Для чего нужны винглеты самолету
Винглет
Законцовки крыла (другое название концевые крылышки или винглеты; англ. winglet «крылышко») — небольшие дополнительные элементы на концах крыльев самолёта в виде крылышек или плоских шайб. Законцовки крыла служат для увеличения эффективного размаха крыла, снижая индуктивное сопротивление, создаваемое срывающимся с конца стреловидного крыла вихрем и, как следствие, увеличивая подъемную силу на конце крыла. Крыло без законцовки не создает подъемную силу на оставшихся 5% длины крыла до его конца. Также законцовки позволяют увеличить удлинение крыла, практически не изменяя при этом размах крыла. Применение законцовок крыла позволяет улучшить топливную экономичность у самолетов,либо дальность полёта у планеров. В настоящее время одни и те же типы самолётов могут иметь разные варианты законцовок.
Из серийно выпускающихся в России самолетов, законцовки имеют Ту-204/214 и Ил-96.
Содержание
История и развитие
Братья Райт в 1905 году впервые применили законцовки на летательном аппарате Флайер-III, и позднее на моторизированном самолёте Модель-А. Ричард Уиткомб, авиационный специалист и инженер, сотрудник НАСА, был одним из первых исследователей влияния законцовок крыла на аэродинамику самолёта. В начале 70-х он сконструировал законцовку крыла, перпендикулярно распространяющуюся вверх и вниз от плоскости крыла. Данная конструкция в настоящий момент применяется на крыльях среднемагистральных самолётов Airbus A-320. В начале 90-х Луи Гратцер, главный специалист по аэродинамике компании Aviation Partners, придумал и запатентовал «blended winglet» — сопряженное крылышко, которое плавно загибается вверх по дуге большого радиуса и имеет большое относительное удлинение. Первое же применение крылышек новой конструкции для модернизации делового самолета в 1991 г. позволило сократить расход топлива на 7%. Столь масштабная экономия за счет модернизации оказалась беспрецедентной в истории авиации, если не считать переделки всего самолета или ремоторизации.
Принцип действия
Подъёмная сила крыла образуется из-за разности давлений под крылом и над крылом. Из-за разности давлений часть воздуха перетекает через край крыла из области высокого давления снизу в область пониженного давления сверху, образуя при этом концевой вихрь. На образование вихря тратится энергия движения, что приводит к появлению силы индуктивного сопротивления. Концевой вихрь также приводит к перераспределению подъёмной силы по размаху крыла, уменьшая его эффективную площадь и удлинение, и снижая аэродинамическое качество. Установка винглетов помогает добиться более оптимальной формы распределения подъёмной силы.
Гребневые законцовки
Галерея
Различные самолеты и планеры, имеющие законцовки:
Авиация России
Гражданская авиация, пассажирские и боевые самолеты и вертолеты России, новости и история российской и советской авиации.
Почему у МС-21 нет винглетов
Полное аэродинамическое сопротивление крыла самолёта, летящего на околозвуковой скорости, складывается из волнового, профильного, индуктивного и паразитного сопротивлений. Аэродинамическое качество крыла тем лучше, чем меньшую силу лобового и индуктивного сопротивлений оно создаст.
Такое движение воздушных масс сообщает воздушному потоку паразитную силу, направленную вниз перпендикулярно вектору скорости, что приводит к уменьшению на конце крыла подъёмной силы.
В результате, за концами крыла образуются два вихревых жгута, которые называют спутными струями. Энергия, затрачиваемая на образование этих вихрей, и определяет индуктивное сопротивление крыла.
Влияние винглетов на уменьшение индуктивного сопротивления
Размах крыла самолёта АНТ-25 составляет 34 метра!
Современные условия накладывают свои ограничения на размах крыла, которые определяются конструктивными и эксплуатационными параметрами. Так, например, аэродромная инфраструктура и требования ICAO ограничивают до 36 метров размах крыла у среднемагистрального самолёта. Винглеты позволяют увеличить эффективное удлинение крыла при практически неизменном размахе.
Углепластик — гораздо более жёсткий материал, поэтому, даже без использования винглетов, композитное крыло МС-21 большого удлинения, образованное тонкими суперкритическими профилями (практически плоская верхняя и выпуклая нижняя поверхности), позволяет на крейсерских скоростях полёта получить аэродинамическое качество на 5-6% лучше, чем у новейших зарубежных аналогов.
Для исследования влияния винглетов на динамику полёта МС-21 в ЦАГИ были спроектированы и испытаны в аэродинамических трубах крылья с аэродинамическими законцовками. Установка винглетов требует значительного усиления конструкции крыла и увеличения его массы. При боковых порывах ветра винглеты создают серьёзную сгибающую и крутящую нагрузки на крыло, существенно увеличивают влияние бокового ветра на самолёт при взлёте и посадке, а также в зонах турбулентности.
В тоже время на начальном этапе проектирования в начале 2000-х винглеты на МС-21 предусматривались (фото макета самолёта в заголовке статьи), т.е., конструкция крыла не позволяла получить требуемую топливную эффективность. Но по мере развития проекта, появления новых материалов и технологий от них отказались — потому что МС-21 это современный и технологичный самолёт с высоким аэродинамическим качеством, не требующим какого-либо изменения геометрии законцовок его крыла.
Для чего на крыльях некоторых самолетов делают винглеты
Те, кто часто летает на самолетах, наверняка замечали, что на некоторых моделях есть необычные детали на крыльях. Эти небольшие продолжения крыльев называются винглеты, и в нашем материале мы расскажем, для чего они нужны и как помогают сократить затраты на топливо и выбросы вредных веществ в атмосферу.
Если опустить сложные моменты аэродинамики, то упрощенно полет самолета выглядит следующим образом. Подъемная сила крыла самолета возникает из-за разности давления: над крылом формируется область пониженного давления, а под ним — повышенного. Но при этом воздух из области пониженного давления, то есть из-под крыла, постоянно перетекает наверх, в область пониженного давления. В результате этого процесса во время полета на конце каждого крыла образуется мощный воздушный вихрь.
Эти вихри увеличивают индуктивное сопротивление и как следствие снижают подъемную силу крыла и увеличивают расход топлива. Но этот негативный эффект можно уменьшить. Одним из первых, кто понял, как это сделать, был американский инженер Ричард Уиткомб. В начале 70-х годов прошлого века он сконструировал элемент крыла, так называемую законцовку крыла, которая стала применяться на практике, и уже в 1975 году первые самолеты с модифицированными крыльями стали летать в воздухе.
Как показали исследования, винглеты снижают силу образующихся вихрей и уменьшают индуктивное сопротивление. Как следствие, происходит снижение расхода топлива. В последующем инженеры разработали несколько моделей винглетов, которые применяются на разных моделях самолетов серии Boeing и Airbus, на российском Ил-96, Ту-204 и других.
Проведенные замеры выявили экономию топлива на 3,5-5,5% в зависимости от типа винглетов. Это очень существенный показатель для авиации, да и выбросы вредных веществ в атмосферу тоже снижаются. Но винглеты имеют существенный положительный эффект лишь при дальних перелетах, а вот при непродолжительном полете эффект от их установки незначителен. К тому же при взлете и посадке в условиях бокового ветра винглеты могут усложнить работу летчиков, дестабилизируя положение лайнера.
Саблеты, шарклеты, винглеты — что это такое и зачем оно нужно?
Почти все современные авиалайнеры имеют необычную форму окончания крыла, когда его часть задирается вверх. Каждый авиапроизводитель называет такие законцовки крыла по-своему. Так, например корпорация Boeing именует такие законцовки «винглетами», в Airbus их зовут «шарклетами», а конструкторы авиалайнера Superjet 100 назвали их саблетами.
Нужны законцовки крыла для того, чтобы увеличить полезную площадь крыла, предотвратить срыв воздушного потока с него и, как следствие, увеличить подъемную силу, эффективность и безопасность эксплуатации самолета.
Форма законцовок крыла, как и их название, у каждого из производителей свое, фирменное.
Первыми эту технологию стали внедрять в конструкцию планера в компании Golfstream, а изобретателем технологии, названной winglets, стал авиаконструктор Луи Гратцер. Впервые winglets появились в 1991 году на бизнес-джете Golfstream II
Магистральные лайнеры производства Boeing стали использовать winglets на своих магистральных самолетах с середины 1990-х. Хотя первые опыты с законцовками компания ставила еще в 1970-х. Например, все модели Boeing 747, начиная с 300 модификации, имеют некое подобие современных «винглетов».
В Airbus винглеты по типу модели Boeing 747 применяются с конца 1990-х.
На среднемагистральном A320 винглеты появились в 2009 году.
В 2016 они увеличились в размерах и получили новое название — «шарклеты».
В России винглеты тоже применяются в авиастроении. Например, они есть в конструкции крыла Ил-96-300.
А с 2019 года винглеты с фирменным названием «саблеты» появятся и на региональном Superjet 100. Их особенность в том, что они задираются вверх под малым углом, в профиль напоминая профиль сабли.
альше всех в освоении законцовок крыла пошла корпорация Boeing: на новых разрабатываемых моделях дальнемагистральных самолетов Boeing 777х будут установлены «раскладывающиеся» винглеты.
Их можно будет поднять перпендикулярно крылу при рулении и взлете-посадке, а в полете они опускаются в единую плоскость с крылом самолета.
Авиация России
Гражданская авиация, пассажирские и боевые самолеты и вертолеты России, новости и история российской и советской авиации.
Складывающиеся крылья — куда приведут винглеты
Концепция крыла адаптивного размаха (SAW) пройдёт испытания как на земле, так и в полёте с целью показать, что отклонение концевых секций крыла вверх или вниз, улучшает стабильность и управляемость рысканья и позволит уменьшить размер руля направления и лобовое сопротивление киля.
Основой SAW будут торсионные приводы, изготовленные из сплава, который при нагревании электрическим током изменяет свою первоначальную витую форму и, возвращаясь к ней, перемещает законцовку крыла. Такая технология позволяет избежать увеличения массы и сложность работы гидравлических трубопроводов, проложенных через крыло с обычными приводами.
Лётные испытания концепции SAW планируется провести весной 2017 года на исследовательском БПЛА PTERA. Размах крыла PTERA составляет 4,75 м. Отклоняемые законцовки длиной 0,375 м, установленные на концах крыла, будут отклоняться вверх и вниз на 75° или занимать горизонтальное положение.
Экспериментальный БПЛА Area-I PTERA / (c) NASA
Концепция SAW на сегодняшний день первая, разработанная для складывания крыла в полёте, и сравнивать её с крылом изменяемой геометрии (стреловидности) некорректно, т.к. изменение стреловидности обеспечивает самолёту сверхзвуковую скорость в крейсерском полёте и оптимальные взлётно-посадочные характеристики, и использовалось только на военных или экспериментальных самолётах.
Первым пассажирским самолётом со складывающимися крыльями будет B777X. Размах его крыла больше, чем у современного самолёта В777 более чем на 7 метров. Чтобы обеспечить совместимость нового лайнера с аэродромной инфраструктурой и существующими ограничениями размера рулёжных дорожек и ангаров, оптимизировать распределение подъёмной силы и максимально повысить эффективность крейсерского полёта, самолёт будет иметь складывающиеся консоли длиной около 7,3 метра со скошенными винглетами. При сложенных законцовках размах крыла B777X составит 64,5 метра, а с разложенными — 71,8 метра.
Андрей Величко,
октябрь 2016 г.
Оригинал статьи на английском языке: Aviation Week & Space Technology