Введение
Турбулентность, вызванная разницей давления воздуха по обе стороны крыла.
Винтовые вихри на концах крыла – это кольцеобразные структуры вращающегося воздуха, остающиеся позади крыла при создании подъемной силы. Название вводит в заблуждение, поскольку ядра этих вихрей расположены немного внутрь от концов крыла. Винтовые вихри на концах крыла иногда называют следными или вихрями, вызванными подъемной силой, поскольку они могут возникать и в других точках, помимо концов крыла. Трехмерную подъемную силу и образование вихрей на концах крыла можно рассматривать с помощью концепции вихря в форме подковы и точно описать теорией Ланчестера — Прандтля. Согласно этой точке зрения, следный вихрь является продолжением вихря, связанного с крылом, который является неотъемлемой частью создания подъемной силы.
Последствия и смягчение последствий
Вихри на концах крыльев связаны с индуцированным сопротивлением, неизбежным следствием создания трехмерной подъемной силы. Вращательное движение воздуха внутри сбрасываемых вихрей на концах крыльев (иногда описываемое как "утечка") уменьшает эффективный угол атаки воздуха на крыло. Теория несущей линии описывает сброс концевых вихрей как изменения в распределении подъемной силы по размаху крыла. Для заданного размаха и площади крыла минимальное индуцированное сопротивление достигается при эллиптическом распределении подъемной силы. Для заданного распределения подъемной силы и площади крыла, индуцированное сопротивление уменьшается с увеличением удлинения крыла. Следовательно, летательные аппараты, для которых требуется высокое отношение подъемной силы к сопротивлению, такие как планеры или дальнемагистральные авиалайнеры, обычно имеют крылья с большим удлинением. Однако такие крылья имеют недостатки с точки зрения прочности конструкции и маневренности, что подтверждается примером боевых и пилотажных самолетов, которые обычно оснащаются короткими, стреловидными крыльями, несмотря на снижение эффективности. Другой способ снижения индуцированного сопротивления – использование винглетов, которые можно увидеть на большинстве современных авиалайнеров. Винглеты увеличивают эффективное удлинение крыла, изменяя структуру и интенсивность вихревого следа. Это приводит к уменьшению кинетической энергии в круговом потоке воздуха, что снижает расход топлива, затрачиваемого на воздействие на вращающийся воздух [требуется источник]. После того, как NASA обеспокоилась растущей плотностью воздушного движения и потенциальной возможностью аварий, связанных с вихрями в аэропортах, эксперимент, проведенный в аэродинамической трубе NASA Ames Research Center с использованием модели Boeing 747, показал, что конфигурацию закрылков на существующих самолетах можно изменить, чтобы разделить вихрь на три меньших и менее опасных вихря. Это в основном включало изменение положения внешних закрылков и теоретически может быть применено к существующим самолетам.
Видимость вихрей
Ядра вихрей иногда становятся видимыми, когда содержащийся в них водяной пар конденсируется, переходя из газообразного состояния в жидкое. Эта вода может даже замерзать, образуя ледяные частицы. Конденсация водяного пара в вихрях на концах крыльев наиболее часто наблюдается у самолетов, летящих с большими углами атаки, например, у истребителей при выполнении маневров с высокой перегрузкой, или у авиалайнеров во время взлета и посадки во влажную погоду.
Аэродинамическая конденсация и замораживание
Ядра вихрей вращаются с очень высокой скоростью и являются областями очень низкого давления. В первом приближении эти области низкого давления формируются при незначительном теплообмене с окружающими областями (то есть адиабатически), поэтому местная температура в этих областях также понижается. Если она опускается ниже местной точки росы, происходит конденсация содержащегося в ядрах вихрей на концах крыльев водяного пара, что делает их видимыми.
Формирующий полет
Согласно одной из теорий, объясняющих полет перелетных птиц, многие крупные виды летают клином, чтобы все птицы, кроме ведущей, могли использовать восходящий поток воздуха, создаваемый вихрями на концах крыльев птицы, летящей впереди.
Опасности
Вихри на концах крыльев могут представлять опасность для самолетов, особенно на этапах взлета и посадки. Интенсивность или сила вихря зависит от размера, скорости и конфигурации самолета (например, положения закрылков). Наиболее сильные вихри создаются тяжелыми самолетами, летящими на малой скорости с убранными закрылками и шасси ("тяжелый, медленный и чистый"). Крупные реактивные самолеты могут генерировать вихри, которые сохраняются в течение нескольких минут, дрейфуя по ветру. Опасные аспекты вихрей на концах крыльев чаще всего рассматриваются в контексте следов турбулентности. Если легкий самолет немедленно следует за тяжелым, турбулентность от тяжелого самолета может привести к крену легкого самолета, который невозможно будет скорректировать с помощью элеронов. Особенно на малых высотах, во время взлета и посадки, это может привести к потере управления, из которой невозможно восстановиться. ("Легкий" и "тяжелый" – относительные понятия, и даже небольшие реактивные самолеты подвергались воздействию этого эффекта.) Авиадиспетчеры стремятся обеспечить достаточный интервал между взлетающими и приземляющимися самолетами, выдавая пилотам предупреждения о следах турбулентности. В целом, чтобы избежать вихрей, безопаснее, если взлет самолета происходит до момента отрыва от земли самолета, взлетевшего ранее. Однако необходимо следить за тем, чтобы оставаться выше по ветру (или в стороне) от вихрей, созданных предыдущим самолетом. При посадке за другим самолетом, самолет должен оставаться выше траектории полета предыдущего и касаться взлетно-посадочной полосы дальше по ней. Пилоты планеров регулярно практикуют полет в вихрях на концах крыльев, выполняя маневр, называемый "бокс в следе". Он заключается в снижении с более высокой позиции на более низкую позади буксирующего самолета, затем в выполнении прямоугольной траектории, удерживая планер в верхних и нижних точках относительно буксирующего самолета, прежде чем вернуться вверх через вихри. (В целях безопасности этот маневр не выполняется ниже 1500 футов над землей и обычно выполняется под руководством инструктора.) Учитывая относительно низкие скорости и малый вес обоих самолетов, процедура безопасна, но позволяет почувствовать силу и местоположение турбулентности.