Роль устройств с высокой грузоподъемностью в быстром взлете и посадке (стул)

Самолеты короткого взлета и посадки (STOL) предназначены для работы с взлетно-посадочных полос значительно короче, чем те, которые требуются обычными самолетами. Эта способность имеет решающее значение для доступа к удаленным взлетно-посадочным полосам, выполнения поиска и спасения в ограниченном рельефе и поддержки военных операций в неподготовленных областях. Высокоподъемные устройства являются технологией, позволяющей повысить производительность STOL. Увеличивая подъемник, производимый крылом на низких скоростях полета, эти устройства позволяют самолету взлетать и приземляться на расстояниях, которые в противном случае были бы невозможны. От механических закрылков и планок до более совершенных систем управления пограничным слоем, высокоподъемные устройства фундаментально изменяют аэродинамические характеристики крыла для удовлетворения требовательных требований операций STOL.

Аэродинамический принцип, лежащий в основе устройств с высоким лифтом

Подъем генерируется разностью давления между верхней и нижней поверхностями крыла. Для данной воздушной скорости количество подъемника определяется коэффициентом подъема (]C_L), безразмерным числом, которое зависит от формы крыла, угла атаки и условий поверхности. Устройства высокого подъема увеличивают максимально достижимое C_L_{C_{L на низкой воздушной скорости является основной целью, поскольку он непосредственно снижает скорость кабинки и, следовательно, расстояния взлета и посадки.}}

Коэффициент загрузки подъемника и крыла

Погрузка крыла, определяемая как вес самолета, деленный на площадь крыла (W/S), является фундаментальным параметром в конструкции STOL. Нижняя нагрузка крыла уменьшает скорость каскада, но структурные и весовые ограничения обычно предотвращают произвольно большие крылья. Высокоподъемные устройства эффективно увеличивают полезный коэффициент подъема без увеличения площади крыла. Кнопка, которая удваивает используемый коэффициент подъема без увеличения площади крыла. _{]L max} крыла позволяет тому же самолету работать с половиной скорости каскада, резко сокращая требуемые длины взлетно-посадочной полосы. Соотношение захватывается уравнением подъема: Lift = 1⁄2 ρ V2 S C_L. Для данного веса, если C_Lmax, скорость каскада уменьшается на квадратный корень этого увеличения.

Например, крыло с чистым C_{L max} 1.5 может достигать 3.0 или выше при полном развёртывании закрылков и рейдов.Это удвоение коэффициента подъема при ларьке снижает скорость ларька примерно на √2, или около 29 %. Снижение скорости ларька с 60 узлов до 42 узлов резко сокращает взлетный наземный рулон и скорость приближения, делая возможными операции на коротком поле.

Контроль пограничного слоя и разделение потока

Устройства высокого подъема также управляют пограничным слоем — тонким слоем воздуха, примыкающим к поверхности крыла. При высоких углах атаки воздух, протекающий над поверхностью всасывания крыла, замедляется и может отделяться от крыла, вызывая потерю подъема и увеличение сопротивления (установка). Ведущие кромочные устройства, такие как рейки и слоты, направляют высокоэнергетический воздух снизу крыла, чтобы повторно активизировать пограничный слой сверху, задерживая разделение на более высокие углы атаки. Крылья трайлингового края изменяют камбер (кривизну) крыла, увеличивая подъем, создаваемый под заданным углом атаки. Некоторые продвинутые системы, такие как выдуваемые закрылки, используют воздух с кровоточащим двигателем, выброшенный по поверхности закрылка, чтобы активно удерживать пограничный слой, прикрепленный при экстремальных отклонениях закрылка, обеспечивая еще более высокие значения C _{L max} .

Типы устройств высокого лифта для самолетов STOL

STOL aircraft employ a variety of high lift devices, often in combination. The specific devices chosen depend on the aircraft's size, mission, and performance requirements. Below are the most common types, grouped by their location on the wing and mechanism of action.

Системные требования Trailing Edge Devices: Flaps

Листовки являются наиболее широко используемыми устройствами высокого подъема. Они представляют собой навесные поверхности на задней части крыла, которые можно опускать (отклонять) для увеличения камбера крыла и иногда его площади. Существует несколько конфигураций:

Простое навесное сечение: Простые навесные секции, увеличивающие камбер. Они предлагают умеренное увеличение подъема, но также значительно увеличивают сопротивление. Используются на легких самолетах STOL из-за их простоты.

Сплит-флапс: Сплит-флапс, который отклоняется от нижней поверхности только, оставляя верхнюю поверхность нетронутой. Менее эффективен, чем простые закрылки, но производит высокое сопротивление, хорошо подходит для крутых подходов на коротких взлетно-посадочных полосах.

Слотированные закрылки: Слоты с зазором (слотом) между закрылком и основным крылом. Воздух протекает через щель от нижней поверхности высокого давления до верхней поверхности, заряжая энергией пограничный слой и задерживая разделение. Слотированные закрылки обеспечивают более высокие подъемные увеличения и являются общими для многих конструкций STOL.

Фаулерные закрылки: Эти закрылки расширяются назад (перевод) перед отклонением вниз. Этот перевод увеличивает площадь крыла (длину хорды) и может удвоить эффективную площадь при полном развертывании. Сочетание увеличения площади и изменения камбера дает самые высокие коэффициенты подъема среди обычных механических закрылков. De Havilland Canada DHC-6 Twin Otter использует большие закрылки Фаулер для достижения своей впечатляющей производительности STOL.

Ведущие устройства Edge: Slats и Krueger Flaps

Ведущие кромочные устройства улучшают подъем при высоких углах атаки, изменяя воздушный поток над верхней частью крыла. Они имеют решающее значение для задержки стойки и позволяют самолету работать на низких скоростях, не теряя контроля.

Фиксированные слоты: Неподвижный зазор между передним краем и основным крылом. Они просты, но создают сопротивление во время круиза.

Ведущие крайние планки: Переменные поверхности, которые простираются вперед от передней кромки крыла. При развертывании они создают слот, который направляет высокоэнергетический воздух снизу крыла на верхнюю поверхность. Слаты могут увеличивать C_{L max} на 30-50% и значительно повышать угол кабинки. Многие конструкции STOL, такие как Pilatus PC-6 Porter, используют полноразмерные передние рейки.

Крюгерские хлопья: Навесные панели на передней кромке, которые разворачиваются вниз и вперед, увеличивая камбер, но не создавая слот. Крюгерские закрылки проще, чем рейки, но обеспечивают меньший подъем. Они часто используются на реактивных самолетах и некоторых более крупных STOL-транспортах.

Передовые системы: Blown Flaps и ведущие расширения корневой цепи

Для достижения наивысшей производительности STOL некоторые самолеты используют мощные системы высокого подъема, которые активно контролируют пограничный слой с использованием воздуха с кровоточащим двигателем или механического продувания. Система , раздуваемая клапаном , направляет воздух с кровоточащим двигателем высокого давления через сопло над верхней поверхностью закрылка. Струя воздуха добавляет импульс к пограничному слою, предотвращая разделение при экстремальных отклонениях закрылка (до 60-70°). Этот метод может достигать значений C _{L max}, что позволяет чрезвычайно короткому взлету и посадке. Прототип Boeing YC-14 использовал систему с внешним вздутием закрылка с двигателями, установленными над крылом, чтобы использовать эффект Коанде. Ведущие краевые удлинения корня крыла (LERX) являются фиксированными аэродинамическ

Влияние на взлет и посадку производительность

Высокоподъемные устройства напрямую влияют на три этапа работы STOL: взлет наземного рулона, первоначальный подъем, подход и посадка. Преимущества измеряются с точки зрения уменьшенной длины поля и увеличенных запасов прочности.

Укорочение наземного рулона

Взлет наземного рулона - это расстояние, на котором самолет ускоряется вдоль взлетно-посадочной полосы, пока он не достигнет скорости, достаточной для создания подъема, равной его весу. Требуемая скорость подъема - это доля скорости кабинки, обычно 1,1 - 1,2 раза V _S. Понижая V _S, устройства высокого подъема снижают скорость взлета. Мощность пропорциональна квадрату скорости. Таким образом, снижение скорости взлета на 20% уменьшает энергию, необходимую для ускорения, примерно на 36%. Кроме того, лоскуты увеличивают сопротивление во время взлетного рулона, что может фактически повредить ускорению; поэтому пилоты STOL часто используют частичную настройку лоскута (например, 10-20°) для взлета, чтобы сбалансировать подъем подъема и штрафа за перетаскивание. Чистый эффект - более короткий наземный рулон. Например, Cessna 208 Caravan на лыжах, работающих в Арктике, может использовать 20° лоску

Улучшение градиента и угла подъема

После взлета самолет должен подниматься, чтобы очистить препятствия. Градиент подъема (вертикальный прирост на горизонтальное расстояние) определяется избыточной тягой над сопротивлением. Высокое подъемное устройство увеличивает сопротивление, что может снизить эффективность подъема. Однако в контексте STOL способность подниматься с меньшей скоростью, а затем ускоряться в наземном эффекте может позволить более крутой подъемный путь после полета. Некоторые самолеты STOL используют настройки плоскости, которые автоматически убираются во время подъема, уменьшая сопротивление при сохранении подъема. Использование планок также позволяет более медленную скорость подъема, что может быть необходимо для поддержания крутого угла. Для операций с короткими полями, окруженными деревьями или горами, градиент подъема 4-6 ° типичный, что возможно только с помощью устройств подъема, которые позволяют самолету летать под углом атаки вблизи его максимума.

Снижение скорости штанги для посадки

В посадочных характеристиках преобладает скорость подхода, которая должна быть выше скорости каскада, но столь же низкая, как практично, чтобы минимизировать наземный крен. Полное развертывание закрылка (часто в сочетании с рейками) снижает скорость каскада до минимально возможной. Скорость подхода обычно в 1,3 раза превышает скорость каскада в конфигурации посадки. Для крыла с C_{L max} 3,0 по сравнению с 1,5, скорость подхода падает примерно на 29%: от 78 узлов до 55 узлов для гипотетического самолета. Эта более низкая скорость уменьшает кинетическую энергию, которая должна рассеиваться при торможении, таким образом сокращая расстояние посадки. Более того, высокое сопротивление от полностью развернутых закрылков позволяет более крутой угол падения без увеличения скорости. Многие самолеты STOL используют полные закрылки с шагом, который держит хвост низким, используя аэродинамическое торможение от фюзеляжа и закрылки, чтобы замедлиться после приземления.

Преимущества использования систем STOL High Lift

Возможность взлета и посадки на очень коротких расстояниях обеспечивает прямые оперативные преимущества для широкого круга миссий.

Доступ к ограниченным зонам

Самолеты STOL могут работать с импровизированных взлетно-посадочных полос длиной до 1000 футов (300 м) или менее. Это открывает регионы без мощеных взлетно-посадочных полос: гравийные бары, замерзшие озера, сельскохозяйственные поля, горные долины и даже городские вертолетные площадки. Гуманитарная помощь, медицинская эвакуация и полеты на кустах полагаются на эту способность. Канадские DHC-2 Beaver и DHC-3 Otter легендарны своей способностью работать из небольших озер и рек с использованием поплавков и устройств высокого подъема. Сочетание больших закрылков, планок и мощного двигателя создает самолет, который может вылезать из карманной долины или приземляться в пространстве не дольше, чем он сам.

Маржи безопасности при подходе и посадке

Поскольку устройства высокого подъема снижают скорость кабинки и улучшают управляемость на низких скоростях, пилоты имеют больший запас между скоростью подхода и кабинкой. Это особенно важно в условиях порывистого ветра или при посадке на неровные поверхности. Возможность крутого, медленного подхода снижает вероятность пролета мимо предполагаемой точки приземления. Кроме того, хорошие высокие характеристики подъема позволяют совершать обход даже на очень низких скоростях: пилот может применять мощность и поднимать закрылки при сохранении контроля, что сложно на обычном самолете, который требует более высоких скоростей для возможности обхода.

Универсальность для специальных миссий

Военные транспорты STOL, такие как C-130 Hercules, используют устройства высокого подъема (ведущие ребра и двойные разрезы) для работы с полуподготовленными полосами вблизи линии фронта. Тот же самолет может перевозить тяжелые грузы на большие расстояния, но система высокого подъема имеет важное значение для тактических штурмовых посадок на коротких, грубых полях. Аналогично, самолеты STOL, используемые для воздушных пожарных (водяные бомбардировщики), должны работать из небольших озер, а затем подниматься с тяжелыми грузами; устройства высокого подъема имеют решающее значение для обеспечения воздушного полета в пределах ограниченного пробега воды.

Дизайн-соображения и торговые интересы

В то время как устройства с высоким подъемом предлагают преобразующую производительность STOL, они поставляются с проблемами проектирования, которые должны тщательно управляться.

Сложность и вес

Каждая движущаяся поверхность (плоскость, рейка, Крюгер) требует приводов, гусениц, шарниров и управляющих связей. Фаулерные закрылки, в частности, нуждаются в точных раздвижных дорожках или зубчатых механизмах, которые добавляют значительный вес и сложность. На небольших легких самолетах могут быть предпочтительны простые плоские закрылки или ручные рейки, чтобы поддерживать низкий вес. На больших самолетах гидравлическое или электрическое приведение в действие добавляет вес системы и стоимость обслуживания. Для каждой проектной миссии должен оцениваться компромисс между увеличением производительности и весом.

Обслуживание и надежность

Механические системы подъема подняты под износ, коррозию и помехи, особенно в суровых условиях (песок, соляной спрей, лед). Застрявший лоскут или рейка могут резко изменить производительность и безопасность самолета. Расходы на техническое обслуживание могут быть высокими для самолетов, которые работают с немощеными полосами, поскольку грязь и мусор могут собираться в гусеницах и шарнирах. Недавнее принятие обтекателей колеи и герметичных рейдовых механизмов повысило надежность, но простота остается добродетелью для самолетов STOL, предназначенных для обслуживания на местах.

Производительность Trade-Offs в Cruise

Высокоподъемные устройства, которые остаются расширенными во время круиза (например, фиксированные слоты), создают паразитное сопротивление, снижая топливную эффективность и крейсерскую скорость. Убирающиеся устройства решают эту проблему, но добавляют сложность. Даже при укладке вырезы для закрылков и рейдов могут создавать сопротивление. Конструкция крыла должна идти на компромисс между эффективностью круиза и низкоскоростным подъемником. Многие самолеты STOL жертвуют высокоскоростными характеристиками для исключительной способности к низкой скорости. Например, Avro Shackleton использовал обширные устройства высокого подъема для патрульных миссий, но его круизная скорость была скромной. Для чистой конструкции STOL этот компромисс приемлем, потому что самолету редко нужно быстро путешествовать; его ценность заключается в возможности доступа к удаленным местам.

Вывод: будущее лифтов в STOL

Высокоподъемные устройства остаются краеугольным камнем конструкции самолета STOL. Поскольку авиация смотрит в сторону электрификации и городской воздушной мобильности (eVTOL), принципы высокого подъема адаптируются для распределенной электрической тяги (DEP), где несколько небольших винтов дуют над крылом, чтобы активно увеличивать подъем. Однако для обычных самолетов STOL с турбовинтовыми двигателями - все еще рабочие лошадки удаленных операций - механические устройства высокого подъема, вероятно, останутся доминирующими в обозримом будущем. Продолжение достижений в материалах (композиты, легкие сплавы) и приведение в действие (летающие по проводам, интеллектуальные материалы) позволит еще более эффективные и надежные системы. Понимание роли закрылков, решеток и устройств Крюгера имеет важное значение не только для пилотов и инженеров, но и для всех, кто зависит от логистической мобильности, которую обеспечивают самолеты STOL.

Для дальнейшего чтения по аэродинамике устройств с высоким подъемом обратитесь к техническому отчету НАСА о системах с высоким подъемом и справочнику по эксплуатации самолетов FAA. Всесторонние детали дизайна доступны в текстах по аэродинамическому дизайну самолетов и в документации производителя для конкретных самолетов STOL, таких как линейка продуктов de Havilland Canada.