Парусное крыло

Введение

Аэродинамические достоинства крыла с регулируемой хордой для планеров представляются очень привлекательными. Эта привлекательность еще более возрастает, когда планер "Сигма" и подобные ему планеры окончательно продемонстрируют свои возможности. Однако жесткий закрылок имеет свои ограничения, главное из которых заключается в том, что возможное увеличение хорды не превышает 40% исходной хорды крыла. Вследствие конструктивных и механических сложностей такие устройства довольно дороги, поэтому, вероятно, будут построены несколько планеров экстра-класса такого типа.

В настоящей статье предлагается другой тип закрылка. Он выполнен из парусной ткани и позволяет реализовать все возможности крыла с изменяемой хордой. Почему бы планеру не летать с парусным гибким крылом, тем более что в доисторические времена птеродактили уже использовали этот принцип?

Современная парусная ткань представляет собой хорошо отработанный материал, который может легко выдержать аэродинамические нагрузки при малых скоростях полета. Она может легко складываться и увеличение хорды более чем на 100% не составит проблемы. (Такое большое расширение закрылка, однако, будет оправдано только в том случае, если нужно получить радиус разворота менее 60 метров). Дополнительный вес и механическая сложность устройства для сматывания и разматывания паруса представляются незначительными. В таблице 1 приведены значения модуля упругости парусной ткани в различных направлениях.



Но будет ли при этом обеспечена безопасность? Для предварительного ответа на этот вопрос нами были проведены некоторые испытания профиля в аэродинамической трубе, которые позволяют оценить целесообразность дальнейших исследований в этом направлении.

Экспериментальные результаты

Испытания были выполнены для старого профиля №30, аналогичного профилю FX-60-126, с легкой парусной тканью (145 кг/м²). Рис 1 показывает полную модель, а на Рис 2 приведены ее основные размеры.



Две деревянные планки прикрепляют парусную ткань к стенкам рабочей части трубы. Передняя кромка паруса приклеена к профилю, а задняя кромка свободна. Модель была укреплена между стенками рабочей части трубы таким образом, что натяжение ткани в направлении размаха и угол отклонения закрылка могли изменяться. Первые испытания выявили тенденцию появления флаттера задней кромки в определенном диапазоне скоростного напора. Такой флаттер практически не зависит от угла атаки. При типичном натяжении ткани частота составляет примерно 50 Гц. С помощью стробоскопа можно было наблюдать, что задняя кромка в середине размаха изгибается на углы до 90 градусов. Амплитуда колебания ткани возрастает с ростом скорости потока и таким же образом изменяется сопротивление, которое может увеличиться вдвое. Очевидно, что данный тип флаттера развивается только на задней кромке паруса и может быть устранен с помощью небольших лат, приклеенных к ткани.

Другой тип флаттера возникает, когда угол атаки уменьшается до значения, при котором меняет знак перепад давлений на верхней и нижней поверхностях паруса. Силы, которые развиваются в этом случае, много больше, чем в случае флаттера задней кромки, и могут быть опасными. Однако парус будет применяться, главным образом, в области малых скоростей, соответствующих коэффициентам подьемной силы от 1,5 до 2, но никак не менее 0,5. На Рис 3 представлена поляра и зависимость коэффициента подьемной силы от угла атаки для комбинации профиля и паруса, показанной на Рис 1, со стабилизирующей задней кромкой при числе Re = 2x10⁶. При малых коэффициентах подьемной силы кривая поляры имеет гистерезис, который соответствует режиму бафтинга. Гистерезисная петля указана малыми стрелками.



При больших коэффициентах подьемной силы сопротивление выше, чем у профиля FX-67-VG-170/1.36 с жестким закрылком. Это частично обусловлено различными положениями точек перехода, а также проницаемостью ткани, которая увеличивает сопротивление.

В том случае, когда нижняя поверхность была покрыта тонкой пластиковой пленкой, устраняющей пористость ткани, поляра значительно улучшилась, как показано на Рис 4.



Следовательно, парусная ткань должна быть воздухонепроницаемой. Продольные моменты не изменялись. Они должны быть аналогичны моментным характеристикам профиля FX67-VG-170/1.36. Одно из наиболее привлкательных свойств парусного закрылка заключается в том, что его выдвижение может использоваться в качестве элеронов.

Аэродинамические характеристики, особенно границы бафтинга, указанные стрелками, показаны на Рис 5 для четырех различных вариантов установки гибкого закрылка.



Можно видеть, что границы бафтинга лежат достаточно низко, чтобы обеспечить необходимый диапазон изменения коэффициента подьемной силы для эффективного поперечного управления. Обычный способ дифференцированного отклонения элеронов вверх и вниз может быть с выгодой использован в случае гибких парусных элеронов.

Концепция хорды, изменяемой с помощью паруса

Некоторые дальнейшие замечания будут приведены без излишних технических деталей. Предполагается, что парус будет прикреплен к задней кромке, в том числе к элеронам, с помощью 5-6 кронштейнов, которые задают кривизну паруса и передают аэродинамические нагрузки на крыло. На земле эти кронштейны могут убираться с целью упрощения обращения с крылом. Добавочное сопротмвление указанных деталей при больших скоростях будет пропорционально дополнительной омываемой поверхности. Парус уложен в цилиндре, расположенном внутри жесткого крыла примерно на 75% хорды. Для того, чтобы извлечь парус, необходимо потянуть за крайние угловые точки задней кромки паруса, расположенные в корневом и концевом сечениях крыла. Парус выходит с нижней поверхности и скользит вдоль изогнутых кронштейнов, в то время как подьемная сила прижимает парус к кронштейнам. Когда парус выпущен, можно увеличить натяжение ткани в направлении размаха до 50-100 кГ. Слабо натянутый парус не является неприемлемым, однако тугой парус работает лучше. Растягивать парус в направлении хорды нет необходимости. Элероны должны быть подвешены таким образом, чтобы натяжение ткани могло быть передано на крыло без затруднения для отклонения элеронов. Внутренняя по размаху хорда элеронов должна уменьшаться до нуля. В противном случае парусная ткань будет отделяться от нижней поверхности крыла, когда элерон отклоняется вниз. Для того, чтобы смотать парус, уменьшается натяжение ткани и далее цилиндр в крыле вращается до тех опр, пока не совпадут задние кромки паруса и крыла. Та часть паруса, которая подкреплена латами, остается на нижней поверхности крыла.

Вся концепция не может быть реализована сразу, за один шаг. Вероятно, целесообразней испытать конфигурацию с выпущенным парусом на существующем планере и потом разработать механизм для нового крыла. Нужно учитывать опасность "переусоврешенствования" такой конструкции с потерей простоты исходной идеи. Что касается механизма привода - многое можно заимствовать у гоночных яхт.

В заключение в таблице 2 приведены координаты 19% профиля, расчитанного на двукратное увеличение хорды. Профиль гибкого закрылка представляет собой дугу окружности с кривизной 3,5%, которая плавно сопрягается с верхней поверхностью основного профиля. Аэродинамические характеристики должны быть аналогичны представленным выше, за исключением сопротивления, которое должно быть меньше.



Можно надеяться, чтопредложения помогут реализовать приемущества концепции крыла с изменяемой хордой. С точки зрения автора, это представляется наиболее естественным и логичным путем к новым горизонтам планеризма.

Автор: Ф.К. Вортманн (Из журнала "Aero-Revue" 6/1971 Штутгарт, ФРГ) перевод выполнен Ю.Н.Темляковым
Источник: Аэромастер