Введение
Компонент самолета, закрепленный на конце крыльев для повышения эффективности.
Устройства на концах крыльев предназначены для повышения эффективности самолетов с фиксированным крылом за счет снижения сопротивления. Хотя существует несколько типов устройств, устанавливаемых на концах крыльев, которые функционируют по-разному, их основная цель – уменьшение аэродинамического сопротивления самолета. Устройства на концах крыльев также могут улучшить управляемость самолета и повысить безопасность для следующих воздушных судов. Эти устройства увеличивают эффективное удлинение крыла без существенного увеличения размаха. Увеличение размаха крыла снизило бы индуктивное сопротивление, но привело бы к увеличению паразитного сопротивления и потребовало бы усиления прочности и веса крыла. В определенный момент дальнейшее увеличение размаха перестанет давать ощутимый эффект. Кроме того, существуют эксплуатационные ограничения, касающиеся допустимого размаха крыльев (например, ширина проходов в аэропорту). Устройства на концах крыльев помогают предотвратить перетекание воздуха из области высокого давления под крылом в область низкого давления над крылом на его конце, что приводит к образованию вихря, вызванного движением самолета вперед. Винглеты также уменьшают индуктивное сопротивление, вызванное концевыми вихрями, и улучшают соотношение подъемной силы к сопротивлению. Это повышает топливную эффективность самолетов с двигателями и увеличивает скорость полета планеров, в обоих случаях увеличивая дальность полета.
Крыльцевые пластинки
Первоначальная концепция восходит к 1897 году, когда английский инженер Фредерик У. Ланчестер запатентовал концевые пластины крыла как способ управления вихрями на законцовках крыла. В Соединенных Штатах шотландский инженер Уильям Э. Сомервилль запатентовал первые функциональные винглеты в 1910 году. Сомервилль установил эти устройства на свои ранние конструкции бипланов и монопланов. Винсент Бернелли получил патент США № 1,774,474 на свои "средства управления профилем крыла" 26 августа 1930 года. Простые плоские концевые пластины не приводили к уменьшению сопротивления, поскольку увеличение сопротивления формы было больше, чем уменьшение индуктивного сопротивления.
Крылья горнера
После окончания Второй мировой войны доктор Сигард Ф. Хоернер был одним из первых исследователей в этой области, опубликовав в 1952 году техническую работу, в которой предлагалось использовать законцованные вниз крылья, заостренные задние кромки которых направляли образующийся концевой вихрь от верхней поверхности крыла. Законцованные вниз крылья часто называют "концами Хоернера" в его честь. Планеры и легкие самолеты на протяжении многих лет используют концы Хоернера.
Крыльцо
Термин "крыло" ранее использовался для описания дополнительной подъемной поверхности на воздушном судне, например, короткого участка между колесами на фиксированной шасси. Исследования Ричарда Уиткомба в 1970-х годах в NASA впервые использовали термин "винглет" в его современном значении, относящемся к почти вертикальному продолжению кончиков крыла. Эти винглеты остаются позади самолета и представляют опасность для других воздушных судов. Минимальные требования к интервалам между операциями воздушных судов в аэропортах во многом определяются этими факторами. Воздушные суда классифицируются по весу (например, "легкие", "тяжелые" и т.д.), поскольку сила вихря возрастает с увеличением коэффициента подъемной силы, а значит, связанная турбулентность наиболее сильна при низкой скорости и большом весе, что приводит к высокому углу атаки. Винглеты и винглетные ограждения также повышают эффективность, уменьшая влияние вихрей на ламинарный поток воздуха вблизи кончиков крыла, "смещая" место слияния воздуха низкого давления (над крылом) и высокого давления (под крылом) от поверхности крыла. Концевые вихри крыла создают турбулентность, возникающую на передней кромке крыла и распространяющуюся назад и внутрь. Эта турбулентность "отслаивает" поток воздуха над небольшим треугольным участком внешней части крыла, что приводит к потере подъемной силы в этой области. Винглеты и ограждения отклоняют область образования вихря вверх от поверхности крыла, поскольку центр образовавшегося вихря теперь находится на кончике винглета. Такие самолеты, как Airbus A340 и Boeing 747-400, используют винглеты, в то время как другие конструкции, такие как более поздние версии Boeing 777 и Boeing 747-8, оснащены крыльями с закруглёнными концами. Экономия топлива от использования винглетов увеличивается с увеличением дальности полета. Смешанные винглеты позволяют использовать более крутой угол атаки, что сокращает дистанцию взлета.
Раннее развитие
Ричард Т. Уиткомб, инженер из исследовательского центра Лэнгли НАСА, продолжил развивать концепцию Хёрнера в ответ на резкий рост цен на топливо после нефтяного кризиса 1973 года. Благодаря тщательному аэродинамическому проектированию он показал, что при заданном изгибающем моменте почти вертикальный винглет обеспечивает большее снижение сопротивления, чем горизонтальное увеличение размаха крыла. Конструкции Уиткомба были испытаны в 1979–1980 годах совместной группой НАСА и ВВС на KC-135 Stratotanker, базирующемся в Центре исследований полетов Драйдена. В том же месяце он подал заявку на патент США на "воздушные профили законцовок крыла", который был опубликован в 1986 году.
НАСА
Наиболее заметным применением устройств на законцовках крыла NASA является их использование на самолете Boeing 747 Shuttle Carrier Aircraft. Установленные на горизонтальных стабилизаторах 747, эти устройства повышают эффективность оперения при нагрузке от орбитального корабля «Спейс Шаттл», хотя их основная функция заключалась в обеспечении курсовой устойчивости, а не в снижении сопротивления.
Бизнес-самолеты
Learjet представил прототип Learjet 28 на конвенции Национальной ассоциации деловой авиации в 1977 году. На нем были установлены первые законцевые шайбы, когда-либо использованные на серийных самолетах, как гражданских, так и военных. Learjet разработал конструкцию законцевых шайб самостоятельно, без помощи NASA. Несмотря на то, что модель 28 задумывалась как экспериментальный прототип, ее характеристики оказались настолько высокими, что Learjet принял решение о начале серийного производства. Летные испытания показали, что законцевые шайбы увеличили дальность полета примерно на 6,5% и улучшили путевую устойчивость. Learjet продолжал использовать законцевые шайбы на последующих моделях, включая Learjet 55, 31, 60, 45 и Learjet 40. Gulfstream Aerospace изучал законцевые шайбы в конце 1970-х годов и установил их на Gulfstream III, Gulfstream IV и Gulfstream V. Дальность полета Gulfstream V позволяет выполнять беспосадочные рейсы, например, по маршруту Нью-Йорк – Токио, и он владеет более чем 70 мировыми и национальными рекордами полетов.
Экспериментальный
Обычные законцовки крыла были установлены на самолете Rutan Voyager, который в 1986 году совершил первый беспосадочный кругосветный перелет. Однако кончики крыльев были повреждены, когда они задевали взлетно-посадочную полосу при взлете, потеряв примерно 30 сантиметров (0 м) с каждого конца крыла, поэтому полет был выполнен без законцовок крыла.
Расход топлива в авиалайнерах
Средний коммерческий самолет демонстрирует увеличение топливной эффективности на 4-6% и снижение уровня шума в полете до 6% благодаря использованию винглетов. Фактическая экономия топлива и сопутствующее сокращение выбросов углекислого газа могут существенно варьироваться в зависимости от типа самолета, маршрута и условий полета.
Ограждение с кончиком крыльев
Ограждение законцовки крыла включает в себя законцовки крыла, а также поверхности, простирающиеся как над, так и под законцовкой крыла, как описано в ранних исследованиях Уиткомба. Другие модели Airbus последовали за A300-600, A320ceo и A380. Другие модели Airbus, включая Airbus A320 Enhanced, A320neo, A350 и A330neo, оснащены смешанными законцовками, а не ограждениями законцовки крыла. На самолетах Ан-148 используются ограждения законцовки крыла.
Крыльца с наклонным крылом
В 1985 году Boeing объявил о новой версии 747, 747-400, с увеличенной дальностью и вместимостью, используя комбинацию винглетов и увеличенный размах крыла для несения дополнительной нагрузки. Винглеты увеличили дальность полета 747-400 на 3,5% по сравнению с 747-300, который в остальном аэродинамически идентичен, но не оснащен винглетами. Удлинители винглетов Aviation Partners/Boeing длиной 2,44 м снижают расход топлива на 4% на дальних рейсах и увеличивают дальность полета для 737-800 или его модификации Boeing Business Jet в стандартной комплектации. В 2006 году Airbus протестировал два прототипа смешанных винглетов, разработанных Winglet Technology и Airbus для семейства Airbus A320. В 2009 году Airbus представил свой смешанный винглет "Sharklet", предназначенный для повышения дальности полета с полезной нагрузкой семейства A320 и снижения расхода топлива до 4% на более протяженных маршрутах. Это соответствует ежегодному сокращению выбросов CO2 на 700 тонн на самолет. Самолеты A320, оснащенные Sharklet, начали поставляться с 2012 года. Они используются на A320neo, A330neo и A350, а также предлагаются в качестве опции модернизации.
Ракушка с крыльями
Удлиненные законцовки крыла, где законцовка имеет больший угол стреловидности, чем остальная часть крыла, применяются на некоторых коммерческих самолетах Boeing для повышения топливной эффективности, характеристик взлета и набора высоты. Как и винглеты, они увеличивают эффективное удлинение крыла и ослабляют концевые вихри, снижая индуктивное сопротивление. По данным испытаний Boeing и NASA, они уменьшают сопротивление на 5,5%, в то время как у обычных винглетов этот показатель составляет 3,5–4,5%. Удлиненные законцовки крыла обеспечивают несколько преимуществ по снижению веса по сравнению с простым увеличением размаха основного крыла. При расчетных условиях высоких перегрузок меньшая хорда законцовки крыла испытывает меньшую нагрузку, что приводит к снижению индуктивной нагрузки на внешнюю часть основного крыла. Кроме того, стреловидность передней кромки приводит к смещению центра давления к хвостовой части по сравнению с простым увеличением размаха основного крыла. При высоких перегрузках такое смещение центра давления к хвостовой части вызывает большее отклонение законцовки крыла вниз по передней кромке, уменьшая изгибающий момент на внутреннем крыле. Однако смещение центра давления к хвостовой части усиливает флаттер. Boeing 787-3 с малой дальностью должен был иметь размах крыльев, соответствующий Коду ИКАО Аэродром Референс D. Его размах крыльев был уменьшен за счет использования смешанных винглетов вместо удлиненных законцовок крыла. Удлиненные законцовки крыла установлены на Boeing 767-400ER (первый полет 9 октября 1999 года), Boeing 777-200LR/300ER/Freighter (24 февраля 2003 года), Boeing P-8 Poseidon (25 апреля 2009 года), Boeing 787 (15 декабря 2009 года), Boeing 747-8 (8 февраля 2010 года) и Boeing 777X. Крылья Embraer E-Jet E2 и C-390 Millennium оснащены удлиненными законцовками крыла.
Раздельная кончица
McDonnell Douglas MD-11 стал первым самолетом, оснащенным разделенными законцовками крыла в 1990 году. Для семейства 737 Next Generation компания Aviation Partners, как сторонний поставщик, разработала аналогичную конструкцию для законцовки крыла 737 MAX, известную как "разделенный скимтар", а авиакомпания United Airlines стала первым заказчиком. Boeing 737 MAX использует новый тип законцовки крыла. По своей форме она представляет собой гибрид из законцовки крыла, крылышкового ограждения и удлиненной законцовки, и, по утверждению Boeing, должна обеспечить дополнительное повышение топливной эффективности на 1,5% сверх уже ожидаемых 10-12% от 737 MAX.
Планеры
В 1987 году инженер-механик Питер Масак обратился к аэродинамику Марку Д. Могмеру, доценту кафедры аэрокосмической техники в Пенсильванском государственном университете, с просьбой разработать винглеты для улучшения характеристик его гоночного планера с размахом крыльев. Ранее другие пытались применить винглеты Уиткомба к планерам, и они действительно улучшали подъемную силу, но это не компенсировало увеличение паразитного сопротивления на больших скоростях. Масак был убежден, что это препятствие можно преодолеть. Методом проб и ошибок они в конечном итоге разработали успешные конструкции винглетов для соревнований по планированию, используя новый профиль PSU–90–125, разработанный Могмером специально для применения на винглетах. На чемпионате мира по планированию 1991 года в Увальде, штат Техас, трофей за самую высокую скорость достался планерному самолету класса 15 метров с винглетами, превзойдя максимальную скорость в классе Open Class с неограниченным размахом крыльев – это был исключительный результат. Масак выиграл национальные соревнования США по планированию на 15 метров в 1993 году, используя винглеты на своем прототипе Masak Scimitar. Винглеты Масака изначально устанавливались на серийные планеры, но в течение 10 лет после их появления большинство высокопроизводительных планеров оснащались с завода винглетами или другими устройствами на законцовках крыльев. Прошло более десяти лет, прежде чем винглеты впервые появились на серийном авиалайнере – это было первоначальное применение, на котором была сосредоточена разработка NASA. Однако, как только преимущества винглетов были доказаны в соревнованиях, их внедрение в планерах произошло быстро. Разница в баллах между победителем и занявшим второе место в соревнованиях по планированию часто составляет менее одного процента, поэтому даже небольшое повышение эффективности дает значительное конкурентное преимущество. Многие пилоты, не участвующие в соревнованиях, устанавливали винглеты для улучшения управляемости, такой как увеличение скорости крена и эффективности управления креном, а также снижение склонности к сваливанию на законцовках крыльев. Эти преимущества особенно важны, поскольку винглеты на планерах должны быть съемными, чтобы планер можно было хранить в прицепе, поэтому они обычно устанавливаются только по желанию пилота. Glaser Dirks DG 303 – одна из первых моделей планеров, в которой винглеты устанавливались в качестве стандартного оборудования.
Неплоский кончик крыла
Aviation Partners разработала и провела лётные испытания закрытой поверхности Spiroid winglet на самолете Falcon 50 в 2010 году. Неплоские законцовки крыла обычно наклонены вверх в конфигурации многогранности, увеличивая местный двугранный угол у законцовки крыла, при этом конструкции крыльев с многогранностью были популярны в моделях самолетов свободного полета на протяжении десятилетий. Неплоские законцовки крыла обеспечивают эффект управления следом, аналогичный винглетам, с меньшим паразитным сопротивлением, при условии тщательной разработки. Неплоская законцовка крыла часто имеет стреловидную форму, как у стреловидной законцовки, и может быть объединена с винглетом. Винглеты также являются частным случаем неплоской законцовки крыла. После Второй мировой войны, до появления винглетов, авиаконструкторы в основном использовали плоские крылья с простым двугранным углом. С широким распространением винглетов в новых конструкциях планеров в 1990-х годах конструкторы стремились еще больше оптимизировать аэродинамические характеристики законцовок крыла. Винглеты планеров первоначально устанавливались непосредственно на плоские крылья, с небольшой, почти прямой переходной областью. После оптимизации характеристик самого винглета внимание было обращено на переход между крылом и винглетом. Распространенным решением было сужение переходной области от хорды законцовки крыла к хорде винглета и отклонение переходной области назад для установки винглета в оптимальное положение. Если сужающаяся часть была наклонена вверх, можно было также уменьшить высоту винглета. В конечном итоге конструкторы стали использовать несколько неплоских секций, каждая из которых наклонена под большим углом, полностью отказавшись от винглетов. Schempp Hirth Discus 2 и Schempp Hirth Duo Discus используют неплоские законцовки крыла.
Активное устройство кончиков крыльев
Компания Tamarack Aerospace Group, основанная в 2010 году авиационным инженером-конструктором Николасом Гидой, запатентовала систему Active Technology Load Alleviation System (ATLAS) – модифицированную версию устройства на законцовке крыла. Система использует Tamarack Active Camber Surfaces (TACS) для аэродинамического "отключения" эффекта законцовки крыла при высоких перегрузках, таких как сильные порывы ветра или резкие наборы высоты. TACS представляют собой подвижные панели, аналогичные закрылкам или элеронам, расположенные на задней кромке крыльевого удлинения. Система управляется электрической системой самолета и высокоскоростным сервоприводом, который активируется при обнаружении самолетом надвигающейся нагрузки, фактически имитируя работу законцовки крыла. Однако сама законцовка крыла фиксирована, и TACS являются единственной движущейся частью системы законцовки крыла. Компания Tamarack впервые представила ATLAS для самолетов семейства Cessna Citation.
Устройство управления кончиком крыла
Были проведены исследования по управлению законцовками крыла, включая поданную заявку на патент, однако ни один самолет в настоящее время не использует данную функцию в описанном виде. Законцовки крыла XB-70 Valkyrie могли опускаться вниз в полете для облегчения полета на скорости 3 Маха с использованием эффекта волновой езды.
Использование на вращающихся лезвиях
Устройства на законцовках крыла также применяются на вращающихся воздушных винтах, роторах вертолетов и лопастях ветровых турбин для снижения сопротивления, уменьшения диаметра, снижения шума и/или повышения эффективности. Уменьшая взаимодействие вихрей от законцовок лопастей самолета с поверхностью земли при рулении, взлете и зависании, эти устройства могут снизить повреждения, вызванные грязью и мелкими камнями, поднимаемыми этими вихрями.
Применение в роторных судах
Главные лопасти ротора AgustaWestland AW101 (ранее EH101) имеют характерную форму на конце; пилоты отмечают, что эта конструкция ротора изменяет нисходящий поток и снижает эффект "пылевой бури", который ограничивает видимость в запыленных районах и является причиной аварий.
Применение винтов
Hartzell Propeller разработал свой пропеллер "Q tip", используемый на Piper PA 42 Cheyenne и нескольких других типах самолетов с фиксированным крылом, изгибая концы лопастей назад под углом 90 градусов для получения той же тяги от диска пропеллера меньшего диаметра; по утверждению производителя, снижение скорости вращения концов лопастей уменьшает шум. Однако для некоторых высокопроизводительных конструкций, работающих на низких скоростях, концевые устройства крыла могут не повышать эффективность. Другое применение того же принципа было использовано в киле австралийской яхты Australia II 1982 года, победившей в "Кубке Америки" и спроектированной Беном Лексценом.