Кіріспе

Трансдыбыстық жылдамдық диапазонында толқындық қарсылықтың пайда болуын кешіктіруге арналған қанат пішіні (ағылшын тілінде supercritical airfoil) – бұл қанат пішіні, ол трансдыбыстық жылдамдық диапазонында толқындық қарсылықтың пайда болуын кешіктіруге басты назар аударады. Суперкритикалық қанат пішіндері жалпақ жоғарғы бетімен, жоғары иісті ("төмен қарай иілген") артқы бөлігімен және NACA 6 сериялы ламинарлық қанат пішіндерімен салыстырғанда үлкен алдыңғы жиегінің радиусымен сипатталады. Стандартты қанат пішіндері қанаттың үстінде төмен қысымды жасау үшін жасалған. Қалыңдықтың таралуы және қанаттың иілуі ауаның қанаттың айналасында қаншалықты жылдамдатылатынын анықтайды. Ұшақтың жылдамдығы дыбыс жылдамдығына жақындағанда, қанаттың айналасында жылдамдатылатын ауа 1 Махқа жетеді және соққы толқындары пайда бола бастайды. Осы соққы толқындарының пайда болуы толқындық қарсылықты тудырады. Суперкритикалық қанат пішіндері қанаттың жоғарғы бетін тегістеу арқылы осы әсерді азайтуға арналған. Суперкритикалық қанат пішінінің пайда болуы неміс аэродинамигі К. А. Кавалькиге қарызды, ол Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде бірнеше қанат пішіндерін жобалаған. Соғыс аяқталғаннан кейін Германия, Ұлыбритания және АҚШ-ты қоса алғанда, көптеген елдер осы саладағы зерттеулерді жалғастырды. Атап айтқанда, Hawker Siddeley Aviation бірқатар жетілдірілген қанат пішіндерін жобалады, олар басқа бағдарламалармен қатар Airbus A300 ұшағына енгізілді. Америкада аэродинамик Ричард Уиткомб Кавалькидің бұрынғы жұмысына ұқсас суперкритикалық қанат пішіндерін жасады; олар азаматтық және әскери ұшақтарға енгізілген суперкритикалық қанатты жасау үшін пайдаланылды. Осыған сәйкес, бастапқы суперкритикалық қанат пішіндерін зерттеуден алынған техникалар бірнеше жоғары жылдамдықты субдыбыстық және трансдыбыстық ұшақтардың қанаттарын жобалау үшін пайдаланылды, Airbus A310 және Boeing 777 авиалайнерлерінен бастап McDonnell Douglas AV 8B Harrier II тік көтерілуге арналған реактивтік ұшағына дейін.

Тарих

Суперкритикалық аэродинамикалық профильді алғаш рет Германиядағы аэродинамиктер Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде ұсынды. 1940 жылы Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt Berlin Adlershof компаниясының K. A. Kawalki жобалауымен бірнеше аэродинамикалық профильдер жасалды. Бұл аэродинамикалық профильдер туралы 1944 жылы Б. Гётерт пен К. А. Кавальки баяндады. Кавалкидің аэродинамикалық пішіні кейіннен америкалық аэродинамик Ричард Уиткомб жасаған пішінге ұқсас болды. Авиация авторлары Эрнст Генрих Хиршель, Хорст Прем және Геро Маделунг суперкритикалық аэродинамикалық профильді жоғары жылдамдықты ұшақтарға арналған қанаттың инновациясымен тең, аэродинамикалық тұрғыдан маңызды деп атады. 1950-1960 жылдары дәстүрлі аэродинамикалық профильдермен жабдықталған бірнеше жоғары жылдамдықты зерттеу ұшақтары дыбыс кедергісін бұзуда немесе тіпті Мах 0.9-ға жетуде қиындықтарға тап болды. Дәстүрлі аэродинамикалық профильдің жоғарғы бетіндегі үстірт ағын шамадан тыс толқынды соққы тудырды, сондай-ақ Мах тығырығы деп аталатын тұрақтылықты жоғалтуға себеп болды. Аэродинамика мамандары осы проблемалардың ауырлығын азайту үшін аэродинамикалық профильге сәйкес форма беру қажеттігін анықтады. Оның конструкциясы қанатқа жоғары өнімділікті 1 Махқа жақын жылдамдықта дәстүрлі аналогтарына қарағанда сақтауға мүмкіндік береді. 1962 жылы қанатының суперкритикалық қасиеттері бар Vickers VC 10 ұшағы жасалды. VC 10 - бұл арнайы ұшаққа арналған қанат бөліміне ие алғашқы авиалайнер (стандартты пішіннің орнына). Бұл жобаны Vickers және Ұлыбританияның ғылыми-зерттеу институттары жасаған. 1959 және 1968 жылдар аралығында британдық Hawker Siddeley Aviation авиациялық компаниясы, Англияның Хэтфилд қаласында орналасқан, кейде "қабатты артқы жүктелген" деп аталатын, өзінің жақсартылған профильдерін жобалады. Hawker Siddeley-дің зерттеулері кейіннен Airbus A300, 1972 жылы алғаш рет ұшқан көпұлтты кең денелі әуе кемесінің суперкритикалық қанатының негізі болды. Сонымен қатар, соғыстан кейінгі Германия мен Нидерланды да азаматтық авиация бағдарламаларын қолдау үшін осы күш-жігерді көздеп, оптималдық трансоникалық аэродинамикалық профильді жобалау бойынша өздерінің зерттеу жұмыстарын жүргізді. 1970 жылға дейін ауа ағынының субсоникалық жылдамдыққа шоксыз оралуын жүзеге асыратын аэродинамикалық профильді дамытуға көп көңіл бөлінді. АҚШ-та 1960 жылдары суперкритикалық аэродинамикалық профиль зерттеудің бір саласы болды; осы саладағы жетекші американдық тұлғалардың бірі Ричард Уиткомб болды. Солтүстік Американың арнайы модификацияланған T 2C Buckeye суперкритикалық қанаттың алғашқы сынақ базасы ретінде қызмет етті, осы кезеңде зерттеу жұмыстарына қолдау көрсету үшін көптеген бағалау ұшуларын орындады. Бастапқы ұшу сынақтарынан кейін жаңа аэродинамикалық профильдер басқа модификацияланған әскери ұшақта, TF 8A Crusader-де жоғары жылдамдықпен сыналды. Суперкритикалық аэродинамикалық профильді бастапқыда NASA АҚШ-тың Ұлттық суперзвуктық көлік бағдарламасының бөлігі ретінде жасады, бірақ оны пайдалану үшін әзірленген суперзвуктық Boeing 2707, техникалық қиындықтар мен салыстырмалы түрде жоғары шығындардан кейін тоқтатылды. Осыған қарамастан, жұмыс бағдарламаның негізгі мақсатты алушысының тоқтатылуынан аман қалған бір аспектісі болды. Суперкритикалық қанаттың құрылымына суперкритикалық аэродинамикалық пішін енгізілді. Осылайша, технология кейіннен бірнеше жоғары дауыстан төмен ұшақтарға сәтті қолданылып, олардың отын тиімділігін айтарлықтай арттырды. Бұған алғашқы үлгілер ретінде Boeing 757 және Boeing 767 әуе кемелері жатады. Хиршель, Прем және Маделунгтың айтуынша, суперкритикалық қанатты заманауи реактивті ұшақтардың маңызды элементі деп санайды, бұл оның Airbus өнімдерінде қолданылуына нұсқайды. Осы уақыт аралығында Кавалкидің жұмысы Airbus A310 сияқты жаңа жолаушылар ұшақтарын жобалауда белсенді рөл атқарған. Қазіргі заманғы реактивті ұшақтарда суперкритикалық аэродинамикалық профильді қабылдау толқынды соққының күшін азайтудың кейбір басқа әдістерін қолдануды азайтты. Антишок корпусы осындай әдістердің бірі болды, ол сонымен қатар Ричард Уиткомбтың жұмысынан және неміс аэродинамик Дитрих Кюшеманның жұмысынан алынған. "Уиткомб денелері" немесе "Кюшеманн керуеттері" деп аталатын бұл модель аймақтық ережемен тығыз байланысты. Бұл ереже осы дәуірдің жаңа инновациясы болды.

Артықшылықтары

Суперкритикалық қанаттар төрт негізгі артықшылыққа ие: олардың артта қалудың жоғары Мах саны бар, олар дәстүрлі қанаттарға қарағанда шок толқынын артқы жағына қарай дамытады, шоктан туындаған шекаралық қабаттың бөлінуін күрт азайтады және олардың геометриясы қанаттың тиімді дизайнын қамтамасыз етеді (мысалы, қалың қанатты және/немесе қанаттың бұрылуын азайту, олардың әрқайсысы жеңіл қанатты жасауға мүмкіндік береді). Белгілі бір жылдамдықта, берілген қанат профилі үшін, критикалық Мах санында, қанаттың жоғарғы бетіндегі ағын жергілікті түрде дыбыс жылдамдығынан асып кетеді, бірақ артқы жиегіндегі төменгі бет қысымымен сәйкес болу үшін шоксыз баяулайды. Дегенмен, белгілі бір жоғары жылдамдықта, артта қалудың Мах санында, артқы жиектегі қысымды қалпына келтіру үшін шок қажет болады. Бұл шок трансоникалық толқын сүйреуін тудырады және одан кейін ағыстың бөлінуіне әкелуі мүмкін; екеуі де қанаттың тиімділігіне кері әсер етеді. Қанат профилі бойындағы белгілі бір нүктеде шок пайда болады, бұл қысым коэффициентін Cp crit сындық мәніне дейін арттырады, онда жергілікті ағын жылдамдығы Мах 1-ге жетеді. Бұл шок толқынының орналасуы қанаттың геометриясымен анықталады; суперкритикалық қанат тиімдірек, себебі шок толқыны барынша азайтылады және мүмкіндігінше артқы жағына қарай жылдырылады, осылайша сүйреуді азайтады. Типикалық қанат профилімен салыстырғанда, суперкритикалық қанат жоғарғы беттегі қысымның тегіс таралуының арқасында артқы жағында көбірек көтерілу күшін жасайды. Жақсартылған трансоникалық өнімділікке қоса, суперкритикалық қанаттың кеңейтілген алдыңғы жиегі оған жоғары көтерілу қасиеттерін береді. Осының салдарынан, суперкритикалық қанатты қолданатын ұшақтардың ұшуға және қонуға түсу қабілеті жоғары болады. Бұл суперкритикалық қанатты жүк тасымалдау ұшақтарын жобалайтын конструкторлардың сүйіктісіне айналдырады. Мұндай ауыр жүк көтеретін ұшақтың бір мысалы – Boeing C-17 Globemaster III.

Сауыттың ерекшеліктері

Суперкритикалық профильдің тұрақсыздық мінез-құлқы, төмен жылдамдықтық қанаттардан өзгеше болады. Круиздік бұрыштарда суперкритикалық қанаттың алдыңғы жиегі бойындағы шекаралық қабат жұқа және ламинарлық күйінде басталады. Шабуыл бұрышы (AOA) артқан сайын, бұл ламинарлық қабат тар аймақта бөлініп, қысқа көпіршік құрайды. Қазір турбуленттік ағын, көпіршіктің арт жағынан бетке қайта жабысады; мұндай жағдайда қарсылықтың артуы аса жоғары емес. Дегенмен, егер AOA тоқтау нүктесіне жеткізілсе, кері қысым градиенті күшейеді және шоқ толқыны, тіпті салыстырмалы түрде төмен жылдамдықта да, көпіршік алдындағы жұқа шекаралық қабатта пайда болуы мүмкін. Критикалық бұрышта көпіршік жылдам кеңейіп ("жарылып"), ауа ағыны бүкіл беттен (алдыңғы жиектен артқы жиекке дейін) кенеттен ажыратылады. Көтергіштіктің күрт жоғалуы, төмен жылдамдықтық профильдердегідей дәстүрлі "ескерту" немесе ауа соққысының болмауымен күшейеді. Осы ескертудің жоқтығына байланысты, суперкритикалық қанаттары бар ұшақтар сертификаттау талаптарын орындау үшін, әдетте, рульді дірілдету және рульді итерумен қалпына келтіру жүйелерімен жабдықталады. Қанат қоршаулары "қанаттың бірден тоқтауына жол бермейді", сондықтан олар да осы жағдайда қалпына келтірудің баламалы құралы болып табылуы мүмкін.