Законцовки крыла, винглеты и прочие штучки в борьбе с индуктивным сопротивлением.

Здравствуйте, друзья!

Предыдущая моя статья рассказывала о самолетах, носящих название airbus. После нее кое-кто из читателей обратил внимание на то, что некоторые лайнеры на приведенных фотографиях имеют на концах крыла «задранные вверх кончики». Читатели сразу заинтересовались, почему только некоторые? И не является ли это «выпендрежем конструктора-дизайнера»?

Ну что ж, вполне логичный вопрос. И тем более очень неплохой повод написать новую статью как раз на эту тему, об этих самых «кончиках» 🙂 …

Могу сразу сказать, что нет, это не выпендреж. Это попытка (более или менее удачная) повысить эффективность летательного аппарата без внесения каких-либо радикальных изменений в его конструкцию. Однако, начнем «от ворот» :-). То есть обо всем по порядку. Для начала немного теории.

Мы с вами знаем, что при движении крыла в воздушном потоке на него действуют аэродинамические силы. Одна из них — сила лобового сопротивления, никуда от нее не деться :-). Сила эта в зависимости от своего происхождения может иметь несколько составляющих.

Это такие как профильное сопротивление, волновое и индуктивное сопротивление крыла. Первые два нас сегодня мало интересуют :-), а вот о третьем поговорим подробнее.
Нам уже давно известно, что при движении крыла (профиля) в воздушном потоке (уже повторяюсь :-)) возникает разность давлений между верхней и нижней поверхностью крыла. В пограничном слое потока над крылом давление ниже, а под крылом — выше.

Если две области с разными давлениями соприкасаются, то естественно возникает тенденция к тому, чтобы эти давления уравнялись. То есть газ всегда старается переместиться из области с повышенным давлением в область с пониженным. Происходит это и на крыле.

Самый простой путь перемещения (чтобы не двигаться против потока) — через законцовку крыла. То есть пограничный слой перемещаясь к законцовке как бы «проворачивается» вокруг нее, оказываясь уже на верхней поверхности крыла.

Однако крыло ведь движется вперед и, как я его обозвал :-), «провернувшийся» воздух в определенный момент времени оказывается уже позади крыла, а на его месте теперь «проворачивается» новая порция воздуха. Таким образом вращательное движение воздуха как бы накладывается на поступательное движение крыла.

За оконечностью крыла создается своего рода вытянутый вращающийся вихрь, который называют вихревым жгутом или шнуром. В пояснение этого небольшой ролик.

Такие вихри вытягиваются за крылом абсолютно каждого самолета. Но, конечно, в обычном полете они визуально незаметны. Наглядно увидеть их образование можно, если внутри жгута создадутся условия для конденсации влаги из воздуха, тогда жгут станет белым, либо же если самолет искусственно прогнать через полосу цветного дыма. Именно такой способ сделать вихревой шнур видимым показан на ролике.

Этот жгут сам по себе является серьезным возмущением потока. За крылом большого, тяжелого самолета он может вытянуться на расстояние до 10-15 км и стать опасным для самолетов, попавших в такую вихревую струю.

Однако продолжим. Одно из свойств атмосферного воздуха – это вязкость. Благодаря ей, пограничный слой, вращаясь вокруг законцовки крыла, захватывает с собой соседние слои воздуха, а те, в свою очередь соседние с ними. Таким образом воздух в районе крыла приобретает вращательное движение вокруг оси проходящей через

законцовку крыла (и направленной по полету) с наибольшей скоростью возле законцовки и постепенным затуханием по мере удаления от него (это понятно, воздух все же вязкий :-)).

При этом, как это видно на рисунке, воздух, вращаясь по окружности вокруг крыла, описывает возле него ту часть этой окружности, при которой он движется вниз. Получается, что воздух, обтекающий крыло (или его профиль) приобретает дополнительную вертикальную скорость Vy, направленную вниз. То есть возникает дополнительный скос потока ( к тому, который уже итак был из-за наличия угла атаки α).

То есть теперь воздух набегает на профиль с несколько меньшим углом атаки (на Δα). Но подъемная сила (Y), как известно всегда перпендикулярна набегающему потоку, поэтому, чтобы сохранить этот принцип она отклоняется несколько назад (Y1). В результате этого сразу появляется ее горизонтальная проекция. Это уже другая сила, совсем иного характера, нежели подъемная, потому что направлена она горизонтально в сторону противоположную полету (Xинд.). А все, что против полета — это сопротивление.

В итоге, что же мы получили… Крыло при движении индуцирует через вихревые жгуты дополнительный скос потока, в результате чего и образуется, как вы уже поняли, индуктивное сопротивление крыла. Чем больше подъемная сила, тем, как ни странно это звучит, больше сопротивление.

Иначе еще говорят, что для образования и раскрутки вихревых жгутов нужна энергия, которая и забирается от энергии движения самолета. Как результат летательный аппарат испытывает дополнительное сопротивление для движения вперед.

Плюс к этому еще считается, что около 5% несущей поверхности крыла вообще работает неэффективно из-за перетекания и выравнивания давлений. Эти проценты составляют как раз концевые части, на которых дела с образованием подъемной силы обстоят похуже, чем на других участках.

Вот так… Однако, летать все равно надо, поэтому со всяким сопротивлением так или иначе приходится бороться. Ведь чем меньше сопротивление, тем дальше при тех же ресурсах пролетит самолет. Особенно это важно для самолетов, летающих на большие расстояния, пассажирских и транспортных.

Бороться с сопротивлением можно по-разному. Можно противодействовать самому сопротивлению, а можно попытаться устранить причины его возникновения.
Раньше в основном использовался первый путь. То есть ставится на самолет движок помощнее (есть такое умное слово «ремоторизация» :-)) и никакое сопротивление нипочем. Вот только какой при этом будет расход топлива…

Было время, когда такая стратегия была вполне приемлема. Ведь тогда еще не знали, что такое топливный кризис и высокие цены на нефть. В наше время приходится искать иной путь. Конструкторы взялись за причины возникновения вихревых жгутов.

Причина-то собственно одна — перетекание воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю. Сделать так, чтобы это перетекание стало невозможным или хотя бы свести возможность его образования к минимуму и, считай, задача решена. Для этого существуют разные приемы.

Если, например, уменьшить разность давлений между верхом и низом профиля крыла, то уменьшится подъемная сила и, соответственно, уменьшится индуктивное сопротивление, напрямую, как мы знаем уже :-), от нее зависящее. Это можно сделать, уменьшив угол атаки крыла на том его участке, где требуется понизить вредное индуктивное сопротивление. Такой прием применяется на практике и называется отрицательная крутка крыла.

Крыло в этом случае (обычно на его концевых частях, подверженных образованию вихревых жгутов) как бы слегка закручивается передней кромкой вниз (если бы вверх, была бы положительная крутка :-)), а задней вверх. При этом угол атаки становится меньше и, соответственно, уменьшается индуктивное сопротивление. Такая крутка применена, например, на Boeing-787 Dreamliner (левая консоль, фото помещено ниже). Крутка крыла вобщем-то имеет несколько видов и применяется для различных целей. Но об этом в других статьях :-). А пока о следующем приеме.

Главный путь перетекания воздуха — это законцовка крыла. Поэтому понятно, что идеальным вариантом было бы, если бы ее не было, то есть крыло бы вообще не кончалось. Не было бы где перетекать :-). То есть в идеале крыло должно быть бесконечного размаха или, более правильно сказать, бесконечного удлинения.
Сделаю небольшое отступление, чтобы рассказать о термине «удлинение крыла».

Размах — это скорее габаритный термин. Он может характеризовать аэродинамические свойства крыла только косвенно. Ведь два разных в плане крыла ( например, прямое и стреловидное) имеющие, вполне понятно, разную аэродинамику вполне могут иметь одинаковый размах.

Удлинение как раз и учитывает размах крыла в соответствии с его формой в плане. И выражается оно так: λ= L²/S , где λ – это удлинение, L – размах крыла ( А-В на рисунке), S – площадь крыла в плане.

Итак бесконечное удлинение… Это, конечно, из области фантастики. Но просто большое удлинение — вполне сложившийся факт. Для самолетов, предназначенных для полетов на дальние расстояния с не очень большой скоростью оно может быть равно 12-15. Очень характерный пример самолета такого плана — это знаменитый АНТ-25 чкаловского экипажа. Он создавался специально для дальнего перелета.

Посмотрите на его крыло (сравните, для интереса :-), его с длинной фюзеляжа) и вам все станет ясно :-)… Или, например, американский разведчик Lockheed U-2. Дальность для него очень важна :-). Прямая противоположность ему истребитель Lockheed F-104 Starfighter, можете сравнить…

Очень важен этот термин для спортивных планеров. У них ведь двигателя нет, бороться с индуктивным сопротивлением нечем :-), а дальность полета имеет важность первостепенную, поэтому все они имеют крыло большого удлинения. У них оно может достигать 25 едениц. Красивый аппарат, неправда ли?

Однако вернемся, как говорится, с небес на землю. Длинное крыло — это хорошо. Это даже красиво, но ведь длинна – это вес. И нагрузки на такое крыло в полете немалые. А нагрузки — это прочность, а прочность — это опять же вес. Кроме того, чем больше крыло, тем больше обычное лобовое сопротивление. Есть еще одно существенное обстоятельство. Это габариты.

Самолет с большим крылом может просто не поместиться на стоянке в аэропорту. Например известный А380, имеющий размах крыла 79,8 м, только- только влезает в параметры современной аэродромной инфраструктуры, для которой максимально допустимый размер 80 м. По 10 см запаса с каждой стороны. Не разбежишься особо :-).

Вот и все насмарку. Получается, что слишком увлекаться удлинением крыла за счет размаха не стоит. Избавиться от законцовки, способствующей перетеканию, насовсем 🙂 выходит невозможно?..

Но не все так плохо. Оказывается есть другая хорошая возможность. Законцовка крыла может быть видоизменена. Она не только не будет способствовать перетеканию, но может стать преградой (в механическом или аэродинамическом плане) на его пути.

Именно этот путь борьбы с индуктивным сопротивлением сейчас приобретает достаточно массовый характер среди ведущих авиапроизводителей. В русском языке существует несколько названий для таких видоизмененных законцовок крыла. Это собственно законцовки, концевые крылышки, шайбы Уиткомба, винглеты. Все они представляют собой дополнительные поверхности на концах крыла, чаще всего в виде вертикальных (или околовертикальных) «крылышек».

Winglet в переводе с английского как раз и означает «крылышко». С их помощью уменьшается вредное перетекание на крыле, увеличивается его эффективное удлинение, при этом практически не увеличивая размах. Это позволяет уменьшить величину индуктивного сопротивления (снизить интенсивность вихревых жгутов) и, соответственно, ощутимо увеличить экономичность и дальность. Вихри как бы перемещаются на концы «крылышек» и становятся значительно меньше.

А началось все еще в 1897 году, когда английский инженер Frederick W. Lanchester запатентовал специальные концевые поверхности, как способ контроля вихревых шнуров. Позже в 1910 году авиационный инженер, американец шотландского происхождения William E. Sommervile запатентовал первые реально функционирующие винглеты и в дальнейшем устанавливал их на бипланы и монопланы своей конструкции.

В 70-х годах инженер NASA Ричард Уиткомб разработал и всесторонне исследовал законцовку, которая сейчас называется крылышко Уиткомба (или шайба Уиткомба). Тогда его на это вдохновил топливный кризис 1973 года :-). Оно представляет собой поверхность, распространяющуюся перпендикулярно крылу вверх и вниз.
NASA продолжило разработку винглетов, используя для этого экспериментальные самолеты.

Однако уже с конца 70-х началась установка винглетов на самолеты бизнес-авиации, которые совершали длительные крейсерские полеты на большие расстояния. Первыми здесь были фирмы Learjet и Gulfstream Aerospace Corporation. Они ставили законцовки крыла собственной разработки. Эти работы увенчались успехом. Уже на первых моделях было получено увеличение дальности до 6,5%.

Впервые на современном пассажирском лайнере законцовка крыла в виде винглета была установлена на Boeing-747-400 в 1985 году. На английском такой тип законцовок крыла называется wingtip fence.

Далее уже в 1991 году следующий шаг сделала фирма Aviation Partners Inc.(API). Ее главный специалист по аэродинамике Луи Гратцер (бывший, кстати, глава аэродинамического отдела Boeing) придумал blended winglet. Такая законцовка крыла представляет собой крылышко, в которое плавно переходит крыло, загибаясь вверх по дуге большого радиуса. Крылышко это имеет большое удлинение.

API сразу запатентовала это изобретение и правильно сделала, потому что когда такие винглеты установили на самолет Gulfstream II во время его модернизации, экономия топлива составила 7%. Такого эффекта, когда сравнительно незначительная переделка оказалась столь действенна в истории авиации еще не было.

В конце 90-х Boeing применил технологию « blended winglet» на самолетах серии Boeing Business Jet (BBJ). Это серия специальных самолетов бизнесс-класса, первоначально создававшихся на базе В-737. Такие законцовки крыла были применены с целью увеличения дальности полета и повышения коммерческой привлекательности этих лайнеров.

И сразу после этого, основываясь на своем (и чужом, кстати) положительном опыте Boeing через свое совместное с API предприятие (оно называется Aviation Partners Boeing (APB)) стал предлагать фирмам, эксплуатирующим самолеты семейства Boeing 737NG установку blended winglet как на самолетах уже используемых (в плане модернизации), так и на вновь заказываемых. Боинги NG (New Generation) – это новое семейство самолетов серий -600/-700/-800/-900, которые последовали за классическими боингами серий -300/-400/-500. И экономия топлива для них в результате применения винглетов составила достаточно внушительные 4-5%.

Далее Boeing стал применять эту технологию на других своих самолетах (В-757-200), и на некоторых экономия топлива оказалась даже большей, чем на 737-х. По словам представителей АРВ blended winglet применим и может повысить эффективность абсолютно любого типа коммерческих самолетов.

Однако интересно, что препятствия к такому широкому их применению все же есть, и к технике они отношения не имеют :-). Это конкуренция и коммерция. Известно, что Airbus — это сильнейший конкурент Boeing, к тому же в последнее время его ощутимо опережающий. Видимо поэтому АРВ (конечно же под давлением Боинга) так и не продала ему лицензию на использование blended winglet. Airbus использовал на своих самолетах крылышки Уиткомба.

Однако такие законцовки крыла давали только около 1,5% экономии, поэтому Airbus занялся собственными разработками для семейства самолетов А320 и в конце 2011 года начал проводить испытания опытных образцов. Они были названы sharklets (акульи плавники) и призваны обеспечить экономию порядка 3,5-4% на маршрутах большой протяженности. Принято решение об установке sharklets на все самолеты семейства А320NEO (начало эксплуатации планируется с 2015 года), а также на машины, находящиеся в эксплуатации.

Интересно, что фирма API после начала испытаний sharklets обвинила Airbus в нарушении прав интеллектуальной собственности и обратилась в суд. Тяжба в самом разгаре. Тяжела жизнь большого бизнеса :-)…

В настоящее время список самолетов, на которых применяются винглеты того или иного вида для снижения индуктивного сопротивления крыла постоянно расширяется. Среди них, например, присутствуют региональные Embraer ERJ-190 и Bombardier CRJ-200, а также российские средне- и дальнемагистральные ТУ-204 и ИЛ-96.

На сегодняшний момент, конечно, первенство в разработке и внедрении различных типов законцовок крыла для коммерческих самолетов принадлежит фирме Boeing совместно с фирмами APB и API.

Не так давно на боинги, летающие на трассах большой протяженности, он стал ставить законцовки крыла другой конструкции, называемые raked wingstips. По русски это название звучит как гребневые законцовки.

Они представляют собой горизонтальные «крылышки» с большой стреловидностью (больше, чем у основного крыла). Здесь сделана ставка на эффективное увеличение удлиннения крыла и за счет этого уменьшение интенсивности вихревых шнуров.

Считается, что гребневые законцовки дают уменьшение индуктивного сопротивления крыла на 5,5% в отличие от обычных винглетов (а также blended winglet), дающих 3,5-4,5%.

Самолеты, на которые ставятся гребневые законцовки крыла (или планируется их установка) это, конечно, самолеты фирмы Boeing :-):

Новейший В-474-8 (в модификациях Freighter и Intercontinental);

Знаменитый B787 Dreamliner (в модификациях 787-8 (базовая модель) и 787-9 (увеличена дальность и полезная нагрузка));

В-767-400ER;

Лайнеры для сверхдальних трасс В-777 (в модификациях 200LR,300ER и Freighter), а также военный P-8 Poseidon, созданный для нужд военно-морского флота США.

Интересен здесь такой факт. В-787-3 тоже самолет из нового семейства Dreamliner, но на нем применены обычные blended winglet. И это неспроста. Дело в том, что при принятии решения об установке специальных законцовок крыла, несмотря на все их положительные стороны, приходится идти на определенный компромисс. Есть кое-что и отрицательное в этом деле (идеального ничего в мире не бывает :-)).

Любая дополнительная аэродинамическая поверхность, как бы хорошо она не выглядела — это всегда дополнительное сопротивление. Кроме того это обязательно дополнительная масса (сами поверхности плюс узлы крепления). Например sharklets для семейства 320-х хоть и изготовлены из относительно легких композитных материалов и хорошо обтекаемы, но имеют в высоту 2,5 метра. Парочка таких плоскостей это уже немало.

Кроме того винглеты — это часто дополнительная изгибающая сила, то есть увеличенная нагрузка на крыло, а значит его дополнительное упрочнение, что чаще всего ведет за собой увеличение веса.

Поэтому, еще раз повторю, установка законцовок крыла — это компромисс между потерями аэродинамическими, весовыми и другими и приобретениями в виде уменьшения индуктивного сопротивления. Тут уж что перевесит :-)….

Большая дальность и при этом экономия топлива важна для самолетов, летающих на протяженных трассах и длительное время находящихся в режиме крейсерского полета. Именно на этом режиме происходит (и ощущается!) основная экономия топлива.

Если же самолет ближнемагистральный, полет которого может длиться иной раз даже меньше часа, то крейсерский режим для него, так сказать, мало ощутим. Для такого самолета потери могут оказаться ощутимей выигрыша, поэтому винглеты на него могут быть вообще не установлены или же установлены упрощенного вида.

Вот один пример. При определенных условиях возможен такой вариант (по данным компании Boeing). При увеличении размаха на один фут создается такая же дополнительная изгибающая сила, как при установке трехфутового винглета (типа blended winglet). Но с другой стороны трехфутовый винглет имеет такую же эффективность, как двухфутовое увеличение размаха. Опять компромисс… то есть когда увеличение размаха имеет тот же эффект, что и установка винглетов, то решающим является величина дополнительной нагрузки на крыло.

В-787-3 именно поэтому не получил raked wingstips, как все самолеты его семейства. Ведь он позиционируется как ближне- и среднемагистральный самолет и такие законцовки крыла для него не выгодны. При полетах на короткие дистанции эффект будет не столь ощутим, как потери от дополнительного упрочнения крыла.

Итак на сегодняшний день в мировой авиации существуют три основных типа законцовок. Это wingtip fence, blended winglet, raked wingstips, а также аирбасовские sharklets. Наиболее широко на данный момент применяются blended winglet. Однако конструкторская мысль на месте не стоит.

Боинг для нового семейства самолетов В-737MAX (проходят испытания)разработал новый тип винглетов, получивших неофициальное название «двойное перо». У этой законцовки, состоящей из двух частей, одна часть, большая, направлена вверх, а вторая, меньшая вниз. Считается, что она представляет собой нечто среднее, между тремя вышеуказанными типами винглетов, применявшихся на боингах. От этой конструкции ожидается эффект в 1.5% сверх уже имеющейся.

Компания API разрабатывает новый тип так называемых спироидных законцовок крыла. Это из раздела мечтаний о том, чтобы крыло вообще никогда не кончалось :-). Ожидаемый эффект от такой конструкции – 10% топливной экономии без особых массовых затрат. Пока с таким крылом летает только опытный Falcon 50.

В заключении скажу, что специальные законцовки могут применяться не только на крыле самолета, но и на плоскости, вобщем-то родственной по физическому смыслу. Это лопасти воздушных винтов, причем не обязательно винтов авиационых. Неавиационные – это винты мощных ветрогенераторов, без которых давно уже не обходятся пейзажи северного побережья Западной Европы. На фото законцовка одной их лопастей. Предназначение, я надеюсь, вам теперь понятно 🙂 .

Кроме того законцовки типа raked wingstips применены, к примеру, на винтах военного транспортника C-130J «Super Hercules», а на лопастях вертолета AgustaWestland AW101 укреплены специальные законцовки, изменяющие скос потока от несущего винта и упрощающие пилотирование около земли в пыльных местностях.

Все…. Пожалуй достаточно. Статья получилась длинная и объемная, но я все же очень надеюсь, что никого не утомил :-). По крайней мере теперь я думаю всем понятно, что это за «кончики» такие. Ясно, что это не уловка дизайнера, хотя иной раз думается, что и не без этого. Уж очень эффектно такие законцовки крыла смотрятся. Я думаю, что вы со мной в этом согласитесь :-)….

В конце помещаю видео. Ролик об испытаниях А320 с винглетами типа sharklets (этот ролик, правда, есть в статье об аэробусах, но тут он тоже как нельзя кстати :-)). Рекламный ролик компании Finnair, где хорошо определяются винглеты разного вида на самолетах Embraer ERJ-190 и А320. Взлет Boeing-757-200 c  blended winglet той же компании. Кроме того решил еще поместить пару коротких роликов о планерном полете… Уж больно красиво :-)…

До новых встреч.

Фотографии кликабельны.