Влияние устройств с высокой подъёмной способностью на эффективность взлета воздушных судов в операциях на коротких подиумах

Влияние устройств с высокой подъёмной способностью на эффективность взлета воздушных судов в операциях на коротких подиумах

Современная авиация опирается на способность безопасно и эффективно работать с взлетно-посадочных полос различной длины. Высокоподъемные устройства, такие как закрылки, рейки и закрылки Крюгера, являются одними из наиболее важных аэродинамических инноваций, которые делают возможными короткие полевые операции. Изменяя форму крыла и характеристики воздушного потока, эти системы позволяют самолетам генерировать необходимый подъем на более низких скоростях, уменьшая расстояние взлета и повышая запас прочности. Понимание того, как работают устройства высокого подъема и как они влияют на взлетные характеристики, имеет важное значение для пилотов, инженеров и операторов, которые имеют дело с ограниченными аэродромами.

Аэродинамические принципы, лежащие в основе устройств с высоким лифтом

Высокоподъемные устройства увеличивают максимальный коэффициент подъема крыла (C_]Lmax]. Это достигается в первую очередь двумя механизмами: увеличением камбера крыла и задержкой разделения воздушного потока. При расширении закрылка он эффективно изгибает заднюю кромку крыла вниз, увеличивая угол атаки относительно воздушного потока и производя более высокий коэффициент подъема. Шляпы, развернутые с передней кромки, заряжают пограничный слой, позволяя крылу достигать более высоких углов атаки перед срывом. Крюгерские закрылки, навесные панели на нижней поверхности крыла, также увеличивают камбер и улучшают подъем на низких скоростях. Вместе эти устройства позволяют самолету летать медленнее, сохраняя при этом достаточное количество подъема, чтобы стать воздушным.

Типы устройств с высоким лифтом

Системы высокого подъема можно классифицировать по их расположению на крыле и способу их работы.Наиболее распространенные типы, встречающиеся на коммерческих и воздушных судах общей авиации, включают закрылки, рейки и закрылки Крюгера.

хлопья

Флапсы представляют собой подвижные поверхности, прикрепленные к задней кромке крыла, которые классифицируются на несколько подтипов в зависимости от их геометрии и движения:

• Простое сальто просто шарнирно вниз, увеличивая камбер.
• Раздвижные закрылки отклоняют часть нижней поверхности крыла, также увеличивая камбер, но с меньшим сопротивлением при низких отклонениях.
• У разорванных закрылков есть зазор между закрылком и основным крылом, позволяющий высокоэнергетическому воздуху течь по закрылку и задерживать разделение. Эта конструкция обеспечивает более высокие приращения подъема, чем у простых закрылков.
• Фаулерные закрылки переводят назад и вниз, увеличивая как длину аккорда, так и камбер. Они производят наибольшее увеличение подъема среди устройств задней кромки.

Слэтс

Слаты являются передними устройствами, которые движутся вперед и вниз, чтобы создать щель между слатом и крылом. Этот щель ускоряет воздушный поток над верхней поверхностью крыла, повторно активизируя пограничный слой и позволяя более высокий угол атаки перед остановкой. Слаты распространены на самолетах транспортной категории и многих бизнес-джетах. Фиксированные слаты также используются на некоторых легких самолетах, хотя убирающиеся слаты более эффективны для круиза.

Крюгер Флэпс

Крюгеровские закрылки — это панели, которые выходят с нижней поверхности передней кромки крыла. При развертывании они поворачиваются вниз и вперед, эффективно увеличивая тембр крыла и задерживая разделение. Они легче и проще, чем планки, но обеспечивают несколько меньшее улучшение подъема. Они часто используются на самолетах, где вес и механическая сложность являются проблемами.

Другие устройства с высоким лифтом

Некоторые самолеты используют передние крайние закрылки (похожие на закрылки Крюгера, но шарнирные с верхней поверхности), переменные камберные системы или дульные закрылки (где воздух, истекающий двигателем, направляется по поверхности закрылка для поддержания прикрепленного потока). Они менее распространены, но могут обеспечить значительный прирост производительности для специализированных операций, таких как на коротких полевых грузовых самолетах.

Как устройства с высоким лифтом улучшают производительность взлета

Во время взлета основная цель состоит в том, чтобы разогнаться до скорости, при которой крылья могут генерировать достаточное количество подъемника для поддержки веса самолета, а затем подняться с взлетно-посадочной полосы с достаточным запасом над скоростью качки. Высокоподъемные устройства напрямую влияют на все фазы взлета наземного крена и первоначального подъема.

Уменьшение расстояния взлета

Наиболее непосредственным преимуществом устройств с высоким подъемом является более короткий наземный крен. Увеличивая коэффициент подъема крыла, самолет может стать воздушным на более низкой истинной скорости полета. Поскольку расстояние взлета пропорционально квадрату скорости взлета, даже скромное снижение V_R (скорость вращения) и V_LOF (скорость взлета) значительно сокращает требуемую длину взлетно-посадочной полосы. Например, типичный самолет транспортной категории может уменьшить расстояние взлета на 20-30%, когда закрылки установлены в оптимальное положение взлета. Это снижение имеет решающее значение при работе с взлетно-посадочных полос под 5000 футов.

Нижняя скорость стала

Скорость затвора прямо пропорциональна квадратному корню нагрузки на крыло, разделенному C_Lmax. Высокоподъемные устройства увеличивают C_Lmax, тем самым снижая скорость затвора 1g_S1. Более низкая скорость затвора означает, что скорость взлета и начального подъема самолета (обычно определяется как V_R и V₂) также ниже. Запас между рабочими скоростями и затвором — запас затвора — увеличен, что снижает риск аэродинамического затвора во время критической фазы взлета, особенно в порывистых условиях или когда препятствия вблизи взлетно-посадочной полосы требуют крутого подъема.

Улучшение скорости подъема после подъема

В то время как устройства с высоким подъемом увеличивают сопротивление, чистый эффект на эффективность подъема на низкой скорости может быть благоприятным. При скорости подъема самолет работает вблизи максимального соотношения подъема к перегрузке для установки закрылка. Индуцированный компонент сопротивления уменьшается, потому что крыло производит требуемый подъем с меньшим углом атаки. Многие самолеты достигают более высокого первоначального градиента подъема с закрылками, установленными для взлета, по сравнению с чистой конфигурацией. Это особенно важно, когда препятствия или процедуры снижения шума требуют крутого подъема сразу после вылета. Однако важно отметить, что чрезмерное расширение закрылка увеличивает сопротивление профиля достаточно, чтобы ухудшить скорость подъема, поэтому производители указывают оптимальные настройки закрылка.

Пример: эффект флеш-настройки на расстоянии взлета

Рассмотрим легкий бизнес-джет, работающий с взлетно-посадочной полосы высотой 4000 футов. При взмахах (чистом) расчетное расстояние взлета может составлять 4200 футов, что превышает длину взлетно-посадочной полосы. Выбрав 10 градусов закрылков, скорость кабинки падает на 8 узлов, и скорость взлета соответственно падает. Расстояние взлета уменьшается примерно до 3400 футов, хорошо в пределах границ взлетно-посадочной полосы. Этот пример иллюстрирует, почему устройства высокого подъема считаются необходимыми для коротких полевых операций.

Оперативные соображения по использованию устройств с высоким лифтом

Хотя устройства с высокой грузоподъемностью обеспечивают явные преимущества в плане производительности, их развертывание должно осуществляться тщательно. Пилоты должны понимать соответствующие процедуры и ограничения для обеспечения безопасной эксплуатации.

Процедуры продления и отзыва

Флапсы и рейки обычно протягиваются до взлетного крена и убираются после установления положительной скорости подъема и достижения соответствующей высоты. Контрольные списки воздушных судов указывают рекомендуемую настройку закрылков (например, закрылки 5, закрылки 10, закрылки 15) на основе веса, длины взлетно-посадочной полосы и условий окружающей среды. Пилот должен проверить, что устройства развернуты симметрично и что огни индикатора подтверждают нормальную работу. Асимметричное развертывание закрылков, которое может произойти из-за механического отказа или помех, создает серьезный момент крена и должно быть устранено путем прерывания взлета или выполнения отклоненного взлета, если ниже V ₁ . Аналогичным образом, убирание слишком рано (до достижения безопасной скорости и высоты) может привести к потере подъема и высоты.

Штрафы за драг и компенсация за тройню

Высокоподъемные устройства увеличивают как индуцированное, так и профильное сопротивление. Это дополнительное сопротивление должно учитываться во время взлетного крена. Самолет будет ускоряться медленнее по сравнению с чистой конфигурацией, требуя более длительного начального крена, чем то, что возможно при той же тяге двигателя, если подъем не был необходим. Однако увеличение подъема более чем компенсирует дополнительное сопротивление с точки зрения снижения скорости взлета. После полета пилот должен обрезать самолет для установки закрылка. Смещение в центре давления, вызванное расширением закрылка, создает момент крена носом вниз, который должен быть противопоставлен входу лифта или продольной отделке. Пилоты должны практиковать это изменение шага во время наземной тренировки.

Вес и баланс эффекты

Положение центра тяжести (CG) самолета и его грубый вес влияют на эффективность устройств высокого подъема. Передний CG увеличивает мощность лифта, необходимую для вращения, и может потребовать более высокой настройки закрылка, чтобы обеспечить вращение с безопасной скоростью. И наоборот, кормовой CG уменьшает запас мощности лифта. Графики производительности самолета для взлета часто обеспечивают корректировки для настройки закрылка, веса, высоты, температуры и ветра. Пилоты должны рассчитать необходимую настройку закрылка с использованием этих диаграмм, никогда не превышающую максимальную скорость расширения закрылка (V_]FE) во время втягивания.

Техника короткого взлета на поле

Операции с чрезвычайно коротких взлетно-посадочных полос (например, под 3000 футов) требуют точной техники. Пилот может использовать мягкий поле или короткое поле процедуры. Для короткого взлета, самолет выровнен с центральной линией взлетно-посадочной полосы, тормоза удерживаются, и мощность устанавливается на максимальную перед выпуском. Флапсы устанавливаются на рекомендованную производителем установку короткого поля (часто выше, чем обычно). Пилот вращается на V_R (вычисляется для фактического веса и температуры) с использованием устойчивого шага вверх для достижения скорости подъема V_{2, пока препятствия не будут устранены. Переворачивание может привести к контакту хвоста с взлетно-посадочной полосой (хвостовой удар) или вызвать каскад, поэтому точный контроль шага имеет важное значение.}

Экологические факторы

Высокая высота, высокая температура и высокая влажность все снижают плотность воздуха и тягу двигателя, увеличивая расстояние взлета. В таких условиях становятся еще более важными устройства высокого подъема. Пилоты должны применять максимально допустимую настройку лоскута, которая все равно обеспечивает положительный градиент подъема после взлета. Наклон взлетной полосы и ветер также влияют на взлетную производительность: склон спуска или встречный ветер уменьшает наземный крен, в то время как задний ветер увеличивает его. Некоторые руководства по полетам самолетов включают таблицы для расчета влияния этих переменных на требуемую настройку лоскута.

Аспекты проектирования и сертификации воздушных судов

Системы подъема с высокой высотой предназначены для удовлетворения требований сертификации, изложенных авиационными властями, такими как FAA (например, 14 CFR Part 25 для транспортной категории) и EASA. Правила определяют минимальные градиенты подъема с одним неработающим двигателем (OEI) и с закрылками в положении взлета. Самолет должен продемонстрировать, что при отказе критического двигателя в V₁ он может продолжить взлет и устранить препятствие длиной 35 футов (для самолета Part 25) или препятствие длиной 50 футов (для части 23). Устройства подъема также должны быть спроектированы с системами избыточного приведения в действие (гидравлическими, электрическими или механическими) и со средствами для обнаружения асимметрии или помех.

Производители оптимизируют параметры закрылков и перекладин для балансировки взлетной производительности, возможностей подъема и шума. Некоторые современные самолеты используют адаптивные или морфинговые технологии крыла, которые сочетают высокую оптимизацию подъема с эффективностью круиза. Например, Boeing 787 Dreamliner использует передовые закрылки задней кромки и передние рейки, которые управляются системой пролета по проводам для достижения оптимальной производительности на всех этапах полета. Самолеты Airbus используют аналогичную систему на A350. Эти системы автоматически регулируют положение закрылков и перекладины на основе веса, скорости и конфигурации.

Обучение и опыт пилота

Безопасная эксплуатация устройств высокого подъема требует тщательной начальной и периодической подготовки. Симуляторные сессии должны включать сценарии, когда асимметрия закрылка или затор на плоскости возникает во время взлета, заставляя экипаж решать, следует ли отклонять или продолжать. Пилоты также должны практиковать взлеты на короткие расстояния с различными настройками закрылка, чтобы усвоить характеристики обработки. Использование устройств высокого подъема тесно связано со стандартными операционными процедурами авиакомпании (SOPs). Например, многие SOP требуют, чтобы после взлета пилот не снижал настройки закрылка, пока самолет не превысит минимальную высоту втягивания (обычно 400 футов AGL или выше) и не достиг положительной скорости подъема.

Понимание физических принципов, лежащих в основе устройств с высоким подъемом, помогает пилотам принимать более правильные решения. Например, если самолет испытывает отказ двигателя после V₁, пилот не должен убирать закрылки до тех пор, пока не будет установлена положительная скорость подъема и самолет находится на безопасной высоте. Убирающие закрылки преждевременно снижают подъем и могут привести к тому, что самолет осядет на взлетно-посадочную полосу или войдет в нежелательный спуск.

Реальные приложения World

Высокоподъемные устройства предназначены не только для крупных авиалайнеров. Самолеты общей авиации, такие как Cessna 172, часто имеют однослотные или сплит-флапы. Турбовинтовые пассажиры, такие как ATR 72 , используют передовые закрылки и рейки для работы с короткими региональными взлетно-посадочными полосами. Военные транспорты, такие как C-130 Hercules , используют устройства с высокой подъёмной способностью (включая двухслойные закрылки и передние рейки) для достижения короткого полевого исполнения с немощеными полосами. Даже новейшие бизнес-джеты, такие как Gulfstream G700 , полагаются на оптимизированные системы закрылков для обеспечения конкурентоспособных взлетно-посадочных характеристик при сохранении эффективности трансзвукового круиза.

Для дальнейшего чтения, правила FLT:0]FAA обеспечивают подробные требования к сертификации для систем высокого подъема. Журнал Boeing Aero опубликовал статьи по аэродинамике устройств высокого подъема.Кроме того, сервер технических отчетов NASA содержит множество исследований по оптимизации планок и лоскутов для коротких полевых операций.