Что находится на крыле самолета. Как летает самолет. От чего зависят летные качества авиатранспорта
Строение крыла
Крыло в авиационной технике - поверхность для создания подъёмной силы.
Части крыла самолета
В общем случае крыло самолета состоит из центропланной части, консолей(левой и правой) и механизации крыла.
Основные части механизации крыла
1 - законцовка крыла
2 - концевой элерон
3 - корневой элерон
4 - обтекатели механизма привода закрылков
5 - предкрылок
6 - предкрылок
7 - корневой трехщелевой закрылок
8 - внешний трехщелевой закрылок
9 - интерцептор
10 - интерцептор/воздушный тормоз
Элероны
Элероны- аэродинамические органы управления, симметрично расположенные на задней кромке консолей крыла у самолётов нормальной схемы и самолётов схемы «утка». Элероны предназначены в первую очередь для управления углом крена самолёта, при этом элероны отклоняются дифференциально (отдельно друг от друга), то есть, например, для крена самолёта вправо правый элерон поворачивается вверх, а левый - вниз; и наоборот. Принцип действия элеронов состоит в том, что у части крыла, расположенной перед элероном, поднятым вверх подъёмная сила уменьшается, а у части крыла перед опущенным элероном подъёмная сила увеличивается; создаётся момент силы, изменяющий скорость вращения самолёта вокруг оси, близкой к продольной оси самолёта.
Один из побочных эффектов действия элеронов - некоторый момент рысканья в противоположном направлении. Другими словами, при желании повернуть направо и использовании элеронов для создания крена вправо, самолёт во время увеличения крена может немного повести по рысканью влево. Эффект связан с появлением разницы в лобовом сопротивлении между правой и левой консолью крыла, обусловленной изменением подъёмной силы при отклонении элеронов. Та консоль крыла, у которой элерон отклонён вниз, обладает большим коэффициентом лобового сопротивления, чем другая консоль крыла. В современных системах управления самолётом данный побочный эффект минимизируют различными способами. Например, для создания крена элероны отклоняют также в противоположном направлении, но на разные углы
Работа элеронов при управлении креном. Если продолжать держать элероны отклонёнными в крайнем положении, тогда достаточно манёвренный самолёт начнёт непрерывно вращаться вокруг своей продольной оси.
Впервые элероны появились на моноплане, построенном новозеландским изобретателем Ричардом Перси в 1902, однако самолёт совершал только очень короткие и неустойчивые полёты. Первый самолёт, который совершил полностью управляемый полёт с использованием элеронов, был самолёт 14 Bis, созданный Альберто Сантос-Дюмоном. Ранее элероны заменяла деформация крыла, разработанная братьями Райт.
Механиза ́ ция крыла ́
Механиза ́ ция крыла ́ - совокупность устройств на крыле летательного аппарата, предназначенных для регулирования его несущих свойств. Механизация включает в себя закрылки, предкрылки, интерцепторы, спойлеры, флапероны, активные системы управления пограничным слоем и т.
Закрылки
Закрылки - отклоняемые поверхности, симметрично расположенные на задней кромке крыла. Закрылки в убранном состоянии являются продолжением поверхности крыла, тогда как в выпущенном состоянии могут отходить от него с образованием щелей. Используются для улучшения несущей способности крыла во время взлёта, набора высоты, снижения и посадки, а также при полётe на малых скоростях.
Принцип работы закрылков заключается в том, что при их выпуске увеличивается кривизна профиля и (в случае выдвижных закрылков, которые также называют закрылками Фаулера) площадь поверхности крыла, следовательно, увеличивается и подъёмная сила. Возросшая подъёмная сила позволяет летательным аппаратам лететь без сваливания при меньшей скорости. Таким образом, выпуск закрылков является эффективным способом снизить взлётную и посадочную скорости.
Второе следствие выпуска закрылков - это увеличение аэродинамического сопротивления. Если при посадке возросшее лобовое сопротивление способствует торможению самолета, то при взлёте дополнительное лобовое сопротивление отнимает часть тяги двигателей. Поэтому на взлёте закрылки выпускаются всегда на меньший угол, нежели при посадке.
Третье следствие выпуска закрылков - продольная перебалансировка самолёта из-за возникновения дополнительного продольного момента. Это усложняет управление самолётом (на многих современных самолётах пикирующий момент при выпуске закрылков компенсируется перестановкой стабилизатора на некоторый отрицательный угол). Закрылки, образующие при выпуске профилированные щели, называют щелевыми. Закрылки могут состоять из нескольких секций, образуя несколько щелей (как правило, от одной до трёх).К примеру, на отечественном Ту-154М применяются двухщелевые закрылки, а на Ту-154Б - трёхщелевые. Наличие щели позволяет потоку перетекать из области повышенного давления (нижняя поверхность крыла) в область пониженного давления (верхняя поверхность крыла). Щели спрофилированы так, чтобы вытекающая из них струя была направлена по касательной к верхней поверхности, а сечение щели должно плавно сужаться для увеличения скорости потока. Пройдя через щель, струя с высокой энергией взаимодействует с «вялым» пограничным слоем и препятствует образованию завихрений и отрыву потока. Это мероприятие и позволяет «отодвинуть» срыв потока на верхней поверхности крыла на бо ́ льшие углы атаки и бо ́ льшие значения подъемной силы.
Флапероны
Флапероны, или «зависающие элероны» - элероны, которые могут выполнять также функцию закрылков при их синфазном отклонении вниз. Широко применяются в сверхлёгких самолётах и радиоуправляемых авиамоделях при полётах на малых скоростях, а также на взлёте и посадке. Иногда применяется на более тяжелых самолётах (например, Су-27). Основное достоинство флаперонов - это простота реализации на базе уже имеющихся элеронов и сервоприводов.
Предкрылки
Предкрылки - отклоняемые поверхности, установленные на передней кромке крыла. При отклонении образуют щель, аналогичную таковой у щелевых закрылков. Предкрылки, не образующие щели, называются отклоняемыми носками. Как правило, предкрылки автоматически отклоняются одновременно с закрылками, но могут и управляться независимо.
В целом, эффект от выпуска как закрылков, так и предкрылков сводится к увеличению кривизны профиля крыла, что позволяет увеличить подъёмную силу. Основная роль предкрылков заключается в увеличении допустимого угла атаки, то есть срыв потока с верхней поверхности крыла происходит при бо ́ льшем угле атаки.
Помимо простых, существуют так называемые адаптивные предкрылки. Адаптивные предкрылки автоматически отклоняются для обеспечения оптимальных аэродинамических характеристик крыла в течение всего полета. Также обеспечивается управляемость по крену при больших углах атаки с помощью асинхронного управления адаптивными предкрылками.
Интерцепторы
Интерцепторы (спойлеры) - отклоняемые или выпускаемые в поток тормозные консоли на верхней поверхности крыла, которые увеличивают аэродинамическое сопротивление и уменьшают подъёмную силу. Поэтому интерцепторы также называют гасителями подъемной силы.
В зависимости от площади поверхности консоли, расположения её на крыле и т. д. интерцепторы делят на: Внешние элерон-интерцепторы
Элерон-интерцепторы представляют собой дополнение к элеронам и используются в основном для управления по крену. Они отклоняются несимметрично. Например, на Ту-154 при отклонении левого элерона вверх на угол до 20°, элерон-интерцептор на этой же консоли автоматически отклоняется вверх на угол до 45°. В результате подъёмная сила на левой консоли крыла уменьшается, и самолёт кренится влево.
У некоторых самолетов, например, МиГ-23, интерцепторы (наряду с дифференциально отклоняемым стабилизатором) являются главным органом управления по крену.
Спойлеры
Спойлеры (интерцепторы) - это непосредственно воздушные тормоза.
Симметричное задействование интерцепторов на обоих консолях крыла приводит к резкому уменьшению подъемной силы и торможению самолёта. После выпуска «воздушных тормозов» самолёт балансируется на бо ́ льшем угле атаки, начинает тормозиться за счет возросшего сопротивления и плавно снижаться.
Интерцепторы также активно используются для гашения подъемной силы после приземления или при прерванном взлёте и для увеличения сопротивления. Необходимо отметить, что они не столько гасят скорость непосредственно, сколько снижают подъёмную силу крыла, что приводит к увеличению нагрузки на колеса и улучшению сцепления колёс с поверхностью. Благодаря этому, после выпуска внутренних интерцепторов можно переходить к торможению с помощью колёс.
Многие из тех, кто летал на пассажирских лайнерах и сидел у иллюминатора возле крыла самолета видел, как перед взлетом (или посадкой) крыло как бы «расправляется». Из его задней кромки «выползают» новые плоскости, слегка загибаясь вниз. А при пробеге после посадки на верхней поверхности крыла поднимается что-то похожее на почти вертикальные щитки. Это и есть элементы механизации крыла.
Человек всегда стремился летать быстрее. И это у него получалось 🙂 . «Выше, быстрее – всегда!» Скорость – предмет устремлений и камень преткновения. На высоте быстро – это хорошо. Но на взлете и посадке иначе. Большая взлетная скорость не нужна. Пока ее самолет (особенно если это большой тяжелый лайнер) наберет, никакой полосы не хватит, плюс ограничения по прочности шасси. Посадочная скорость тем более не должна быть очень большой. Или шасси разрушится или экипаж с пилотированием не справится. Да и пробег после посадки будет немаленький, где набрать таких больших аэродромов 🙂 .
Вот тут человеку и пригодилась его смекалка-хитрость 🙂 . Выход был найден, в общем-то, без особого труда. Это взлетно-посадочная механизация крыла.
Механизация включает в себя закрылки, предкрылки, интерцепторы, спойлеры, флапероны, активные системы управления пограничным слоем и т. д. для наглядности приведем всем известный рисунок:
Закрылки – первая из придуманных разновидностей механизации крыла, они же и наиболее эффективны.
Закрылки всегда находятся на задней кромке крыла и всегда опускаются вниз, и, к тому же, могут выдвигаться назад. Они помогают нашему самолету улучшить несущую способность крыла при взлетах, посадках, наборах высоты и прочих маневрированиях. Рабочим языком выполняют роль паруса при взлете и парашюта при посадках))
В зависимости от типа самолета, применяются разные схемы:
Як-40 на посадку с выпущенными закрылками:
ПРЕДКРЫЛКИ
Следующий элемент механизации крыла - предкрылки. Чтобы расширить возможность самолета летать на больших углах атаки (а значит и с меньшей скоростью) и были придуманы предкрылки.
Обычный щелевой предкрылок в выпущенном состоянии:
Вы наверняка видели, как самолеты после отрыва от полосы не плавно поднимаются вверх, а делают это интенсивно, довольно резко задрав нос. Это как раз самолет с действующими предкрылками.
По конструкции и принципу действия предкрылки похожи на щелевые закрылки, только устанавливаются, естественно, на передней кромке крыла.
Ту-154 на рулении, с выпущенными предкрылками:
Предкрылки и закрылки обычно работают в комплексе. Однако для разных типов самолетов возможны специфичные режимы их раздельной работы. Например дозаправка в воздухе.
Вот пожалуй и все об элементах, относящихся к понятию взлетно-посадочная механизация крыла. Эти элементы позволяют самолету уверенно чувствовать себя на взлетно-посадочных режимах и при этом довольно внушительно (интересно) выглядят
ЭЛЕРОНЫ
А теперь об оставшихся элементах крыла, указанных на рисунке в начале статьи.Элероны.
Их бы я к механизации крыла не относил. Это органы поперечного управления самолетом, то есть управления по каналу крена. Работают они дифференциально. На одном крыле вверх, на втором вниз. Однако существует такое понятие, как флапероны, слегка «роднящее» 🙂 элероны с закрылками. Это так называемые «зависающие элероны». Они могут отклоняться не только в противоположные стороны, но, если надо и в одну тоже. В этом случае они выполняют роль закрылков. Применяются они не часто, в основном на легких самолетах.
ИНТЕРЦЕПТОРЫ
Следующий элемент – интерцепторы. Это плоские элементы на верхней поверхности крыла, которые поднимаются (отклоняются) в поток. При этом происходит торможение этого потока, как следствие увеличение давления на верхней поверхности крыла и далее, понятно, уменьшение подъемной силы этого крыла. Интерцепторы еще иногда называют органами непосредственного управления подъемной силой.
Тормозим интерцепторами:
В зависимости от предназначения и площади поверхности консоли, расположения её на крыле и т. д. интерцепторы делят на элерон-интерцепторы и спойлеры
Эффект действия интерцепторов используется в процессе пилотирования и для торможения. В первом случае они работают (отклоняются) в паре с элеронами (теми, которые отклоняются вверх) и называются элерон-интерцепторы. Пример самолетов с такими органами управления – ТУ-154, В-737.
Боинг-737. Работает левый элерон-интерцептор для ликвидации правого крена:
Во втором случае синхронный выпуск интерцепторов позволяет изменить вертикальную скорость самолета без изменения угла тангажа (то есть не опуская его нос). В этом случае они работают как воздушные тормоза и называются спойлерами. СПОЙЛЕРЫ обычно применяются еще и после посадки одновременно с ревесом тяги (если, конечно, таковой имеется 🙂). Главная их задача в этом случае быстро уменьшить подъемную силу крыла и тем самым прижать колеса к бетонке, чтобы можно было эффективно тормозить тормозами колес.
Выпущенные спойлеры (посадка) :
ЗАКОНЦОВКИ КРЫЛА
Законцовки крыла служат для увеличения эффективного размаха крыла, снижая лобовое сопротивление, создаваемое срывающимся с конца стреловидного крыла вихрем и, как следствие, увеличивая подъёмную силу на конце крыла. Также законцовки позволяют увеличить удлинение крыла, почти не изменяя при этом его размах.
Применение законцовок крыла позволяет улучшить топливную экономичность у самолётов, либо дальность полёта у планёров. В настоящее время одни и те же типы самолётов могут иметь разные варианты законцовок.
Вот вкратце такова механизация крыла. Именно вкратце.На самом деле эта тема намного шире.
Если хотите блеснуть эрудицией в узком кругу, знайте! у большинства современных самолетов — ОДНО крыло! А слева и справа это полуКрылья!))
Но сегодня я итак уже слишком много занимаю Ваше внимание. Думаю, что все еще впереди
Механизация крыла - это система устройств (закрылки, предкрылки, интерцепторы, спойлеры, тормозные щитки) предназначенные для управления подъёмной силой У и лобовым сопротивлением X самолёта, улучшая взлётно-посадочные характеристики (ВПХ).
Рост скоростей полёта самолёта, которым сопровождается развитие авиации, влечёт за собой рост взлётно-посадочных скоростей, что усложняет технику пилотирования и требует увеличения длины взлетно-посадочной полосы (ВПП).
Основным способом улучшения ВПХ является оснащение крыла мощной механизацией.
Задача механизации крыла:
При взлёте - создание наибольшей подъёмной силы У без значительного увеличения лобового сопротивления X;
При посадке - наибольшей подъёмной силы У и наибольшего лобового сопротивления X;
Улучшение маневренных характеристик и активного парирования перегрузок, возникающих во время полёта.
Минимальная скорость полёта соответствует полёту на околокритических углах атаки при С у ≈ С у max
Зависимость Су= f (α) для различных видов механизации.
1. Крыло без механизации.
2. Крыло с предкрылком.
3. Крыло с щелевым закрылком.
4. Крыло с щелевым закрылком и предкрылком.
К основным видам механизации крыла относится:
Закрылки;
Предкрылки;
Интерцепторы;
Требования к механизации крыла:
Максимальное С у α при отклонении средств механизации в посадочное положение при посадочных углах атаки α самолёта;
Минимальное С х α в убранном положении средств механизации;
максимальное качество К при разбеге самолёта и возможное С у α при отклонении средств механизации во взлётное положение;
Возможно меньшее изменение смещения центра давления (ЦД) крыла при отклонении
ВПМ (взлётно - посадочной механизации);
Синхронность действий ВПМ на обеих консолях крыла;
Простота конструкции и надёжность работы.
Факторы увеличивающие несущую способность крыла и тем самым улучшающие ВПХ самолёта достигаются:
Увеличением эффективной кривизны профиля крыла при отклонении
средств механизации;
Увеличением площади крыла;
Управлением пограничным слоем для безотрывного обтекания
верхней поверхности крыла и затягивания срыва на бОльшие углы атаки за счёт скорости пограничного слоя: - эффектом щелей;
Отсосом пограничного слоя.
Улучшение взлетно-посадочных характеристик самолета и, прежде всего, снижение его посадочной скорости и скорости отрыва на взлете обеспечивается применением средств механизации крыла. К этим средствам относятся устройства, позволяющие изменять несущую способность и сопротивление крыла. Они могут устанавливаться по передней кромке крыла - предкрылок, отклоняемый носок, по задней кромке - щитки, закрылки (одно-, двух-, трехщелевые) и на верхней поверхности крыла - тормозные щитки и гасители подъемной силы. Закрылки, щитки, предкрылки перед посадкой отклоняются (и выдвигаются) на максимальные углы, обеспечивая прирост несущей способности крыла (С yа S) за счет увеличения кривизны профиля, некоторого увеличения площади крыла и за счет щелевого эффекта. Рост несущей способности крыла уменьшает посадочную скорость самолета. На взлете эта механизация отклоняется на меньшие углы, обеспечивая некоторое увеличение несущей способности при незначительном росте сопротивления, в результате чего сокращается длина разбега самолета. Тормозные щитки и гасители подъемной силы обычно отклоняются на пробеге, обеспечивая резкое падение подъемной силы крыла, что позволяет более интенсивно использовать тормоза колес и сокращать длину пробега. На величину посадочной скорости и скорости отрыва они не влияют. Тормозные щитки и гасители подъемной силы также могут использоваться в полете для уменьшения аэродинамического качества и увеличения угла планирования при снижении.
На рисунке цифрами обозначены:
1 - предкрылки, 2 - закрылки, 3 - гасители подъемной силы- интерцепторы, спойлеры, 4 - тормозной щиток, 5- элерон.
Щитки представляют собой отклоняемые вниз поверхности, расположенные в нижней части крыла. В неотклонённом положении щитки вписываются в контур профиля крыла. Угол отклонения до 60°.
Отклоняемый выдвижной
- двухщелевые;
Трёхщелевые раздвижные.
Рис.3. 7. Двухщелевой закрылок
Хорда закрылков составляет 30 - 40 % хорды крыла.
Повышение коэффициента С у у крыла происходит вследствии:
Увеличения вогнутости крыла;
Увеличения площади крыла;
Организации безсрывного обтекания крыла.
Так как закрылок отклоняется вниз, то увеличивается вогнутость, одновременно выдвигается назад и увеличивается хорда, а значит, площадь крыла S KP .
Применение щелевых закрылков создаёт между крылом и закрылком профилированную щель, через которую воздух устремляется из области повышенного давления под крылом в область пониженного давления над крылом. При этом сдувается пограничный слой с верхней стороны закрылка и отсасывание его.
Элементы конструкции закрылка:
Лонжероны, нервюры, стрингеры, обшивка;
Каретки и рельсы;
Винтовые подъёмники, которые служат для перемещения закрылков.
В трёхщелевом закрылке: - дефлектор;
Силовая центральная часть;
Хвостик.
Предкрылки - это профилированный подвижный элемент крыла, расположенный в носовой части крыла по всему размаху, либо на концевых его частях против элеронов (концевой предкрылок).
Предкрылок имеет: эл. обогрев -Ту-154; воздушно-тепловой - Ил-76. Состоит из секций.
Предкрылок обеспечивает возможность реализации прироста С у α , даваемого средствами механизации, повышает эффективность элеронов на больших углах атаки α и повышает поперечную устойчивость самолёта (при стреловидных крыльях).
Тип: - отклоняемые носки;
Выдвижные с образованием щели между крылом и предкрылком.
Конструкция: - лонжерон, нервюры, обшивка, рельсы, каретки, винтовые преобразователи.
Рис. 3.8. Предкрылок.
Предкрылки могут управлятся пилотом или автоматически. Предкрылки выдвигаются вперёд и вниз и при этом:
Увеличивается площадь крыла S kp и кривизна профиля;
Образуется щель и выходящая струя из щели с большой скоростью
прижимает воздушный поток к верхней поверхности крыла Использование предкрылков увеличивает на 40-50% С у max за счёт увеличения критического угла атаки (α кр.)
Интерцепторы это подвижные части крыла в виде профилированных щитков (пластин), расположенные на верхней поверхности крыла перед закрылками и служащие для управления подъёмной силой.
Интерцепторы (спойлеры), с точки зрения а/д, это гасители подъёмной силы, тормозные щитки, отклоняющиеся вверх симметрично на обеих консолях крыла, вызывая срыв потока, за счёт этого уменьшается подъёмная сила и увеличивается лобовое сопротивление, а в убранном положении утоплены в крыло. В элеронном режиме вверх отклоняется только тот, где отклонился элерон вверх, при этом создаётся крен самолёта, т.е. увеличивается эффективность элеронов.
Интерцепторы применяются в полёте и на земле. В полёте для изменения эшелона полёта, т. ↓H и ↓V. На земле для Х (лобового сопротивления) и как следствие ↓L пробега после приземления.
В настоящее время разработаны энергетические средства механизации крыла, в которых используется сжатый воздух, подаваемый от компрессоров двигателей или специальных вентиляторов.
Улучшение а/д характеристик крыла достигается:
Управлением пограничным слоем за счет отсоса или сдува с верхней поверхности крыла, предкрылков и закрылков через специальные отверстия, щели, пористые поверхности;
Применением струйно-реактивного закрылка – профилированной щели вдоль задней кромки крыла, через которую назад и вниз выбрасывается струя воздуха.
Она эжектирует окружающий воздух, увеличивает скорость обтекания крыла, создает дополнительную силу за счет вертикальной составляющей реактивной тяги воздушной струи.
На современных самолётах, как правило, применяется комплексная механизация крыла, т.е. сочетание различных видов механизация крыла, т.е. сочетание различных видов механизации.
Элероны это подвижные части крыла, расположенные у задней кромки крыла на его концах и отклоняемые одновременно в противоположные стороны (один элерон вверх, а другой - вниз) для создания крена самолёта.
Предназначены элероны для управления самолётом относительно его продольной оси ОХ. Управление производится штурвалом пилота.
Требования к элеронам: обеспечение эффективности управления по крену на всех режимах полёта. Это достигается:
Исключением заклинивания элеронов при изгибе крыла в полёте;
Весовой балансировкой элеронов;
Уменьшением шарнирных моментов (за счёт а/д компенсации); уменьшением дополнительного сопротивления в отклонённом и убранном положениях;
Уменьшением момента рыскания при отклонении элеронов;
Применение элерон-интерцепторов;
Применение дифференциально отклоняемых половин стабилизатора. Конструкция элеронов: форма аналогичная крылу и состоит из каркаса и обшивки.
Каркас: лонжерон, стрингера, нервюры, диафрагмы и обшивка.
Похожая информация.
Из многочисленных средств передвижения именно самолет является самым быстрым, удобным и безопасным. Каждый современный человек видел авиалайнер, но не все понимают, как именно работает механизм. В этой статье мы подробно рассмотрим строение крыла самолета.
Конструкция авиалайнера состоит из следующих основных элементов:
- крыла;
- оперения хвостовой части;
- устройства для взлета и посадки;
- фюзеляжа;
- двигателей.
Поскольку в рамках одной статьи невозможно детально рассмотреть каждый элемент конструкции, далее мы сфокусируем внимание исключительно на крыльях.
Одним из основных «органов» воздушного транспорта являются крылья, без которых самолет даже не сможет оторваться от земли. Конструкция крыла самолета состоит из правой и левой консоли, основное предназначение данного узла – создать необходимую подъемную силу для авиалайнера .
Здесь расположена механизация для взлета и посадки, которая в несколько раз улучшает следующие характеристики:
- разгон авиалайнера;
- скорость разбега;
- скорость взлета и посадки.
Также тут располагаются топливные баки, а на военных машинах предусмотрены место для перевозки военного снаряжения.
От чего зависят летные качества авиатранспорта?
Размах и форма крыла самолета влияют на летные качества. Размах крыла самолета определяется длиной между прямым крылом и концевой точкой данного элемента.
Профиль крыла самолета – это сечение по плоскости, которое замеряется перпендикулярно размаху. В зависимости от предназначения авиалайнера его профиль крыла может меняться, и именно этот момент является основным, ведь с его помощью формируется сам летательный аппарат. То есть профиль крыла самолета влияет на назначение авиатранспорта и скорость его передвижения. Например:
- профиль с острой передней кромкой предназначается для скоростных авиалайнеров МИГ-25;
- высотный самолет МИГ-31 обладает аналогичным профилем;
- более толстый профиль с передней закругленной кромкой предназначается для авиатранспорта, предназначенного для транспортировки пассажиров.
Существует несколько вариантов профилей, однако их форма исполнения всегда одинаковая. Данный элемент представляется в виде капли различной толщины.
Создавая профиль для любого летательного аппарата, производители сперва проводят точные расчеты, основанные на аэродинамике. Подготовленный образец проверяется в специальной аэродинамической трубе, и если технические характеристики подойдут для полетных условий, профиль устанавливается на летательный аппарат. Разработкой аэродинамических профилей занимались ученые с начала развития авиации, процесс разработки не прекращается и в настоящее время.
Крыло самолета «Москито»
Принцип работы
При помощи крыла летательный аппарат удерживается в небе. Многие ошибочно считают, что авиатранспорт обладает двумя крыльями , на самом деле у него имеется всего один элемент , и две плоскости, которые расположены на правой и левой сторонах.
То, как работает крыло самолета, доступно объяснили журналисты телеканала «Россия 2». Рекомендуем ознакомиться с коротким и познавательным видео, на котором принцип работы крыла самолета изложен доступным языком.
Согласно закону Бернулли , чем выше поток частиц или жидкости, тем меньше будет наблюдаться внутреннее давление воздушного потока. Именно по этому закону создается профиль крыла, то есть поток частиц или жидкости, соприкасаясь с поверхностью профилей, равномерно распределятся по всем частям элемента.
В хвостовой зоне частицы также не должны соединяться, чтобы не образовался вакуум, поэтому верхняя часть элемента обладает большей кривизной. Именно такое строение позволяет создать меньшее давление на верхней части элемента, что и требуется для создания подъемной силы .
Сила подъема крыла может завесить и от «угловой атаки». Для ее замера используется длина хорды крыла и скорость встречного потока воздушных масс. Чем больше будет показатель «угловой атаки», тем будет больше сила подъема крыла. Поток воздушных масс может быть как ламинарным, так и турбулентным:
- Гладкий поток без вихрей называется ламинарным , с его помощью создается подъемная сила.
- При турбулентном потоке, который создается при помощи вихрей, равномерно распределить давление не получится, соответственно, и подъемную силу создать не удастся.
Чтобы воздушный транспорт имел нужный скоростной диапазон, мог осуществлять безопасную посадку и взлет, максимально разгонялся, существует специальный механизм управления крыла, в который входят следующие элементы:
- закрылки и предкрылки;
- интерцепторы;
- щитки для посадки.
Закрылки устанавливаются в задней части, являются основными компонентами в механизме управления самолета. Они уменьшают скорость, предоставляют авиатранспорту необходимую силу для подъема в воздух. Предкрылки не допускают возникновения слишком большой «угловой атаки», элементы расположены в носовой части. Интерцепторы расположены вверху крыла, помогают снизить подъемную силу когда это необходимо.
Законцовка
Данная часть крыла самолета помогает увеличить размах крыла, в несколько раз снижает сопротивление, которое образуется воздушным потоком, а также увеличивает подъемную силу. Кроме этого, законцовка крыла самолета помогает увеличить длину, практически не изменив при этом его размах. При использовании законцовки расход топлива у самолетов сокращается в несколько раз, а у планеров увеличивается дальность пути. Чаще всего используются гребневые законцовки, который помогают экономнее использовать топливо, легче набирать высоту, уменьшить длину разбега перед взлетом.
Кроме этого, элемент крыла самолета гребневого типа в несколько раз уменьшает индукционное сопротивление. Сегодня они чаще всего применяются на Боингах-767, -777, -747-8, а в ближайшее время планируется установка на Боингах-787.
Вконтакте
На современных самолетах с целью получения высоких летно-тактических характеристик, в частности для достижения больших скоростей полета, значительно уменьшены и площадь крыла и его удлинение. А это отрицательно сказывается на аэродинамическом качестве самолета и особенно на взлетно-посадочных характеристиках.
Для удержания самолета в воздухе в прямолинейном полете с постоянной скоростью необходимо, чтобы подъемная сила была равна весу самолета - Y = G . Но так как
(30)
Из формулы (30) следует, что для удержания самолета в воздухе на наименьшей скорости (при посадке, например) нужно, чтобы коэффициент подъемной силы С y был наибольшим. Однако С y можно увеличивать путем увеличения угла атаки только до α крит. Увеличение угла атаки больше критического приводит к срыву потока на верхней поверхности крыла и к резкому уменьшению С y , что недопустимо. Следовательно, для обеспечения равенства подъемной силы и веса самолета необходимо увеличить скорость полета .
Вследствие указанных причин посадочные скорости современных самолетов довольно велики. Это сильно усложняет взлет и посадку и увеличивает длину пробега самолета.
С целью улучшения взлетно-посадочных характеристик и обеспечения безопасности на взлете и особенно посадке необходимо посадочную скорость по возможности уменьшить. Для этого нужно, чтобы С y был возможно больше. Однако профили крыла, имеющие большое Су макс, обладают, как правило, большими значениями лобового сопротивления Сх мин , так как у них большие относительные толщина и кривизна. А увеличение Сх. мин , препятствует увеличению максимальной скорости полета. Изготовить профиль крыла, удовлетворяющий одновременно двум требованиям: получению больших максимальных скоростей и малых посадочных - практически невозможно.
Поэтому при проектировании профилей крыла самолета стремятся в первую очередь обеспечить максимальную скорость, а для уменьшения посадочной скорости применяют на крыльях специальные устройства, называемые механизацией крыла.
Применяя механизированное крыло, значительно увеличивают величину Су макс, что дает возможность уменьшить посадочную скорость и длину пробега самолета после посадки, уменьшить скорость самолета в момент отрыва и сократить длину разбега при взлете. Применение механизации улучшает устойчивость и управляемость самолета на больших углах атаки. Кроме того, уменьшение скорости при отрыве на взлете и при посадке увеличивает безопасность их выполнения и сокращает расходы на строительство взлетно-посадочных полос.
Итак, механизация крыла служит для улучшения взлетно-посадочных характеристик самолета путем увеличения максимального значения коэффициента подъемной силы крыла Cу макс .
Суть механизации крыла состоит в том, что с помощью специальных приспособлений увеличивается кривизна профиля (в некоторых случаях и площадь крыла), вследствие чего изменяется картина обтекания. В результате получается увеличение максимального значения коэффициента подъемной силы.
Эти приспособления, как правило, выполняются управляемыми в полете: при полете на малых углах атаки (при больших скоростях полета) они не используются, а применяются лишь на взлете, на посадке, когда увеличение угла атаки не обеспечивает получения нужной величины подъемной силы.
Существуют следующие виды механизации крыла: щитки, закрылки, предкрылки, отклоняемые носки крыла, управление пограничным слоем, реактивные закрылки .
Щиток представляет собой отклоняющуюся поверхность, которая в убранном положении примыкает к нижней, задней поверхности крыла. Щиток является одним из самых простых и наиболее распространенных средств повышения Су макс.
Увеличение Су макс при отклонении щитка объясняется изменением формы профиля крыла, которое можно условно свести к увеличению эффективного угла атаки и вогнутости (кривизны) профиля.
При отклонении щитка образуется вихревая зона подсасывания между крылом и щитком. Пониженное давление в этой зоне распространяется частично на верхнюю поверхность профиля у задней кромки и вызывает отсос пограничного слоя с поверхности, лежащей выше по течению. За счет отсасывающего действия щитка предотвращается срыв потока на больших углах атаки, скорость потока над крылом возрастает, а давление уменьшается. Кроме того, отклонение щитка повышает давление под крылом за счет увеличения эффективной кривизны профиля и эффективного угла атаки α эф .
Благодаря этому выпуск щитков увеличивает разность относительных давлений над крылом и под крылом, а следовательно, и коэффициент подъемной силы Су .
На рис. 42 показан график зависимости С y от угла атаки для крыла с различным положением щитка: убранное, взлетное φ щ = 15°, посадочное φ щ = 40°.
При отклонении щитка вся кривая Су щ = f(α) смещается вверх почти эквидистантно кривой Су = f (α) основного профиля.
Из графика видно, что при отклонении щитка в посадочное положение (φ щ = 40°) приращение Су составляет 50-60%, а критический угол атаки при этом уменьшается на 1-3°.
Для увеличения эффективности щитка конструктивно его выполняют таким образом, что при отклонении он одновременно смещается назад, к задней кромке крыла. Тем самым увеличиваются эффективность отсоса пограничного слоя с верхней поверхности крыла и протяженность зоны повышенного давления под крылом.
При отклонении щитка одновременно с увеличением коэффициента подъемной силы увеличивается и коэффициент лобового сопротивления, аэродинамическое качество крыла при этом уменьшается.
Закрылок . Закрылок представляет собой отклоняющуюся часть задней кромки крыла либо поверхность, выдвигаемую (с одновременным отклонением вниз) назад из-под крыла. По конструкции закрылки делятся на простые (нещелевые), однощелевые и многощелевые .
Рис. 39. Профиль крыла со щитком, смещающимся назад
Рис. 40. Закрылки: а - нещелевой; б - щелевой
Нещелевой закрылок увеличивает коэффициент подъемной силы С y за счет увеличения кривизны профиля. При наличии между носком закрылка и крылом специально спрофилированной щели эффективность закрылка увеличивается, так как воздух, проходящий с большой скоростью через сужающуюся щель, препятствует набуханию и срыву пограничного слоя. Для дальнейшего увеличения эффективности закрылков иногда применяют двухщелевые закрылки, которые дают прирост коэффициента подъемной силы С y профиля до 80%.
Увеличение Су макс крыла при выпуске закрылков или щитков зависит от ряда факторов: их относительных размеров, угла отклонения, угла стреловидности крыла. На стреловидных крыльях эффективность механизации, как правило, меньше, чем у прямых крыльев. Отклонение закрылков, так же как и щитков, сопровождается не только повышением С y , но в еще большей степени приростом С x , поэтому аэродинамическое качество при выпущенной механизации уменьшается.
Критический угол атаки при выпущенных закрылках незначительно уменьшается, что позволяет получить С умакс при меньшем подъеме носа самолета (рис. 37).
Рис. 41. Профиль крыла с щитком
Рис. 42. Влияние выпуска щитков на кривую Су=f()
Рис. 43. Поляра самолета с убранными и выпущенными щитками
Предкрылок представляет собой небольшое крылышко, находящееся впереди крыла (рис. 44).
Предкрылки бывают фиксированные и автоматические.
Фиксированные предкрылки на специальных стойках постоянно закреплены на некотором удалении от носка профиля крыла. Автоматические предкрылки при полете на малых углах атаки плотно прижаты к крылу воздушным потоком. При полете на больших углах атаки происходит изменение картины распределения давления по профилю, в результате чего предкрылок как бы отсасывается. Происходит автоматическое выдвижение предкрылка (рис. 45).
При выдвинутом предкрылке между крылом и предкрылком образуется суживающаяся щель. Увеличиваются скорость воздуха, проходящего через эту щель, и его кинетическая энергия. Щель между предкрылком и крылом спрофилирована таким образом, что воздушный поток, выходя из щели, с большой скоростью направляется вдоль верхней поверхности крыла. Вследствие этого скорость пограничного слоя увеличивается, он становится более устойчивым на больших углах атаки и отрыв его отодвигается на большие углы атаки. Критический угол атаки профиля при этом значительно увеличивается (на 10°-15°), а Cу макс увеличивается в среднем на 50% (рис. 46).
Обычно предкрылки устанавливаются не по всему размаху, а только на его концах. Это объясняется тем, что, кроме увеличения коэффициента подъемной силы, увеличивается эффективность элеронов, а это улучшает поперечную устойчивость и управляемость. Установка предкрылка по всему размаху значительно увеличила бы критический угол атаки крыла в целом, и для его реализации на посадке пришлось бы стойки основных ног шасси делать очень высокими.
Рис. 44. Предкрылок
Рис. 45. Принцип действия автоматического предкрылка:
а - малые углы атаки; б – большие углы атаки
Фиксированные предкрылки устанавливаются, как правило, на нескоростных самолетах, так как такие предкрылки значительно увеличивают лобовое сопротивление, что является помехой для достижения больших скоростей полета.
Отклоняемый носок (рис. 47) применяется на крыльях с тонким профилем и острой передней кромкой для предотвращения срыва потока за передней кромкой на больших углах атаки.
Изменяя угол наклона подвижного носка, можно для любого угла атаки подобрать такое положение, когда обтекание профиля будет безотрывным. Это позволит улучшить аэродинамические характеристики тонких крыльев на больших углах атаки. Аэродинамическое качество при этом может возрастать.
Искривление профиля отклонением носка повышает Су макс крыла без существенного изменения критического угла атаки.
Рис. 46. Кривая Су =f (α) для крыла с предкрылками
Рис. 47. Отклоняемый носок крыла
Управление пограничным слоем (рис. 48) является одним из наиболее эффективных видов механизации крыла и сводится к тому, что пограничный слой либо отсасывается внутрь крыла, либо сдувается с его верхней поверхности.
Для отсоса пограничного слоя или для его сдувания применяют специальные вентиляторы либо используют компрессоры самолетных газотурбинных двигателей.
Отсасывание заторможенных частиц из пограничного слоя внутрь крыла уменьшает толщину слоя, увеличивает его скорость вблизи поверхности крыла и способствует безотрывному обтеканию верхней поверхности крыла на больших углах атаки.
Сдувание пограничного слоя увеличивает скорость движения частиц воздуха в пограничном слое, тем самым предотвращает срыв потока.
Управление пограничным слоем дает хорошие результаты в сочетании с щитками или закрылками.
Рис. 48. Управление пограничным слоем
Рис. 49. Реактивный закрылок
Реактивный закрылок (рис. 49) представляет струю газов, вытекающую с большой скоростью под некоторым углом вниз из специальной щели, расположенной вблизи задней кромки крыла. При этом струя газа воздействует на поток, обтекающий крыло, подобно отклоненному закрылку, вследствие чего перед реактивным закрылком (под крылом) давление повышается, а позади его понижается, вызывая увеличение скорости движения потока над крылом. Кроме того образуется реактивная сила Р , создаваемая вытекающей струёй.
Эффективность действия реактивного закрылка зависит от угла атаки крыла, угла выхода струи и величины силы тяги Р . Их используют для тонких, стреловидных крыльев малого удлинение Реактивный закрылок позволяет увеличить коэффициент подъемной силы Cу макс в 5-10 раз . Для создания струи используются газы, выходящие из турбореактивного двигателя.