Важнейшей частью самолета, служащей для создания подъемной силы, является крыло. Без него самолет превращается в бесполезный набор элементов. Крыло самолета – это выдающееся изобретение и настоящее произведение инженерного искусства.
Если природе потребовались сотни миллионов лет эволюции, чтобы впервые поднять в небо живых существ, то человечество с этой задачей справилось гораздо быстрее. От создания мифа о Дедале и Икаре до первого контролируемого полета самолета братьев Райт прошло всего лишь около трех тысячелетий. Исследования и эксперименты братьев Райт и их предшественников составили базу для дальнейшего развития авиационных технологий, а крылья стали неотъемлемой частью любого самолета, обеспечивая подъемную силу и возможность управления в полете.
Крыло – это одна из основных частей в конструкции самолета, оно создает аэродинамическую подъемную силу, наделяет воздушные суда способностью летать.
Составные части крыла
Крыло можно разделить на три части: левую и правую консоли и центроплан. У легких самолетов крыло может иметь цельную конструкцию без разделения на части. У большинства современных самолетов крыло может выполнять дополнительные функции и являться одновременно баком-кессоном для топлива.
Устройство крыла
Ключевой элемент крыла − его профиль, форма поперечного сечения, которая определяет аэродинамические характеристики крыла. Как уже говорилось, профиль обычно имеет изгиб или кривизну, создающую различные потоки воздуха для генерации подъемной силы.
Крыло самолета обычно состоит из специальной металлической или композитной рамы, которая придает ему прочность и жесткость. Эта рама соединяется с фюзеляжем самолета. Продольные силовые элементы, называемые лонжеронами, а также параллельные им стрингеры и поперечные нервюры − своеобразные «кости» самолетного крыла. Кстати, говорить, что у типичного авиалайнера два крыла – не верно. Это одно крыло с двумя консолями, или полуплоскостями.
Фото: ОАК
Расположение и форма крыла
Выбор схемы расположения крыла – высокое, среднее, низкое – зависит от требуемых характеристик самолета. Например, на транспортных Ил-76 реализована схема высокого расположения крыла, которая позволяет создать большую грузовую кабину, расположить погрузо-разгрузочную рампу в хвостовой части фюзеляжа, установить мощные двигатели на пилонах под крылом, не опасаясь близости к поверхности земли. Среднее расположение крыла до недавнего времени было характерно для истребителей и бомбардировщиков, в последнее время его “интегрируют” с фюзеляжем. Нижнее расположение крыла применяется на пассажирских самолётах, оно облегчает обслуживание на аэродромах.
По форме крылья бывают прямые, стреловидные и обратной стреловидности, треугольные, трапециевидные, эллиптические или арочного типа. Выбор формы крыла также зависит от типа самолета и его применения. Прямые крылья и крылья с небольшой стреловидностью применяются на пассажирских и транспортных самолетах – т.е. там, где не требуются высокие скорости, но необходимы улучшенные взлетно-посадочные характеристики. Крыло обратной стреловидности характерно для самолетов с потребностью в улучшении управляемости на малых скоростях. Такие крылья применялись на опытных образцах истребителей.
На ближнемагистральном самолете Ил-14, который впервые поднялся в воздух в 1950, применялось крыло с обратной стреловидностью (-3 градуса по линии 1/4 хорды). Это техническое решение улучшало аэродинамику и характеристики по срывам потока. Ил-14 оказался очень удачным самолетом, строился серийно и отлично зарекомендовал себя в сложных условиях Арктики и Антарктики.
При проектировании агрегатов механизации крыла широко используются современные композиционные материалы, которые позволяют снизить вес изделия, снизить стоимость производства, улучшить эксплуатационные характеристики агрегата. А использование электронных моделей и системы менеджмента жизненного цикла упрощает сложные увязки подвижных частей и отслеживание конфигурации различных модификаций самолетов.
Механизация крыла
На разных режимах полета от крыла современного самолета требуются разные характеристики – очевидно, что скорость при взлете самолета, при его посадке и в установившемся полете различная. В зависимости от высоты полета различаются и окружающие условия.
Форма крыла, обеспечивающая большую подъемную силу для полета на малых скоростях вблизи поверхности, будет малоэффективна при полете на крейсерском режиме. Решить эту задачу призваны агрегаты механизации крыла: изменяя геометрические характеристики крыла, они изменяют его аэродинамические характеристики, облегчая тем самым управление самолетом и позволяя улучшить отдельные летно-технические характеристики (ЛТХ).
За историю авиации было придумано множество различных вариантов агрегатов механизации крыла, которые применяются по отдельности и совместно. Состав и конфигурацию механизации крыла выбирают исходя из целей и сложности самолета.
На самолетах “Ил” используются:
-
закрылки и предкрылки – управляют подъемной силой и аэродинамическим сопротивлением самолет при взлете и посадке;
-
элероны – для управления углом крена самолета;
-
тормозные щитки и интерцеторы уменьшают подъемную силу крыла для повышения эффективности торможения шасси.
Закрылки и предкрылки
Основная задача закрылка – уменьшить взлетную и посадочную дистанцию, а также снизить скорость захода на посадку, тем самым повышая безопасность. Закрылки устанавливаются на задней кромке крыла.
На взлете закрылок выпускается не полностью, чтобы увеличить подъемную силу крыла без существенного увеличения лобового сопротивления. При посадке, наоборот, увеличение кривизны крыла, а значит и сопротивления, способствует снижению скорости и уменьшению пробега, поэтому закрылок отклоняется еще и вниз. В установившемся полете закрылок убирается, чтобы уменьшить лобовое сопротивление и оптимизировать расход топлива.
Чем эффективнее тип закрылка, тем больше прирост подъемной силы, который он может создать. Но вместе с тем растут его сложность и масса. Так, простой отклоняемый щиток на задней кромке крыла – это простое конструктивное решение, а также самое легкое по массе. Но прирост подъемной силы такого закрылка будет в районе 40% от подъемной силы крыла с убранной механизацией, чего недостаточно для самолетов, создаваемых в ОКБ Ильюшина.
На современных самолетах “Ил” используются выдвижные щелевые закрылки, состоящие из секций, которые образовывают несколько щелей. При использовании таких закрылков самолет получает увеличение подъемной силы до 90%.
Очень наглядно изменение площади и кривизны крыла видно при выпущенном закрылке Ил-76.
В процессе разработки необходимо рационально спроектировать агрегаты механизации крыла для достижения требуемых ЛТХ. Современные технологии компьютерного моделирования позволяют быстрее и проще выполнить эту задачу. В качестве примера рассмотрим самолет Ил-114. В его базовом исполнении самолета его закрылок выдвигался на 40 градусов. В ходе эксплуатации выяснилось, что он создает излишнюю подъемную силу – из-за этого увеличивалась длина пробега при посадке. На новом Ил-114-300 закрылок выпускается на 30 градусов. Этого достаточно и для снижения скорости, и для эффективного торможения на ВПП.
На самолетах марки “Ил” для механизации передней кромки крыла используют предкрылки с профилированной щелью. Они имеют большую массу и относительно сложную конструкцию, но эффективнее, чем другие типы механизации передней кромки крыла. Предкрылки работают совместно с закрылками при взлете и посадке, выпускаются синхронно с ними. На тяжелых самолетах, таких как Ил-76, Ил-86, Ил-96 и их модификациях, применяется развитая механизация крыла, в том числе и его передней кромки.
Элероны
Для управления самолетом по крену используются элероны. Они представляют собой отклоняющиеся поверхности (обычно 5-7% от площади крыла), расположенные на его концах вдоль задней кромки. Оба элерона связаны так, что отклоняются в противоположные стороны. Когда пилот отклоняет штурвал влево, левый элерон отклоняется вверх, правый – вниз. Подъемная сила левой половины крыла уменьшается, а правой увеличивается. Возникает момент крена и самолет кренится влево. Для элеронов применяют дифференциальное управление, т.е. углы отклонения элерона вниз меньше, а вверх больше. Это обусловлено тем, что отклонение элерона вниз с точки зрения аэродинамики эффективнее, чем вверх.
Конструкция элеронов напрямую зависит от типа управления. Различают управление с прямой и дистанционной проводкой.
В системе управления с прямой проводкой при изменении положения управляющей поверхности возникает усилие на органе управления. Чтобы преодолеть эти усилия в режиме полета на современном самолете без использования вспомогательных средств, пилотам бы пришлось иметь спортивный разряд по пауэрлифтингу. Для решения этой проблемы применяют средства компенсации, которые также называются малой механизацией:
-
сервокомпенсатор – отклоняемая поверхность в хвостовой части элерона, работающая автоматически и снимающая 80-85% усилия со штурвала;
-
триммер – небольшая отклоняющаяся поверхность в хвостовой части элерона. Конструктивно триммер подобен сервокомпенсатору и позволяет при необходимости снять оставшиеся 15-20% усилия со штурвала.
На тяжелых самолетах для экономии веса устанавливается электро-дистанционная система управления с автоматической проводкой. Сервокомпенсатор и триммер в таком случае не применяются.
Тормозные щитки, спойлеры, интерцепторы
Задача тормозных щитков, спойлеров и интерцепторов – значительное повышение лобового сопротивления и прижатие самолета к земле после касания ВПП. Воздушные тормоза призваны не столько затормозить самолет, сколько прижать его к поверхности, чтобы тормоза в шасси выполнили свою работу эффективно. Эти агрегаты выполняются в виде щитков. При их подъеме часть крыла, находящаяся за ними, теряет подъемную силу.
В зависимости от предназначения, площади поверхности и поперечного расположения можно выделить следующие разновидности:
-
интерцептор (спойлер) – располагается ближе к законцовкие крыла, чтобы создавать больший момент. Может выпускаться не полностью, работает в паре с элероном автоматически, помогая элеронам в управлении самолетом по крену;
-
тормозной щиток располагается ближе фюзеляжу, выпускается полностью и синхронно на обеих консолях крыла. Его единственная задача – создание прижимной силы.
Крыло нужно, чтобы удерживать самолет в воздухе, что происходит благодаря подъемной силе. Если птицам приходится махать крыльями, создавая тягу, то у самолета для этого есть двигатель, и махать уже не нужно. Когда самолет движется в воздухе, благодаря форме крыла создается различное давление воздуха сверху и снизу крыла. Поскольку верхняя поверхность крыла обычно имеет большую кривизну, воздух над ней проходит быстрее, что создает зону низкого давления. Снизу крыла давление выше. Эта разница в давлении генерирует подъемную силу, поддерживающую самолет в воздухе. Формулу этой подъемной силы в начале XX века вывели независимо друг от друга немецкий математик Мартин Вильгельм Кутта и русский ученый-механик Николай Егорович Жуковский.
Путем изменения угла атаки крыла (угол между направлением потока воздуха и продольной осью самолета) или с помощью закрылок пилоты могут контролировать подъемную силу и управлять полетом, включая такие маневры, как взлет, посадка, повороты и изменение высоты.
На крыльях в будущее
С увеличением требований к скорости, маневренности и эффективности самолетов возникла необходимость в более прочных материалах, чем дерево и ткань первых машин. В 1930-е годы на сцену выходит легкий, прочный и пластичный металл – алюминий, на долгое время ставший основным и в военной, и в гражданской авиации.
Крылья первых самолетов изготавливались из легкого полотна, натянутого на деревянный каркас. Затем появился дюралюминий, “крылатый металл”, с которым связывают революцию в авиастроении.
Братья Райт обшивали свой каркас тканью, затем была фанера, а в современных самолетах металлическая или композитная обшивка крыла воспринимает нагрузку практически наравне с рамой. Гладкая поверхность обшивки снижает сопротивление воздуха.
От полотна к композитам
В современном самолете на алюминий приходится около 75-80% от общей массы, но постепенно конкуренцию ему начинают создавать более современные композитные материалы, разработка которых началась после Второй мировой войны. Композиты обеспечивают высокую прочность при низкой массе. Это позволяет создавать крылья, обладающие высокими аэродинамическими свойствами.
Фото: Alex Snow / wikimedia.org
Из-за цвета углеродной ткани, входящей в состав многослойных композитов, композитное крыло называют «черным». Первый в России, а также первый в мире в своем классе пассажирский «чернокрылый» самолет – это среднемагистральный авиалайнер МС-21. Композитные материалы позволили создать для нового российского самолета крыло, имеющее большее удлинение и тонкий профиль. Как следствие, улучшилась аэродинамика и снизился расход топлива по сравнению с аналогами. Композитное крыло для МС-21 разработано и производится компанией «АэроКомпозит» (входит в компанию «Яковлев» Объединенной авиастроительной корпорации Ростеха).
При создании конструкции крыльев современных гражданских самолетов, как российских, так и зарубежных, все шире используются композитные материалы. МС-21 стал первым пассажирским самолетом с композитным крылом, изготовленным по новой технологии. Впервые в практике мирового авиастроения отечественные специалисты освоили эту технологию применительно к силовым элементам консолей крыла – самому сложному и высоко нагруженному элементу воздушного судна. Доля композитов в конструкции МС-21 превышает 30%. Благодаря их использованию удалось получить крыло большего удлинения, которое невозможно сделать из металла. Одновременно был увеличен диаметр фюзеляжа. Эта сложная задача впервые решена в классе среднемагистральных лайнеров.
Силовые элементы консолей крыла МС-21 изготавливаются с помощью инфузионной технологии. Это позволяет создавать длинномерные интегральные композитные конструкции единым монолитом без дополнительного крепежа.
Крыло МС-21
Фото: ОАК
Инженеры постоянно работают над улучшением дизайна крыла самолета, чтобы повысить его эффективность. Сегодня разработка крыльев, как и всего самолета, ведется в цифровой среде с использованием технологий предиктивной аналитики, виртуальной реальности и др. Изготавливаются авиационные крылья с применением передовых наработок, включая 3D-печать, лазерную резку и другие инновационные методы. Новые материалы позволяют создавать крылья, которые сочетают в себе легкость, прочность и высокие аэродинамические свойства.
Источник1:
Источник2: