В поисках все большей эффективности и производительности авиационные инженеры постоянно совершенствуют форму крыльев самолета, чтобы минимизировать аэродинамическое сопротивление. Среди наиболее эффективных и широко распространенных конструктивных особенностей - суженное крыло. Характеризуемое постепенным уменьшением длины аккорда от корня крыла (где он встречается с фюзеляжем) до кончика, суженная форма плана является краеугольным камнем современного дизайна самолета. В этой статье исследуются аэродинамические принципы, лежащие в основе суженных крыльев, их значительная роль в уменьшении сопротивления и более широкие преимущества, которые они приносят производительности самолета.

Что такое зазубренные крылья?

Конусообразное крыло — это такое, в котором длина аккорда — расстояние от ведущего края до задней кромки — уменьшается вдоль пролета от корня до кончика. Это создает форму, которая может варьироваться от нежного трапеции до близкого треугольника. Степень сужения часто выражается в соотношении сужения (конусный аккорд, разделенный корневым аккордом). Прямоугольное крыло имеет сужение в 1,0, в то время как высококонусное крыло может иметь отношение 0,2 или ниже. Большинство современных дозвуковых самолетов коммерческой и общей авиации включают некоторую степень сужения, балансируя аэродинамическую эффективность со структурными и производственными ограничениями.

Конусообразная форма плана не является современным изобретением. Ранние пионеры, такие как братья Райт, использовали форму сужения в своих конструкциях крыла, и концепция была дополнительно усовершенствована с развитием эллиптических крыльев на самолетах, таких как Supermarine Spitfire, который предложил исключительную аэродинамическую эффективность. Однако эллиптические крылья сложны и дороги в строительстве. Угловатые крылья обеспечивают отличное практическое приближение идеального распределения эллиптических подъемников, обеспечивая большую часть прироста производительности с гораздо более простой конструкцией.

Аэродинамика драги

Чтобы понять, как конические крылья уменьшают сопротивление, важно понять два основных типа сопротивления, влияющих на самолет: индуцированное сопротивление и паразитическое сопротивление. Индуцированное сопротивление является следствием создания подъема. Как крыло производит подъем, оно создает вихри заднего хода — вращающиеся массы воздуха, которые вызывают поток подъема назад. Эта нисходящая очистка наклоняет вектор подъема назад, создавая компонент сопротивления. На индуцированное сопротивление обратно пропорционально пропорции к аспекту и сильно влияет на форму плана крыла. Паразитический перетягивание включает трение кожи, сопротивление формы и сопротивление интерференции и в значительной степени определяется смоченной областью и гладкостью поверхностей, но их наиболее значительное влияние на индуцированное сопротивление.

Как зазубренные крылья уменьшают индуцированную драгу

Основное преимущество конического крыла заключается в его способности более эффективно распределять подъем по пролету. Идеальное крыло будет производить распределение эллиптического подъема, где подъем на единицу пролета изменяется эллиптически от корня до кончика. Это распределение минимизирует индуцированное сопротивление для данного пролета и подъема. Эллиптическая форма плана (например, Spitfire) достигает этого естественным образом, но хорошо спроектированное коническое крыло с прямым ведущим или задней кромкой может подойти очень близко к этому идеалу.

Распределение эллиптических лифтов

For a given wingspan and lift, the absolute minimum induced drag occurs when the downwash is constant across the span. This condition is met by an elliptical distribution of lift. A rectangular wing, in contrast, produces a nearly constant lift per unit span near the root but a sharp drop-off at the tips, leading to strong tip vortices and higher induced drag. A tapered wing, by reducing the chord at the tip, reduces the local lift there, causing the lift distribution to become more elliptical. This reduces the strength of the tip vortices and, consequently, the induced drag.

Винтиповые вортики и их сокращение

Вихри улья наиболее выражены при быстром изменении подъема вблизи наконечника. Ударение крыла сглаживает этот переход. Поскольку наконечник аккорда меньше, локальный коэффициент подъема (подъем на единицу площади) ниже, а разница давления между верхней и нижней поверхностями уменьшается. Это приводит к более слабым вихрям, которые переходят непосредственно в менее индуцированное сопротивление. Многие современные самолеты также комбинируют сужение с винглетами или другими наконечниками для дальнейшего снижения вихревого сопротивления.

Другие аэродинамические и структурные преимущества

Помимо индуцированного снижения сопротивления, конические крылья предлагают несколько дополнительных преимуществ, которые способствуют общей эффективности и управляемости самолета.

Улучшенные характеристики стайла

Поведение стеллажа имеет решающее значение для безопасности. На прямом, незастегнутом крыле ларька часто начинается у корня и прогрессирует наружу, обеспечивая эффективность буфета и элерона по мере развития ларька. Это желательно, потому что пилот сохраняет контроль рулона. Застегнутые крылья, однако, имеют тенденцию иметь более высокий местный угол атаки на кончик из-за уменьшенного аккорда. Если не тщательно спроектированный, ларь может инициировать на кончике, вызывая потерю управления элероном и потенциальное падение крыла. Чтобы противодействовать этому, дизайнеры включают промывку - геометрический поворот, который уменьшает угол падения на кончике относительно корня. При правильном промывке корневая ларька сначала сохраняет подъем кончика и эффективность элерона. Таким образом, конические крылья, в сочетании с промывкой, могут обеспечить доброкачественные характеристики ларька, все еще обеспечивая аэродинамическую эффективность.

Структурная экономия веса

Конусообразное крыло может быть легче прямоугольного крыла того же размаха и площади. Момент изгиба у корня самый сильный; конусообразное крыло уменьшает аккорд (и, следовательно, воздушную нагрузку) вблизи кончика, понижая момент изгиба. Это позволяет крылу спар и коже быть легче, экономя структурный вес. Более того, корень, где крыло присоединяется к фюзеляжу, может быть глубже и толще, чтобы более эффективно вместить нагрузку. Эта структурная оптимизация является основной причиной, почему конусообразные крылья повсеместно на коммерческих самолетах.

Уменьшение паразитарной дрожи через более высокий коэффициент

Поскольку конусообразное крыло позволяет увеличить пролет для данной области (или эквивалентно, более высокое соотношение сторон) без чрезмерной нагрузки на кончик, это позволяет проектировщикам увеличить соотношение сторон дальше, чем прямоугольное крыло позволило бы. Более высокие соотношения сторон по своей сути уменьшают индуцированное сопротивление, делая крыло еще более эффективным. Кроме того, конусное крыло может уменьшить смачивающуюся область на кончике, немного снижая сопротивление трения кожи.

Торговля и дизайн-соображения

Хотя конические крылья предлагают существенные преимущества, они не лишены компромиссов. Структурная конструкция сильно конусообразного крыла требует тщательной инженерии, чтобы избежать задержек наконечников и управлять траекторией нагрузки. Производственные затраты могут быть выше из-за различной формы аккорда и необходимости точной формы ребер и панелей кожи. Кроме того, высококонусные крылья (с очень низкими коэффициентами сужения) могут испытывать тенденции к подаче под высокими углами атаки, явление, смягченное тщательным формированием и добавлением заборов крыла или других устройств.

Another consideration is the interaction with the fuselage. The root of a tapered wing is larger than that of an equivalent rectangular wing, which can increase interference drag at the wing-fuselage junction. Engineers address this with fillets and careful fairing design. Despite these challenges, the aerodynamic and structural advantages of moderate taper (taper ratios between 0.3 and 0.5) are so compelling that they are standard on virtually all modern airliners and many business jets.

Современные примеры и приложения

Почти каждый реактивный транспортный самолет, находящийся на вооружении сегодня, имеет суженные крылья. Семейство Boeing 737, например, использует умеренный сужающийся в сочетании с винглетами на более новых вариантах для достижения высокой топливной эффективности. В серии Airbus A320 также используется сужающееся крыло с отличительной стреловидностью и высоко оптимизированным распределением подъемников. В авиации общего назначения такие самолеты, как Cessna 172, имеют крылья с небольшим сужающимся, в то время как более продвинутые конструкции, такие как Cirrus SR22, используют выраженный сужающийся для повышения производительности.

Военные самолеты также выигрывают. F-16 Fighting Falcon использует смешанный корпус крыла со значительным сужением для достижения сверхзвуковых характеристик при сохранении дозвуковой эффективности. Способность сужающегося крыла уменьшать сопротивление в широком диапазоне скоростей делает его универсальным выбором. Даже последнее поколение летающих самолетов, таких как B-2 Spirit, включает сужение в общую форму плана, чтобы минимизировать сопротивление и радиолокационную сигнатуру.

Заключение

Конструкции крыла с загнутыми крыльями остаются фундаментальным инструментом в арсенале авиационного инженера для снижения сопротивления и повышения эффективности самолета. Содействуя более эллиптическому распределению подъема, они значительно уменьшают индуцированное сопротивление, что приводит к снижению расхода топлива, большей дальности и уменьшению воздействия на окружающую среду. В сочетании со структурными преимуществами и потенциалом для улучшения характеристик ларька при правильной конструкции, конические крылья предлагают сбалансированный компромисс между аэродинамической чистотой и практической конструкцией. По мере того, как отрасль движется к все более эффективным и устойчивым самолетам, конусное крыло будет оставаться ключевой особенностью планеров, которые соединяют наш мир.

Для дальнейшего чтения по аэродинамике крыла, научно-исследовательский центр NASA Glenn предоставляет образовательные ресурсы по подъему и перетаскиванию, а также руководство пилота FLT: 2 FAA по аэронавигационным знаниям FLT: 3 предлагает углубленный взгляд на принципы проектирования крыла.