חברת תעופה מסחרית מודרנית מיועדת למקסם את יעילות הדלק תוך הבטחת בטיחות ונוחות.אחד החידושים המרכזיים בעיצוב מטוסים הוא השימוש בכנפיים - הרחבות מוטעות או זוויות בטיפים של הכנפיים.מחקר עדכני התמקד כיצד הגיאומטריה של אלה הכנפיים משפיע על כלכלת דלק, אשר חיוני להפחתת עלויות התפעול וההשפעה הסביבתית שלהם.

הפיזיקה של ורטייפ וורוטיקס ו-Induced Drag

כדי להבין כיצד הגיאומטריה של כנף משפיעה על כלכלת הדלק, יש קודם כל לתפוס את התופעה האירודינמית כנפיים נועדו להפחית: כ כנף מייצרת מעלית, לחץ אוויר על פני השטח התחתון גבוה יותר מאשר על פני השטח העליון. זה לחץ כוחות אוויר כדי לשפוך סביב האגף, יצירת זרימה ספירלה - מערבה.

האנרגיה שאבדה ויצרה את הטורטיות הללו באה לידי ביטוי כ-FLT:0 גרם לגרורות גרורות 1:1, המהווה חלק משמעותי של גרור מוחלט, במיוחד במהלך ההמראה, עלייה, ורמות מהירות נמוכה.הגודל והעוצמה של vultip vortices תלויים במתח ויחס האגף: כנפיים צרות יותר מייצרות פריימים, אך מגבירות את האגף, ובכך מגבירות את פני השטח, ובכך מגבירות את רמת הפיקוח הגופנית את רמת האגף, באופן יעיל, באופן יעיל, ובכך, באופן יעיל, ללא מגבלות הפיקוח.

על ידי הצבת משטח אנכי או זוויתי באגף, הכנפיים פורצות את הטורטקס, להפיץ את האנרגיה שלו על נפח גדול יותר של אוויר וחלשתו.הכנף גם יוצר מרכיב המעלית הקטן שלו (כוח צד), אשר ניתן לפתור לתוך רכיב דחף קדימה, צמצום האפקטיביות של הפחתת הפחתת ההפחתה הזו.

פיתוח עיצוב כנפיים: מ-Wicomb ועד מודרני סקימיטאר

הרעיון של כריות חוזר בשנות ה-70, כאשר מהנדס נאס"א ריצ'רד וויטקומב ערך בדיקות רוח-טונות להוכיח כי משטחים אנכיים קטנים, מעוצבים בקפידה על גבי משטחים אנכיים בכנפיים יכול להפחית את ה- 57%.היישום המוקדם היה פשוט, פינים אנכיים, אבל כמו דינמיקת נוזל חישובית (CFD) ובדיקת מנעול רוח מתקדמת, מעצבים למדו כי תערובות, רדיוס, תצורה רב-מול, ותצורה רב-מול, רב-מישומיית-תכליתית-מישול-מחדשתית, אפילו יכולה לספק רווחים גדולים יותר.

בואינג הציגה כריות משולבות בשנות ה-80 על 747-400, ואחריו שורה ארוכה של אפשרויות רטרופיט וייצור. Airbus פיתחה את הגרסה שלה בשם "Sharklets", שהם גבוהים יותר ונשחפים יותר.היום, העיצובים המתקדמים ביותר - כגון האגף הפיסול השברירי על מטוסי 737 MAX - משטחים מרובים של חלקיקים כדי לחלץ כל חלק של אחוז בחיסכון ההיסטורי מראה כי הוא עמוק יותר של כדוריות פיזיקלומות.

המונחים: key Geometric Parameters of Winglets

ניתן לתאר את הגיאומטריה של כנף על ידי כמה פרמטרים הקשורים זה לזה.שינויים קטנים בכל אחד מהם יכולים להשפיע עמוקות על הפחתת הגרור המושרה, מאפייני דוכנים וביצועים מחוץ לתכנון.

Cantזווית

זווית Cant היא הטיה של האגף הרחק מן הציר האנכי. ערכים אופייניים נעים מ 0 ° (מועיל) ל- 30° בחוץ. זווית ראייה גבוהה יותר מגבירה את רכיב הכוח השני, אשר יכול לייצר אפקט דמוי דחף, אבל זה גם מגביר את הרגע ההפוך בקצה האגף.

גובה וספאן

גובהו של כנף למעשה מרחיב את תוחלת האווירודינמיקה של כנף. ⁇ ⁇ לייצר יחס היבט יעיל יותר, צמצום גרר המושרה יותר.עם זאת, גובה מוסיף משקל ומגדיל את הגרור הפרסיטי.עבור כנפיים סחף, גובה האגף לעתים קרובות מוגבל על ידי פינוי שדה התעופה ואינטגרציה מבנית. על הבואינג 737 MAX, כנף השברירית מוסיפה בערך 8 מטרים ליעילות.

סופ אנג'ל

שמירה על האגף לאחור עוזרת לשלוט על זרימת האוויר במהירויות גבוהות ועיכובים היווצרות הלם. כריונים מודרניים בדרך כלל סחף בין 30° ל 50 מעלות צלזיוס, סופפ משפיע גם על חלוקת המעלית לטווח ארוך; גורף מתאים יכול להפחית את הנטייה עבור האגף כדי לעמוד בטרם עת.

Taper Ratio ו- Planform Shape

כנפיים בדרך כלל מרוקדות עד קצה כדי להפחית במשקל וגרור המקומי.יחס הברז (tip chord / שורש אקורד) הוא בדרך כלל בין 0.2 ל-0.5. כמה עיצובים משתמשים בצורת מעוקל או "סיכוני", שבו לחוד המוביל יש גורף גדל ככל שהטיפ מתקרב.צורה זו מסייעת לשמור על זרימה מחוברת על טווח רחב של זוויות של התקפה.

תגית: Radius

עקומת המעבר בין הזרוע לאגף - מה שנקרא רדיוס תערובת - היא קריטית לצמצום ההתערבות גרר. תערובת חלקה עם רדיוס גדול מפחיתה את הלחץ המקומי החזק כי יכול לגרום להפרדה זרימה. בלנדרונים, כמו אלה על 737 Classic ו 757, מאופיינים על ידי מעבר עדין, בעוד גדרות כנף פשוטה יותר (כמו Aceo) יש צומת חד.

פיצול Configurations

כמה כריות מודרניות משלבות הן למעלה והן אלמנט מטה - תצורה מפוצלת.הגורם מטה (או "פליג") מיירט את הטורטקס מלמעלה, בעוד האלמנט העליון מטפל בחלק העליון.ה היתרון הוא ששני פני השטח ניתן לייעל עבור תנאי טיסה שונים, ואת הגובה הכולל ניתן להפחית בהשוואה לכנף אחד גבוה, הקלה על פני הקרקע.

סוגי כנפיים Geometries בשירות

חברת תעופה מסחרית מעסיקה כיום מגוון רחב של גיאוגרפיות כנף, כל אחד מותאם לפלטפורמת מטוסים מסוימת.הבאים הם הסוגים הנפוצים ביותר, יחד עם המאפיינים האירודינמיקה שלהם.

כנפיים

מוצג על ידי בואינג בשיתוף פעולה עם שותפים תעופה, כנף משולבת תכונה עקומה חלקה המחברת את כנף ואת האגף.רדיוס תערובת הוא גדול, יצירת מעבר חלק. עיצוב זה מפחית את ההפרעה ומאפשר לאגף להיות גבוה באופן סביר ללא משקל מופרז.בבבונד כנפיים מבולקלות הם רטרוfed על 737-700 / 800 /900 ו 757-200, ו היו סטנדרטיים על 767-300 ו 747 בדרך כלל חיסכון של 3400.

כרישים (Airbus)

כרישים של Airbus, שהוצגו על משפחת A320neo ו-Refittable ל- A320ceo, גבוהים יותר ונשחפים יותר מאשר טיפוסית של כרובות ממותגות.יש להם גורף מוביל מוביל של כ 45 מעלות וצורת טיפ נפרדת. CFD ובדיקות הטיסה להראות כי כרישים להפחית את שריפת הדלק בכ-4% בטיסות לטווח ארוך.

פיצול Scimitar Winglet (Boeing 737 MAX)

אולי כנף הייצור המתקדמת ביותר, עיצוב פיסול המפולגת משלב טיפ מסורתי סחף עם אלמנט קטן יותר למטה.היסוד העליון יש מחוספס (כמו להב) חלפה, בעוד האלמנט מטה הוא זוויתד פנימה. תצורה זו מאפשרת לחברת התעופה להשיג הרחבה יעילה שווה ערך לשקע יחיד גבוה יותר, אך עם משקל נמוך יותר ושיפור נקיון על ה-737, לתרום שיפור זה של 14% יותר ויותר דלק חדש (Ricericericerd) עם שיפור דלק חדש יותר עם מנועים חדשים יותר ויותר).

תגית: Pances

גדרות כנפיים הן שטוחות, לוחות אנכיים הרכובים באגף, לעתים קרובות עם לוח קצה קטן.הם היו נפוצים על גרסאות קודמות של A320 ו- A340. בעוד פשוט וקל יותר וקל יותר מאשר מכובש, גדרות הן פחות יעילות כי הם מייצרים פחות דחף מושרה מעליות ויש להם חסכון דלק גבוה יותר הם סביב 1-2%.

שיפור כלכלת דלק: מחקר והנתונים האמיתיים

מחקרים רבים ודיווחי חברת התעופה הגדירו את ההשפעה של גיאומטריה של הכנפיים על כלכלת דלק.מחקר במימון נאס"א באמצעות CFD גבוה מצא כי קידוד זווית, גובה וטאטא עבור מטוס תחבורה נציג יכול להביא לירידה נטו של 56% בשיוט, לתרגם להפחתה של דלק של 34% כאשר הוא רואה משקל ועונשי גרור.

Airbus מדווח כי כרישים על A320neo להפחית את שריפת דלק בלוק על ידי 4% בהשוואה A320ceo ללא כרובים. על טיסה טיפוסית של 1,500 קילומטר, אשר שווה חיסכון של כ 500-600 ק"ג של דלק. עבור צי של 50 מטוסים טסים 3,000 מחזורים בשנה, החיסכון השנתי של דלק יכול לעלות על 5 מיליון דולר (במחיר של 3 דולר לגלון).

האגף המפוצל של בואינג, בשילוב עם המנוע המתקדם של 737 MAX וזיכוך אווירודינמי, משיג כ-14% שריפת דלק נמוכה יותר מאשר הדור הבא של 737.0% מהשיפור הזה מגיע מהבידור האגף ואופטימיזציה של האגף.מחקרים עצמאיים על ידי חברות תעופה כמו דרום מערב אישרו כי רטרואופטיקה התפצלה על 737-800s מניבה חיסכון של 23% דלק מעל האגף המקורי.

חשוב לציין כי חיסכון בדלק אינו קבוע בכל מגזרי הטיסה. Winglets לספק את היתרון הגדול ביותר במהלך מטפס ופלגות בעלות יכולת נמוכה, שבו גרר מושרה הוא אחוז גדול יותר של גרר הכולל.בייט מהיר גבוה או תחת תנודות חזקות, היתרונות פוחתים.

• עלויות מסחר: משקל, עומסי סטרקטיאל ועלויות

למרות היתרונות האירודינמיים ברורים, הגיאומטריה של האגף חייבת להיות מאוזנת בזהירות מפני משקל ועונשים מבניים. A גבוה יותר, יותר מכשול עולה את הרגע השברירי בשורש האגף, הדורש יותר (כבד) מחוסנים משקל נוסף גם מטיל עונש שריפת דלק, צמצום היתרון הנקי.

עלות הייצור של כריות מורכבות, מעוגלות עם סובלנות גיאומטרית הדוקה יותר מאשר עיצובים פשוטים יותר.חומרי Composite משמשים לעתים קרובות כדי לחסוך במשקל, אבל הם דורשים תבניות יקרות ותהליכי האגרה יכול לעלות 500,000 $ ל 1 מיליון דולר לכל מטוס, וחברות התעופה חייבות להחזיר את ההשקעה באמצעות חיסכון דלק במשך מספר שנים.

יתר על כן, כנפיים משפיעות על המאפיינים של ניהול מטוסים, במיוחד בחצובים ובבמהלך ההתאוששות של הדוכן, מעצבים חייבים להבטיח כי הגיאומטריה הכניעה אינה מחיתת שולי דוכנפיים או להגדיל את גרר בתנאים ללא תכנון.

כיוונים עתידיים: Active and Morphing Winglets

המחקר מתקדם לפתח כריות "אקטיביות" שיכולות להתאים את הגיאומטריה שלהם בטיסה כדי למקסם את היעילות על פני שלבים שונים.מושגים כוללים זווית ראייה משתנה, גובה טלסקופי, או אפילו משטחים מתפתלים שמשנים את הריפוי. עיצובים כאלה יכולים לשמור על הפחתת הטורפת אופטימלית במהלך הטיפוס, השייט, וירידה, פוטנציאל שיפור כלכלת הדלק על ידי 2 אחוזים נוספים.

אזור מתפתח נוסף הוא שילוב של כניות עם מערכות הנעה מבוזרות או אי-קלוריות גבוליות.האגף יכול לבנות אוהדים חשמליים קטנים הממריץ את הזרם, עוד יותר צמצום כוח מערבולת. בעוד טכנולוגיות אלה עדיין ניסיוניות, הם מצביעים על עתיד שבו הגיאומטריה של כנף הופכת דינמית ומותאמים לתנאי בזמן אמת.

עבור ציים קיימים, המגמה היא לחידוש כריות מתקדמות על מטוסים ישנים יותר כדי לגשר על הפער עד שתחליפי הדור הבא מגיעים.ההצלחה של תוכנית רטרופיטה השברירית של 737NG מוכיחה כי עדיין יש מקום לשיפורים מצטברים בגיאומטריה של כנף.

מסקנה

הגיאומטריה של כריות ממלא תפקיד מכריע בשיפור האירודינמיקה של חברות תעופה מסחריות.מגדרות אנכיות פשוטות של שנות ה-80 ועד עיצובים המתפצלים המתוחכמים של היום, מהנדסים יש זווית מעודן ללא הרף, גובה, גורפת, וריפוי כדי להשיג חיסכון משמעותי של דלק.מחקר מראה באופן עקבי כי הגאומטריה אופטימיזציה של דלק יכול להפחית את צריכת הדלק על ידי 35%, לתרגם להפחתה תפעולית משמעותית ומודלים מתקדמים יותר, כמו גם כדי לקדם חומרים מתקדמים יותר, כמו גם חומרים מתקדמים יותר, לפתח יותר, לפתח סוללות מודרניות יותר, לפתח יותר ויותר.

לקריאה נוספת, ראה את הסקירה ההיסטורית של נאס"א של פיתוח כנף, תיאורו של בואינג של ה-737 MAX Winglet, ואת הנייר הטכני של Airbus על ביצועי כרישלט.