Почему у МС-21 нет винглетов

 

Аэродинамические законцовки на крыльях - винглеты (англ. winglets) - "крылышки", присутствуют у подавляющего большинства современных лайнеров. Этот аэродинамический элемент придаёт самолёту изящность, стремительность, однако их использование - это не дань моде, а способ уменьшить индуктивное сопротивление крыла, повысить топливную эффективность и увеличить дальность полёта лайнера.

Полное аэродинамическое сопротивление крыла самолёта, летящего на околозвуковой скорости, складывается из волнового, профильного, индуктивного и паразитного сопротивлений. Аэродинамическое качество крыла тем лучше, чем меньшую силу лобового и индуктивного сопротивлений оно создаст.

При обтекании крыла воздушным потоком возникает разность давлений над крылом и под ним. В середине крыла воздух течёт от передней кромки к задней, ближе к законцовкам картина обтекания меняется - часть воздуха, срываясь с концов крыла, перетекает из зоны повышенного давления в зону пониженного - от нижней поверхности крыла на верхнюю и накладывается на воздушный поток, набегающий на верхнюю часть крыла.

Такое движение воздушных масс сообщает воздушному потоку паразитную силу, направленную вниз перпендикулярно вектору скорости, что приводит к уменьшению на конце крыла подъёмной силы.

В результате, за концами крыла образуются два вихревых жгута, которые называют спутными струями. Энергия, затрачиваемая на образование этих вихрей, и определяет индуктивное сопротивление крыла.

Индуктивное сопротивление отсутствует у бесконечно длинного крыла, но реальный самолёт такое крыло иметь не может. Для оценки аэродинамического совершенства крыла существует понятие «аэродинамическое качество», - чем оно выше, тем совершеннее самолёт. Улучшить аэродинамическое качество крыла можно, увеличивая его эффективное удлинение - чем длиннее крыло, тем меньше его индуктивное сопротивление, меньше расход топлива, больше дальность полёта.

Сила вихрей зависит от размеров, формы крыла, разницы давлений над верхней и под нижней поверхностями. За тяжёлыми самолётами образуются очень мощные вихревые жгуты, которые сохраняют свою интенсивность на дистанции 10 - 15 км. Они могут представлять опасность для летящего сзади самолёта, особенно когда в вихрь попадает одна консоль. Эти вихри можно легко увидеть, если понаблюдать за приземлением реактивных самолётов. Из-за большой скорости касания посадочной полосы колесная резина горит. В момент приземления за самолётом образуется шлейф пыли и дыма, который мгновенно закручивается в вихрях.

Спутные вихри, создаваемые срывающимся с конца крыла воздушным потоком
Вихри, создаваемые срывающимся с конца крыла воздушным потоком

Для преодоления индуктивного сопротивления требуется дополнительная кинетическая энергия двигателя, что увеличивает расход топлива. Уменьшить индуктивное сопротивление и повысить аэродинамическое качество - основной параметр, характеризующий совершенство самолёта, легче всего за счёт увеличения размаха крыла.

Взгляните на крылья самолёта-рекордсмена 30-х годов ХХ века АНТ-25 - длина самолёта составляет 13 метров, а размах крыла - 34! В то время не было предпосылок, да и авиационная наука не предполагала конструкцию крыла с изменённой геометрией концевой части, поэтому для дальних беспосадочных перелётов строились машины с такими длинными крыльями.

ant25
Размах крыла самолёта АНТ-25 составляет 34 метра!

Современные условия накладывают свои ограничения на размах крыла, которые определяются конструктивными и эксплуатационными параметрами. Так, например, аэродромная инфраструктура и требования ICAO ограничивают до 36 метров размах крыла у среднемагистрального самолёта. Винглеты позволяют увеличить эффективное удлинение крыла при практически неизменном размахе.

Одним из первых исследователей влияния формы законцовок крыла на аэродинамику самолёта был Ричард Уиткомб - авиационный специалист и инженер НАСА. В начале 70-х годов он сконструировал законцовку, перпендикулярно расположенную вверх и вниз от плоскости крыла, сегодня похожую конструкцию можно увидеть у Airbus A320. Внешне винглеты сильно различаются на разных самолётах, но все они предназначены только для одного - повышение экономической эффективности лайнера.

B787 Falcon50 B737-800 A320 B747 A350X

Установка винглетов даёт дополнительно до 7% экономии топлива. Авиаконструкторы всегда стремились увеличить типовое удлинение крыла - отношение длины к средней хорде. Типовое удлинение крыла у самолётов прошлых поколений составляло коэффициент 8–9, у современных — 10–10,5, а на МС-21 - 11,5. Поэтому, даже без использования винглетов, его композитное крыло большого удлинения, образованное суперкритическими профилями (практически плоская верхняя и выпуклая нижняя поверхности), позволяет на крейсерских скоростях полёта получить аэродинамическое качество на 5-6% лучше, чем у новейших зарубежных аналогов.

Для исследования влияния винглетов на динамику полёта МС-21 в ЦАГИ были спроектированы и испытаны в аэродинамических трубах крылья с аэродинамическими законцовками. Установка винглетов требует значительного усиления конструкции крыла и увеличения его массы. При боковых порывах ветра винглеты создают серьёзную сгибающую и крутящую нагрузки на крыло, существенно увеличивают влияние бокового ветра на самолёт при взлёте и посадке, а также в зонах турбулентности.

Влияние винглетов на уменьшение индуктивного сопротивления
Влияние винглетов на уменьшение индуктивного сопротивления

В тоже время на начальном этапе проектирования в начале 2000-х винглеты на МС-21 предусматривались (фото макета самолёта в заголовке статьи), т.е., конструкция крыла не позволяла получить требуемую топливную эффективность. Но по мере развития проекта, появления новых материалов и технологий, от них отказались, и именно потому, что МС-21 - это современный и технологичный самолёт с высоким аэродинамическим качеством, не требующим какого-либо изменения геометрии на концах его крыльев.

По мнению заместителя гендиректора ЦАГИ, начальника комплекса аэродинамики и динамики полёта летательных аппаратов Сергея Ляпунова, винглеты - это резерв, который можно использовать на последующих модификациях. Но в настоящее время характеристики и топливная эффективность в крейсерском полёте, которые даёт суперкритическое композитное крыло, достаточны для обеспечения требуемого уровня конкурентоспособности.

На фото в заголовке статьи: концептуальный вид самолёта МС-21 в 2003-2005 годах / (с) ОКБ им. А.С. Яковлева (http://www.yak.ru/ENG/FIRM/art_switch.php?art=6)

Андрей Величко

Рейтинг статьи:   +1+2+3+4+5 (оценок - 10, средняя - 4,80)
Загрузка...


ДРУГИЕ СТАТЬИ НА САЙТЕ




СТАТЬИ ПО ТЕМЕ