Введение
Устройство для повышения несущей способности и предотвращения сваливания на воздушном судне
Закрылок – это устройство для повышения несущей способности, используемое для снижения скорости сваливания крыла воздушного судна при заданном весе. Закрылки обычно устанавливаются на задней кромке крыла самолета с фиксированным крылом. Закрылки используются для уменьшения длины разбега и посадочной дистанции. Закрылки также вызывают увеличение сопротивления, поэтому они убираются, когда в них нет необходимости. Закрылки, устанавливаемые на большинстве самолетов, являются закрылками частичной длины; простирающимися вдоль крыла от корневой зоны до внутренней части элеронов. При выпуске закрылки частичной длины изменяют распределение подъемной силы по размаху крыла, заставляя внутреннюю половину крыла создавать увеличенную долю подъемной силы, а внешнюю половину – уменьшенную. Уменьшение доли подъемной силы, создаваемой внешней половиной крыла, сопровождается уменьшением угла атаки на внешней половине. Это выгодно, поскольку увеличивает запас до сваливания внешней половины, сохраняя эффективность элеронов и снижая вероятность асимметричного сваливания и штопора. Идеальное распределение подъемной силы по крылу – эллиптическое, и выпуск закрылков частичной длины вызывает значительное отклонение от эллиптического распределения. Это увеличивает индуктивное сопротивление, что может быть полезно при заходе на посадку и посадке, поскольку позволяет самолету снижаться под более крутым углом. Выпуск закрылков увеличивает кривизну или выпуклость крыла, повышая максимальный коэффициент подъемной силы, то есть верхний предел подъемной силы, которую может создать крыло. Это позволяет самолету создавать необходимую подъемную силу на более низкой скорости, снижая минимальную скорость (известную как скорость сваливания), при которой самолет сможет безопасно поддерживать полет. Для большинства конфигураций воздушных судов полезным побочным эффектом выпуска закрылков является уменьшение угла тангажа воздушного судна, что опускает нос, тем самым улучшая видимость взлетно-посадочной полосы для пилота над носом воздушного судна во время посадки. Существует множество различных конструкций закрылков, при этом конкретный выбор зависит от размера, скорости и сложности самолета, на котором они будут использоваться, а также от эпохи, в которой был разработан самолет. Наиболее распространенными являются простые закрылки, щелевые закрылки и закрылки Фаулера. Закрылки Крюгера расположены на передней кромке крыла и используются на многих реактивных авиалайнерах. Закрылки типов Фаулера, Фэйри Янгман и Гуж увеличивают площадь крыла в дополнение к изменению кривизны. Большая несущая поверхность уменьшает нагрузку на крыло, тем самым еще больше снижая скорость сваливания. Некоторые закрылки устанавливаются в других местах. Предкрылки формируют переднюю кромку крыла, и при выпуске они поворачиваются вниз, чтобы увеличить кривизну крыла. В гоночном самолете de Havilland DH.88 Comet были закрылки, расположенные под фюзеляжем и перед задней кромкой крыла. Многие двухпланы серии Waco Custom Cabin имеют закрылки в средней части на нижней стороне верхнего крыла.
Крылья при посадке
Закрылки могут быть полностью выпущены для посадки, чтобы снизить минимальную скорость сваливания самолета, позволяя выполнять заход на посадку на более низкой скорости, что также сокращает дистанцию пробега при посадке. Увеличенная подъемная сила и сопротивление, создаваемые полностью выпущенными закрылками, обеспечивают более крутой и медленный заход на посадку, однако могут создавать трудности в управлении самолетами с низкой нагрузкой на крыло (то есть с небольшим весом и большой площадью крыла). Ветер, дующий поперек направления полета, известный как боковой ветер, создает большую подъемную силу и сопротивление на наветренной стороне самолета, вызывая крен, рыскание и тангаж, отклоняющие самолет от заданной траектории полета. В результате многие легкие самолеты приземляются с уменьшенным углом выпуска закрылков при боковом ветре. Кроме того, после касания земли закрылки могут снизить эффективность тормозов, поскольку крыло продолжает создавать подъемную силу, не позволяя всей массе самолета опираться на колеса, что увеличивает тормозной путь, особенно на мокрой или обледенелой поверхности. Обычно пилот убирает закрылки как можно скорее, чтобы предотвратить это. Закрылки, используемые для этого, должны быть спроектированы для выдерживания повышенных нагрузок, и большинство закрылков имеют максимальную скорость выпуска. Модели самолетов на управлении тросами, предназначенные для соревнований по фигурному пилотажу, обычно оснащены системой маневрирования закрылками, которая перемещает их в направлении, противоположном рулям высоты, для уменьшения радиуса фигуры пилотажа.
Отрезки для лопаток
Изготовленные чаще всего из PH-сталей и титана, флэп-треки управляют закрылками, расположенными на задней кромке крыльев самолета. Выдвигающиеся закрылки часто перемещаются по направляющим. Если эти направляющие выходят за пределы конструкции крыла, они могут быть обтекаемыми для улучшения аэродинамики и защиты от повреждений. Некоторые обтекатели флэп-треков спроектированы как антиударные тела, снижающие сопротивление, вызванное локальными ударными волнами при переходе воздушного потока в трансзвуковой режим на высоких скоростях.
Враты наталкивания
Для минимизации взаимного влияния потока двигателя и выпущенных закрылков могут потребоваться прорези или зазоры в задней кромке закрылков. Если отсутствует внутренний элерон, который обеспечивает зазор во многих схемах установки закрылков, может потребоваться модифицированная секция закрылка. На Boeing 757 прорезь (thrust gate) реализована в виде одинарного щелевого закрылка, расположенного между внутренним и наружным двойными щелевыми закрылками. На самолетах A320, A330, A340 и A380 внутренний элерон отсутствует. Прорезь не требуется в непрерывном, одинарном щелевом закрылке. Взаимное влияние потоков при уходе на второй круг, когда закрылки остаются полностью выпущенными, может привести к увеличению сопротивления, что недопустимо сказывается на угле набора высоты.
Простой клапан
Задняя часть профиля крыла вращается вниз на простом шарнире, расположенном в передней части закрылка. Королевский авиационный завод и Национальная физическая лаборатория в Великобритании испытывали закрылки в 1913 и 1914 годах, но они так и не были установлены на реальном самолете. В 1916 году компания Fairey Aviation внесла ряд улучшений в перестраиваемый Sopwith Baby, включая их запатентованный механизм изменения кривизны (Patent Camber Changing Gear), благодаря чему Fairey Hamble Baby, как они его переименовали, стал первым самолетом, совершившим полет с закрылками. Ввиду большей эффективности других типов закрылков, простой закрылок обычно используется только там, где требуется простота конструкции.
Разделенный клапан
Задняя часть нижней поверхности профиля крыла опускается вниз от передней кромки закрылка, в то время как верхняя поверхность остается неподвижной. Это может вызывать значительные изменения в продольной устойчивости, отклоняя нос самолета вниз или вверх. При полном отклонении щелевые закрылки работают подобно спойлеру, существенно увеличивая коэффициент сопротивления. Они также незначительно увеличивают коэффициент подъёмной силы. Щелевые закрылки были изобретены Орвиллом Райтом и Джеймсом М. Х. Джейкобсом в 1920 году, но получили широкое распространение лишь в 1930-х годах и впоследствии были быстро вытеснены другими конструкциями. Douglas DC-1 (предшественник DC-3 и C-47) был одним из первых самолетов, в которых использовались щелевые закрылки.
С полосой
Зазор между закрылком и крылом направляет воздух высокого давления из-под крыла наверх, над закрылок, помогая воздушному потоку оставаться прилегающим к закрылку и увеличивая подъемную силу по сравнению с щелевым закрылком. Кроме того, подъемная сила по всей хорде основного профиля значительно возрастает, поскольку скорость воздуха, покидающего его заднюю кромку, увеличивается с типичных 80% от скорости встречного потока (без закрылков) до скорости более быстрого, низкого давления воздуха, обтекающего переднюю кромку щелевого закрылка. Любой закрылок, позволяющий воздуху проходить между крылом и закрылком, считается щелевым закрылком. Щелевой закрылок был разработан в результате исследований компании Handley Page, его вариант восходит к 1920-м годам, но широкое применение он получил значительно позже. Некоторые закрылки используют несколько щелей для дальнейшего усиления эффекта.
Фоллер флэп
Разделенный закрылок, который сначала скользит назад, а затем отклоняется вниз, тем самым увеличивая сначала хорду, а затем стреловидность. Закрылок может быть частью верхней поверхности крыла, как у простого закрылка, или не быть ею, как у щелевого закрылка, но он всегда должен сдвигаться назад перед отклонением вниз. Отличительной особенностью, отличающей его от закрылка Гужа, является наличие щелевого эффекта. Закрылок был изобретен Харланом Д. Фаулером в 1924 году и испытан Фредом Вейком в NACA в 1932 году. Впервые он был использован на прототипе Martin 146 в 1935 году, затем запущен в производство на Lockheed Super Electra в 1937 году и до сих пор широко используется на современных самолетах, часто с несколькими щелями.
Флапа от мусорного завода
Щелевой закрылок, закрепленный под задней кромкой крыла и вращающийся вокруг передней кромки. В нерабочем состоянии он создает большее сопротивление, чем другие типы, но более эффективно увеличивает подъемную силу, чем обычный или разделенный закрылок, сохраняя при этом их механическую простоту. Изобретенный Отто Мадером в компании Junkers в конце 1920-х годов, он наиболее часто использовался на Junkers Ju 52 и Junkers Ju 87 Stuka, хотя тот же базовый дизайн можно встретить и на многих современных сверхлегких самолетах, таких как Denney Kitfox. Этот тип закрылка иногда называют внешним аэродинамическим закрылком.
Крышка для гужа
Тип щелевого закрылка, который скользит назад по изогнутым направляющим, заставляя заднюю кромку отклоняться вниз, увеличивая хорду и выпуклость без изменения положения руля и без необходимости в дополнительных механизмах. Он был изобретен Артуром Гужем для компании Short Brothers в 1936 году и использовался на летающих лодках Short Empire и Sunderland, которые использовали очень толстый профиль крыла Shorts A.D.5. Short Brothers, возможно, была единственной компанией, применившей этот тип закрылков.
Флэп Фэйри-Янгман
Опускается вниз (превращаясь в закрылок Юнкерса), затем скользит назад и вращается вверх или вниз. Fairey был одним из немногих, кто использовал эту конструкцию, применявшуюся на самолетах Fairey Firefly и Fairey Barracuda. В выпущенном положении он мог отклоняться вверх (до отрицательного угла атаки), позволяя самолету пикировать вертикально без значительной корректировки рулей.
Зап-клапан
Зап-клапан был изобретен Эдвардом Ф. Запаркой во время работы в компании Berliner/Joyce и испытан на General Airplanes Corporation Aristocrat в 1932 году, а также периодически на других типах самолетов, но его применение на серийных самолетах было ограничено, за исключением Northrop P-61 Black Widow. Передняя кромка закрылка установлена на направляющей, а точка в средней части хорды закрылка соединена посредством рычага с осью, расположенной непосредственно над направляющей. При перемещении передней кромки закрылка назад по направляющей, треугольник, образованный направляющей, рычагом и поверхностью закрылка (закрепленной на оси), становится уже и глубже, что приводит к опусканию закрылка.
Кругерская крышка
Шарнирный закрылок, который раскладывается из-под передней кромки крыла, но не является её частью в убранном положении. Это увеличивает кривизну и толщину крыла, что, в свою очередь, увеличивает подъёмную силу и сопротивление. Это отличается от предкрылка, так как последний формируется всей передней кромкой крыла. Изобретённый Вернером Крюгером в 1943 году и испытанный в Гёттингене, закрылок Крюгера применяется на многих современных авиалайнерах со стреловидным крылом.
Крышка для носил
Небольшая фиксированная перпендикулярная пластина, составляющая от 1 до 2% хорды крыла, установленная на стороне высокого давления задней кромки аэродинамического профиля. Она получила название в честь гонщика Дэна Гёрни, который заново открыл её в 1971 году, и с тех пор используется на некоторых вертолетах, таких как Sikorsky S-76B, для устранения проблем с управлением без необходимости масштабной перепроектировки. Она повышает эффективность даже самых простых теоретических профилей (состоящих из перекрывающихся треугольника и круга) до уровня обычного профиля. Принцип был открыт в 1930-х годах, но редко применялся и впоследствии был забыт. Поздние модификации Supermarine Spitfire использовали бугорок на задней кромке рулей высоты, который выполнял аналогичную функцию.
Крышка на переднем краю
Весь передний край крыла вращается вниз, эффективно увеличивая выпуклость и незначительно уменьшая хорду. Чаще всего встречается на истребителях с очень тонкими крыльями, не подходящими для других предкрылковых устройств повышения подъёмной силы.
Вздутый лопатка
Тип системы управления пограничным слоем, вдувные закрылки направляют воздух, генерируемый двигателем, или выхлопные газы над поверхностью закрылков для увеличения подъемной силы по сравнению с той, которую обеспечивают механические закрылки. Существуют типы, включающие оригинальный (внутренний вдув), который направляет сжатый воздух из двигателя над верхней поверхностью закрылка, внешний вдув, который направляет выхлопные газы двигателя над верхней и нижней поверхностями закрылка, и вдув на верхнюю поверхность, который направляет выхлопные газы двигателя над верхней поверхностью крыла и закрылка. Хотя испытания проводились в Великобритании и Германии до Второй мировой войны и начались летные испытания, первый серийный самолет с вдувными закрылками появился только в 1957 году – Lockheed T2V SeaStar. В 1976 году вдув на верхнюю поверхность был использован на Boeing YC-14.
Гибкий лопатка
Также известный как FlexFoil. Современная интерпретация деформации крыла, внутренние механические приводы изгибают решетчатую структуру, изменяя форму аэродинамического профиля. Конструкция может включать гибкое уплотнение в области перехода между неподвижным и гибким профилями крыла.
Флаперон
Тип поверхности управления воздушным судном, объединяющий функции закрылков и элеронов.
Непрерывный задний край
В 2014 году исследователи из Армейской исследовательской лаборатории США (ARL), работавшие в исследовательском центре Лэнгли НАСА, разработали конструкцию активной закрылковой поверхности для лопастей вертолетного ротора. Закрылок с непрерывной задней кромкой (CTEF) использует элементы для изменения профиля лопасти в полете, устраняя механические шарниры с целью повышения надежности системы. Для испытаний в аэродинамической трубе были изготовлены прототипы. В январе 2016 года команда ARL провела огневые испытания лопасти ротора с технологией индивидуального управления лопастями. Огневые эксперименты были направлены на изучение баллистической стойкости технологий управления лопастями. Исследователи произвели три выстрела, имитирующих типичный огонь с земли, по 7-футовому участку лопасти ротора с хордой 10 дюймов и 4-футовому CTEF на экспериментальном полигоне авиабазы ARL.
Связанные устройства
В верхней части передней кромки крыльев устанавливаются предкрылки и щелевые наплывы, которые могут быть фиксированными или убирающимися. При выпуске они создают щель или зазор под предкрылком, направляя поток воздуха на верхнюю поверхность крыла, чего не происходит при использовании крыла Крюгера. Они обеспечивают отличную подъемную силу и улучшают управляемость на малых скоростях. Предкрылки позволяют крылу летать с большим углом атаки, что сокращает разбег и пробег. Другие типы закрылков могут быть оснащены одной или несколькими щелями для повышения их эффективности, что является типичной конструкцией для многих современных авиалайнеров. Такие закрылки называются щелевыми, как описано выше. Фредерик Хэндли Пейдж экспериментировал с конструкциями щелей перед и за кромкой крыла в 20-х и 30-х годах. Спойлеры предназначены для создания сопротивления и уменьшения подъемной силы, "нарушая" обтекание крыла. Спойлер значительно больше, чем клапан Гурни, и может убираться. Обычно спойлеры устанавливаются в средней части хорды на верхней поверхности крыла, но также могут устанавливаться и на нижней поверхности. Воздушные тормоза используются для увеличения сопротивления, позволяя самолету быстро снижать скорость. При установке на крыльях они отличаются от предкрылков и спойлеров тем, что не предназначены для изменения подъемной силы и достаточно прочны для выпуска на гораздо более высоких скоростях. Эйлероны похожи на закрылки (и работают по тому же принципу), но предназначены для обеспечения поперечного управления, а не для изменения подъемных характеристик обоих крыльев одновременно, и поэтому работают дифференциально: когда эйлерон на одном крыле увеличивает подъемную силу, противоположный эйлерон этого не делает и часто работает на уменьшение подъемной силы. Если эйлероны спроектированы так, чтобы отклоняться вместе с закрылками, они обычно называются флаперонами, а те, которые уменьшают подъемную силу (обычно располагаются на верхней поверхности перед задней кромкой), называются спойлеронами.