Влияние размера лопастей и размещения на распределение воздушных судов

Введение в эффект флэпа при распределении лифтов

Способность изменять распределение подъема крыла на разных фазах полета является краеугольным камнем современной конструкции самолета. Флапсы, как первичные устройства высокого подъема, играют важную роль в достижении этой гибкости. Путем расширения или убирания этих подвижных поверхностей на заднем крае крыла, пилоты и системы управления полетом могут изменять эффективную длину камбера и аккорда крыла, непосредственно влияя на аэродинамические силы. Размер лоскута (его аккордная протяженность и размах) и его точное размещение вдоль крыла (внутреннее, подвесное или несколько панелей) диктуют, как перераспределение подъема по всему размаху. Это перераспределение имеет глубокие последствия для поведения лафета, эффективности управления креном, моментов шага и общего сопротивления. Понимание этих взаимодействий имеет важное значение для оптимизации производительности взлета и посадки при сохранении запаса прочности. Следующие разделы будут исследовать аэродинамические принципы, связывающие геометрию лоскута с распределением подъема, компромиссы инженеров лицом и практические методы, используемые для оценки и проверки этих конструкций.

Основы Flaps и Lift Generation

Как хлопья увеличивают лифт

Флапсы работают в основном за счет увеличения камбера секции крыла, а в некоторых конфигурациях за счет увеличения длины аккорда. Увеличение камбера повышает максимальный коэффициент подъема (C]L,max) Крыло может достигать перед срывом. Кроме того, отклонение отклона закрылка снижает угол атаки, необходимый для генерации данного подъемника, позволяя самолету летать на более медленных скоростях при сохранении подъема. Наиболее распространенные типы закрылков включают:

Каждый тип клапана производит уникальное изменение распределения давления вокруг крыла, которое напрямую влияет на распределение подъема вдоль пролета.

Основы распределения лифтов Spanwise

В идеальном, конечном крыле, распределение подъема является эллиптическим - это означает, что подъем на единицу размаха плавно варьируется от корня до кончика, что сводит к минимуму индуцированное сопротивление. Любое отклонение от эллиптического распределения (из-за сужения, развертки или развертывания лоскута) увеличивает индуцированное сопротивление и может вызвать тенденции к корню или стойке наконечника. Листовки изменяют локальный коэффициент секционного подъема вдоль размаха в зависимости от их размещения и угла отклонения. Изменение распределения подъема должно рассматриваться не только для аэродинамических характеристик, но и для структурных нагрузок, поскольку момент изгиба крыла может значительно увеличиться, когда закрылки развернуты асимметрично или вблизи корня крыла.

Размер лоскута — влияние на общий подъем и перетаскивание

Чордуаза глубина и глубина

Размер лоскута может быть определен его аккордом как доля аккорда крыла (отношение лоскутного к крылу) и его протяженностью по шпанге. Более крупный лоскутный аккорд (например, 30% аккорда крыла против 15%) производит большее увеличение CL для данного отклонения, поскольку он изменяет большую часть камберной линии. Однако, помимо определенного размера, дополнительное сопротивление от разделения потока на самом лоскуте может уменьшить преимущество чистого подъема к лоскуту. Например, закрылки Фаулера на Boeing 737-800 имеют отношение аккорда около 25-30% и расширяют поперечный спаншиз более чем на 70% от полупролета. Увеличение лоскутного аккорда далее потребует более тяжелых систем приведения в действие и существенно увеличит момент изгиба корня крыла.

Штрафы и практические ограничения

По мере увеличения отклонения отклона лоскута резко возрастает сопротивление формы из-за отклоняемой поверхности и индуцированного сопротивления от измененного распределения подъема. Общее сопротивление при посадке может быть в три-четыре раза больше чистого сопротивления крыла. Размер лоскута должен быть сбалансирован с необходимостью адекватной производительности подъема, если двигатель выходит из строя во время взлета. Правила (например, 14 CFR Part 25) требуют, чтобы настройки лоскута взлета позволяли положительный градиент подъема после отказа двигателя. Поэтому выбор размера лоскута является компромиссом между низкоскоростным подъемом и высокоскоростным сопротивлением. Дизайнеры используют вычислительную динамику жидкости (CFD) вместе с эмпирическими данными для определения оптимальной лоскутной аккорды и размаха для данной миссии самолета.

Распределение шлепков и Spanwise Lift

Внутренние лопасти

Бортовые закрылки расположены вблизи корня крыла и фюзеляжа. Они влияют на распределение подъемников в центральной области крыла. Поскольку корень несет значительную часть подъемника в типичном эллиптическом распределении, бортовые закрылки могут производить большое увеличение общего подъема при относительно меньшем воздействии на момент изгиба крыла (поскольку момент рукава от корня короткий). Бортовые закрылки также имеют тенденцию способствовать узору с стойкой корня, что выгодно для поддержания эффективности элерона в стойле. Однако интерференция фюзеляжа и обтекание корпуса крыла могут ограничивать эффективность экстремальных бортовых закрылков.

Флапсы снаружи

Бортовые закрылки расположены вблизи кончиков крыла. Они увеличивают подъем во внешнем крыле, что может улучшить управление креном на низких скоростях, поскольку локальное увеличение подъема обеспечивает больший момент крена на единицу отклонения элерона. Однако, бортовые закрылки также сдвигают распределение подъема по шпанге наружу, что увеличивает индуцированное сопротивление и может привести к тому, что кончики крыла задерживаются перед корнем - особенно если закрылки большие и значительно отклоняются. Эта тенденция к крену наконечника может привести к внезапной потере управления креном и риску вращения. Для смягчения этого многие самолеты включают в себя вымывание (скручивание крыла, поэтому наконечник имеет более низкий угол падения) или передовые устройства, такие как рейки.

Несколько флеш-панелей

Большинство современных авиалайнеров используют несколько независимых лоскутных панелей вдоль пролета (например, однослотные закрылки Фаулера внутри и снаружи на Airbus A320). Бортовые секции часто имеют меньший максимальный отклонение, чем бортовые секции, чтобы ограничить неблагоприятное воздействие на поведение ларька. Кроме того, обтекаемые обтекатели (обтекаемые корпуса, которые простираются ниже крыла) влияют на местный поток и могут вызывать вихри. Размещение этих обтекателей тщательно разработано, чтобы минимизировать помехи в системе высокого подъема.

Соображения в отношении дизайна и компромиссы

Структурные нагрузки и актуация

Размер лопастей и размещение непосредственно диктуют механическую сложность и вес системы привода. Большие лопасти требуют мощных гидравлических или электрических приводов, а конструкция крыла должна быть усилена для переноса дополнительных изгиба и торсионных моментов. Рычажная рука подвесных лопастей относительно корня крыла усугубляет моменты изгиба корня. Для сохранения структурного веса под контролем конструкторы могут ограничивать поперечную протяженность лопастей или использовать дифференциальные графики отклонения (например, меньше отклонения под бортом). Кроме того, сами лоскутные дорожки должны быть прикреплены к прочным ребрам крыла, что увеличивает стоимость изготовления.

Взаимодействие с другими устройствами высокой грузоподъемности

Флапсы не работают изолированно. Большинство транспортных самолётов совмещают шлепанцы с передними шлепками или закрылками Крюгера. Комбинированное воздействие этих устройств на распределение подъемников сложно. Шляпы, расположенные на передней кромке, заряжают энергией пограничный слой над верхней частью крыла, позволяя более высокие отклонения лоскутов без стойки. Хордовое положение и шпангоута расположения шляп должны дополнять компоновку лоскутов. Например, на Boeing 777 шляпы протягивают почти полный пролёт, за исключением сегмента вблизи фюзеляжа, при этом закрылки делятся на бортовые и подвесные секции. Эта синергия создаёт более равномерное распределение подъемников по пролёту под высокими углами атаки.

Управление поверхностью интеграция

Эйлероны и спойлеры также взаимодействуют с закрылками. При развертывании закрылков элероны могут свисать (как на Airbus A330) для функционирования в качестве дополнительных закрылков, увеличивая подъем вдоль задней кромки подвески. Это требует тщательной передачи, чтобы избежать перегрузки подвесного крыла. И наоборот, спойлеры (подъемные самосвалы) обычно ингибируются, когда закрылки находятся в определенных положениях, поскольку их развертывание может вызвать асимметричный подъем и потерю контроля. Размещение лоскутов должно обеспечить достаточный зазор для движения элерона при любых отклонениях.

Методы вычислительного и экспериментального анализа

Вычислительная динамика жидкости (CFD)

Современный дизайн самолета в значительной степени зависит от CFD для моделирования эффектов отслаивания на распределение подъема. Решители Navier-Stokes (RANS) со средним значением Рейнольдса могут прогнозировать поле давления вокруг крыла с отклоненными закрылками, захватом разделения потока, взаимодействиями с будкой и индуцированным сопротивлением. Параметрические исследования, изменяющие аккорд отслаивания, размах, угол отклонения и зазор / перекрытие (для раздвижных закрылков), помогают инженерам находить оптимальные конфигурации. Результаты CFD часто проверяются на основе данных аэродинамической трубы для нагрузок отслойки и давления на поверхности. Высокоточные CFD также могут выявлять поперечные изменения в подъеме, которые могут привести к эффектам сжимаемости или буфету на высоких скоростях.

Тестирование ветрового туннеля

Модели аэродинамических труб с функциональными закрылками используются для измерения подъема, сопротивления, момента качки и распределения давления непосредственно. Тафты или чувствительные к давлению краски визуализируют схемы разделения потока. Нагрузочные элементы в креплениях клапанов измеряют моменты шарнира, которые имеют решающее значение для измерения размеров привода. Несоответствие числа Рейнольдса между моделью и полномасштабными (особенно для небольших зазоров закрылков) учитывается при использовании эмпирических поправок. Недавние испытания системы высокой подъёмной силы Boeing 787 включали обширные кампании аэродинамических труб для уточнения геометрии лоскута для оптимального распределения подъема и снижения шума.

Практические примеры в дизайне самолетов

Boeing 737 Семейство

737 использует тройные лоскуты на старых вариантах (737-200) и однослойные закрылки Фаулера на серии NG и MAX. Размах лоскутов простирается от ближнего фюзеляжа до просто бортового элерона. Отклонение лоскутов ограничено 30 градусами для взлета и 40 градусами для посадки, в то время как бортовые лоскуты могут достигать 60 градусов. Это дифференциальное отклонение гарантирует, что внешнее крыло не замедляется преждевременно. Размещение лоскутов и размеры эволюционировали в течение десятилетий для улучшения низкоскоростной обработки при сохранении высокой эффективности круиза.

Airbus A320 Neo

На A320 используются две лоскутные панели на крыло: бортовой однослойный лоскут и бортовой однослойный лоскут, оба типа Fowler. Бортовой лоскут имеет больший аккорд и больший диапазон отклонения. Бортовой лоскут предназначен для обеспечения меньшего подъема на единицу пролета, чтобы избежать зажима. Кроме того, флапероны (комбинированные лоскуты и элероновые поверхности) на A320 помогают в распределении подъема во время подхода, автоматически опускаясь при выборе лоскута. Эта интеграция улучшает управление креном на низких скоростях, не жертвуя единообразием подъема.

Авиация общего назначения (Cessna 172)

Cessna 172 использует электрически приводимые в действие однослойные закрылки, которые простираются от примерно среднего размаха до около фюзеляжа. Расположение закрылка полностью находится на борту элеронов, гарантируя, что внешнее крыло остается аэродинамически чистым для управления креном. Размер закрылка (около 40% полупролета и 40% аккорда) обеспечивает достаточное увеличение подъема для операций с коротким полем при сохранении нежной характеристики крена. Распределение подъема сдвигается внутрь с развертыванием закрылка, уменьшая момент изгиба корня крыла - полезный структурный результат для легкого самолета.

Военные применения

Истребители, такие как F-16, используют передние закрылки (также называемые флаперонами) в сочетании с передними закрылками, которые часто выполняют двойные функции в качестве элеронов. Размер закрылка и расположение оптимизированы для маневрирования под высокими углами атаки, иногда до 30 градусов. Распределение подъема должно жестко контролироваться, чтобы избежать асимметричного кабинки или вылета. Цифровые компьютеры управления полетом запланируют отклонения закрылков на основе числа Маха и угла атаки для поддержания благоприятной поперечной нагрузки.

Заключение

Эффект размера лоскута и размещения на распределении подъемников самолета является многомерной инженерной задачей, которая уравновешивает аэродинамику, конструкции, управление и безопасность. Большие лоскуты увеличивают подъем, но также увеличивают сопротивление и структурные нагрузки; размещение на борту улучшает крен, но повышает риск крена; размещение на борту повышает стабильность, но может ограничить авторитет элерона. Благодаря использованию передовых вычислительных инструментов и обширному тестированию аэродинамической трубы, дизайнеры могут адаптировать конфигурации лоскутов для достижения желаемого распределения подъемников на всех этапах полета. Успешное применение этих принципов очевидно в системах высокой грузоподъемности современных авиалайнеров, которые позволяют безопасно работать на медленных скоростях при сохранении эффективной производительности круиза. Будущие тенденции включают адаптивные или морфинговые закрылки, которые могут непрерывно оптимизировать распределение лифтов в режиме реального времени, обещая еще большую эффективность и гибкость.

Для дальнейшего чтения рассмотрите праймер Исследовательского центра NASA Glenn на устройствах с высокой грузоподъемностью и Руководство пилота по аэронавигационным знаниям . Для углубленной методологии проектирования обратитесь к Обзор дизайна устройств с высокой грузоподъемностью .