается, что и не без этого. Уж очень эффектно такие законцовки крыла смотрятся. Я думаю, что вы со мной в этом согласитесь :-)….