Роль хлопьев в повышении подъема самолетов во время взлета и посадки

Эти подвижные, навесные поверхности, установленные на заднем крае, фундаментально трансформируют аэродинамическое поведение самолета во время двух самых сложных фаз полета: взлет и посадка. Увеличивая камбер крыла, площадь поверхности и в некоторых случаях эффективный угол атаки, закрылки позволяют самолету генерировать значительно больше подъема на более низких скоростях, чем чистая конфигурация крыла. Эта способность не просто удобство - это требование безопасности и эффективности, которое позволяет современной авиации работать из аэропортов ограниченной длины, на больших высотах или в жарких погодных условиях, где плотность воздуха снижается. Без закрылков, взлет и скорость посадки должны быть значительно выше, длина взлета и посадки должна быть более длительной, и многие современные конструкции самолетов будут непрактичными. В этой статье исследуются инженерные принципы, эксплуатационное использование и значение безопасности закрылков, обеспечивая всесторонний взгляд на то, как эти относительно простые устройства делают современный полет возможным и безопасным.

Что такое хлопья?

Флапсы — это устройства с высокой подъёмной силой, расположенные на заднем крае крыла самолёта, обычно между фюзеляжем и элеронами. Они навесные, так что пилот или автоматическая система управления полётом может расширять их вниз и, в некоторых конструкциях, назад. При развертывании закрылки изменяют геометрию крыла двумя основными способами: они увеличивают камбер крыла (кривизну верхней и нижней поверхностей) и, в зависимости от типа закрылка, увеличивают эффективную площадь поверхности крыла. Оба эффекта увеличивают максимальный коэффициент подъема (C_]L,max) крыла, позволяя самолёту летать с меньшей скоростью каскада. В то же время закрылки также увеличивают сопротивление — эффект, который намеренно используется при посадке, чтобы закрутить спуск без увеличения скорости.

Физическая структура закрылков рассчитана на выдержку значительных аэродинамических нагрузок. Современные закрылки обычно изготавливаются из легких алюминиевых сплавов или композитов, с внутренними ребро-спаровыми каркасами. Они соединены с крылом через множество шарниров или дорожек, и приводятся в действие электрическими, гидравлическими или механическими системами. В крупных коммерческих струях закрылки часто развернуты с помощью комбинации гидравлических приводов и винтовых домкратов, с обратной связью положения, обеспечиваемой к палубе полёта. Расширение и втягивание точно запланированы, чтобы избежать превышения конструктивных пределов или создания неприемлемых моментов качки.

Флапсы отличаются от других высокоподъемных устройств, таких как передние рейки или закрылки Крюгера, которые увеличивают подъем за счет задержки разделения потока на передней кромке.Однако многие современные самолеты сочетают как передние закрылки, так и передние устройства для достижения высоких коэффициентов подъема, необходимых для безопасного низкоскоростного полета.

Как работают хлопья во время взлета

Взлет - это фаза, когда самолет должен перейти из статического, наземного состояния в полет, все в пределах длины взлетно-посадочной полосы. Основная цель развертывания закрылка во время взлета - уменьшить необходимую скорость взлета и тем самым сократить расстояние до наземного крена. Расширяя закрылки до умеренной настройки (обычно между 5° и 15°, в зависимости от типа самолета), крыло создает достаточный подъем на более низкой скорости вперед. Это позволяет самолету стать воздушно-десантным раньше, что особенно важно при работе с коротких взлетно-посадочных полос, в высотных аэропортах, где воздух тоньше, или в жаркие дни, когда плотность воздуха уменьшается.

Однако закрылки также создают дополнительное сопротивление. Пилоты должны сбалансировать преимущество подъема против штрафа за сопротивление. Для взлета выбирается частичная настройка закрылка, которая максимизирует соотношение подъема к лоскуту во время первоначального подъема. Если закрылки развернуты слишком много, увеличение сопротивления может перевешивать увеличение подъема, что приводит к более длительному взлету или недостаточной эффективности подъема - особенно важно, когда препятствия должны быть устранены сразу после взлета. Некоторые самолеты, такие как Boeing 737, предлагают несколько настроек взлетного лоскута (например, 1, 5, 10, 15, 20, 25), чтобы позволить пилотам выбирать оптимальную настройку на основе длины взлетной полосы, веса самолета, температуры и условий ветра.

После взлёта в воздух и ускорения до безопасной скорости взлёта закрылки постепенно убираются. Пилот следует стандартной процедуре: после взлёта и достижения высоты не менее 400 футов над уровнем земли (AGL) закрылки убираются из установки взлёта в положение «вверх» поэтапно. Это предотвращает внезапное снижение подъёма и гарантирует, что самолёт остаётся выше скорости ларька. Современные системы управления полётом часто автоматизируют этот график удержания, чтобы уменьшить нагрузку на пилота и повысить эффективность.

Как хлопья помогают при посадке

Посадка, возможно, является наиболее требовательной фазой полета, требующей точного контроля скорости, угла падения и точки приземления. Листовки играют незаменимую роль в том, чтобы позволить самолету приближаться с безопасной низкой скоростью, сохраняя при этом способность к погружению, не ускоряясь. Во время посадки закрылки расширяются до более крупных углов - часто от 30 ° до 40 ° или даже больше на некоторых самолетах, таких как Boeing 747, который использует 50° закрылка для посадки. Это высокое развертывание создает резкое увеличение как подъема, так и сопротивления.

Увеличение подъемника снижает скорость кабинки, давая пилоту удобный запас над ним во время подхода. Этот запас имеет решающее значение для безопасности, особенно если самолет сталкивается с сдвигом ветра, турбулентностью или должен прервать посадку и обойти. Увеличение сопротивления, тем временем, позволяет самолету спускаться на более крутой планерке (обычно 3° в подходах к приборам) без увеличения скорости. Это известно как спуск, вызванный сопротивлением, и это позволяет пилотам удерживать тягу двигателя на управляемом уровне - часто на холостом ходу или почти без движения - делая подход более плавным и тихим. Для перевозчиков, таких как тяжелые грузовые самолеты, приземляющиеся на коротких взлетно-посадочных полосах, закрылки (часто в сочетании со спойлерами и обратной тягой) необходимы для остановки на доступном расстоянии.

Развертывание лопастей во время посадки является тщательно срежиссированной последовательностью. Как правило, пилот активирует рычаг заслонки к выбранной установке посадки задолго до подхода, часто на внешнем маркере или после входа в ногу подветренного ветра. Расширение должно выполняться на скоростях ниже соответствующих пределов скорости расширения заслонки (V_]FE), чтобы избежать структурных повреждений. По мере расширения закрылков самолет будет наклоняться носом (из-за увеличения подъема на кормовом крыле), требуя от пилота обрезать или использовать давление вперед для поддержания правильного отношения. После полного выдвижения, самолет сконфигурирован для окончательного подхода и посадки. После приземления закрылки убираются после того, как самолет замедляется до безопасной скорости такси, если пилот не оставляет их расширенными для аэродинамического торможения (техника, используемая в некоторых приземлениях на более короткой взлетно-посадочной полосе).

Типы лоскутов

Не все закрылки созданы равными. За десятилетия развития авиации инженеры разработали несколько конструкций закрылков, каждый из которых имеет различные аэродинамические характеристики, сложность и применение. Понимание этих типов помогает объяснить, почему один самолет использует определенную систему закрылков над другим.

Обычные хлопья

Простейший тип, простые закрылки шарнирно петляют прямо с задней кромки и вращаются вниз. При развертывании они увеличивают камбер, повышая максимальный коэффициент подъема. Обычные закрылки просты, легки и распространены на легких самолетах общей авиации, таких как Cessna 172. Однако их увеличение подъема ограничено по сравнению с более сложными конструкциями, и они производят относительно большое увеличение сопротивления даже при умеренных углах. Развертывание обычно осуществляется вручную через рычаг, подключенный к механическому звену или, на более новых самолетах, электродвигатель.

Сломанные хлопья

Слотированные закрылки включают зазор между закрылком и крылом. При расширении высокоэнергетический воздух с нижней поверхности крыла протекает через этот щель и над верхней поверхностью закрылка. Это активизирует пограничный слой, задерживая разделение потока и позволяя раздвинуть закрылок на большие углы перед остановкой. Результатом является более высокий коэффициент подъема с меньшим сопротивлением, чем обычные закрылки. Слотированные закрылки широко используются на бизнес-джетах, региональных авиалайнерах и многих военных самолетах. Существуют дополнительные слоты, которые дополнительно улучшают производительность подъема - при стоимости повышенной механической сложности и веса. Например, серия Bombardier CRJ использует однослотные закрылки, в то время как Airbus A320 использует двухслотные закрылки на бортовой секции и однослотные на борту.

Фаулер Флэпс

Фаулерные закрылки являются крупным достижением в технологии высоких подъемов. Они расширяются как вниз, так и назад на рельсах или связях, увеличивая не только камбер, но и общую площадь крыла. Увеличение длины аккорда значительно повышает подъем без пропорционального увеличения сопротивления, что делает Fowler закрылки чрезвычайно эффективными для крупных транспортных самолетов. Знаменитый Boeing 747 использует трехслойные закрылки Фаулера, которые могут увеличить площадь крыла более чем на 20% и производить коэффициенты подъема, превышающие 3.0. Сочетание увеличения площади и изменения камбера дает Фаулер закрылки самое высокое отношение подъема к дрейфу любого переднепроходного устройства. Однако механическая сложность - с несколькими треками, роликами и приводами - добавляет вес и требования к техническому обслуживанию. Фаулер закрылки являются стандартными на большинстве современных авиалайнеров, включая Boeing 777, Airbus A380 и многие региональные самолеты, такие как семейство Embraer E-Jet.

Раздвоенные хлопья

Сплит-флапы состоят из панели на нижней стороне крыла, которая шарнирно свисает вниз, в то время как верхняя поверхность остается неизменной. Это создает очень высокое увеличение сопротивления при умеренном увеличении подъема. Сплит-флапы были распространены на старых самолетах, таких как Douglas DC-3 и ранние реактивные самолеты, потому что они были просты в изготовлении и обеспечивали хорошее сопротивление для крутых подходов к посадке. Они менее распространены на современных самолетах из-за наличия более эффективных конструкций, но некоторые военные самолеты и модернизированные самолеты все еще используют их для конкретных целей. Основным недостатком является то, что резкое разделение потока за сплит-флапом может вызвать значительный момент качения нос-вниз.

Krueger Flaps и другие устройства с ведущими краями

Хотя не передние закрылки, закрылки Крюгера стоит упомянуть как дополнительные устройства с высокой подъёмной силой. Они развертываются с передней кромки крыла, увеличивая камбер и задерживая стойку на верхней поверхности. Часто используются в сочетании с передними закрылками для достижения очень высоких коэффициентов подъема. Например, Boeing 737 использует закрылки Крюгера на передней кромке борта (около фюзеляжа) для предотвращения разделения потока во время высокоугольных развертываний. Некоторые современные самолёты используют как передние, так и передние закрылки с изощренным планированием для оптимизации подъема по оболочке полета.

Важность хлопков в безопасности полетов

Правильное использование закрылков - это не только вопрос производительности - это краеугольный камень безопасности полета. Неправильная настройка закрылков была фактором, способствующим многочисленным авариям и инцидентам. Последствия варьируются от чрезмерного взлета на расстояние (что приводит к перерасходу взлетно-посадочной полосы) до потери контроля на малой высоте во время подхода и посадки.

Асимметрия и неисправности Flap

Самолеты оснащены системами обнаружения и предотвращения асимметричного развертывания закрылков, где одна сторона расширяется или убирается быстрее, чем другая. Асимметричные закрылки могут вызывать качающее движение, которое трудно противодействовать, особенно на низких скоростях, где эффективность элерона снижается. Современный летательный аппарат автоматически ограничивает работу закрылков, если обнаружена асимметрия, в то время как более старые самолеты используют механические межсоединения или крутящие трубки для синхронизации движения. Боинг 737 имеет систему защиты от гидравлической силы, которая отключает гидравлическую мощность к закрылкам, если разница превышает заданный предел, предотвращая дальнейшее расширение или устранение до вмешательства в техническое обслуживание.