הגיבור הלא-סונג של שליטה מאוחרת

מטוסים מסחריים הם בין המכונות המורכבות והיעילה ביותר שנבנו אי פעם, להסתמך על סימפוניה של מערכות כדי להשיג טיסה בטוחה, כלכלית.בעוד מנועי, כנפיים, ופתיחת הרבה תשומת הלב, איילון הצנוע ממלא תפקיד מכריע ביעילות אווירודינמית וביצועים הכוללים.

מאמר זה חוקר את עקרונות האירודינמיקה שמאחורי איילונים, את האבולוציה שלהם מטיפות פשוטות למערכות עפ-by-wire מתוחכמת, וכיצד הם משפיעים ישירות על היעילות של חברת התעופה המודרנית.מחומרים למדע לשלוט באלגוריתמים, כל היבט של עיצוב איילון תורם לאיזון העדין בין מעלית, גרור ויציבות.

ה-Frevemental Aerodynamics of Roll Control

כדי להבין את איילונים, יש קודם כל לתפוס את הרעיון של הרגע רול.המטוס מתגלגל כאשר המעלית על כנף אחת עולה בעוד להרים על כנף השנייה יורדת. Ailerons להשיג את זה על ידי deflecting aסימטרי: כאשר הטייס מניע את היוק או מקל, אחד איילון עובר למעלה, צמצום סומבורד ומרים על כנף זו, בעוד השני נע למטה, גדל הסומבר ותוצאה היא הרגע הגלגל את הבנקים.

היעילות של תהליך זה תלויה בצמצום הגרור המושרה. An upward-defted aileron לא רק מפחיתה את המעלית אלא גם פועל כספוילר, יצירת זעזועים וגרור צנחני.conversely, a-aileron מנקה מטה מטה מטה מגביר את הריבון, אלא גם מגביר את גרר בשל זווית גבוהה יותר של התקפה על זה חלק כנף.

הפצה ו-Wing Loading

איילונים משפיעים על חלוקת המעלית הרכה, אשר בתורו השפעות מושרה גרר. באופן אידיאלי, הכנפיים לייצר להרים בהתפלגות אליפטית, אבל aileron des עיוות דפוס זה. מעצבים להשתמש בטכניקות כגון יחס טאקר, כביסה, ותזמון זהיר של תנועת aileron כדי לשמור את החלוקה המעלית קרוב אופטימלי במהלך תמרונים חישוביים מודרניים (CD) מאפשר מהנדסים כדי להפחית את ההשפעות דיוק גבוה, קרוב לגרורתיוט קרוב.

התפתחות היסטורית: מהאחים רייט לג'ינרס

הרעיון של שליטה רולית חוזר לאחים רייט, שהשתמשו בכניעה כנף - טכניקה שפיתחה את מבנה הזרוע כולה - כדי להשיג רול.בעוד גאוני, כנף רינג הטילה לחצים מבניים חמורים וזיכוך אווירי מוגבל. עד 1910, ממציאים כגון גלן קרטיס ורוברט Esnault-Pelerie הציגה איילוריטים מכוכים, אשר הציעו שליטה מדויקת יותר ונמוכה יותר.

במהלך תור הזהב של תעופה (1920s-1930s), איילונים התפתחו לתוך משטחים מאוזנים עם אווירודינמיקה ומאזןים המוניים כדי להפחית את כוחות השליטה.המבוא של בניית מונוקוק מתכת בשנות ה-30 אפשרו עיצובים יעילים יותר, כולל שילוב של איילונים כמו דיסקרטיטיס, משטחים מכווצים בכנפיים מוקדם כמו בואינג 707 ו- DC-8, היו מנועים גדולים של מהירויות גבוהות של שליטה.

כניסתם של בקרות טיסה מופעלות – מטאורים הידרוקליים – בשנות ה-60 (למשל, קונקורד, בואינג 747) אפשרו לאורון להיות קטנים יותר ויותר תגובתיים, שכן המערכת יכולה להתגבר על כוחות אווירודינמיקה.היום, מערכות דיגיטאליות-על-ידי-חוט, חלוצות על ידי Airbus A320 בשנת 1988, ביטלו קישור מכני ישיר, מה שמאפשר את המחשב לייעל יעילות ולטפל באופן אוטומטי.

סוגים של עיצובי Aileron והשלכות יעילותם

קומו איילונים

עיצוב פופולרי שהוצג בשנות ה-30, לפסגת איילון יש צורה אופיינית: כאשר deflected upward, הקצה המוביל protrudes מתחת לפני השטח התחתון של הזרוע, גדל על כנף הולכת מטה וצמצום של tw שלילי. Adverse yaw מתרחשת כאשר האף נוטה להיות מול הכיוון של גלילה עקב ההבדלים בין שתי כנפיים.

Ailerons

במקום שינויים מכניים, איילונים שונים משתמשים בגיאומטריה כדי להפוך את המעבר של איילון המוגן במעלה דרך זווית גדולה יותר מאשר אחד מלמטה-defted.סימטריה זו מפחיתה את עונש הגרור על ידי צמצום השיפורים המעלית בצד הנטוש תוך כדי עדיין יצירת הרגע המתגלגל הנדרש. רוב המטוסים המסחריים משתמשים במזלונים שונים, במיוחד בשיוט, שבו הפחתת היא משותקת.

פלמונים ומשטחים משולבים

במטוס כלשהו, איילונים וכובעים משולבים לתוך משטח אחד שנקרא flaperon. בעוד נפוץ על מטוסים קטנים יותר ולוחמים צבאיים, מטוסים מסחריים גדולים בדרך כלל לשמור אותם בנפרד כדי למנוע שילוב ביצועים גבוהים.עם זאת, בואינג 787 Dreamliner משתמש בתצורה מעורבת שבו הפלפיים של סקייטבורד יכול לשמש גם כאדונים במשטרי תעופה מסוימים, אבל זה לא פונקציה אמיתית של שליטה במחשב; הוא פונקציה של מטוס.

המונחים: Spanwise Adaptiveתלויה)

מחקר לתוך כנפיים אווירואליות פעיל, כגון X-53 Active Aeroela Wing (AAW) תוכנית על ידי נאס"א וחיל האוויר, חוקר באמצעות טוויית כנף מבוזרת משטחים כדי להחליף איילונים קונבנציונליים. בעוד עדיין לא פרוס על מטוסים מסחריים, מושגים אלה מבטיחים הפחתה משמעותית של גרר על ידי חיסול משטחים פרוטרולינגיים וצמצום משקל מבני.

טיס-על-ידי-Wire ו- Electronic Optimization

במטוסי Airbus ובואינג מודרניים, הקלט של הטייס עובר דרך חוטים למחשב בקרת טיסה, המפרש פקודות ומתאים איילונים בהתאם.זה מאפשר למחשב ליישם "חוקי שליטה" אשר עדיפות יעילות. לדוגמה, במהלך השייט, המחשב עשוי להגביל את הדהון דה עד כמה מעלות, להסתמך על מקלקלים עבור סמכות נוספת כאשר צריך למזער את זה עדיין לספק שליטה נאותה.

תכונה נוספת היא פיצוי "auto-roll": המחשב מאמת אוטומטית איילונים ומשטחים אחרים כדי להתנגשות נגד, רוח הרץ, ודחף אסימטרי, שמירה על המטוס על מסלול טיסה אופטימלי ללא התערבות טייס.זה מקטין עומס עבודה הטייס ומבטיח כי העגילונים משמשים רק כאשר יש צורך, חיסכון דלק.

חוק הבקרה: נורמלי, אלטרן, ישיר

בחוק רגיל (החלרה על רוב מטוסי סילון אלחוטיים-עף), המחשב מספק הגנה מעטפה ואופטימיזציה של סטה משטח. עבור איילונים, זה אומר המחשב יכול להשתמש בחשיבה שונה ואפילו טראנסים טרום-הצבת נטייה כדי להפחית את הגרור בחקיקה ישירה.בחוק חלופי או ישיר, הגנה מופחתת, והטייס יש שליטה ישירה יותר, אבל יעילות עשויה לסבול צוותים של חברת התעופה כדי להישאר נורמלית בכל פעם לדלק אפשרי.

השפעה על יעילות הדלק: קביעת החיסכון

[ה]אלונים תורמים ליעילות הדלק באמצעות שני מסלולים עיקריים: צמצום הגרור במהלך הסבבים וצמצום הטרימרון כאשר מטוס פונה, הוא חייב להגדיל את זווית הבנקאות, אשר מגבירה את גרורת ה-Efficient aileron, מפחית את העודף הקשור לרידוד ושיקום.

טריאם גרר עולה כאשר המטוס חייב לשמור על בנק קבוע או לפונה כנגד כוחות אסימטריים (למשל, מנוע-out, crosswind) Ailerons המשמש עבור trim de השתקפות ליצור עונש קבוע לגרור טייסים מודרניים ממזערים זאת על ידי שימוש בהגדרות מפוצלות-aileron או על ידי תיאום עם ריצוף וספוילרים כדי להשיג טריאם עם לפחות גרר.

מחקר: בואינג 787 לעומת 767

הבואינג 787 Dreamliner משתמש קטן יותר, יותר ailerons מעודן בהשוואה 767. בשילוב עם מערכת הטנט-by-wire שלה, ה-787 משיג בערך 20% יעילות דלק טובה יותר למושב - אשר אופטימיזציה של איילון הוא גורם תורם. a787 של ailerons משמשים גם במערכות העומס של 787, אשר להפחית את התכופים מבניים ומאפשרת רגעים קלים יותר, שיפור של דלק.

חומרים וייצור מתקדמים

כיום, ailerons מיוצרים בדרך כלל מפולימרים פחמן-מרוסים (CFRP) או סגסוגת אלומיניום-lithium. CFRP ailerons הם קלים, נוקשים יותר, ועמידים יותר לעייפות מאשר המקבילות אלומיניום.לדוגמה, a Airbus A350 של ailerons נבנו לחלוטין מ- CFRP, ובכך חוסכים עשרות קילוגרמים של אור.

שיטות ייצור כגון העברת עובש (RTM) ומיקום סיבים אוטומטיים (AFP) מאפשרות לצורות מורכבות שייעלו את זרימת האוויר.הקצה השולי של הפורון יכול להיות מיוצר razor-thin כדי להפחית את גרר, בעוד אזור hinge מתחזק כדי להתמודד עם ריכוזים. חלק עיצובים משלבים רף מתמשך באמצעות חומרים חכמים, אבל אלה ניסיוניים עבור תעופה מסחרית.

עקבו אחרי Flight Control Surfaces

איילונים לא עובדים בבידוד.מטוסים מסחריים מודרניים יש מספר מכשירים של שליטה רול:

  • (FLT:0) ספויילרים (או בלמים מהירים) , ממוקם על פני השטח העליון של כנף, מקלקלים יכולים לשמש גם לשליטה רול, במיוחד במהירויות נמוכות או כאשר איילונים פחות יעילים (למשל, ליד דוכנים).
  • (FLT:0)FlapsFLT:1 - בעוד בעיקר עבור מעלית גבוהה במהלך ההמראה והנחתה, הטיפות יכולות להיות פרוסות באופן סימטרי כדי ליצור רגעים מתגלגלים במקרי חירום (למשל, כישלון הידראולי).
  • (ב) ניתן להשתמש ב-FLT:0 (הספקי של ThrustFLT:1) - מנוע מנועים יכול לשמש כדי לסייע לגלגל, אם כי זה מאוד לא יעיל ומשמש רק במקרים נדירים של כשל.
  • (FLT:0)Horizontal StabilizerFLT:1) - המעלית וטריאם לשונית להשפיע על המגרש, אשר משפיע באופן עקיף על מתגלגל באמצעות הפיכה.

מערכת בקרת הטיסה של המטוס משתמשת בתכנית עדיפות: במהירות גבוהה (Mach > 0.5), איילונים הם השליטה רול הראשי, בעוד ספוילרים נעולים או מוגבלים.במהירות נמוכה, מקלקלנים עשויים להיות מופעלים כדי להגדיל את סמכות רול.זה מיזוג מבטיח את פני השטח היעיל ביותר משמש עבור כל משטר טיסה.

בטיחות, Redundancy והסמכת

איילונים הם משטחים קריטיים לבטיחות, ואת העיצוב שלהם חייב לעמוד בסטנדרטים הסמכה קפדניים (FAR 25.671 עבור מערכות בקרה) מטוסים מסחריים יש לפחות שני ערוצי הפעלה הידראוליים או חשמליים עצמאיים עבור כל איילון. במטוסי טיסה-על-ידי-חוט, מספר מחשבים (למשל, שלושה מחשבי טיסה עיקריים ב- A380) להבטיח כי כשל אחד לא יביא לאובדן של שליטה מאוחרת יותר.

כישלונות כגון איילון פגום או ניתוק מטופלים באמצעות מערכות תלת-ממות ודרכי בקרה חלופיים.טייסים מתאמנים לזהות מצבים אסימטריים ולהשתמש במשטחים שנותרו לנחות בבטחה.השיא מראה כי כשלים של איילון הם נדירים ביותר, והעיצוב המודרני כמעט מחקה אובדן קטסטרופלי מתקלות של איילון.

עומס חובה והטבות סטרקטיות

מעבר לשליטה הליבה, ניתן להשתמש באדונים באופן פעיל כדי להפחית עומסים אווירודינמיים על הזרוע.מחשב הטיסה deflects ailerons סימטרי או סימטרי בתגובה להפרעות לחסן את הרטטים מבניים.זה "עומס גס" (GLA) מקטין רגעים מכווצים, ומאפשר את המבנה להיות בהיר יותר, למשל, Airbus A350s, משתמש ב-GLA כדי להפחית את היעילות של 1F2, כדי להפחית את ה-Fronic של נאס"לשפר את ה-R2.

מגמות עתידיות בטכנולוגיית איילון

מבנים חכמים וחכמים

חוקרים מפתחים איילונים שמשנים צורה ברציפות במקום לחדד את ה- FlexSys ו- NASA's FLT:0adaptive Compliant Trailing EdgeveFLT:1 (ACTE) בדיקות טיסה הראו הבטחה: פליפה גמישה חלקה יכול להפחית את הסגירה ב-5 עד 10% בהשוואה לטרונים מותאמים אישית, בעוד ש-ActE עדיין לא היה מסחרי, נקודות העתידיות משולבות לפירוק של חוטים ופורסמוכות באופן מלא.

המונחים: Electric Propulsion and control

מושגים מטוסים מתעוררים (למשל, מטוסים אזוריים עם מנועים כנף) עשויים להשתמש בדחף שונה משטחים אווירודינמיקה קטנים לשליטה רול, צמצום או אפילו חיסול של איילונים ייעודיים.עם זאת, עבור מטוסים ארוכים גדולים, איילונים יישארו חיוניים לעתיד הנראה לעין.

מערכת בקרת משולבת מלאה אופטימיזציה

כאשר מחשבים בקרת טיסה יקבלו כוח מחשוב נוסף, הם ינהלו אלגוריתמים אופטימיזציה בזמן אמת, אשר יתאים עמדות איילון למזער באופן דינמי את הפחתת הפחתת הקיבולת תוך שמירה על יציבות הגישה "שליטה אופטית" זו, בשילוב עם ניטור בריאות מבני, עלולה להביא חיסכון דלק של 1–2% מעבר לטכנולוגיות הנוכחיות.

מסקנה

איילונים הם הרבה יותר מאשר פשוט מתפתלים מעוותים; הם מכווננים היטב כלי אווירודינמיקה המשפיעים ישירות על היעילות, הבטיחות וביצועים של מטוסים מסחריים.מהפיזיקה הבסיסית של הרגע רול ועד המורכבות של חוקי בקרת זבוב-על-ידי-חוט ומורכבים מתקדמים, כל בחירה בעיצוב משפיעה על האיזון העדין בין סמכות בקרה וגרור.

כאשר התעופה נעה לעבר פליטות אפס נטו, התפקיד של כל רכיב גרור הופך אפילו יותר קריטי. איילונים, עובד בקונצרט עם מקלקלים, סדקים, וכל רשת בקרת הטיסה, ימשיך להתפתח, עוזר למטוסים מסחריים לטוס רחוק יותר, ביעילות רבה יותר, ועם אמינות גדולה יותר.עבור חברות תעופה, ההשקעה בטכנולוגיית איילון מתקדמת משלמת לעצמו פעמים רבות על פני דלק על פני חיי המטוס.