Искажение крыла: ранняя система управления креном самолета.

Введение

Ранняя система бокового управления самолетом с фиксированным крылом

Закручивание крыла было ранней системой бокового (кренового) управления самолетом с фиксированным крылом. Эта техника, использованная и запатентованная братьями Райт, заключалась в системе шкивов и тросов для скручивания задних кромок крыльев в противоположных направлениях. Во многом этот подход схож с тем, как регулируют полет бумажного самолетика, загибая бумагу на задней части его крыльев.

Описание

В 1900 году Уилбур Райт писал: "Мои наблюдения за полетом птиц убедили меня в том, что птицы используют более активные и энергичные методы восстановления равновесия, чем просто смещение центра тяжести. Они восстанавливают боковой баланс путем скручивания концов крыльев. Если задняя кромка правого крыла закручена вверх, а левого – вниз, птица превращается в живую ветряную мельницу и мгновенно начинает вращаться, при этом линией от головы до хвоста является ось вращения". После того, как Уилбур продемонстрировал этот метод, Орвилл отметил: "Из этого стало ясно, что крылья машины типа «двойная дека» Шанута, с удаленными продольными и поперечными связями, можно деформировать аналогичным образом, так что в полете крылья с правой и левой сторон можно будет скручивать, представляя их поверхности воздуху под разными углами атаки и, таким образом, обеспечивая неравномерную подъемную силу с обеих сторон". Птицы явно используют изменение формы крыла для управления полетом. Это оказало значительное влияние на ранних авиаконструкторов. Братья Райт были первыми, кто применил деформируемые крылья. Их первый самолет имитировал траекторию и форму крыльев птиц. На практике, поскольку большинство конструкций с деформируемыми крыльями предполагали изгиб несущих элементов, ими было трудно управлять, и они могли приводить к разрушению конструкции. Аэроны начали заменять деформацию крыльев как наиболее распространенный способ обеспечения поперечного управления уже в 1911 году, особенно в конструкции бипланов. Крылья монопланов того времени были гораздо более гибкими и лучше поддавались деформации, но даже для монопланов аэроны стали стандартом после 1915 года. Поперечное (креновое) управление в ранних самолетах было, в лучшем случае, проблематичным. Слишком гибкое, непроизвольно скручивающееся крыло может вызвать непроизвольный крен, но еще хуже – оно может превратить попытки коррекции, будь то деформация крыла или использование аэронов, в противоположный эффект, подобный работе триммерной вкладки. Как только это было полностью осознано, конструкции крыльев постепенно делали более жесткими, полностью исключая возможность деформации, и самолеты стали гораздо более управляемыми в поперечной плоскости. Современные технологии позволили ученым вернуться к концепции деформации крыльев (также известной как изменяемая геометрия крыла).

In 1900, Wilbur Wright wrote, " my observations of the flight of birds convince me that birds use more positive and energetic methods of regaining equilibrium than that of shifting the center of gravity they regain their lateral balance by a torsion of the tips of the wings. If the rear edge of the right wing tip is twisted upward and the left downward the bird becomes an animated windmill and instantly begins to turn, a line from its head to its tail being the axis." After Wilbur demonstrated the method, Orville noted, "From this it was apparent that the wings of a machine of the Chanute double deck type, with the fore and aft trussing removed, could be warped in like manner, so that in flying the wings on the right and left sides could be warped so as to present their surfaces to the air at different angles of incidence and thus secure unequal lifts on the two sides." Birds visibly use wing warping to achieve control. This was a significant influence on early aircraft designers. The Wright brothers were the first group to use warping wings. Their first plane mimicked the bird's flight patterns and wing form. In practice, since most wing warping designs involved flexing of structural members, they were difficult to control and liable to cause structural failure. Ailerons had begun to replace wing warping as the most common means of achieving lateral control as early as 1911, especially in biplane designs. Monoplane wings of the period were much more flexible, and proved more amenable to wing warping – but even for monoplane designs, ailerons became the norm after 1915. Lateral (roll) control in early aircraft was problematic at best. An overly flexible, involuntarily twisting wing can cause involuntary rolling, but even worse, it can convert attempts at correction, either from wing warping or ailerons, into a counteracting "servo tab" effect. Once this was fully understood, wing structures were made progressively more rigid, precluding wing warping altogether – and aircraft became far more controllable in the lateral plane. Current technology has allowed scientists to revisit the concept of wing warping (also known as morphing wings).

Современная переоценка

Несколько репродукций самолетов, построенных для фильма "Великолепные мужчины в своих летательных машинах", использовали системы управления деформацией крыла оригинальных самолетов – с переменным успехом. Деформация крыла на триплане Avro оказалась на удивление эффективной, в то время как на репродукции Antoinette, с его очень гибким крылом, деформация крыла обеспечивала незначительный боковой контроль. Поскольку оригинальные элероны в стиле Antoinette, вероятно, были бы еще менее эффективными, были установлены незаметные "современные" элероны – даже с ними боковой контроль оставался крайне плохим. Морфинг крыла – это современное развитие деформации крыла, при котором аэродинамическая форма крыла изменяется под компьютерным управлением. Исследования в этой области в основном проводятся NASA, например, с использованием Mission Adaptive Wing (MAW), который испытывался с 1985 года на General Dynamics–Boeing AFTI/F 111A Aardvark. Многие крупные компании и ученые работают над разработкой крыльев изменяемой формы. NASA работает над созданием крыла, состоящего из ячеек, которые будут изгибаться, имитируя птичьи крылья. Ячейки, используемые NASA для создания крыла, представляют собой небольшие черные модули из углеродного волокна. В настоящее время NASA сосредоточена на беспилотных летательных аппаратах. Привлекательность крыльев изменяемой формы заключается в отсутствии зазоров и гладкости получаемых геометрических форм. В отличие от традиционных крыльев, полагающихся на отдельные подвижные части (элероны, закрылки, предкрылки) для изменения их формы и, следовательно, аэродинамических свойств, крылья с морфингом достигают этих геометрических изменений посредством непрерывных деформаций внешней поверхности. Отсутствие дискретных изменений кривизны и зазоров потенциально может снизить сопротивление формы, связанное с крылом, тем самым повышая его аэродинамическую эффективность. Эта характеристика делает адаптивные крылья хорошо подходящими для работы в различных условиях, поскольку они могут оптимально адаптировать свою форму и, таким образом, минимизировать возникающее сопротивление.