Эволюция винглетов: от любопытства к отраслевым стандартам

Винглеты — небольшие, вверх или вниз угловые расширения, найденные на кончиках многих современных реактивных крыльев — стали одним из самых заметных и эффективных аэродинамических инноваций в коммерческой авиации. Они не просто стилистические расцветы, но тщательно спроектированные устройства, которые непосредственно уменьшают сопротивление, повышают эффективность подъема и снижают сжигание топлива. Первоначально исследованные в 1970-х годах аэродинамиком НАСА Ричардом Уиткомбом , винглеты с тех пор были усовершенствованы, протестированы и приняты почти во всех сегментах авиационной промышленности, от региональных турбовинтовых до дальнемагистральных широкофюзеляжных.

Основной проблемой, которую решают винглеты, является индуцированное сопротивление , форма аэродинамического сопротивления, которая неизбежно возникает всякий раз, когда крыло генерирует подъем. Управляя высокоэнергетическими вихрями, которые разливаются с крыльевых кончиков, винглеты позволяют самолету летать более эффективно. Авиакомпании сэкономили миллиарды долларов в расходах на топливо и сократили миллионы тонн выбросов углекислого газа из-за этой технологии. В этой статье мы исследуем физику за винглетами, как они уменьшают сопротивление и улучшают подъем, различные типы, используемые сегодня, и что будущее держит для конструкции крыльев.

Что такое Winglets?

Крылатый винглет представляет собой вертикальную или почти вертикальной поверхность, прикрепленную к кончику крыла самолета. Он может простираться вверх (как на большинстве авиалайнеров), вниз (как на некоторых грузовых самолетах) или как вверх, так и вниз в разделенной конструкции. Крылатый винглет работает, перенаправляя воздушный поток на крыло, сглаживая переход давления между областью высокого давления под крылом и областью низкого давления над ним.

С точки зрения конструкции, винглеты добавляют небольшое количество веса и сложности, но аэродинамический выигрыш существенен. На типичном 150-местном самолете хорошо спроектированный винглет может уменьшить общее сопротивление на 3-5% во время круиза. Это означает экономию топлива примерно 3-5% , а также в зависимости от профиля полета. Для авиакомпании, выполняющей сотни рейсов в день, эти проценты составляют значительное снижение эксплуатационных расходов и воздействия на окружающую среду.

Эксперименты относятся к 1920-м годам, но практическое применение пришлось ждать достижений в области материаловедения и вычислительной динамики жидкости (CFD). Летные испытания NASA 1980-х годов на KC-135 Stratotanker выполнили первую реальную проверку преимуществ крылатых крыльев, и вскоре после того, как Boeing представил дополнительные крылатые крылышки на 747-400 в 1988 году. Сегодня крылатые крылышки являются стандартным оборудованием на большинстве новых самолетов, включая Boeing 737 MAX, семейство Airbus A320neo и Airbus A350.

Как винглеты уменьшают драгу

Чтобы понять, почему работают винглеты, мы должны сначала понять вихри вихря. Когда самолет движется по воздуху, разница давления между верхней и нижней поверхностями крыла заставляет воздух течь вокруг вихря от области высокого давления (ниже) до области низкого давления (выше). Это создает вращающийся столб воздуха - вихрь - который следует за каждым вихрем.

Формирование вихря и индуцированный драг
Эти вихри содержат кинетическую энергию, которая эффективно тратится впустую. Энергия, необходимая для их создания, извлекается из движения самолета вперед, проявляясь как дополнительный компонент сопротивления, называемый , индуцируемое сопротивление составляет примерно одну треть от общего сопротивления во время круиза и гораздо большую долю во время взлета и подъема. Минимизация индуцированного сопротивления является основной целью аэродинамического дизайна.

Винглеты выступают в качестве барьера для перекрестного потока на крыле. Заставляя вихрь начинать дальше за борт или рассеивая его на большей площади, вихри уменьшают интенсивность вихря и перенаправляют его энергию. Результатом является меньший будильник и менее индуцированное сопротивление. Эффект аналогичен установке забора в конце полки, чтобы остановить сползание книг: вихрь физически препятствует разливу воздуха высокого давления.

Различные геометрии винглетов достигают этого немного по-разному. A Смешанные винглеты (наиболее распространенный тип) изгибаются плавно вверх и наружу, создавая постепенный переход, который распространяет вихрь на более длинное расстояние. A расщепленный стреловидный вихрь использует две вертикальные поверхности для дальнейшего разрушения вихря. Независимо от формы принцип остается неизменным: уменьшайте энергию, потерянную для генерации вихрей, и самолет летит более эффективно.

Повышение эффективности лифта

В то время как уменьшение сопротивления является основным преимуществом, винглеты также улучшают отношение подъема к перетаскиванию (L / D). Более высокое соотношение L / D означает, что самолет может генерировать такое же количество подъемника с меньшей тягой, что повышает топливную эффективность и расширяет диапазон. Винглеты способствуют лучшему L / D, сглаживая распределение подъемника по шпанге по крылу. Без винглета распределение подъемника имеет тенденцию резко падать на кончике, вызывая потерю эффективного размаха. Винглет эффективно «обманывает» воздух, думая, что крыло длиннее, чем оно есть на самом деле, что снижает индуцированное сопротивление для данного подъема.

Этот эффект особенно ценен во время вылета и подъема. Когда самолет тяжелый и поднимается из горячего и высокого аэропорта, улучшение L / D от винглетов может быть критическим. Например, Boeing 737 MAX с его передовой конструкцией крылатых винлетов (FLT: 0) Advanced Technology Winglet (FLT: 1)) достигает улучшения L / D примерно на 1,5% по сравнению с более ранними моделями 737 с обычными смешанными винглетами. Это может показаться небольшим, но за время полета самолета, летящего 3000 часов в год, это экономит тысячи галлонов топлива.

Винглеты также улучшают производительность подъема . Поскольку крыло производит более эффективный подъем на единицу сопротивления, самолет может быстрее достигать своей крейсерской высоты, с меньшим количеством топлива, сжигаемого в сегменте подъема. Кроме того, винглеты могут повысить стабильность рулона , обеспечивая эффект демпфирования вокруг крыльевого крыльевого угла, хотя это вторичное преимущество.

Виды винглетов на службе сегодня

Смешанные винглеты

Первый широко принятый дизайн крылатых крыльев на коммерческих самолетах. Представленный в конце 1990-х годов BoeingAviation Partners (APB), смешанные крылатые крылышки имеют плавный, изогнутый переход от крыла к вертикальному плавнику. Они стандартны на Boeing 737NG (кроме -500), Boeing 757, Boeing 767 и многих бизнес-джетах. Смесь уменьшает сопротивление помех на стыке, обеспечивая значительное улучшение дальности и экономии топлива (обычно 4-6% сокращение блочного топлива).

Сплит-симитар Winglets

Эволюция смешанной конструкции, Split Scimitar winglet добавляет вторичную обращенную вниз поверхность ниже крыла, в дополнение к основному восходящему плавнику. Эта двухповерхностная компоновка дополнительно уменьшает индуцированное сопротивление, управляя вихрем как сверху, так и снизу. Винлет Split Scimitar APB предлагается в качестве модернизации для Boeing 737NG и стал стандартным для некоторых моделей 737 MAX. Он обеспечивает дополнительную экономию топлива на 1,5-2% по сравнению с смешанной конструкцией. Нисходящий компонент иногда называют «сцимитаром» из-за его изогнутой, лезвийообразной формы.

Разбитые вингтипы

Используется в основном на широкофюзеляжных самолетах большой дальности, таких как Boeing 777, 787 Dreamliner и Airbus A350. Загнутый крыло не дискретный плавник, а расширение самого крыла, которое сметается в корму и сужается. Он функционирует аналогично вихре, распространяя вихрь на более длинный размах, но делает это без вертикальной поверхности. Загнутые крылышки легче, чем традиционные крылышки, и обеспечивают повышение эффективности примерно на 3-4%. Они также улучшают аэродинамические характеристики на трансзвуковых скоростях, что делает их идеальными для круиз-ориентированных самолетов.

Складной забор Wingtip / Wingtip Fence

Airbus использует меньший, похожий на забор крылатый крылышок на семействе A320 (]Sharklet) и A380. Акулат представляет собой компактный вертикальный плавник с небольшим спиральным поворотом, который уменьшает индуцированное сопротивление примерно на 3,5%. Он легче и дешевле, чем смешанный крылатый крылышок, но все же обеспечивает значительную экономию топлива. A380 использует большие, перевернутые крылышки, которые действуют больше как грабежи, но с выраженным вертикальным элементом.

S-образные или изогнутые винглеты

Некоторые новые конструкции самолетов включают в себя винглеты с выраженной передней или задней стреловидностью, иногда описываемые как «S-образные», если смотреть сверху. Например, винглет Boeing 737 MAX имеет четкую переднюю стреловидность. Эта геометрия дополнительно оптимизирует распределение подъема и снижает прочность вихря. Аналогично, в CSeries Bombardier (теперь Airbus A220) используется большое, грубое крыло со смешанной крыло, которое изгибается как вверх, так и назад. Каждый производитель адаптирует форму к конкретной оболочке полета самолета.

Помимо экономии топлива: дополнительные преимущества

Хотя экономия топлива является основным преимуществом, винглеты предлагают ряд других преимуществ, которые делают их привлекательными для авиакомпаний и производителей.

  • Сокращение износа двигателя и шума. Понижая требуемую тягу, винглеты уменьшают нагрузку на двигатели, продлевая время на крыле между капитальными ремонтами. Кроме того, ослабленный вихревой след уменьшает шум в сообществах аэропортов, особенно при подходе.
  • Низкие выбросы углерода. Каждый сэкономленный галлон реактивного топлива предотвращает попадание в атмосферу примерно 21 фунта CO2. Типичный 737 с винглетами может сократить ежегодные выбросы CO2 на сотни тонн на самолет [[Boeing Aero Magazine].
  • Увеличенная дальность полета или полезная нагрузка.] Поскольку самолет сжигает меньше топлива на заданное расстояние, он может либо летать дальше на той же самой топливной нагрузке, либо перевозить больше полезной нагрузки в то же место назначения. Это особенно ценно для операций с коротких взлетно-посадочных полос или в жарком климате, где производительность ограничена.
  • Улучшенная стоимость перепродажи. Самолеты, оснащенные винглетами, часто более желательны на вторичном рынке, поскольку они предлагают быструю отдачу от инвестиций за счет более низких затрат на топливо (Cirium).
  • Улучшенные качества управления. Многие пилоты сообщают, что винглеты улучшают демпфирование крена и уменьшают неблагоприятную рычажную рысь, хотя эффект незаметен на современных самолетах с проволочным приводом.

Вызовы и компромиссы

Винглеты - это не бесплатный обед. Они добавляют вес (обычно 150-400 фунтов на пару на узком корпусе), структурное усиление и первоначальную стоимость. Отдача происходит только в том случае, если уменьшение сопротивления перевешивает штраф за вес, который обычно это делает для самолетов с высоким использованием. Однако на очень коротких маршрутах (с множеством взлетов и подъемов) преимущества уменьшаются, потому что винглеты обеспечивают наибольшее сокращение во время круиза, а не во время наземных операций.

Кроме того, винглеты могут увеличить общий размах крыльев, который может превышать размеры парковочных ворот в некоторых аэропортах (классический пример - 747-400, у которого были складные крылышки, чтобы соответствовать существующим воротам). Они также добавляют сложность к обледенению во время зимних операций и могут быть подвержены повреждению от воздействия наземного оборудования.

Будущее дизайна Wing-Tip

Поскольку авиаконструкторы настаивают на еще более низком расходе топлива, кончики крыльев продолжают развиваться. На горизонте есть несколько перспективных концепций:

  1. Активные или морфинговые крылышки.] Они изменят форму или повернутся в полете, чтобы оптимизировать эффективность на разных этапах (например, расширенные для круиза, убранные для такси и посадки). NASA и несколько университетов тестируют прототипы активных крылышек, которые могут уменьшить сопротивление на дополнительные 2-3%.
  2. Двигатели с вингтипом. Размещение двигателей на крыле может дополнительно уменьшить индуцированное сопротивление, впрыскивая высокоскоростной выхлоп в вихрь, эффективно отменяя его. Это было протестировано на концепции NASA Advanced Transport (AT), но проблемы шума и интеграции остаются.
  3. Более длинные, более легкие композиты.] С углеродно-волоконными крыльями, становящимися стандартными (Boeing 787, A350), дизайнеры могут включать более длинные грабежные наконечники без штрафа за вес, что потенциально делает дискретные винглеты ненужными. Размах крыльев 787 уже является одним из крупнейших в своем классе, с изящным грабежным наконечником, который обеспечивает большинство преимуществ винглета.
  4. БПЛА и электрические самолеты.] Для небольших беспилотных летательных аппаратов и электрических воздушных такси винглеты будут иметь решающее значение для максимизации дальности полета при ограниченном энергопотреблении батареи. Несколько конструкций eVTOL используют сильно изогнутые, похожие на паруса винглеты.

Между тем, модернизация старых самолетов с новыми конструкциями крылатых крыльев остается процветающим бизнесом. Aviation Partners Boeing продолжает разрабатывать комплекты для устаревших самолетов, а держатели STC (дополнительный сертификат типа) предлагают крылышки для таких моделей, как Gulfstream IV, 737 Classics и даже McDonnell Douglas MD-80 (NASA - Winglets) .

Заключение

Winglets - это проверенная, зрелая технология, которая обеспечивает реальную экономию топлива, выбросов и эксплуатационных расходов. От ранних смешанных конструкций 1990-х годов до сегодняшних разделенных имитарных и грубых советов эволюция устройств с крылом отражает неустанное стремление авиационной промышленности к эффективности. Для авиакомпаний инвестирование в крылышки (будь то на новых самолетах или в качестве модернизации) - это решение, которое окупается в течение нескольких лет, часто меньше. Для окружающей среды крылышки являются одним из многих инструментов, которые помогают уменьшить углеродный след авиации, сохраняя при этом доступный и доступный проезд.

По мере того, как конструкции винглетов станут более сложными и, возможно, даже активными в следующем десятилетии, уже впечатляющие успехи будут продолжать расти. В следующий раз, когда вы посмотрите в окно авиалайнера и увидите этот маленький вертикальный плавник на крыле, вы сможете оценить десятилетия аэродинамических исследований и инженерных разработок, которые вошли в то, чтобы сделать ваш полет немного зеленее.

Источники и дальнейшее чтение:
NASA — Winglets
Boeing Aero Magazine — Winglets
Cirium — Winglets Still Worth Their Weight in Gold

Airbus — Winglets and Aerodynamics