Как хлопья способствуют аэродинамической эффективности самолетов со смешанным крылом

Самолет с корпусом смешанного крыла (BWB) представляет собой сдвиг парадигмы в аэродинамической конструкции, сливая фюзеляж и крылья в единую, непрерывную подъемную поверхность. Эта конфигурация обеспечивает значительный прирост топливной эффективности, структурное снижение веса и затухание шума по сравнению с обычными планировками труб и крыла. Однако, осознавая эти преимущества, требуется тщательное управление сложным полем потока над интегрированным корпусом. Среди наиболее критических поверхностей управления являются закрылки - подвижные устройства, которые модулируют характеристики подъема, сопротивления и момента. В конструкциях BWB закрылки - это не просто вспомогательные поверхности для взлета и посадки; они являются активными элементами, которые формируют аэродинамические характеристики по всей оболочке полета. В этой статье рассматривается, как закрылки способствуют аэродинамической эффективности самолета с смешанной частью крыла, от фундаментальных механизмов до продвинутой интеграции системы и будущих направлений исследований.

Концепция смешанных крыльев

Архитектура BWB, впервые систематически изученная НАСА и McDonnell Douglas в 1990-х годах и позже усовершенствованная демонстратором X-48 от Boeing & #8217, устраняет различный фюзеляж, вместо этого встраивая полезную нагрузку в широкий центральный корпус в форме аэродинамического фюзеляжа. Эта конструкция уменьшает площадь влажности, снижает сопротивление помех и позволяет всему транспортному средству более эффективно генерировать подъем. Соотношение подъема к перетаскиванию (L / D) хорошо спроектированного BWB может быть на 20-30% выше, чем у сопоставимого обычного транспорта. Тем не менее, высокоинтегрированная структура также представляет уникальные аэродинамические проблемы: центральное тело производит другое распределение подъема по шпанге, и отсутствие хвоста требует тщательного управления шагом. Флапсы в сочетании с элевонами и другими поверхностями управления должны одновременно выполнять роли высокой подъемной силы, отделки и круизных характеристик. Понимание того, как закрылки влияют на аэродинамическую эффективность в этом контексте, имеет важное значение для оптимизации конструкций BWB.

Основные принципы Flap Aerodynamics

Лифт-поколение и Flap-развертывание

Флапсы увеличивают максимальный коэффициент подъема крыла за счет увеличения камбера и, в некоторых конструкциях, длины аккорда. При развертывании они изменяют эффективный угол атаки местного участка крыла, сдвигая кривую подъема вверх. Для BWB, который уже имеет большую длину аккорда вблизи центра, закрылки должны быть скорректированы, чтобы избежать преждевременного разделения. Расписание развертывания - как далеко и под каким углом расширяются закрылки - влияет не только на подъем, но и на момент качения. В самолете BWB центр тяжести часто находится дальше, чем в обычных конструкциях, что делает управление шагом более чувствительным. Флапсы могут использоваться для обеспечения момента отклонения поверхности носом, чтобы сбалансировать самолет, уменьшая необходимость в отклонении поверхности управления, которое увеличит сопротивление. Эта двойная роль делает дизайн закрылка компромиссом между производительностью высокой подъемной силы и сопротивлением отделки.

Механизмы сокращения брешей

Во-первых, за счет увеличения подъема на низких скоростях, они позволяют более короткий взлетный вал и более крутой подход, оба из которых уменьшают индуцированное сопротивление во время фазы подъема и спуска. Во-вторых, передовые конструкции лоскутов, такие как раздвижные или фаулеры Фаулера, способствуют прикрепленному потоку над крылом, задерживая разделение и опуская сопротивление формы. В-третьих, лоскуты могут использоваться для управления градиентом давления по шпанге. В BWB центральное тело испытывает другое распределение давления, чем подвесное крыло; лоскуты, которые индивидуально приводятся в действие, могут адаптировать это распределение для минимизации паразитного сопротивления. Наконец, лоскуты влияют на структуру крыльев: путем изменения нагрузки на крыло (или на смешанном перекрестке), они могут уменьшить прочность вихрей, вызванных резанием. Это управление пробуждением особенно важно для самолетов BWB, потому что их толстые центральные секции производят сильные вихри, если не правильно сформированы.

Конфигурация лоскутов для BWB Aircraft

Трейлеры-Edge Flaps

Простые закрылки являются самыми простыми, но их использование на BWB самолетах ограничено из-за разделения при умеренных отклонениях. Слотированные закрылки включают зазор между закрылком и основным крылом, что позволяет высокоэнергетическому воздуху снизу заряжать пограничный слой на верхней поверхности. Эта конструкция значительно задерживает стойку. Фаулерные закрылки расширяются назад, поскольку они отклоняются, увеличивая как камбер, так и аккорд. Для BWB закрылки Фаулера особенно привлекательны, потому что они могут обеспечить большие подъемы подъема без чрезмерных штрафов за сопротивление. Например, Boeing X-48B использовал закрылки Фаулера на подвесных секциях крыла для достижения необходимого подъема для посадки. Однако интеграция дорожек и обтекателей закрылка в гладкую линию формы BWB является механически сложной. Вычислительные исследования исследователей в Немецком аэрокосмическом центре (DLR) показали, что двухэлементная щелевая конструкция закрылка может достичь улучшения отношения подъема к драже до

Устройства Leading-Edge

В то время как передние закрылки доминируют в системах высокого подъема, передние устройства, такие как закрылки и рейки Крюгера, также используются на самолетах BWB. Крюгерские закрылки, которые развертываются с нижней поверхности крыла, увеличивают камбер на переднем крае, улучшая характеристики лафета на высоких углах атаки. В конструкциях BWB подвесное крыло часто более проходимо и имеет более тонкий воздушный фольг, чем центральное тело; закрылки Крюгера помогают поддерживать прикрепленный поток во время фаз высокого подъема. Слаты, которые простираются от передней кромки с прорезью, обеспечивают еще больший запас лафета. Однако для самолетов BWB, стремящихся к низкому шуму, закрылки Крюгера могут быть предпочтительными, потому что они могут быть уложены в поток с нижней поверхностью, сохраняя ламинарный поток, который многие BWB проектируют цель. NASA & #8217; в BWB высокоподъемные системы исследовали интеграцию передних устройств, которые гармониру

Поскольку BWB не имеет четкого хвоста, обычные лифты заменяются элевонами, расположенными на заднем крае подвесного крыла. В некоторых конструкциях эти элевоны также могут функционировать как закрылки — концепция, известная как флапероны. Этот многофункциональный подход уменьшает вес и устраняет зазоры, которые увеличивают сопротивление. Вариант X-48C использовал такое расположение, с одиннадцатью независимыми поверхностями управления, которые могут быть отклонены асимметрично для управления креном и симметрично для отделки шага или расширения подъема, подобного лоскуту. Более продвинутые концепции включают непрерывные морфинговые закрылки, которые смешиваются с формой крыла без дискретных линий шарнира. Они позволят плавные изменения в камбере, уменьшая сопротивление. Исследователи из Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA) предложили переменные камберные задние края для самолетов BWB, которые могут адаптироваться в полете для оптимизации L / D в диапазоне условий, тем самым повышая аэродинамическую эффективность даже во время круиза.

Основной метрик аэродинамической эффективности — отношение подъема к драже. Л/д непосредственно влияют на Л/д при взлете и посадке, но они также влияют на фазу круиза при убирании. Хорошо спроектированные системы закрылков, которые поддерживают чистую конфигурацию с низким лоскутом, имеют решающее значение. В BWB отсутствие интерфейса прикрепления фюзеляжа позволяет крыльям иметь более оптимальную форму. Однако, конструкция опорного клапана должна быть заключена в обтекатели, которые нарушают поток. Передовые конструкции закрылков, которые минимизируют такие выступы, могут удерживать L/D в круизе в пределах 1-2% от теоретического чистого крыла. Во время взлета оптимизированные настройки закрылков могут увеличить L/D на 15-20% по сравнению с фиксированной конфигурацией с высоким подъемом, что приводит к более короткой требуемой взлетно-посадочной полосе и более высокой полезной нагрузке. Исследование в Progress in Aerospace Sciences показало, что BWB с адаптивными передними закрылками может достичь на 12 процентов выше круиза L/

Сокращение Trim Drag

В обычных самолетах горизонтальный хвост обеспечивает стабильность, но создает загрузку, которая должна быть уравновешена дополнительным подъемом крыла, увеличивая индуцированное сопротивление - это сопротивление отделки. Самолеты BWB часто предназначены для естественной стабильности или для использования расслабленной статической стабильности, но они все еще требуют контроля шага. Листовки могут быть развернуты асимметрично или в качестве элевонов для обеспечения необходимого момента перетаскивания без сопротивления перетаскивания хвоста. Кроме того, путем тщательного планирования отклонения лоскута во время круиза (например, небольшое отклонение вниз подвески подвески), крыло может быть обрезано с минимальным дополнительным сопротивлением. Этот метод, известный как круизный лоскут, был широко изучен для приложений BWB. Моделирование 2018 года исследователями из Университета Саутгемптона показало, что BWB с оптимизированной установкой крыла уменьшает сопротивление отделки на 3,5% по сравнению с нейтрально обрезанной конфигурацией, а также улучшает боковую стабильность.

Толстый центральный корпус BWB генерирует большую низкоскоростную область позади самолета, которая влияет на загрузку нисходящего потока. Флапсы могут модулировать загрузку пролета, чтобы разрушить структуру вихря и уменьшить его интенсивность. Например, слегка развертывая закрылки во время круиза, можно сместить распределение подъема наружу, уменьшая размер ядра зацепляющихся вихрей и снижая индуцированное сопротивление. Это особенно важно для самолета BWB, летящего в формации или вблизи аэропортов, где турбулентность пробуждения может быть опасной. Активное управление заслонками также может помочь распределить загрузку более равномерно по зазору, предотвращая разделение потока на перекрестках. Летные испытания X-48B продемонстрировали, что дифференциальные настройки закрылка могут уменьшить прочность пробуждения, измеренного позади транспортного средства. Продолжающиеся исследования в NASA Armstrong исследует корректировки заслонки в реальном времени, чтобы минимизировать воздействие пробуждения при сохранении аэродинамической эффективности.

Проектирование вызовов и решений

Интеграция систем закрылков в BWB представляет несколько инженерных проблем. Во-первых, структурная интеграция: лоскутные дорожки и исполнительные механизмы должны вписываться в тонкие боковые секции крыла, которые имеют ограниченный внутренний объем. Композитные сэндвич-структуры, часто используемые в крыльях BWB, являются жесткими, но делают создание шарнирных креплений более сложными. Решения включают использование комбинированных шарниров или размещение исполнительных механизмов внутри центрального корпуса с механическими связями. Во-вторых, аэродинамическая интеграция: зазоры вокруг закрылков должны быть герметизированы для предотвращения шума и сопротивления. Конструкции BWB часто делают упор на низкий уровень шума, поэтому уплотнения зазора имеют решающее значение. В третьих, сложность системы управления может быть независимо приведена в действие для достижения оптимального распределения подъема, требуя распределенной системы управления, которая может переносить несколько отказов привода, все еще обеспечивая адекватные аэродинамические характеристики. Эти усилия по проектированию поддерживаются стандартами летной годности ,

Другая проблема заключается во взаимодействии между закрылками и потоком центрального тела. Поскольку центральное тело имеет большой аккорд и плоскую верхнюю поверхность, развертывание закрылков может вызвать разделение, чтобы начать вблизи стыка крыла тела. Тщательное формирование закрылка и добавление генераторов вихря или микро-фургонов может смягчить это. Анализы вычислительной динамики жидкости (CFD) немецким аэрокосмическим центром показали, что размещение небольшого расширения передней кромки на бортовом закрылке может устранить преждевременное разделение, улучшая эффективную производительность закрылка. Аналогичным образом, использование двигателей проглатывания пограничного слоя (BLI) на некоторых концепциях BWB (например, N3-X NASA & #8217) изменяет приток к закрылкам; закрылки должны быть переработаны для работы в искаженном поле скорости. Это активная область исследований, с ветровыми туннельными испытаниями в Мичиганском университете и других учреждениях, предоставляющих данные для проверки.

Будущие направления

Следующее поколение систем клапанов BWB, вероятно, будет включать в себя технологию активного управления потоком (AFC). Синтетические струи или плазменные приводы могут быть встроены в поверхность закрылка для задержки разделения или повторного прикрепления потока, позволяя закрылкам быть меньше и легче при достижении той же высокой производительности. Пассивные адаптивные материалы, такие как сплавы памяти формы, могут позволить закрылкам изменять форму в ответ на аэродинамические нагрузки без исполнительных механизмов, снижая вес и обслуживание. Концепция «умного закрылка», который чувствует местное давление и регулирует свою форму в режиме реального времени, уже тестируется на небольших моделях. Если масштабировать до полного BWB, такие системы могут улучшить круиз L / D на дополнительные 2-3% и уменьшить шум, устраняя механические разрывы. Кроме того, интеграция с цифровой двойной моделью, которая обновляется на основе данных датчиков, может позволить закрылкам быть оптимально запланированным для каждого сегмента полета, учитывая изменения веса, погоды и производительности двигателя. Эти инновации приведут нас ближе к видению высокоэффективного, низкоэмиссионного авиалайнера BWB.

Еще одним перспективным направлением является использование закрылков в сочетании с распределенной электрической силовой установкой (DEP). Некоторые концепции BWB, такие как NASA X-57 Maxwell, используют несколько небольших винтов вдоль крыла для дальнейшего улучшения подъема. Винты могут быть помещены в пропеллерную скользящую струю для увеличения подъема, создаваемого крылом, создавая эффект «подъема с питанием», который резко сокращает длину взлетного поля. Для BWB это может позволить работать с более коротких взлетно-посадочных полос, не жертвуя эффективностью круиза. Связь между DEP и закрылками требует новых стратегий управления, но ранние моделирования показывают потенциал для 15-20% снижения общего сопротивления во время взлета. Исследования в этом направлении проводятся партнерскими отношениями между университетами и промышленностью [FLT: 1] .

Заключение

Флапсы - это гораздо больше, чем простые устройства для увеличения подъема на самолетах со смешанным крылом. Они являются неотъемлемой частью достижения аэродинамической эффективности, которую обещает BWB, от снижения сопротивления во время взлета и посадки до обрезки самолета во время круиза и управления его пробуждением. Уникальная геометрия BWB требует систем лоскутов, которые тщательно адаптированы к графику аккордов, пролетов и отклонений и которые легко интегрируются с всеподъемной структурой. Достижения в материалах для морфинга, активном управлении потоком и распределенной электрической силовой установке будут способствовать дальнейшему повышению роли закрылков, позволяя конструкциям BWB, которые могут соответствовать все более строгим целям эффективности и окружающей среды. Поскольку авиационная промышленность смотрит на чистые нулевые выбросы, скромный лоскут будет продолжать быть ключевым фактором аэродинамических характеристик самолетов следующего поколения.