Механизация крыла

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Применение механизации крыла, (в частности так называемых разрезных крыльев) было вызвано необходимостью увеличения скорости полета с сохранением взлетно - характеристик самолетов . В начале 30-х годов это было связано с переходом от схемы биплана к схеме моноплана . Схема свободнонесущего монопланного крыла позволяла избежать большого количества расчалок и стоек , характерных для бипланного крыла, и тем самым уменьшить лобовое сопротивление самолета. Однако переход от биплана к моноплану неизбежно приводил к уменьшению подъемной силы при взлетно - посадочных углах атаки. Этот недостаток монопланного крыла и должна была устранить механизация, которая первоначально решалась в виде щитков, отклоняемых от нижней поверхности крыла в области его задней кромки.

Ниже приведены схемы различных видов механизации , которые нашли наиболее широкое практическое применение.



В условиях крыла конечного размаха характер обтекания механизации и ее влияние на аэродинамические характеристики могут существенно измениться . Особенно сильное влияние на аэродинамические характеристики механизации может оказывать форма крыла в плане и в первую очередь стреловидность и удлинение.

Выбор типа механизации (предкрылков, закрылков , щитков и пр .) определяется особенностями взлета и посадки самолета . Для самолетов, у которых за время от взлета до посадки происходит большое изменение удельной нагрузки на крыло, наиболее напряженным является взлет, так как посадка производится при значительно меньших, чем при взлете, значениях нагрузки. Для самолетов, у которых происходит меньшее изменение удельной нагрузки на крыло и которые обладают большой энерговооруженностью, более напряженной является посадка, так как она совершается при высоких значениях удельной нагрузки на крыло, взлет же в значительной мере облегчается наличием относительно большой энерговооруженности.

МЕХАНИЗАЦИЯ КРЫЛА БЕСКОНЕЧНОГО РАЗМАХА

На примере крыла бесконечного размаха наиболее удобно проследить основное влияние, которое оказывает отклонение механизации на изменение обтекания профиля и его аэродинамические характеристики. Больше того, для прямых крыльев обычного удлинения (больше 4 - 5), результаты, полученные из исследований крыла бесконечного размаха с отклоненной механизацией, могут быть непосредственно перенесены на участки крыла, снабженные механизацией

Особенности обтекания разрезного крыла Воздействие отклонения механизации на аэродинамические характеристики и в первую очередь на подъемную силу связано с увеличением кривизны профиля . Даже в простейшем случае при отклонении щитка, расположенного у задней кромки профиля, происходит как бы увеличение кривизны хвостового участка профиля. При этом возрастает давление вдоль нижнего контура профиля и увеличение разрежения вдоль верхнего контура профиля. Последнее обстоятельство связано с возникновением пониженного давления в области между отклоненным щитком и не отклоненной частью профиля, которое передается на верхнюю часть контура профиля.

Если рассматривать эпюры давления на заданном угле атаки, то оказывается, что кривые распределения давления по верхней поверхности профиля с механизацией располагаются так же и имеют тот же характер, что и кривые для профиля без механизации. При этом величина сдвига кривых вверх зависит от вида механизации, расположенной на задней кромке, и соответствующего угла ее отклонения. Это означает, что виды механизации, расположенные на задней кромке, увеличивают скорость обтекания не по части контура профиля, а на всем его протяжении. Скорость по нижней поверхности при этом подтормаживается, что приводит к увеличению давления, нарастающего по мере приближения к задней кромке.

Более сложным случаем обтекания профиля с механизацией является так называемое разрезное крыло, представляющее собой профиль с отклоненным предкрылком и закрылком (системой закрылков). Разрезное крыло может обеспечивать получение весьма высоких значений подъемной силы, однако оптимальные ее значения могут существенно зависеть от взаимодействия отдельных частей. Оптимизация разрезного крыла даже в простейшем случае (предкрылок и однощелевой закрылок) представляет большие трудности из - за большого количества независимых геометрических параметров предкрылка и закрылка, размеров по отношению к основной части крыла, формы и размеры щелей, углов отклонения и расположения относительно основной части профиля. В случае закрылка, состоящего из ряда независимо отклоняющихся частей, количество взаимосвязанных параметров существенно возрастает.

Наличие выдвинутого предкрылка способствует затягиванию отрыва с передней части профиля до больших углов атаки, не влияя при этом на возможный отрыв в задней части профиля. Наличие щели между предкрылком и основной частью профиля размером в 1 % хорды профиля и образование струи воздуха, омывающей верхний контур профиля, способствует затягиванию срыва как на передней части профиля , так и на его задней части. Дальнейшее увеличение ширины щели не оказывает влияния на отрыв в области передней части профиля, но влияет на отрыв в области задней части профиля.

При этом ширина щели в 2 % оказывается близкой к оптимальной для случая закрылка, отклоненного на 45°. Оптимальная ширина щели связана с величиной угла отклонения предкрылка. Ее оптимальный размер уменьшается по мере увеличения угла отклонения предкрылка. Это обусловлено уменьшением ширины вязкого следа за предкрылком (по сравнению с толщиной пограничного слоя на основной части профиля ) и сохранением достаточной ширины струи, омывающей верхний контур профиля.

Эксперименты показывают, что изменение ширины щели не только перераспределяет давление, но и изменяет условия взаимодействия между вязкими слоями предкрылка и основной части профиля, что совместно оказывает влияние на условия обтекания закрылка. При малой ширине щели вязкий след от предкрылка смыкается с пограничным слоем основной части профиля и воздух, протекающий через щель, оказывается значительно подторможенным по сравнению со скоростью потенциального течения. При малой ширине щели (0,85 %) вязкий след от предкрылка сливается с пограничным слоем основной части профиля. При оптимальной ширине щели (2,5 %) характер течения оказывается иным, при котором вязкий слой от предкрылка практически не смыкается с пограничным слоем на основной части профиля. Угол отклонения предкрылка обычно измеряется между его прижатым и отклоненным состоянием .

Аэродинамические характеристики профиля с различными видами механизации

Основным назначением механизации является увеличение подъемной силы крыла. При этом известно, что при заданном угле атаки увеличение подъемной силы может быть достигнуто за счет отклонения механизации, расположенной в области задней части профиля. Отклонение механизации, расположенной в передней части профиля (поворачивающиеся и выдвижные носки и пр .), практически не увеличивает подъемную силу, но способствует затягиванию начала срыва на большие углы атаки.

Как отмечалось выше, отклонение щитков или закрылков, расположенных в области задней кромки профиля (без выдвижения , т . е . без увеличения площади крыла ) сопровождается увеличением коэффициента подъемной силы, практически одинаковым на всех углах атаки линейного участка зависимости коэффициента подьемной силы по углу атаки. Для каждого вида механизации существует определенный угол отклонения, при котором имеет место наибольшее приращение коэффициента подъемной силы. Обычно этот угол тем меньше, чем больше эффективность механизации. Дальнейшее увеличение угла отклонения не способствует увеличению подъемной силы в связи с тем, что на верхней поверхности закрылка возникает отрыв потока. Если об эффективности механизации судить по приращению максимальной подъемной силы, то для щитков и нещелевых закрылков угол отклонения, свыше которого не происходит приращения подъемной силы, равен 60 градусов, а для щелевых закрылков и выдвижных подкрылков он оказывается соответственно равным 50 и 35 градусов. Наибольшими приращениями подъемной силы обладают выдвижные подкрылки как при больших, так и при малых (для взлета) углах отклонения. Следует заметить, что в случае выдвижных подкрылков большая доля приращения подъемной силы при всех углах отклонения вызывается увеличением площади крыла за счет их выдвижения .

Другой величиной, связанной с эффективностью механизации, является значение угла атаки, при котором достигается максимальное значение подъемной силы. Как уже указывалось выше, отклонение щитков или закрылков эквивалентно увеличению кривизны профиля. Поэтому чем больше механизация увеличивает кривизну профиля, тем эффективнее она оказывается в увеличении подъемной силы. Однако при этом будет уменьшаться угол атаки, при котором возникает отрыв потока на верхней поверхности профиля. В соответствии с этим можно видеть, что чем эффективнее механизация, тем больше уменьшается угол. Это означает, что применение высокоэффективных видов механизации должно осуществляться совместно с предкрылками, которые затягивают срыв потока на большие углы атаки.

Увеличение подъемной силы, вызванное отклонением механизации, сопровождается увеличением профильного сопротивления. При совершении взлета увеличение профильного сопротивления является нежелательным, и щитки в этом отношении являются наименее выгодными из всех видов механизации. При совершении посадки увеличение профильного сопротивления может оказывать как положительную (сокращение длины пробега), так и отрицательную роль (увеличение вертикальной скорости снижения). Сравнительно небольшое приращение профильного сопротивления при отклонении щелевых закрылков и выдвижных подкрылков может быть увеличено на режимах посадки с помощью отклонения дополнительного закрылка на больший угол, чем основной закрылок. В этом случае увеличение профильного сопротивления будет сопровождаться еще и дополнительным увеличением подъемной силы.

Изменения в распределении давления по контуру профиля, которые происходят при отклонении щитков или закрылков, с одной стороны, приводят к увеличению подъемной силы, а с другой - к смещению центра давления и соответствующему увеличению пикирующего момента. Увеличение пикирующего момента происходит главным образом вследствие увеличения момента при нулевой подъемной силе. Простые щитки и нещелевые закрылки вызывают относительно небольшое увеличение пикирующего момента. Выдвижные щелевые закрылки и подкрылки более существенно влияют на его увеличение. Это означает, что применение выдвижных щелевых закрылков и подкрылков должно приводить к увеличению нагрузки на оперение . Поэтому сравнение эффективности того или иного вида механизации с точки зрения наибольшей подъемной силы следует вести не по величине коэффициента подьемной силы, который имеет профиль с отклоненной механизацией, а по эффективному значению коэффициента, полученному с учетом потребной отрицательной подъемной силы оперения. При этом величина отрицательной подъемной силы оперения должна определяться с учетом скоса и торможения потока при отклоненной механизации в области горизонтального оперения.

Влияние геометрических параметров механизации на аэродинамические характеристики профиля

Анализ большого количества результатов экспериментальных исследований позволяет проследить некоторые общие закономерности во влиянии геометрических параметров механизации на аэродинамические характеристики профиля.

Увеличение хорды щитков или закрылков приводит к увеличению приращения коэффициента плдьемной силы. Однако это увеличение постепенно убывает. Для каждого вида механизации характерны такие значения хорд, при которых наиболее полно сочетается максимальная эффективность и конструктивная простота. Отклонение от этих значений в сторону уменьшения хорды приводит к ухудшению аэродинамических характеристик, а отклонение в сторону увеличения хорды, давая лишь незначительное улучшение аэродинамических характеристик, вызывает возрастание конструктивных трудностей. Для простых щитков и нещелевых закрылков оптимальные значения хорд лежат в области 20 %. Для щелевых закрылков и выдвижных подкрылков эти значения соответственно равны 25 и 30 %.

Кроме того, увеличение хорды щитков или закрылков сопровождается уменьшением значения угла или отклонения, при котором наблюдается максимальное приращение подъемной силы. Например, для щитков и нещелевых закрылков максимальный угол их отклонения не должен превышать 60 градусов, так как незначительный выигрыш в подьемной силе не компенсирует очень сильного возрастания профильного сопротивления.

Из сказанного, однако, не следует, что оптимальные величины хорды и углов отклонения как щитков, так и других видов механизации должны непременно оставаться неизменными вдоль размаха крыла самолета. При аэродинамической компоновке крыла с механизацией иногда приходится прибегать к тому, чтобы хорда и угол отклонения щитка или закрылка изменялись по размаху. Эта мера дает возможность управлять положением отрыва, а следовательно, и величиной коэффициента подьемной силы крыла. Тем не менее в среднем сечении щиток или закрылок должны иметь все же оптимальные или близкие к ним значения хорды и угла отклонения. В большинстве случаев увеличение относительной толщины профиля сопровождается возрастанием приращения коэффициента подьемной силы при отклонении механизации, расположенной в области его задней кромки. Следует иметь в виду, что максимальная подъемная сила обычных профилей без механизации, как правило, возрастает при увеличении относительной толщины до 12-15 %, а потом начинает уменьшаться. Механизация же сглаживает это влияние относительной толщины профиля. Кроме того, увеличение толщины профиля сопровождается увеличением угла отклонения щитков или закрылков данной хорды, при котором достигается наибольший прирост максимальной подъемной силы.

Аэродинамические характеристики профиля с щелевым закрылком (выдвижным и с фиксированной осью вращения) в большой мере зависят от ширины выходного участка щели, формы ее контура (самой щели, так и закрылка), а также от положения закрылка относительно основной части профиля или положения оси вращения закрылка, если последний имеет фиксированную ось. Особенно сильно эти параметры влияют на приращение подъемной силы и значительно меньше на приращение угла нулевой подъемной силы и профильного сопротивления.

Наиболее эффективным оказывается закрылок, носик которого при отклонении описывает наивыгоднейшую траекторию, которая обеспечивает оптимальную ширину щели между основной частью профиля и закрылком при различных углах его отклонения. Форма траектории движения носика закрылка отличается от дуги окружности и не может быть воспроизведена путем вращения закрылка относительно одной фиксированной оси. Для движения носика закрылка по наивыгоднейшей траектории положение оси вращения должно изменяться. Форма щели и контура закрылка оказывает меньшее влияние на приращение подъемной силы, если носик закрылка при его отклонении перемещается по наивыгоднейшей траектории, обеспечивающей оптимальную ширину щели между задней кромкой основной части профиля и контуром закрылка.

Если же закрылок имеет фиксированную ось вращения, т . е . носик закрылка описывает дугу окружности, то форма закрылка, особенно форма конца основной части профиля, оказывает значительное влияние на величину подъемной силы . При фиксированной оси вращения закрылка можно избежать уменьшения подъемной силы только для одного какого - угла его отклонения. Для этого ось вращения должна быть подобрана таким образом, чтобы на желаемом угле отклонения носик закрылка попадал в наивыгоднейшее положение, при котором ширина выходного участка щели между ним и основной частью профиля была бы близка к оптимальной. Форма входного участка щели не оказывает влияния на оптимальное положение оси вращения, если ширина выходной щели остается неизменной.

Форма и в особенности ширина выходного участка щели оказывает решающее влияние на приращение подъемной силы при отклонении закрылка. Форма входного участка также может оказывать некоторое влияние на аэродинамические характеристики профиля с отклоненным и не отклоненным закрылками .

При построении контура закрылка и конца основной части профиля следует руководствоваться рядом соображении. Контур закрылка должен быть максимально плавным, обеспечивающим его безотрывное обтекание. Проще всего его образовывать плавными сопряжениями дуг окружностей с возможно большими радиусами, при этом нужно стремиться к тому, чтобы форма закрылка была близка к форме сильно несущих (на малых числах Re) профилей.

Как отмечалось выше, эффективность щелевых закрылков существенно зависит от геометрических параметров щели между основной частью крыла и закрылком в отклоненном положении . Основными параметрами щели, влияющими на эффективность закрылков, являются следующие : ширина щели между задней кромкой основной части профиля и контуром закрылка, условно измеряемая в направлении, перпендикулярном к хорде основной части профиля, участок контура закрылка в отклоненном положении, перекрытый хвостовиком основной части профиля - это расстояние, характеризет степень выдвижения закрылка и условно измеряется от носика закрылка (в не отклоненном положении) до задней кромки основной части профиля в направлении, параллельном хорде основной части профиля, участок контура закрылка в убранном положении, не закрытый хвостиком части профиля - это расстояние определяет вид закрылка и условно измеряется от задней кромки основной части профиля до задней кромки закрылка (в убранном положении) в направлении, параллельном хорде основной части профиля, форма всего контура щели между основной частью профиля и закрылком в отклоненном положении.

Выдвижной подкрылок в принципе является предельным случаем выдвижного щелевого закрылка . Свойства профиля с выдвижным щелевым закрылком по мере увеличения длины хвостика основной части начинают приближаться к свойствам профиля с выдвижным подкрылком. Это происходит по следующей причине. Оптимальное положение носика закрылка лежит вблизи задней кромки основной части профиля. Поэтому когда хвостик основной части профиля становится достаточно длинным, то закрылок, расположенный вблизи него, начинает существенно увеличивать хорду профиля и аэродинамические характеристики начинают изменяться вследствие увеличения площади крыла. В предельном случае, когда хвостик основной части профиля перекрывает в нейтральном положении всю хорду закрылка, аэродинамические характеристики окончательно приобретают новые качества, отличные от тех, которые свойственны выдвижным щелевым закрылкам. Оптимальным углом отклонения выдвижного подкрылка следует считать тот угол, свыше которого имеет место падение величины коэффициента подьемной силы.

Эффективность выдвижного щелевого закрылка при достаточно большом выдвижении и правильной форме щели может практически равняться эффективности выдвижного подкрылка, у которого в отклоненном положении центр окружности носика расположен под задней кромкой профиля. При равной эффективности величина выдвижения щелевого закрылка все же меньше, чем у выдвижного подкрылка, поэтому применение выдвижного щелевого закрылка в ряде случаев оказывается более рациональным, чем применение выдвижного подкрылка.

МЕХАНИЗАЦИЯ КРЫЛА КОНЕЧНОГО РАЗМАХА ОБЫЧНОГО УДЛИНЕНИЯ

В большинстве случаев на крыле конечного размаха механизация располагается только на отдельных его частях. В области задней кромки механизация обычно занимает часть размаха между бортом фюзеляжа и элероном. Если на этом участке располагаются гондолы двигателей, то размах крыла, занятый механизацией, еще более сокращается. Механизация крыла в области его передней кромки может располагаться вдоль всего размаха, исключая только части, занятые фюзеляжем и гондолами. Эти обстоятельства приводят к тому, что по сравнению с результатами, полученными на профиле бесконечного размаха, эффективность механизации на крыле конечного размаха оказывается заметно меньшей. Уменьшение эффективности механизации на крыле конечного размаха еще связано с тем, что участки ее размаха, близкие к торцам, оказывают меньшее воздействие на крыло, чем участки, удаленные от торцов. Вместе с этим качественный характер изменения аэродинамических характеристик крыла конечного размаха при отклонении механизации оказывается таким же, каким он наблюдается в условиях крыла бесконечного размаха. Для прямых крыльев конечного размаха с удлинением больше 4 - 5, сечения которых в области расположения механизации обтекаются плоскопараллельным потоком, созданы приближенные методы расчета, позволяющие определять изменение его аэродинамических характеристик при отклонении механизации. Эти методы основаны на использовании экспериментально полученных данных для профиля с механизацией.

Как известно, стреловидное крыло даже при малых углах атаки обтекается пространственным потоком. С увеличением углов атаки пространственность его обтекания существенно увеличивается, и на углах атаки, при которых используется механизация пространственное обтекание исключает использование данных, полученных для профиля с механизацией в условиях плоскопараллельного обтекания при описании аэродинамических характеристик в сечениях стреловидного крыла. В связи с этим при определении аэродинамических характеристик стреловидного крыла с механизацией приходится в основном опираться на экспериментальные исследования.

по материалам:
К Петров "Аэродинамика элементов ЛА" Машиностроение 1985