Механизация крыла самолета.

Привет, друзья!

Продолжаем разговор о самолетах :-).

Природа-матушка есть сущность прямолинейная. Это в том смысле, что живет она по своим законам и нас, людей, в рамках этих законов держит.
Однако, человек — существо амбициозное :-), да и смекалки-хитрости у него не занимать, и умудряется он из рамок этих не вылезая, сделать, однако, все по-своему и совместить казалось бы несовместимое. Ну, на то ему и разум дан (дай только бог, чтобы пользовался он этим разумом «разумно» :-)).

Современный самолет — лучший пример сказанного. А конкретно по нашей теме этот пример — механизация крыла.
Многие из тех, кто летал на пассажирских лайнерах и сидел у иллюминатора возле крыла самолета видел, как перед взлетом (или посадкой) крыло как бы «расправляется». Из его задней кромки «выползают» новые плоскости, слегка загибаясь вниз. А при пробеге после посадки на верхней поверхности крыла поднимается что-то похожее на почти вертикальные щитки. Это и есть элементы механизации крыла. В данном случае я упомянул закрылки и спойлеры. Однако обо всем по порядку…

Человек всегда стремился летать быстрее. И это у него получалось :-). «Выше, быстрее — всегда!» Скорость — предмет устремлений и камень преткновения. На высоте быстро — это хорошо. Но на взлете и посадке иначе. Большая взлетная скорость не нужна. Пока ее самолет (особенно если это большой тяжелый лайнер) наберет, никакой полосы не хватит, плюс ограничения по прочности шасси. Посадочная скорость тем более не должна быть очень большой. Или шасси разрушится или экипаж с пилотированием не справится. Да и пробег после посадки будет немаленький, где набрать таких больших аэродромов :-).

Значит скорость на взлете и посадке надо уменьшать. Но до какого уровня? Ведь тогда уменьшится подъемная сила крыла. Удержится ли самолет в воздухе при этом? Ведь проблема в том, что крыло у самолета одно. Оно и для полета на высоте с большой скоростью и для взлета-посадки тоже. Но сделать крыло одинаково пригодное для таких разных режимов практически невозможно. В том-то и беда :-). Оно либо с тонким узким профилем для сверхскоростей в полете, но и тогда больших взлетно-посадочных, как у МИГ-25, либо с толстым широким для средних и низких полетных и малых взлетно-посадочных, как у винтовых пассажирских лайнеров.

Противоречие… Как совместить несовместимое? Вот тут человеку и пригодилась его смекалка-хитрость :-). Выход был найден, вобщем-то, без особого труда. Это взлетно-посадочная механизация крыла.

Скорость полета связана с углом атаки. Практически любое крыло в процессе полета находится под углом к набегающему потоку. Это есть угол атаки. С его увеличением растет подъемная сила. Самолет может лететь с малой скоростью, но тогда для сохранения подъемной силы на должном уровне, он должен увеличивать угол атаки крыла (задирать нос). Однако увеличивать этот угол можно только до определенной величины. Это так называемый критический угол атаки . После него воздушный поток уже не может удержаться на верхней поверхности крыла, он с нее срывается, то есть происходит срыв потока или как говорят отрыв пограничного слоя.

Пограничный слой — это слой воздушного потока, непосредственно соприкасающийся с поверхностью крыла и формирующий аэродинамические силы. Пограничный слой перестает плавно обтекать поверхность, становится не ламинарным, а турбулентным. Резко меняется картина распределения давлений на поверхности крыла. Крыло при этом теряет свои несущие свойства и перестает создавать подъемную силу.

Таким образом получается, что для устойчивых и безопасных взлета и посадки с небольшими скоростями нужно чтобы крыло либо обладало высокими несущими свойствами при малой скорости полета, либо могло летать устойчиво на больших углах атаки. А лучше и то и другое вместе :-). Именно таким требованиям и удовлетворяет механизация крыла.

Точнее будет сказать взлетно-посадочная механизация, потому что на крыле ( во всем букете управляемых поверхностей) есть еще элементы механизации, которые используются не только для взлета или посадки (или же вообще для них не предназначены :-)). Однако обо всех о них по порядку.

К элементам механизации крыла, с помощью которых производится активное влияние на подъемную силу и затягивание срыва на взлетно-посадочных режимах, можно отнести щитки, закрылки, предкрылки.

Щитки – элементы механизации крыла наиболее часто применявшиеся ранее из-за простоты конструкции. Они могут быть простыми и выдвижными. Простые щитки – это управляемая поверхность, которая в убранном положении плотно прилегает к задней нижней поверхности крыла. При отклонении такого щитка между ним и верхней поверхностью крыла образуется зона некоторого разрежения. Поэтому верхний пограничный слой в эту зону как бы отсасывается. Это затягивает его отрыв на больших углах. При этом увеличивается скорость потока над крылом и, соответственно, падает давление.

Кроме того при отклонении щитка увеличивается кривизна профиля. Снизу происходит дополнительное торможение потока и, как следствие, увеличение давления. Поэтому общая подъемная сила растет. Все это позволяет самолету лететь с малой скоростью.

Существует еще выдвижной щиток. Он не только отклоняется вниз, но еще и выдвигается назад. Эффективность такого щитка выше, потому что зона повышенного давления под крылом увеличивается, и условия отсоса пограничного слоя сверху улучшаются.

При использовании щитков подъемная сила на посадочном режиме может вырасти до 60%.

В настоящее время щитки применяются реже и в основном на легких самолетах. Наибольшее применения сейчас получили закрылки.Это когда часть задней кромки крыла отклоняется или выдвигается вниз. Они могут быть простые (или поворотные)

и выдвижные (их еще называют закрылками Фаулера), которые, в свою очередь, могут при выпуске образовывать профилированные щели. При этом количество щелей обычно бывает от одной до трех.

Простой закрылок увеличивает подъемную силу за счет увеличения кривизны профиля. При этом увеличивается давление на нижней поверхности крыла. Выдвижной закрылок увеличивает еще и площадь крыла, что также повышает его несущие свойства.

Более эффективен в этом плане щелевой закрылок. Щель в нем выполнена сужающейся и воздух, проходя через нее, разгоняется. Далее он, взаимодействуя с пограничным слоем, разгоняет и его, препятствуя его отрыву и увеличивая подъемную силу. Таких щелей на закрылках современных самолетов бывает от одной до трех и общее увеличение подъемной силы при их применении достигает 90%.

Теперь самолет может лететь с небольшой скоростью, не рискуя упасть и уверенно чувствуя себя как на посадке, так и на взлете. Однако надо понимать, что выпущенные (особенно на большой угол) щитки и закрылки создают еще и немалое аэродинамическое сопротивление. Если на посадке это неплохо, самолет ведь все равно должен гасить скорость и снижаться, то на взлете тратить лишнюю мощность двигателя (которая обычно совсем не лишняя :-)) на преодоление этого сопротивления неразумно. Поэтому закрылки (щитки) обычно могут выпускаться (отклоняться) на разные углы. На взлете эти углы меньше, на посадке — больше.

Еще одна из проблем, возникающих при выпуске закрылков – это дополнительный продольный момент, стремящийся опустить нос самолету.

Это несколько затрудняет пилотирование. Чаще всего этот момент компенсируется дополнительным отклонением руля высоты (стабилизатора).

Следующий элемент механизации крыла — предкрылки. Чтобы расширить возможность самолета летать на больших углах атаки (а значит и с меньшей скоростью), то есть как говорят «затянуть срыв потока» и были придуманы предкрылки.

Вы наверняка видели, как самолеты после отрыва от полосы не плавно поднимаются вверх, а делают это интенсивно, довольно резко задрав нос. Это как раз самолет с действующими предкрылками. Дело в том, что критический угол атаки αкр. увеличивается при их использовании на 10º-15º.

По конструкции и принципу действия предкрылки похожи на щелевые закрылки, только устанавливаются, естественно, на передней кромке крыла.

Образующаяся при их выдвижении сужающаяся щель разгоняет поток воздуха в нем и тот, в свою очередь, воздействует на пограничный слой, повышая его устойчивость и затягивая срыв на большие углы атаки.

Чаще всего предкрылки отклоняются на фиксированные углы. Однако существуют так называемые адаптивные или автоматические предкрылки.

В обычном полете они прижаты к крылу встречным потоком, но на больших углах атаки, когда условия обтекания крыла приобретают специфический характер, такие предкрылки как бы «отсасываются» и выдвигаются вперед на величину, соответствующую условиям обтекания. Такие действия происходят в течение всего полета.

Существуют еще так называемые предкрылки (или щитки ) Крюгера. Они больше похожи именно на щитки и как бы раскрываются из нижней передней поверхности крыла вниз и вперед. Более понятно их конструкцию можно понять из рисунка. Это предкрылок Крюгера самолета Боинг-727 (под номером 1, под номером 2 – обычный предкрылок).

Предкрылки и закрылки обычно работают в комплексе. Однако для разных типов самолетов возможны специфичные режимы их раздельной работы. Например дозаправка в воздухе.

Еще один вид механизации крыла, применяемый для предотвращения срыва потока при полетах на больших углах атаки – это отклоняемый носок передней кромки крыла. Он применяется на крыле с тонким профилем, где предкрылок выполнить было бы проблематично. В этом случае все крыло находится под большим углом атаки, а носок под маленьким, и он как бы разворачивает поток на крыло, позволяя ему обтекать его безопасно, без срыва. Примерно так :-)…

Вот пожалуй и все об элементах, относящихся к понятию взлетно-посадочная механизация крыла. Эти элементы позволяют самолету уверенно чувствовать себя на взлетно-посадочных режимах  и при этом довольно внушительно (интересно) выглядят :-)…

Однако нельзя не упомянуть еще о двух системах. Нам уже ясно, что возможность полета на больших углах атаки напрямую зависит от состояния пограничного слоя на крыле. Поэтому логично, что появились системы, непосредственно управляющие пограничным слоем. Это система отсоса пограничного слоя и система сдува пограничного слоя.

В первой системе «вялые», заторможенные участки пограничного слоя засасываются внутрь крыла, при этом толщина оставшегося слоя уменьшается и увеличивается скорость всего потока, предотвращая его срыв. В системе сдува происходит, вобщем-то, то же самое, только заторможенные участки сдуваются дальше по крылу, увеличивается скорость и энергетику пограничного слоя.

В авиации применение нашла в основном вторая система. В частности, например, она применялась на самолетах МИГ-21 и F-4 Fantom. Воздух, необходимый для работы системы берется из-за определенных ступеней ТРД самолета. На рисунке приведен пример системы сдува пограничного слоя. Здесь 1 – отверстия для выхода сдувающего воздуха, 2- сдувающий воздух, 3- набегающий поток.

А теперь об оставшихся элементах крыла, указанных на первом рисунке.
Элероны. Их бы я к механизации крыла не относил. Это органы поперечного управления самолетом, то есть управления по каналу крена. Работают они дифференциально. На одном крыле вверх, на втором вниз. Однако существует такое понятие, как флапероны, слегка «роднящее» 🙂 элероны с закрылками. Это так называемые «зависающие элероны». Они могут отклоняться не только в противоположные стороны, но, если надо и в одну тоже. В этом случае они выполняют роль закрылков. Применяются они не часто, в основном на легких самолетах. Однако бывают и исключения. Например Су-27.

Следующий элемент – интерцепторы. Это плоские элементы на верхней поверхности крыла, которые поднимаются (отклоняются) в поток. При этом происходит торможение этого потока, как следствие увеличение давления на верхней поверхности крыла и далее, понятно, уменьшение подъемной силы этого крыла. Интерцепторы еще иногда называют органами непосредственного управления подъемной силой.

Эффект действия интерцепторов используется в процессе пилотирования и для торможения. В первом случае они работают (отклоняются) в паре с элеронами (теми, которые отклоняются вверх) и называются элерон-интерцепторы. Пример самолетов с такими органами управления – ТУ-154, В-737.

Во втором случае синхронный выпуск интерцепторов позволяет изменить вертикальную скорость самолета без изменения угла тангажа (то есть не опуская его нос). В этом случае они работают как воздушные тормоза и называются спойлерами. Спойлеры обычно применяются еще и после посадки одновременно с ревесом тяги (если, конечно, таковой имеется :-)). Главная их задача в этом случае быстро уменьшить подъемную силу крыла и тем самым прижать колеса к бетонке, чтобы можно было эффективно тормозить тормозами колес. Аналогия с болидами Формулы 1. Там ведь тоже стоят спойлеры для эффективного прижатия колес к полотну трассы. Кто у кого что заимствовал непонятно :-).

Вот вкратце такова механизация крыла. Именно вкратце.На самом деле эта тема намного шире. Хотелось бы привести кое-какие формулы и графики. Кое о каких элементах рассказать подробнее, да и об экзотике упомянуть бы не мешало (она с авиацией всегда рядом :-)). Но сегодня я итак уже слишком много занимаю Ваше внимание. Думаю, что все еще впереди. Будут и формулы, будут и графики (без дремучих дебрей однако :-)), будет и экзотика. Авиация – очень широкое поле для дел, рассказов и мечтаний :-).

В заключении хочу предложить Вам посмотреть два ролика. Один показывает выпуск закрылков Фаулера на легком самолете. Второй, явно рекламный ролик австралийской компании Qantas :-), показывает работу механизации крыла во время посадки самолета Boeing 737-800. Там хорошо виден поэтапный выпуск закрылков Фаулера, работа элеронов и элерон-интерцепторов в канале крена во время снижения и выпуск спойлеров после посадки.

До новых встреч :-).

Фотографии кликабельны.