Кто-нибудь задавался вопросом, почему у большинства пассажирских самолётов крыло не просто прямое (как у всеми любимого Ан-2), а немного сдвинуто назад? Давайте разберёмся с этим подробнее.
Большинство из вас, наверное, знает, что такое крыло называется стреловидным, но теория не помешает:
Угол стреловидности χ - это геометрическая характеристика крыла, которая измеряется либо по передней кромке – между ней и поперечной осью самолета, либо по линии 1/4 хорд (соединяет точки ¼ части от передней кромки крыла корневой и концевой хорд).
Применяется стреловидное крыло для того, чтобы повысить критическое число Маха и отдалить явления волнового кризиса – волновое сопротивление возникает на крыле при полётах на околозвуковых скоростях, а явление волнового кризиса – это когда местные скорости на профиле крыла достигают скорости звука, и происходит резкое падение подъёмной силы и увеличение лобового сопротивления. Несмотря на то, что в обычных условиях скорость звука (М=1) превышает 1000 км/ч, первые признаки возникновения волнового сопротивления могут появляться уже на скоростях полета ~500 км/ч – местная скорость пограничного слоя воздуха на профиле разгоняется до звуковой.
На стреловидном крыле скорость раскладывается на 2 составляющие:
1. Касательная к кромке Vτ (влияет только на силы трения);
2. Перпендикулярная к передней кромке Vn, от которой как раз зависит величина аэродинамических сил на крыле.
Vn естественно меньше скорости полёта V, и получается, что самолёт летит на большей скорости, но при этом все ограничения, связанные с наступлением волнового кризиса, зависят от меньшей скорости Vn. Чем больше угол стреловидности, тем больше будет скорость наступления волнового кризиса. Таким образом, самолет на околозвуковых скоростях оттягивает наступление неприятностей, связанных с ростом волнового сопротивления. Одним из преимуществ самолёта со стреловидным крылом является большая поперечная устойчивость. При возникновении крена самолет начинает скользить на опущенное полукрыло, в результате чего меняется угол набегающего потока и меняется эффективная стреловидность. При этом на опущенном полукрыле перпендикулярная составляющая скорости увеличивается (Vn), возрастает его подъёмная сила, а крен уменьшается.
Правда такая устойчивость одновременно является и недостатком, т.к. может вызывать колебания типа «голландский шаг» – при появлении крена (например, при полёте в турбулентности) самопроизвольно возникает и скольжение в сторону опущенного крыла. Вследствие устойчивости самолёта по крену возникает момент, который стремится уменьшить крен (значительный), но в то же время появляется и момент путевой устойчивости, стремящийся развернуть нос самолёта в сторону возникшего скольжения (слабее момента по крену). Из-за разницы моментов путевая устойчивость как бы «отстаёт» от восстановления крена, а самолёт по инерции «проскакивает» положение без крена и начинает крениться в противоположную сторону. Таким образом, самолет без вмешательства в управление будет совершать незатухающие колебания по крену и скольжению, «виляя» из стороны в сторону. Это явление и носит название – «голландский шаг» (dutch roll).
Та самая касательная к кромке Vτ (тангенциальная составляющая), которая вычиталась из общей скорости и отдаляла явление волнового кризиса, направлена к концу крыла, что приводит к набуханию и преждевременному отрыву пограничного слоя в районе законцовок (у прямого крыла срыв потока начинается с корневой части).
Проблемы концевого срыва:
1. Срывной подхват (pitch-up). Центр давления (точка приложения аэродинамических сил) смещается вперёд, что приводит к энергичному задиранию носа вверх и дальнейшему увеличению угла атаки (угол, заключенный между направлением вектора скорости набегающего потока воздуха и характерным продольным направлением, выбранным на теле; текущее значение угла атаки высчитывается с помощью данных, поступающих с AOA (angle of attack) sensor, а критическое значение угла атаки зависит от скорости, положения механизации крыла, отсутствия/наличия обледенения и т.д.), что особенно опасно на малых высотах;
2. Сваливание на крыло. Из-за несимметричного обтекания консолей крыла срыв потока на одной из консолей может произойти раньше;
3. Ухудшение поперечной управляемости. Так как срыв потока распространяется по крылу с законцовок, то очень скоро он накрывает элероны, лишая их эффективности.
Еще существенный недостаток стреловидного крыла – заниженная несущая способность по сравнению с прямым крылом, что приводит к увеличению скоростей при отрыве и посадке, значит и росту длины разбега и пробега. Гражданские самолёты с небольшими углами стреловидности для приемлемых взлётно-посадочных характеристик требуют сложной механизации крыла. Для сверхзвуковых ВС может применяться крыло с изменяемой стреловидностью (КИС). Каждая его консоль состоит из 2х частей – неподвижной и поворотной.
На разных режимах полёта поворотная часть занимает наиболее выгодное аэродинамическое положение:
1. на малых скоростях угол стреловидности уменьшается ~15°;
2. на около- и сверхзвуковых скоростях устанавливается максимальная стреловидность ~70°.
Основной недостаток КИС – сложность конструкции (снижается надёжность) и доп. масса систем поворота крыла. С 80-х годов на замену КИС пришла концепция статически неустойчивого ВС с электродистанционной системой управления (ЭДСУ).
Теперь немного о такой экзотике, как крыло обратной стреловидности. Там происходит увеличение критического числа Маха и отдаление волнового кризиса по тому же принципу разложения скорости на составляющие.
Положительные стороны:
1. Вследствие перетекания воздуха срыв потока провоцируется уже с корневой части крыла. Практически нивелируются недостатки концевого срыва прямой стреловидности, но добавляется проблема смещения центра давления (приложения Ya) вперед и снижения продольной устойчивости (для борьбы с этим устанавливается передний треугольный наплыв);
2. Снижается интенсивность концевого вихря и уменьшается индуктивное сопротивление;
3. Для военных важным качеством является уменьшение радиолокационной заметности ВС.
Существенный недостаток:
Крыло подвержено аэродинамической дивергенции – набегающие потоки закручивают его концы вплоть до разрушения.
Наши основные медиаресурсы:
Telegram (главная платформа)
Boosty (эксклюзив)
