Крило (літак)

Крилов авіаційній техніці - поверхня для створення підйомної сили.

1. Частини крила літака

У загальному випадку крило літака складається з центропланної частини, консолей (лівої та правої) та механізації крила. Також крило можна розділити на дві частини, ліве та праве напівкрило. Часто зустрічається термін «крила», але він є помилковим по відношенню до моноплану.

2. Принцип дії

Крило, що обтікає потоком повітря, створює в ньому обурення, що призводять до відхилення повітряної маси потоку вниз. Відповідно до закону збереження імпульсу, це призводить до виникнення підйомної сили, спрямованої у протилежний бік, тобто нагору. [1]

Одним із популярних пояснень принципу дії крила є ударна модель Ньютона: частинки повітря, стикаючись з нижньою поверхнею крила, що стоїть під кутом до потоку, пружно відскакують вниз («скіс потоку»), штовхаючи крило вгору. Ця модель враховує закон збереження імпульсу, але повністю ігнорує обтікання верхньої поверхні крила, внаслідок чого вона дає занижену величину підйомної сили.

В іншій популярній моделі виникнення підйомної сили приписується різниці тисків на верхній та нижній сторонах профілю, що виникає згідно із законом Бернуллі. Зазвичай розглядається крило з плоско-опуклим профілем: нижня поверхня плоска, верхня - опукла. Потік, що набігає, розділяється крилом на дві частини - верхню і нижню, - при цьому верхня частина змушена проходити більш довгий шлях, ніж нижня, внаслідок опуклості крила. Виходячи з умови про нерозривність потоку, робиться висновок, що швидкість потоку зверху крила повинна бути більшою, ніж знизу, що викликає різницю тисків і підйомну силу. Однак, дана модель суперечить закону збереження імпульсу, оскількипотік після крила вважається незбурним і невідхиленим. Крім того, ця модель не пояснює виникнення підйомної сили на двояко-опуклих симетричних або на увігнуто-опуклих профілях, коли потоки зверху і знизу проходять однакову довжину.

Для усунення цих недоліків ідеалізації необхідно штучно вводити циркуляцію швидкості потоку, що призводить до теореми Жуковського. Циркуляція швидкості дозволяє врахувати скіс потоку та дозволяє отримувати правильні результати при розрахунках.

Однією з головних проблем наведених вище пояснень є те, що вони не враховують в'язкість повітря, тобто перенесення енергії та імпульсу між окремими шарами потоку (що і є причиною циркуляції). Оскільки це перенесення відбувається зі швидкістю звуку, при розрахунку дозвукового обтікання необхідно враховувати повне поле швидкостей потоку. Наприклад, істотний вплив на крило може вплинути на поверхню землі, що «відбиває» обурення потоку, викликані крилом і повертає частину імпульсу назад — див. екранний ефект.

Також у наведених поясненнях не розкривається детальний механізм передачі енергії від крила до потоку, тобто виконання роботи самим крилом. Хоча верхня частина повітряного потоку дійсно має підвищену швидкість, геометрична довжина шляху не має до цього відношення — це спричинено взаємодією шарів нерухомого та рухомого повітря та верхньої поверхні крила. Потік повітря, що йде вздовж верхньої поверхні крила, «прилипає» до неї і намагається слідувати вздовж цієї поверхні навіть після точки перегину профілю ефект Коанди. Завдяки поступальному руху крило здійснює роботу з розгону цієї частини потоку. Досягши точки відриву біля задньої кромки, повітря продовжує свій рух вниз за інерцією разом з відхиленою масою.нижньою поверхнею крила, що у сумі викликає скіс потоку та виникнення реактивного імпульсу. Вертикальна частина цього імпульсу і викликає підйомну силу, що врівноважує силу тяжкості, а горизонтальна частина врівноважується лобовим опором.

Насправді, обтікання крила є дуже складним тривимірним нелінійним і часто нестаціонарним процесом. Підйомна сила крила залежить від його площі, профілю, форми в плані, а також від кута атаки, швидкості та щільності потоку, числа Маха та від багатьох інших факторів.

3. Форма крила

Одна з основних проблем при конструюванні нових літаків - вибір оптимальної форми крила та його параметрів (геометричних, аеродинамічних, міцності тощо).

3.1. Пряме крило

Основною перевагою крила є його високий коефіцієнт підйомної сили навіть за малих кутів атаки. Це дозволяє суттєво збільшити питому навантаження на крило, а значить зменшити габарити та масу, не побоюючись значного збільшення швидкості зльоту та посадки. Даний тип крила застосовується у дозвукових та навколозвукових літаках з реактивними двигунами.

Недоліком, що зумовлює непридатність такого крила при звукових швидкостях польоту є різке збільшення коефіцієнта лобового опору при перевищенні критичного значення числа Маха.

3.2. Стрілоподібне крило

Даний вид крила набув широкого поширення завдяки різним модифікаціям та конструкторським рішенням. Недоліки:

знижена здатність крила, що несе, а також менша ефективність дії механізації;
збільшення поперечної статистичної стійкості у міру зростання кута стріловидності крила та кута атаки, що ускладнює одержання належного співвідношення між шляховою тапоперечної стійкості літака і змушує застосовувати вертикальне оперення з великою площею поверхні, а також надавати крилу або горизонтальному оперенню негативний кут поперечного V;
відрив потоку повітря в кінцевих частинах крила, що призводить до погіршення поздовжньої та поперечної стійкості та керованості літака;
збільшення скосу потоку за крилом, що призводить до зниження ефективності горизонтального оперення;
зростання маси та зменшення жорсткості крила.

Для позбавлення від негативних моментів використовується крутка крила, механізація, змінний кут стріловидності вздовж розмаху, зворотне звуження крила або негативна стріловидність

3.2.1. Крило з напливом (оживальне)

Варіаціястрілоподібного крила. Маневреність обмежується насамперед статичною та динамічною міцністю конструкційних матеріалів, а також аеродинамічними характеристиками літака.

Дії крила оживальної форми можна описати як спіральний потік вихорів, що спрацьовують з гострої передньої кромки великої стріловидності в навколофюзеляжній частині крила. Вихрова плівка викликає також утворення великих областей низького тиску та збільшує енергію прикордонного шару повітря, збільшуючи тим самим коефіцієнт підйомної сили.

3.2.2. Надкритичне крило

Цікавий приклад модифікаціїстрілоподібного крила. Використовуючи профілі з вигнутою задньою частиною дозволяє рівномірно розподілити тиск уздовж хорди профілю і тим самим призводить до зміщення центру тиску назад, а також збільшує критичне число Маха на 10-15%.

3.3. Зворотній стрілоподібності

Крило з негативною стрілоподібністю (тобто зі скосом вперед). Переваги:

дозволяє покращити керованість на малих швидкостях польоту;
підвищує аеродинамічну ефективність у всіх сферах льотних режимів;
компонування КОС оптимізує розподіл тиску на крило і переднє горизонтальне оперення;
дозволяє зменшити радіолокаційну помітність літака у передній півсфері;

КОС особливо схильна до аеродинамічної дивергенції (втрати статичної стійкості) при досягненні певних значень швидкості та кутів атаки;
вимагає конструкційних матеріалів та технологій, що дозволяють створити достатню жорсткість конструкції;

Приклади застосування: серійний цивільний HFB-320 Hansa Jet, український експериментальний винищувач «Беркут».

3.4. Трикутне крило

Трикутне крило жорсткіше і легше як прямого, і стреловидного і найчастіше використовується при швидкостях понад M=2.

виникнення та розвиток хвильової кризи
великі опори і різкіше падіння максимальної аеродинамічної якості при зміні кута атаки, що ускладнює досягнення більшої стелі та радіусу дії.

Приклади застосування: МіГ-21, Mirage 2000

3.5. Трапецієподібне крило

Приклади застосування: F/A-18

4. Основні елементи механізації крила

1 - закінчування крила
2 - кінцевий елерон
3 - кореневий елерон
4 - обтічники механізму приводу закрилків
5 - передкрилок
6 - передкрилок
7 - кореневий трищілинний закрилок
8 - зовнішній трищілинний закрилок
9 - інтерцептор
10 - інтерцептор/спойлер

5. Історія дослідження

Перші теоретичні дослідження та важливі результати були проведені на рубежіXIX—XX століть українськими вченими М. Жуковським, С. Чаплигіним та німецьким М. Куттою.

Серед одержаних ними результатів можна назвати:

Теорема Жуковського
Постулат Жуковського - Чаплигіна