21-04-2023
Крыло в авиационной технике — поверхность для создания подъёмной силы.
Содержание |
В общем случае крыло самолёта состоит из центропланной части, консолей (левой и правой) и механизации крыла. Также крыло можно разделить на две части, левое и правое полукрыло. Часто встречается термин «крылья», но он ошибочен по отношению к моноплану.
Подъемная сила крыла создается за счет разницы давлений воздуха на нижнюю и верхнюю поверхность. Давление же воздуха зависит обтекания воздухом поверхности крыла[1].
Одним из популярных объяснений принципа действия крыла является ударная модель Ньютона: частицы воздуха, сталкиваясь с нижней поверхностью крыла, стоящего под углом к потоку, упруго отскакивают вниз («скос потока»), толкая крыло вверх. Данная модель учитывает закон сохранения импульса, но полностью игнорирует обтекание верхней поверхности крыла, вследствие чего она даёт заниженную величину подъёмной силы.
В другой популярной модели возникновение подъёмной силы приписывается разности давлений на верхней и нижней сторонах профиля, возникающей согласно закону Бернулли. Обычно рассматривается крыло с плоско-выпуклым профилем: нижняя поверхность плоская, верхняя — выпуклая. Набегающий поток разделяется крылом на две части — верхнюю и нижнюю, — при этом верхняя часть вынуждена проходить более длинный путь, чем нижняя, вследствие выпуклости крыла. Исходя из условия о неразрывности потока, делается заключение, что скорость потока сверху крыла должна быть больше, чем снизу, что вызывает разность давлений и подъёмную силу. Однако, данная модель противоречит закону сохранения импульса, так как поток после крыла считается невозмущённым и неотклонённым. Кроме того, эта модель не объясняет возникновение подъёмной силы на двояко-выпуклых симметричных или на вогнуто-выпуклых профилях, когда потоки сверху и снизу проходят одинаковую длину.
Для устранения этих недостатков идеализации необходимо искусственно вводить циркуляцию скорости потока, что приводит к теореме Жуковского. Циркуляция скорости позволяет учесть скос потока и позволяет получать правильные результаты при расчётах.
Одной из главных проблем вышеприведённых объяснений является то, что они не учитывают вязкость воздуха, то есть перенос энергии и импульса между отдельными слоями потока (что и является причиной циркуляции). Так как этот перенос происходит со скоростью звука, то при расчёте дозвукового обтекания необходимо учитывать полное поле скоростей потока. Например, существенное влияние на крыло может оказать поверхность земли, «отражающая» возмущения потока, вызванные крылом и возвращающая часть импульса обратно — см. экранный эффект.
Также в приведённых объяснениях не раскрывается детальный механизм передачи энергии от крыла к потоку, то есть совершения работы самим крылом. Хотя верхняя часть воздушного потока действительно имеет повышенную скорость, геометрическая длина пути не имеет к этому отношения — это вызвано взаимодействием слоёв неподвижного и подвижного воздуха и верхней поверхности крыла. Поток воздуха, следующий вдоль верхней поверхности крыла, «прилипает» к ней и старается следовать вдоль этой поверхности даже после точки перегиба профиля — эффект Коанды. Благодаря поступательному движению крыло совершает работу по разгону этой части потока. Достигнув точки отрыва у задней кромки, воздух продолжает своё движение вниз по инерции вместе с массой, отклонённой нижней поверхностью крыла, что в сумме вызывает скос потока и возникновение реактивного импульса. Вертикальная часть этого импульса и вызывает подъёмную силу, уравновешивающую силу тяжести, горизонтальная же часть уравновешивается лобовым сопротивлением.
В реальности, обтекание крыла является очень сложным трёхмерным нелинейным и зачастую нестационарным процессом. Подъёмная сила крыла зависит от его площади, профиля, формы в плане, а также от угла атаки, скорости и плотности потока, числа Маха и от множества других факторов.
Одна из основных проблем при конструировании новых самолётов — выбор оптимальной формы крыла и его параметров (геометрических, аэродинамических, прочностных и т. п.).
Основным достоинством прямого крыла является его высокий коэффициент подъёмной силы даже при малых углах атаки. Это позволяет существенно увеличить удельную нагрузку на крыло, а значит уменьшить габариты и массу, не опасаясь значительного увеличения скорости взлёта и посадки. Данный тип крыла применяется в дозвуковых и околозвуковых самолётах с реактивными двигателями.
Недостатком, предопределяющим непригодность такого крыла при звуковых скоростях полёта, является резкое увеличение коэффициента лобового сопротивления при превышении критического значения числа Маха.
Стреловидное крыло получило широкое распространение благодаря различным модификациям и конструкторским решениям.
Для избавления от отрицательных моментов используется крутка крыла, механизация, переменный угол стреловидности вдоль размаха, обратное сужение крыла либо отрицательная стреловидность
Примеры применения:
Вариация стреловидного крыла. Действия крыла оживальной формы можно описать как спиральный поток вихрей, срабатывающихся с острой передней кромки большой стреловидности в околофюзеляжной части крыла. Вихревая пленка вызывает также образование обширных областей низкого давления и увеличивает энергию пограничного слоя воздуха, увеличивая тем самым коэффициент подъёмной силы. Маневренность ограничивается прежде всего статической и динамической прочностью конструкционных материалов, а также аэродинамическими характеристиками самолёта.
Примеры применения: Конкорд
Интересный пример модификации стреловидного крыла. Используя уплощённые профили с изогнутой задней частью позволяет равномерно распределить давление вдоль хорды профиля и тем самым приводит к смещению центра давления назад, а также увеличивает критическое число Маха на 10-15 %.
Примеры применения: АН-225 «Мрия» .
Крыло с отрицательной стреловидностью (то есть со скосом вперёд).
Примеры применения: серийный гражданский HFB-320 Hansa Jet, экспериментальный Су-47 «Беркут».
Треугольное (дельтавидное англ. delta-wing — получило наименование по начертанию греческой буквы дельта) крыло жёстче и легче как прямого, так и стреловидного и чаще всего используется при скоростях свыше M=2.
Примеры применения: МиГ-21, HAL Tejas, Mirage 2000 (малой относительной толщины); Gloster Javelin, Avro Vulcan (большой относительной толщины), Avro Canada CF-105 Arrow, Saab 37 Viggen, сверхзвуковые пассажирские Lockheed L-2000, Boeing-2707-300[2]
Трапециевидное крыло
Примеры применения: F/A-18
[1]
Примеры применения:
Первые теоретические исследования и важные результаты были проведены на рубеже XIX—XX веков русскими учёными Н. Жуковским, С. Чаплыгиным и немецким М. Куттой.
Среди полученных ими результатов можно отметить:
Крыло самолёта.
