Кіріспе
Қанаттың ұшына бекітілген құрылғылар, ұшақтың қанатының тиімділігін арттыру үшін, қарсылық күшін азайтуға көмектеседі. Қанат ұшы құрылғыларының түрлері әртүрлі болғанымен, олардың негізгі мақсаты – ұшақтың қарсылық күшін төмендету. Бұл құрылғылар ұшақты басқаруды жақсартады және басқа ұшақтардың қауіпсіздігін арттырады. Олар қанаттың ұзындығын едәуір арттырмай, қанаттың тиімділік коэффициентін ұлғайтады. Қанаттың ұзындығын арттыру көтерілуге байланысты қарсылықты азайтуға мүмкіндік берсе де, паразиттік қарсылық күшін арттырып, қанаттың беріктігі мен салмағын көбейтуді қажет етеді. Бір мезгілде, қанаттың ұзындығын одан әрі арттырудан пайда көрілмейді. Сонымен қатар, әуежай қақпаларындағы кеңістік сияқты, рұқсат етілген қанаттың ұзындығын шектейтін операциялық факторлар да болуы мүмкін. Қанат ұшы құрылғылары, қанаттың астындағы жоғары қысымды ауаның қанат ұшындағы төмен қысымды бетке өтуін болдырмай, айналмалы ағымның пайда болуын тоқтатады. Winglet-тер қанат ұшы айналмаларынан туындайтын көтерілуге байланысты қарсылықты азайтып, көтерілу мен қарсылық арақатынасын жақсартады. Бұл, өз кезегінде, қозғалтқышты ұшақтарда отынның тиімді пайдалануын арттырып, желкенді ұшақтардың қашықтығын ұлғайтады.
Wingtip devices are intended to improve the efficiency of fixed wing aircraft by reducing drag. Although there are several types of wing tip devices which function in different manners, their intended effect is always to reduce an aircraft's drag. Wingtip devices can also improve aircraft handling characteristics and enhance safety for following aircraft. Such devices increase the effective aspect ratio of a wing without greatly increasing the wingspan. Extending the span would lower lift induced drag, but would increase parasitic drag and would require boosting the strength and weight of the wing. At some point, there is no net benefit from further increased span. There may also be operational considerations that limit the allowable wingspan (e. g., available width at airport gates). Wingtip devices help prevent the flow around the wingtip of higher pressure air under the wing flowing to the lower pressure surface on top at the wingtip, which results in a vortex caused by the forward motion of the aircraft. Winglets also reduce the lift induced drag caused by wingtip vortices and improve lift to drag ratio. This increases fuel efficiency in powered aircraft and increases cross country speed in gliders, in both cases increasing range.
Қанаттың соңғы пластиналары
Бастапқы идея 1897 жылға дейін жетеді, сол кезде ағылшын инженері Фредерик У. Ланчестер қанаттың ұшындағы пластиналарды қанаттың ұшындағы құйынды басқару тәсілі ретінде патенттеді. АҚШ-та шотландиялық инженер Уильям Э. Сомервилл 1910 жылы алғашқы функционалды қанат ұштарын (уинглеттерді) патенттеді. Сомервилл бұл құрылғыларды өзінің алғашқы екі қанатты және бір қанатты конструкцияларына орнатты. Винсент Бернелли 1930 жылдың 26 тамызында "Қанат пішіндік басқару құралдары" үшін АҚШ патенті № 1,774,474 алды. Қарапайым жалпақ ұшты пластиналар қарсылықты азайта алмады, себебі профильдік қарсылықтың артуы, туындаған қарсылықтың азаюынан басым болды.
Хоернер қанат ұштары
Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан кейін доктор Сигард Ф. Хоернер бұл саладағы алғашқы зерттеушілердің бірі болды. Ол 1952 жылы жарияланған техникалық мақаласында қанаттың ұштарын төмендетуді ұсынды, сонда оның үшкір артқы бөліктері қанаттың ұшындағы құйынды қанаттың үстінен ауыстырады. Оның құрметіне қанаттың төмендетілген ұштарын көбінесе "Хоернер ұштары" деп атайды. Желкенді ұшақтар мен жеңіл авиация ұшақтары Хоернер ұштарын көп жылдар бойы пайдаланып келеді.
Қанатша
"Қанат ұшы" термині бұрын әуе кемесіндегі қосымша көтергіш бетті сипаттау үшін қолданылған, мысалы, тік қондырғыдағы дөңгелектер арасындағы қысқа бөлік. 1970 жылдары NASA-да Ричард Уиткомбтың зерттеулерінде алғаш рет "winglet" термині қазіргі мағынасында қолданылды, ол қанат ұштарының тікке жуық созылуын білдіреді. Бұл құрылымдар ұшақтың артында қалады және басқа ұшақтар үшін қауіп тудырады. Әуежайлардағы ұшақтардың арасындағы ең аз қашықтық талаптары көбінесе осы факторлармен анықталады. Ұшақтар салмағы бойынша жіктеледі (мысалы, "жеңіл", "ауыр" және т.б.), өйткені бұрқасының күші ұшақтың көтерілу коэффициентімен бірге артады, демек, байланысты турбуленттілік төмен жылдамдық пен жоғары салмақта ең жоғары болады, бұл үлкен шабуыл бұрышына әкеледі. "Winglet" және қанат ұшы қоршаулары қанат ұштарының жанындағы ламинарлық ағынмен бұрқастың араласуын азайту арқылы тиімділікті арттырады, сондай-ақ қанаттың үстінен (төмен қысым) және астынан (жоғары қысым) келетін ауаның жиналуын қанаттың бетінен алыстатады. Қанат ұшындағы бұрқасы қанат ұшының алдыңғы жиегінен пайда болып, артқа және ішке қарай таралады. Бұл турбуленттілік сыртқы қанаттың кішкентай үшбұрышты бөлігіндегі ауа ағынын "бұзады", нәтижесінде сол аймақтағы көтерілу күші жойылады. Қоршау/қанат ұшы бұрқас пайда болатын аймақты қанаттың бетінен жоғары жылжытады, өйткені пайда болған бұрқастың орталығы енді қанат ұшында орналасқан. Airbus A340 және Boeing 747 400 сияқты ұшақтар "winglet" пайдаланады, ал Boeing 777 және Boeing 747 8 сияқты кейінгі үлгілерде кеңейтілген қанат ұштары бар. "Winglet" пайдаланудан отынның үнемделуі миссия ұзақтығымен бірге артады. Біріктірілген "winglet" көтерілу бұрышын көбейтіп, ұшып көтерілу қашықтығын қысқартуға мүмкіндік береді.
Ерте дамуы
Ричард Т. Уиткомб, НАСА-ның Лэнгли зерттеу орталығының инженері, 1973 жылғы мұнай дағдарысынан кейін отын бағасының күрт өсуіне жауап ретінде Хоернердің идеясын одан әрі жетілдірді. Ол мұқият әуе кемесін жобалау арқылы, белгілі бір иілу моменті үшін, тік қанат ұшы (винглет) көлденең қанат кеңдігін ұзартуға қарағанда кедергіні тиімдірек азайтатынын көрсетті. Уиткомбтың жобалары 1979–1980 жылдары NASA және Әуе күштерінің бірлескен тобы Драйден ұшу зерттеу орталығында орналасқан KC-135 Stratotanker ұшағында сынақтан өтті. Ол сол айда "қанат ұшындағы аэродинамикалық беттерге" (wingtip airfoils) АҚШ патентін тіркеді, ол 1986 жылы жарияланды.
NASA-ның
NASA-ның ең белгілі қанат ұштары Боинг 747 Шатл тасымалдаушы ұшағында қолданылған. 747 ұшағының көлденең стабилизаторларында орналасқан бұл құрылғылар, ғарыш шаттлының салмағымен жүктелгенде, ұшақтың артқы бөлігінің тиімділігін арттырады, алайда олардың негізгі мақсаты соғуды азайту емес, бағыттық тұрақтылықты қамтамасыз ету болды.
Бизнес-ұшақтар
Learjet компаниясы 1977 жылы Ұлттық іскерлік авиация қауымдастығының конвенциясында Learjet 28 прототипін көрсетті. Бұл – азаматтық немесе әскери ұшақтарда қолданылған алғашқы қанатшалар (winglets) болды. Learjet компаниясы NASA көмегінсіз қанатшалардың конструкциясын жасады. Model 28 ұшағы бастапқыда тәжірибелік прототип ретінде жоспарланғанмен, оның көрсеткіштері Learjet компаниясын өндіріске кірісуге итермеледі. Ұшу сынақтары қанатшалардың ұшу қашықтығын шамамен 6,5 пайызға ұлғайтып, бағыттық тұрақтылығын жақсартатынын көрсетті. Learjet компаниясы қанатшаларды өндіріс ұшақтарына қолдануды Learjet 55, 31, 60, 45 және Learjet 40 сияқты жаңа модельдерде де жалғастырды. Gulfstream Aerospace 1970-ші жылдардың соңында қанатшаларды зерттеді және Gulfstream III, Gulfstream IV және Gulfstream V ұшақтарына енгізді. Gulfstream V ұшағы Нью-Йорк – Токио сияқты тоқтаусыз бағыттарда ұшуға мүмкіндік береді және 70-тен астам әлемдік және ұлттық ұшу рекордтарын сақтайды.
Тәжірибелік
1986 жылы жанармай құюсыз әлемді айналып ұшқан алғашқы ұшақ – "Рутан Вояджер" ұшағына стандартты қанат ұштары (винглеттер) орнатылды. Бірақ, ұшақ ұшып көтерілген кезде қанат ұштары ұшу жолағымен сүйкелісіп, әр қанаттың ұшынан шамамен 30 сантиметр (0 метр) зақымданды, сондықтан ұшу қанат ұштарының артықшылықтарынсыз жасалды.
Әуе кемесінің отын тиімділігі
Орташа коммерциялық ұшақтардың отын тиімділігі 4-6 пайызға артады және қанаттық құрылғыларды пайдалану ұшу кезіндегі шуды 6 пайызға дейін азайтады. Отынның нақты үнемделуі және оған байланысты көміртегі шығарылымы ұшақ түріне, бағытына және ұшу жағдайларына қарай айтарлықтай өзгеріп, әртүрлі болуы мүмкін.
Қанат ұшынан қоршау
Қанат ұшы қоршауы – Уиткомбтың алғашқы зерттеулерінде сипатталғандай, қанат ұшынан жоғары және төмен қарай созылатын беттерді қоса, қанатшаларды білдіреді. A300-600, A320ceo және A380 модельдері де осылай жасалған. Басқа Airbus модельдері, соның ішінде Airbus A320 Enhanced, A320neo, A350 және A330neo аралас қанатшалармен жабдықталған, ал емес қанат ұшы қоршауларымен. Антонов Ан-148 ұшағы қанат ұшы қоршауларын қолданады.
Қисық қанатты
Boeing компаниясы 1985 жылы 747 ұшағының жаңа нұсқасын – 747-400-ді жариялады, оның ұшу қашықтығы мен сыйымдылығы арттырылған. Қосымша жүктемені көтеру үшін қанат ұштары мен қанаттың ұзындығы ұзартылды. Қанат ұштары 747-400 ұшағының қашықтығын 747-300-ге қарағанда 3,5%-ға арттырды. 747-300 аэродинамикалық тұрғыдан бірдей болғанымен, қанат ұштары жоқ. Aviation Partners/Boeing компаниясының 2,44 метрлік ұзартулары ұзақ қашықтықтағы рейстерде отын тұтынуды 4%-ға төмендетіп, 737-800 немесе Boeing Business Jet ұшақтарының қашықтығын арттырады. 2006 жылы Airbus, Winglet Technology және Airbus компаниялары Airbus A320 отбасы үшін әзірлеген екі түрлі қанат ұшын сынақтан өткізді. 2009 жылы Airbus өзінің "Sharklet" қанат ұшын ұсынды, ол A320 отбасының жүк көтеру қабілеті мен ұшу қашықтығын арттыруға, сондай-ақ ұзақ рейстерде отын тұтынуды 4%-ға дейін азайтуға арналған. Бұл бір ұшақ үшін жылына 700 тонна CO2 эмиссиясын азайтуға тең. Sharklet қанат ұштарымен жабдықталған A320 ұшақтары 2012 жылдан бастап жеткізіле бастады. Олар A320neo, A330neo және A350 ұшақтарында қолданылады. Сондай-ақ, бұл қанат ұштары ұшақтарды жаңарту опциясы ретінде де ұсынылады.
Қанат ұшы
Кейбір Boeing коммерциялық ұшақтарында отын тиімділігін, ұшу және көтерілу көрсеткіштерін жақсарту үшін қанат ұшының қанаттың қалған бөлігіне қарағанда көбірек қисайтылуы қарастырылған. Қанатшалар сияқты, олар қанаттың тиімді ұзындық/енінің қатынасын арттырады және қанат ұшындағы маңайларды азайтады, соның салдарынан көтерілуге байланысты кедергіні төмендетеді. Boeing және NASA жүргізген сынақтарда, олар кедергіні 5,5%-ға дейін азайтады, бұл дәстүрлі қанатшалар үшін 3,5%-тан 4,5%-ға дейін. Қанат ұштары қарапайым қанаттың ұзындығын ұзартуға қарағанда салмақты азайтудың бірнеше артықшылықтарын ұсынады. Жоғары жүктемелік конструкциялық жағдайларда, қанат ұшының кішігірім хордалары аз жүктемеге ұшырайды, бұл сыртқы негізгі қанатқа түсетін жүктемені азайтады. Сонымен қатар, алдыңғы жиектің қисайтылуы қысым орталығының орналасуын дәстүрлі негізгі қанаттардың қарапайым кеңейтулеріне қарағанда артқа қарай жылдырады. Жоғары жүктеме факторларында, қысым орталығының артқа жылжуы қанат ұшын алдыңғы жиегімен төмен қарай бұруға себеп болады, бұл ішкі қанатқа түсетін иілу моментін азайтады. Дегенмен, қысым орталығының артқа жылжуы дірілді күшейтеді. Ұзақ қашықтықтағы Boeing 787-3 ICAO Аэродромдық анықтама кодексі D-ге сәйкес қанат ұзындығына ие болуы тиіс еді. Оның қанат ұзындығы қанат ұштарының орнына біріктірілген қанатшаларды пайдалану арқылы қысқартылды. Қанат ұштары Boeing 767-400ER (алғашқы ұшу 1999 жылдың 9 қазанында), Boeing 777-200LR/300ER/Freighter (2003 жылдың 24 ақпанында), Boeing P-8 Poseidon (2009 жылдың 25 сәуірінде), Boeing 787 (2009 жылдың 15 желтоқсанында), Boeing 747-8 (2010 жылдың 8 ақпанында) және Boeing 777X ұшақтарында орнатылған. Embraer E jet E2 және C-390 Millennium қанаттарында да қанат ұшы қисайтылған.
Бөлшек ұшы
1990 жылы McDonnell Douglas MD 11 ұшағы бөлінген ұшталған қанатшалары бар алғашқы ұшақ болды. 737 Next Generation үшін үшінші тарап өндіруші Aviation Partners компаниясы 737 MAX қанатының ұшына орнатылатын, екіге бөлінген сцимитар қанатшасы деп аталатын ұқсас конструкцияны ұсынды, ал United Airlines компаниясы бұл өнімді алғашқы болып қолданды. Boeing 737 MAX жаңа типтегі қанаттың ұшын пайдаланады. Бұл конструкция қанатша, қанаттың ұшындағы қоршау және созылған қанат ұшының үш түрлі комбинациясына ұқсайды. Boeing компаниясы бұл жаңа конструкцияның 737 MAX ұшағынан күтілетін 10-12% отын үнемдеуіне қоса, тағы да 1,5% отын үнемдеуге мүмкіндік беретінін мәлімдейді.
Планерлер
1987 жылы инженер-механик Питер Масак өзінің жарысқа арналған желкенді ұшағының қанаттарын жақсарту үшін қанатты ұшақтарды жобалау туралы Пенсильвания мемлекеттік университетінің аэроғарыш инженериясының доценті, аэродинамик Марк Д. Могмерге жүгінді. Басқалар бұрын Уиткомбтың қанаттарын планерлерге қолдануға тырысқан, және олар көтерілу қабілетін жақсартты, бірақ бұл жоғары жылдамдықтағы ұшу кезіндегі паразиттік кедергінің артуын толық өтемеді. Масак бұл қиындықты жеңуге болатынына сенімді болды. Әртүрлі тәсілдерді сынап, олар ақыры желкенді жарыстар үшін сәтті қанатты ұшақтарды жасады, Мұғмердің қанатты ұшақтарға арнап әзірлеген жаңа PSU–90–125 аэродинамикалық профилін пайдаланды. 1991 жылы Техас штатының Увальде қаласында өткен Әлем чемпионатында ең жоғары жылдамдыққа ие болған 15 метрлік қанат ұзындығы шектеулі желкенді ұшақ, шектеусіз қанатты Open Class ұшағынан асып түсті, бұл ерекше нәтиже болды. Масак 1993 жылы АҚШ-тың 15 метрлік ұлттық желкендеу жарысында жеңіске жетті, өзінің Masak Scimitar прототипінде қанатты ұшақтарды қолданып. Masak қанатты ұшақтары бастапқыда жарысқа қатыспайтын желкенді ұшақтарға қосымша орнатылды, бірақ оларды енгізгеннен кейін 10 жыл ішінде көптеген жоғары өнімділік планерлер зауыттан қанатты ұшақтармен немесе басқа қанат ұштарымен жабдықталды. Өндірістік авиалайнерде қанатты ұшақтардың алғаш рет пайда болуына он жылдан астам уақыт кетті, бұл NASA-ның дамуына бағытталған бастапқы қолданыс еді. Дегенмен, қанатты ұшақтардың артықшылықтары жарыста дәлелденгеннен кейін, желкенді ұшақтарда оларды қабылдау жылдам болды. Желкендеу жарысында жеңімпаз бен екінші орын арасындағы айырмашылық көбінесе бір проценттен кем болады, сондықтан тиімділіктің тіпті кішкене жақсаруы да маңызды бәсекелестік артықшылық болып табылады. Көптеген жарысқа қатыспайтын ұшқыштар қанатты ұшақтарды орнатып, қанаттың бұрылу жылдамдығы мен басқаруын арттырды және қанат ұшының тоқтауына бейімділігін азайтты. Бұл пайдалы, себебі желкенді ұшақтың қанаттарын алып тастауға болады, сондықтан олар әдетте тек ұшқыштың қалауы бойынша орнатылады. Glaser Dirks DG 303 – қанатты ұшақтарды зауыттық стандартты жабдық ретінде қамтитын алғашқы планерлік модельдердің бірі.
Ұялы емес қанаттың ұшы
Aviation Partners 2010 жылы Falcon 50 ұшағында жабық беткі спироид қанатшасын сынақтан өткізді. Жазық емес қанаттың ұштары әдетте көпбұрышты қанат конфигурациясында жоғары бұрышта орналасады, бұл қанат ұшының жанындағы жергілікті диэдрді арттырады. Көпбұрышты қанат дизайны ондаған жылдар бойы еркін ұшу модельдерінің ұшақтарында танымал болды. Егер дұрыс жобаланса, жазық емес қанаттың ұштары қанатшалардың пайдасын қамтамасыз етеді, бірақ паразиттік соққының әсері аз болады. Жазық емес қанаттың ұшы көбінесе артқа қарай иілген, сопақ қанат ұшы сияқты болады және қанатшамен де біріктірілуі мүмкін. Қанатша – жазық емес қанаттың ерекше түрі. Ұшақ конструкторлары Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін, қанатшалар енгізілгенге дейін, негізінен қарапайым диэдрлі жазық қанаттарды қолданды. 1990 жылдары жаңа жолақты ұшақтардың дизайнында қанатшалар кеңінен қолданылғандықтан, конструкторлар қанат ұшының аэродинамикалық қасиеттерін одан әрі жақсартуға тырысты. Жолақты қанатшалар бастапқыда жазық қанаттарға тікелей бекітілді, тек кішкентай, тікелей бұрышты ауысу аймағы болды. Қанатшаның өнімділігі оңтайландырылғаннан кейін, қанат пен қанатша арасындағы ауысуға назар аударылды. Қанат ұшының хордасынан қанатша хордасына дейін ауысу аймағын кесу және қанатшаны оңтайлы орналасу үшін ауысу аймағын артқа қарай итеру жиі қолданылатын тәсіл болды. Егер контурлы бөлік жоғары қарай бұрылса, қанатшаның биіктігі де төмендеді. Соңында, конструкторлар бірнеше жазық емес бөліктерді қолданды, олардың әрқайсысы үлкен бұрышта жоғары қарай иілді, қанатшаларды мүлдем жоққа шығарды. Schempp Hirth Discus 2 және Schempp Hirth Duo Discus жазық емес қанат ұштарын пайдаланады.
Қанат ұшындағы белсенді құрылғы
2010 жылы авиациялық құрылымдар инженері Николас Гида құрған Tamarack Aerospace Group компаниясы, қанат ұшы құрылғысының өңделген нұсқасы болып табылатын Active Technology Load Alleviation System (ATLAS) жүйесін патенттеді. Жүйе Tamarack Active Camber Surfaces (TACS) арқылы жұмыс істейді. Бұл жүйе, ұшақ күшті жел соғуы немесе тіктеп көтерілу сияқты үлкен g күштеріне тап болғанда, қанат ұшы құрылғысының әсерін аэродинамикалық түрде «сөндіруге» мүмкіндік береді. TACS – қанаттың артқы жиегіндегі жапсырмаларға немесе элеронға ұқсас жылжымалы панельдер. Жүйе ұшақтың электр жүйесімен және жоғары жылдамдықты сервомен басқарылады, ол ұшақ стресс оқиғасын сезгенде қосылады, іс жүзінде қанат ұшының жұмыс істеуін имитациялайды. Дегенмен, қанат ұшы бекітілген, ал TACS – қанат ұшы жүйесінің жалғыз жылжымалы бөлігі болып табылады. Tamarack алғаш рет ATLAS жүйесін Cessna Citation отбасы ұшақтары үшін ұсынды.
Қанаттың ұшын іске қосу құрылғысы
Қанат ұшы құрылғыларын қоздыру бойынша зерттеулер жүргізілді, тіпті патентке өтініш берілген, алайда қазіргі уақытта ешбір ұшақ бұл мүмкіндікті сипатталғандай пайдаланбайды. XB 70 Valkyrie ұшағының қанат ұштары ұшу кезінде төмен қарай иілуге қабілетті болды, бұл Mach 3 жылдамдығымен ұшуды жеңілдету үшін жасалған.
Айналатын бөренелерде қолдану
Қанат ұшы құрылғылары айналмалы пропеллерлерде, тікұшақ роторларында және жел турбинасының қанаттарында да қолданылады, бұл кедергіні азайтуға, диаметрін кішірейтуге, шуды төмендетуге және/немесе тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді. Бұл құрылғылар ұшақтың қанат ұшындағы бұрандаларының жер бетімен қарым-қатынасын азайту арқылы, рулдау, ұшып көтерілу және тоқтау кезінде бұрандаларға түсетін кішкентай тастар мен ластанудан зақымды азайтады.
Роторлы кемелерде қолдану
AgustaWestland AW101 (бұрынғы EH101) негізгі ротор қанаттарының ерекше ұшы бар; ұшқыштар бұл ротор конструкциясы төмен қарайтын ауа ағынын өзгертіп, шаңды жерлерде көрінуді нашарлататын және апаттарға себеп болатын құрдымды азайтатынын анықтаған.
Пропеллерлік қолданбалар
Hartzell Propeller Piper PA 42 Cheyenne және басқа да бірнеше тұрақты қанатты ұшақтарда қолданылатын "Q ұшы" винтін жасады. Бұл винтті диаметрі кішірек винт дискісінен бірдей итермелеу күші алу үшін, пышақ ұштарын 90 градус бұрышпен қайыру арқылы жасалды; өндірушінің мәлімдемесіне сәйкес, винт ұшының төмендеу жылдамдығы шуды азайтады. Дегенмен, кейбір үлкен көлемді, төмен жылдамдықты конструкциялар үшін қанат ұшы құрылғылары тиімділікті жақсартпауы мүмкін. Осы принциптің тағы бір қолданылуы 1982 жылы "Америка кубогын" ұтып алған австралиялық "Австралия II" яхтасының корпусында қолданылды, оны Бен Лексен жобалаған.