Қанаттың алдыңғы жиегіндегі құрылғының аэродинамикалық қасиеттері

Кіріспе

Тұрақты аэродинамикалық қанат құрылғысы

Алдыңғы жиектің манжеті – бұл тұрақты аэродинамикалық қанат құрылғысы, ол қозғалмайтын қанаттардағы тоқтау және айналу сипаттамаларын жақсарту үшін қолданылады. Манжеттер зауыттан шыққан немесе кейіннен орнатылған модификациялар болуы мүмкін. Алдыңғы жиектің манжеті – қанаттың алдыңғы жиегіне жасалған өзгеріс, әдетте сыртқы жиегін сәл төмендетілген ұзарту. Сыртқы жиектің модификациясының көптеген жағдайларында, қанат манжеті жартылай қанаттың шамамен 50–70% бөлігінен басталып, қанаттың сыртқы жиегін қамтиды. Басты мақсат – түрткісіз айналуға бейімділік болмаса, тоқтаудың басталуын біртекті және жұмсақ ету, әсіресе бастапқы қанат өткір/асимметриялық тоқтау мінез-құлқына ие болғанда, өнімділікке ең аз әсер ететін, қозғалмайтын, төмен құнды құрылғы арқылы. Тағы бір артықшылығы – тоқтау жылдамдығын төмендету, соның салдарынан қонуға кіру жылдамдығы мен қону қашықтығын қысқарту. Манжеттің орналасуына байланысты, төмен жылдамдықта элеронды басқаруды да жақсарта алады.

Терминология

Алдыңғы жиекті манжеттер құлап түсу концепциясы немесе құлап түскен алдыңғы жиек (DLE), немесе тоқтау/айналуға қарсы тұру туралы техникалық есептерде өзгертілген сыртқы алдыңғы жиек деп аталды. Осы және НАСА-ның осы нысан туралы басқа есептерінде "алдыңғы жиек манжеті" деген тіркес қолданылмады. Басқа авторлар жай ғана "манжет" немесе "қанат манжеті" деп атайды.

Тарих

1970 және 1980 жылдары НАСА жалпы авиациялық ұшақтардың тоқтау/айналуын зерттеу бағдарламасын жүргізді, онда модельдер мен толық көлемді эксперименттер қолданылды, жалпы авиациялық ұшақтардың тоқтау/айналу сипаттамаларын жақсартудың тиімді жолын іздеді. Қанаттың орталық бөлігіндегі ойықтың қанаттың ең жоғары көтеруіне әсері 1976 жылы дәлелденді. Модельдер мен толық көлемді ұшақтарда алдыңғы жиектің әртүрлі модификацияларын сынақтан өткізгеннен кейін, НАСА ақырында жартылай созылған еңкейтілген алдыңғы жиекті (DLE) таңдады, ол алғаш рет American Aviation AA 1 Yankee (1978) ұшағында сынақтан өтті. 1979 жылғы НАСА есебінде жоғары шабуыл бұрыштарында манжеттің үзілісі қоршау ретінде әрекет ететін құйынды тудырады, бұл ағынның бөлінуіне және сыртқа қарай жылжуына кедергі келтіреді. Көтерудің еңісі тегіс, ал тоқтау бұрышы жоғарылайды. Жоғары шабуыл бұрыштарына жету үшін сыртқы қанат профилін еңкейту қажет, кейбір тәжірибелер "күшейтілген" еңкейтілген алдыңғы жиектерді зерттеді. Манжета әсерінің физикалық себебі толыққанды түсіндірілмеді. Кейбір бұрынғы есептерде ұқсас нәтижелер келтірілген. 1932 жылғы NACA есебінде әртүрлі ұзындықтағы алдыңғы жиектердің әсері туралы айтылады: "Бұл қанаттың әр ұшындағы тесік бөлігі белгілі бір дәрежеде жеке қанат ретінде жұмыс істейтінін көрсетеді". Шекаралық қабатты жою арқылы жоғары көтеру коэффициенттерін алу пропеллерлерде (шекаралық қабатты сыртқа қарай жылжытатын центрифугалық күш) немесе қанаттарда (шекаралық қабатты сору) жақсы белгілі. Алдыңғы жиектің манжеттік құйыны мен қанат ұшының құйыны қанаттың сыртқы бөлігінің шекаралық қабатын жоюға көмектеседі, бұл төмен қанатты виртуалды қанаттың жоғары шабуыл бұрышына жетуіне мүмкіндік береді. Маңыздысы, қанат аэродинамикалық тұрғыдан екі бөлікке бөлінген сияқты: ішкі тоқтаған бөлігі және сыртқы бөлігі, ол оқшауланған төмен қанатты қанат ретінде әрекет етеді және жоғары шабуыл бұрышына жетуге қабілетті. Манжеттің күрт үзілісі маңызды фактор болып табылады; біртіндеп жақсарту арқылы құйынды басуға жасалған барлық әрекеттер және модификацияның оң әсерлері кенеттен ұшқырдың тоқтауына әкелді.

NASA led a general aviation stall/spin research program during the 1970s and 1980s, using model and full scale experiments, seeking an effective means to improve stall/spin characteristics of general aviation airplanes. The effect of a central notch at mid span on the wing maximum lift was demonstrated in 1976. Following the testing of different leading edge modifications on models and full sized aircraft NASA eventually selected the semi span drooped leading edge (DLE) that was tested first on an American Aviation AA 1 Yankee (1978). A 1979 NASA report explains that at high angles of attack the cuff discontinuity generates a vortex that acts as a fence, preventing the separated flow from progressing outboard. The lift slope has a flatter top and the stall angle is delayed to a higher angle. To reach high angles of attack, the outboard airfoil has to be drooped, some experiments investigating "exaggerated" drooped leading edges. The physical reason for the cuff effect was not clearly explained. Some much older reports gave some similar results. A 1932 NACA report about the effect of leading edge slots of various lengths said, "this is an indication that the slotted portion on each tip of the wing operates to some extent as a separate wing". Getting higher lift coefficients as a result of boundary layer removal is well known on propellers (centrifugal force causing an outward displacement of the boundary layer), or wings (boundary layer suction). The leading edge cuff inboard vortex and wing tip vortex act both to remove the boundary layer of the wing's outer section, helping this low aspect ratio virtual wing to achieve a higher stall angle. An important point is that the wing seems to be aerodynamically split in two parts, the inner stalled part and the outer part that behaves as an isolated low aspect ratio wing, able to reach a high angle of attack. The sharp discontinuity of the cuff is a key factor; all attempts by gradual fairing to suppress the vortex and the positive effects of the modification reintroduced an abrupt tip stall.

Тоқтату/спин нәтижелері

NASA-ның тоқтау/айналу туралы есебіне сәйкес: "Негізгі ұшақтар: AA 1 (Янки), C 23 (Сандаунер), PA 28 (Ароу), C 172 (Скайхок) әдейі айналуға тырысқанның 59-дан 98 пайызында айналысқа түсті, ал модификацияланған ұшақтар тырысқанның тек 5 пайызында ғана айналысқа түсті және айналуды тудыру үшін ұзақ, күшті басқару әрекеттері немесе рұқсат етілген шектен тыс жүктемелер қажет болды."

Қанат өлшемінің қатынасы және орналасу әсерлері

НАСА-ның тәжірибелік нәтижелерінің ең сәттісі 6:1 қанаттың ені мен ұзындығының қатынасында (Grumman Yankee AA 1) алынған, DLE жартылай қанаттың 57% -ында орналастырылған. Вихрьтер (ішкі жиек және қанат ұшы) шектеулі ұзындықта тиімді болғандықтан (шамамен жергілікті хорданың 1,5 есесі), DLE ғана жоғары ені бар қанатта дөңгелекті басқаруды сақтау үшін жеткілікті сыртқы көтергіш күшін сақтай алмайды. 8 немесе 9-дан жоғары ені бар қанаттарда манжет әсерін күшейту үшін басқа құрылғылар қолданылады, мысалы, ағын бұзушы жолақтар (Cirrus SR22 және Cessna 400-де қолданылғандай), "Rao слоттары" (Questair Venture-де қолданылғандай), вихрь жасаушылар немесе сегменттелген түсу (NASA модификациялаған Cessna 210-да қолданылғандай). Жоғары ені бар Cessna 210 қанатының жағдайында (AR = 11:1), құлау кезінде дөңгелектің тұрақсыздығы тиімді болмады. Жоғары орналасқан қанат конфигурациясының жағдайы мүлдем басқаша болды. Модификацияланған Cessna 172 ұшағының толық масштабтағы сынақтары көрсеткендей, сыртқы алдыңғы жиек манжеті ғана айналудан сақтауға жеткіліксіз, себебі ұшақтың жоғары шабуыл бұрыштарында бағыттық тұрақтылығы болмады. Көкделгі қанат қосылғаннан кейін, ұшақ айналудың орнына бақыланатын спиральға түсті.

Тарту жазасы

Манжеттің ұзындығы мен пішініне байланысты, алдыңғы жиектің манжеті соққыға/айналуға қарсы тұру жылдамдығы үшін аэродинамикалық кемшілік тудыруы мүмкін, нәтижесінде крейсерлік жылдамдық төмендеуіне алып келеді, бірақ кейде бұл өндірістік аспаптармен анықтауға тым шағын болады. AA 1 Yankee ұшағының ең жақсы модификациясы жағдайында крейсерлік жылдамдық 2 миль/сағ немесе 2%-ға төмендеді, ал көтерілу кезінде жылдамдық жоғалған жоқ. Piper PA 28 RX (модификацияланған T-тұйық) крейсерлік жылдамдыққа тигізген әсері өлшенбеді. Questair Venture үшін "нақты бақыланатын сынақтарда крейсерлік өнімділіктегі кемшілік сезілмейтін (1 түйін) болды".