Как устройства с высоким подъемом влияют на аэродинамическую эффективность самолета во время подъема и круиза

Как устройства с высоким лифтом формируют производительность самолета

Современная авиация зависит от тщательного баланса между подъемом и перетаскиванием на каждом этапе полета. Высокоподъемные устройства являются одними из самых важных аэродинамических инструментов, которые инженеры используют для управления этим балансом. Эти подвижные поверхности, интегрированные в структуру крыла, позволяют самолету генерировать значительно больше подъема на более низких скоростях, чем может обеспечить только чистое крыло. Эта способность имеет решающее значение для безопасного взлета, эффективного подъема, контролируемого подхода и посадки. Без устройств высокого подъема коммерческим самолетам потребуются гораздо более длинные взлетно-посадочные полосы, они будут иметь значительно меньшую полезную нагрузку и работать с уменьшенными запасами прочности.

Фундаментальная проблема в конструкции крыла заключается в том, что аэродинамическая пленка, оптимизированная для высокоскоростного круиза, является плохим исполнителем на низких скоростях, необходимых для взлета и посадки. Крыло в форме минимального сопротивления на 0,78 Маха будет останавливаться на относительно высокой скорости при настройке для медленного полета. Высокоподъемные устройства решают этот конфликт, позволяя крылу динамически изменять свою форму. При расширении они увеличивают эффективную камберную, площадь поверхности и угол атаки крыло, производя дополнительный подъем, необходимый во время самых сложных фаз полета.

Понимание того, как эти устройства работают, как они влияют на аэродинамическую эффективность и почему пилоты используют их по-разному во время подъема по сравнению с круизом, имеет важное значение для всех, кто участвует в эксплуатации, обслуживании или проектировании самолетов.В этой статье рассматриваются аэродинамические принципы, лежащие в основе систем высокого подъема, конкретные типы общего использования, их влияние на производительность подъема и компромиссы между затратами и выгодами, которые регулируют их развертывание во время круиза.

Аэродинамические принципы, лежащие в основе устройств с высоким лифтом

Чтобы оценить, как функционируют устройства высокого подъема, это помогает пересмотреть основное уравнение подъема: подъем = 1⁄2 ρ V2 S CL. В этом уравнении ρ представляет плотность воздуха, V - скорость, S - площадь крыла, а CL - коэффициент подъема. Устройства высокого подъема в первую очередь увеличивают CL, но некоторые типы также увеличивают S. Коэффициент подъема - это безразмерное число, которое описывает способность крыла генерировать подъем для данного угла атаки. Увеличение CL позволяет самолету производить такое же количество подъема на более низкой скорости, что снижает минимальную безопасную скорость полета или скорость остановки.

Существуют три основных аэродинамических механизма, которые используют устройства высокого подъема. Во-первых, они увеличивают кривизну крыла от передней кромки до задней кромки. Более высокая камбер заставляет воздух проходить более длинный путь по верхней части крыла, ускоряя его и понижая давление, что создает больше подъема. Во-вторых, некоторые устройства увеличивают эффективную площадь крыла, непосредственно способствуя большему подъему, давая воздушному потоку большую поверхность для воздействия. В-третьих, многие устройства высокого подъема задерживают разделение потока путем повторного подпитывания пограничного слоя или более плавно направляя воздушный поток по крылу под высокими углами атаки.

Компромисс неизбежен: любое увеличение подъема через камбер или область сопровождается увеличением сопротивления. Это вызванное сопротивление в сочетании с сопротивлением формы с расширенных поверхностей может быть существенным. Искусство проектирования системы высокого подъема заключается в максимизации преимущества подъема при минимизации штрафа за сопротивление и предоставлении пилотам гибкости для выбора правильной конфигурации для каждой фазы полета.

Роль камбера в производстве лифтов

Камбер является единственным наиболее влиятельным геометрическим параметром для генерации лифтов на дозвуковых скоростях. Симметричный аэродинамический фольга производит нулевой подъем при нулевом угле атаки, в то время как карнизный аэродинамический фольга производит положительный подъем даже тогда, когда линия аккорда параллельна относительному ветру. Высокоподъемные устройства увеличивают камбер, расширяя закрылки вниз от задней кромки или развертывая рейки, которые открывают зазор на передней кромке. Эти изменения эффективно преобразуют аэродинамический фольга в более агрессивную форму подъема.

Увеличение камбера смещает кривую подъема вверх и влево на графике угла атаки против коэффициента подъема. Это означает, что крыло производит больше подъема при каждом угле атаки, а угол кабинки атаки обычно уменьшается, потому что поток по сильно загнутому крылу отделяется раньше. Однако сопутствующее увеличение момента качки нос-вниз должно быть обрезано горизонтальным стабилизатором, что добавляет сопротивление отделки.

Контроль пограничного слоя и привязка потока

Передовые устройства, такие как рейки и слоты, выполняют другую, но дополняющую функцию. При этом передние закрылки увеличивают камбер, передние устройства поддерживают прикрепленный воздушный поток при более высоких углах атаки. Слэт создает небольшой зазор между собой и основным крылом, позволяя высокоэнергетическому воздуху из-под крыла протекать через слот и повторно заряжать пограничный слой на верхней поверхности. Это задерживает наступление разделения потока и повышает угол атаки при кабине, позволяя самолету летать на более низких скоростях без остановки.

Этот эффект особенно важен при взлете и посадке, когда самолёт работает под высокими углами атаки. Без передних устройств крыло бы задерживалось под более низким углом атаки, ограничивая максимальный подъём, который могли бы произвести закрылки. Сочетание передних и передних закрылков создаёт мощную систему высокого подъёма, которая может удвоить или утроить максимальный коэффициент подъёма по сравнению с чистым крылом.

Виды устройств высокого лифта и их конструкция

Современные самолеты обычно используют комбинацию передних и передних подъемных устройств. Каждый тип имеет специфические аэродинамические характеристики и механические требования. Наиболее распространенные конфигурации описаны ниже.

Крышки на тропе

Крылья с траекторией зависают или скольжения поверхности прикреплены к задней части крыла. Они разворачиваются вниз от задней кромки крыла для увеличения камбера и, в некоторых конструкциях, площадь крыла. Есть несколько типов в общем использовании.

Устройства Leading-Edge

Передние устройства развернуты с передней части крыла для улучшения характеристик высокого угла атаки, они работают в основном за счет задержки разделения потока, а не за счет увеличения камбера, хотя некоторые делают и то, и другое.

Конфигурационные комбинации

Большинство транспортных самолетов используют комбинированную систему. Типичный авиалайнер имеет многослойные закрылки Фаулера на задней кромке и передние рейки на внешней части крыла, иногда с бортовыми закрылками Крюгера. Эта комбинация обеспечивает очень высокие максимальные коэффициенты подъема, необходимые для низких скоростей подхода и коротких дистанций посадки, при сохранении приемлемых уровней сопротивления для подъема и обхода. Boeing 737, например, использует бортовые закрылки с тремя слотами и двойные слотированные закрылки на борту, в паре с передними рейками. Семейство Airbus A320 использует однослотные закрылки Фаулера с передними рейками, полагаясь на более сложную аэродинамику для достижения аналогичной производительности с меньшим количеством движущихся частей.

Операция во время восхождения

Фаза подъема предъявляет уникальные требования к системе высокого подъема. Сразу после взлета самолет должен разгоняться с низкой скорости при сохранении положительной скорости подъема. Устройства высокого подъема обычно устанавливаются в промежуточное положение для подъема, а не в максимальную настройку, используемую для посадки. Этот компромисс дает крылу достаточный подъем, чтобы эффективно подниматься, сохраняя при этом сопротивление достаточно низким, чтобы обеспечить ускорение до безопасной скорости подъема.

Настройки взлета и начальный подъем

Для взлёта заслонки устанавливаются под определённым углом, обычно от 5 до 15 градусов в зависимости от типа самолёта и условий взлётно-посадочной полосы. Эта установка обеспечивает значительное увеличение подъема без создания чрезмерного сопротивления. Типичная установка взлётного заслонка может составлять 10 градусов на узкофюзеляжной струе. Увеличенный подъем уменьшает расстояние крена земли и позволяет самолёту подниматься с меньшей скоростью, что улучшает зазор препятствий после вылета.

Сразу после взлета самолет входит в начальный сегмент подъема с еще расширенными закрылками. Пилот поддерживает конфигурацию взлета до достижения безопасной высоты, часто на высоте 400 футов над уровнем земли или выше, до начала втягивания закрылка. Это обеспечивает самолету достаточный запас хода и производительность подъема в случае отказа двигателя на критической ранней стадии полета.

Расписание включения Flap

Убирание лопастей — тщательно срежиссированный процесс. Пилот или директор полёта приказывает закрылкам убираться поэтапно, обычно через два или три промежуточных положения, прежде чем достичь чистой конфигурации. Каждый шаг убирания уменьшает подъем, но также уменьшает сопротивление, позволяя самолёту ускоряться. Скорость должна быть достаточно высокой на каждом этапе, чтобы крыло могло поддерживать вес самолёта без удлинения закрылков. Эта минимальная скорость, известная как скорость убирания лопастей, публикуется в руководстве по полёту самолёта и варьируется в зависимости от веса и высоты.

При обычных операциях самолёт достигает чистой конфигурации примерно на 1500—3000 футов над уровнем земли.В этот момент крыло принимает свою наиболее эффективную форму круиза, а самолёт разгоняется до наилучшей скорости восхождения или скорости взлёта по маршруту.Переход от высокого подъема к чистому крылу — критический момент в профиле полёта, так как снижение сопротивления позволяет существенно улучшить градиент восхождения и топливную экономичность.

Эффективность торговли во время восхождения

Сохранение закрылков, растянутых даже на несколько дополнительных секунд во время подъема, имеет измеримые топливные последствия. Дополнительное сопротивление от расширенных закрылков снижает скорость подъема и увеличивает сжигание топлива. Для типичного узкофюзеляжного самолета, выполняющего короткий рейс, разница между убирающимися закрылками при оптимальном графике по сравнению с отложенным графиком может добавить 10-20 килограммов расхода топлива на сегмент полета. Более тысячи рейсов в год это добавляет к значительным эксплуатационным расходам.

Однако эффективность должна быть сбалансирована с запасами прочности. Уменьшение скорости и высоты не должно начинаться до того, как самолет достигнет безопасной скорости и высоты. Летный экипаж должен также учитывать требования к производительности двигателя, ограничения управления воздушным движением и процедуры снижения шума, все из которых могут влиять на график устранения закрылков. Современные компьютеры управления полетом автоматизируют этот процесс, командуя устранением закрылков в нужный момент для оптимизации как безопасности, так и сжигания топлива.

Влияние во время круиза

Во время круизного полета крыло настроено в максимально чистом виде. Все устройства высокого подъема полностью убраны и уложены в пух с поверхностями крыла. Есть три основные причины, по которым устройства высокого подъема не используются в круизе: сопротивление, устойчивость и конструктивные ограничения.

Штраф за перетаскивание в расширенной конфигурации

Штраф за перетаскивание устройств подъёма во время круиза суровый. Даже небольшое отклонение лоскута на 5 градусов может увеличить общее сопротивление самолёта на 15—25 %, в зависимости от конкретной конструкции. Это увеличение происходит из нескольких источников. Форма лобового сопротивления повышается, потому что удлинённые поверхности представляют большую лобную область к воздушному потоку. Индуцируемое сопротивление увеличивается, потому что устройства подъёма перераспределяют подъём поперек размаха крыла, изменяя распределение подъёмников по шпангоуту и увеличивая угол нисхождения. Помехи лобового сопротивления возникают на стыках между закрылками и неподвижной структурой крыла.

Эффект экономии топлива драматичен. 20-процентное увеличение сопротивления требует примерно 20-процентного увеличения тяги двигателя для поддержания той же крейсерской скорости, что напрямую приводит к увеличению расхода топлива. Для типичного 150-местного самолета, выполняющего миссию в 1000 морских миль, это может означать сжигание дополнительных 500-700 килограммов топлива. Авиакомпании не могут принять этот штраф, поэтому конфигурация чистого крыла используется для всех круизных операций, если чрезвычайная ситуация или конкретные эксплуатационные требования не диктуют иное.

Аэродинамическая эффективность в чистой конфигурации

Чистое крыло оптимизировано для соотношения подъем-вынос, или L/D, что является наиболее важным показателем аэродинамической эффективности для круиза. Типичный современный реактивный лайнер достигает максимальной L/D между 15 и 20 в чистой конфигурации. Это означает, что при оптимальной скорости крыло производит от 15 до 20 единиц подъема для каждой единицы сопротивления. Высокоподъемные устройства существенно снижают это соотношение. При расширенных закрылках L/D может опускаться до 10 или даже ниже, что делает самолет аэродинамически неэффективным.

Конструкторы крыла тщательно формируют чистое крыло для достижения высокого L/D при проектном номере круиза Маха. Секции пневматического профиля выбираются для низкого сопротивления на высоких дозвуковых скоростях, при этом на современных самолетах распространены сверхкритические пневматические крылья. Крутизна крыла, угол размаха и сужающееся соотношение оптимизированы для крейсерских характеристик. Высокоподъёмные устройства предназначены для укладки полностью и плавно, чтобы они не нарушали тщательно оптимизированный воздушный поток во время самой длинной части полета.

Разные круизные перевозки

Есть несколько необычных ситуаций, когда во время круиза используются устройства с высокой подъемной силой, хотя они редки и всегда по конкретным эксплуатационным причинам. Некоторые самолеты используют очень малый отклонение лоскута во время круиза для настройки камбера крыла для оптимальной производительности при определенном весе или номере Маха. Это иногда называют переменной камберной или адаптивной технологией крыла, и она встречается на нескольких продвинутых бизнес-джетах и на некоторых военных самолетах. Отклонение обычно составляет всего один или два градуса, намного меньше, чем отклонения, используемые для взлета и посадки, и именно контролируется системой управления полетом для точной настройки формы крыла.

Другой случай — операции по заправке в полете для самолетов-заправщиков. Некоторые танкеры развертывают закрылки для увеличения сопротивления и снижения скорости, чтобы соответствовать более медленной крейсерской скорости самолета-приемника. Это специализированное приложение, которое не представляет собой нормальных коммерческих операций. Аналогично, некоторые самолеты развертывают скоростные тормоза или спойлеры в круизе для быстрого замедления, но это не устройства высокого подъема в обычном смысле, поскольку они увеличивают сопротивление без значительного увеличения подъема.

Интеграция систем и автоматизация

Управление устройствами высокого подъема полностью автоматизировано на большинстве современных коммерческих самолетов. Летный экипаж выбирает нужную настройку закрылка через рычаг или цифровой интерфейс, а система управления закрылками перемещает поверхности в командное положение при мониторинге неисправностей и асимметрий. Архитектура системы включает в себя несколько избыточных датчиков, исполнительных механизмов и каналов управления для обеспечения безопасной работы даже в случае отказа компонента.

Системы помощи при погрузке Flap Load

Важной особенностью современных систем закрылков является облегчение нагрузки. Если воздушные нагрузки на лоскут становятся слишком высокими из-за чрезмерной скорости или экстремального маневрирования, система управления закрылками автоматически убирает закрылки под более низкий угол отклонения для предотвращения конструктивных повреждений. Это функция безопасности, которая защищает структуру лоскута от условий перегрузки, которые могут возникнуть, если экипаж непреднамеренно превысит максимальную скорость удлинения лоскута. Система сброса нагрузки обычно работает независимо на каждой панели закрылков для обеспечения избыточности.

Защита от асимметрии

Одной из наиболее важных функций безопасности системы управления закрылками является обнаружение и защита асимметрии. Если закрылки на одном крыле вытягиваются или убираются с другой скоростью, чем на другом крыле, самолет испытывает тяжелый момент качения, который может быть трудно контролировать. Системы обнаружения асимметрии лопастей непрерывно контролируют положение каждой панели закрылков и сравнивают их. Если обнаруживается значительная разница в положении, система либо останавливает все движение закрылков, либо приводит заднюю панель в соответствие с ведущей панелью в зависимости от конкретной конструкции. Это предотвращает развитие асимметричного состояния до опасного уровня.

Будущие разработки в области технологий высоких лифтов

Аэродинамические исследования продолжают раздвигать границы высокой производительности лифтовой системы. Несколько новых технологий обещают еще больше повысить эффективность и возможности этих уже сложных систем.

Морфинговые структуры крыльев

Одной из областей активных исследований является разработка морфинговых крыльев, которые могут непрерывно и плавно изменять свою форму без дискретных закрылков и рейок. Эти крылья используют гибкие материалы кожи и внутренние приводы для достижения камберных изменений по всей поверхности крыла. Преимущество морфинга крыла в том, что его можно оптимизировать для каждого состояния полета, а не для нескольких дискретных настроек закрылков. Хотя сохраняются значительные инженерные проблемы, особенно с точки зрения веса, долговечности и сертификации, несколько исследовательских программ продемонстрировали рабочие прототипы на небольших самолетах.

Активный контроль потока

Активное управление потоком использует небольшие струи воздуха или другие источники энергии для манипулирования пограничным слоем и разделения потока задержки. Вместо перемещения большой механической поверхности активное управление потоком может достичь аналогичного усиления подъема с меньшим сопротивлением и уменьшенной механической сложностью. Синтетические струйные приводы, которые производят импульсы воздуха без необходимости сжатого источника воздуха, изучаются для таких применений, как передний контроль разделения и задержка разделения клапанов. Эта технология все еще находится на экспериментальной стадии, но показала перспективу в испытаниях аэродинамической трубы.

Умные материалы и распределенная актуация

Сплавы памяти формы и пьезоэлектрические материалы предлагают возможность распределенных систем привода, которые заменяют тяжелые гидравлические или электрические двигатели легкими встроенными исполнительными механизмами. Эти интеллектуальные материалы могут изменять форму при применении электрического тока или теплового ввода, обеспечивая плавное и точное управление небольшими аэродинамическими поверхностями. В то время как силы и отклонения, достижимые с помощью современных интеллектуальных материалов, ограничены, текущие разработки могут в конечном итоге позволить их использование в приложениях управления полетом, включая системы высокого подъема.

Оперативные соображения для летных экипажей

Понимание поведения устройств высокого подъема имеет важное значение для безопасных и эффективных полетных операций.Пилоты получают подробную подготовку по аэродинамическим эффектам развертывания закрылков и рейдов, процедурам выбора конфигураций и аварийным действиям, необходимым в случае неисправности системы.

Перед взлетом

Экипаж самолета выбирает установку взлётного клапана исходя из веса самолёта, длины взлётной полосы, условий окружающей среды и любых требований к зазору препятствий. Данные о производительности в руководстве по полёту самолёта обеспечивают оптимальную настройку для каждого набора условий. Экипаж проверяет, что закрылки и планки правильно развернуты и что система управления полётом не указывает на неисправности перед началом взлётного крена.

При подходе и посадке

Хотя в центре внимания этой статьи находятся подъем и круиз, стоит отметить, что на этапах подлета и посадки используются самые высокие настройки закрылков. Окончательная установка закрылков для посадки обычно составляет от 30 до 40 градусов, в зависимости от типа самолета. Это обеспечивает максимальный коэффициент подъема и самую низкую скорость кабинки, что позволяет медленному и крутому подходу, который дает пилоту хорошую визуальную отсылку и сокращает расстояние посадки. Скоростные тормоза или спойлеры часто развертываются в сочетании с полными закрылками для управления спуска без чрезмерного наращивания скорости.

Экстренные процедуры

В случае неисправности лоскута или рейки во время подъема или круиза летный экипаж должен оценить ситуацию и определить, безопасно ли продолжать полет или необходимо ли отвлечение. Состояние асимметрии лоскута является серьезной чрезвычайной ситуацией, требующей немедленных корректирующих действий. Если закрылки застряли в удлиненном положении, самолет может не быть в состоянии достичь эффективной высоты или скорости круиза, и расход топлива значительно увеличится. Экипаж должен рассчитать сниженную производительность и выбрать подходящий аэропорт отвода, если исходное место назначения находится за пределами теперь сокращенного диапазона самолета.

Заключение

Высокоподъемные устройства — это зрелая, но постоянно развивающаяся технология, которая играет незаменимую роль в современной авиации. Флапсы, рейки и связанные с ними системы позволяют самолетам безопасно и эффективно работать в широком диапазоне скоростей, необходимых для взлета, подъема, круиза, спуска и посадки. Во время подъема эти устройства обеспечивают дополнительный подъем, необходимый для подъема с низкой скорости на высоту круиза, при этом конфигурации тщательно удаётся сбалансировать подъем с сопротивлением для оптимальной топливной эффективности. Во время круиза устройства полностью убираются, чтобы позволить крылу работать на пике аэродинамической эффективности, минимизируя сжигание топлива и максимизируя дальность полета.

Инженерия систем высокого подъема предполагает глубокое понимание динамики жидкости, материаловедения и систем управления. Каждая установка закрылков представляет собой точный компромисс между генерацией подъемника и штрафом за сопротивление, а современные системы управления полетом автоматизируют эти решения с замечательной точностью. По мере созревания новых материалов и технологий приведения в действие граница между фиксированным крылом и динамически адаптирующимся крылом будет продолжать размываться, обещая еще большую эффективность и возможности для самолетов завтрашнего дня.

Для тех, кто участвует в проектировании, эксплуатации или обслуживании самолетов, глубокое знание аэродинамики устройств высокого подъема имеет основополагающее значение. Эти системы непосредственно влияют на производительность взлетно-посадочной полосы, возможности подъема, эффективность круиза и безопасность посадки. Понимая, как устройства высокого подъема влияют на аэродинамическую эффективность во время подъема и круиза, авиационные специалисты могут принимать обоснованные решения, которые улучшают эксплуатационные результаты и снижают затраты по всему периметру полета.