Закрытое крыло
— Закрытое крыло это крыло , которое фактически имеет две основные плоскости, которые сливаются на концах, так что нет обычных законцовок крыла . закрытого Конструкции крыла включают кольцевое крыло (широко известное как цилиндрическое или кольцевое крыло ), соединенное крыло, коробчатое крыло и устройства со спиральными наконечниками. [ 1 ]
Как и многие устройства на законцовках , закрытое крыло призвано уменьшить ненужные эффекты, связанные с вихрями на законцовках крыла , которые возникают на законцовках обычных крыльев. Хотя закрытое крыло не обладает уникальными преимуществами, многие конструкции закрытого крыла действительно предлагают структурные преимущества по сравнению с обычным свободнонесущим монопланом .
Характеристики
[ редактировать ]
Вихри на законцовках крыла образуют основной компонент турбулентности следа и связаны с индуцированным сопротивлением , которое вносит значительный вклад в общее сопротивление в большинстве режимов. Закрытое крыло позволяет избежать необходимости в законцовках крыла и, следовательно, можно ожидать, что оно уменьшит сопротивления эффект законцовок крыла.
Помимо потенциальных конструктивных преимуществ перед открытыми свободнонесущими крыльями, закрытые поверхности крыла обладают некоторыми уникальными аэродинамическими свойствами:
- Для подъемной системы, которая должна помещаться в прямоугольную коробку с фиксированными горизонтальными (по размаху) и вертикальными размерами, если смотреть в направлении набегающего потока, конфигурация, которая обеспечивает абсолютное минимальное индуцированное сопротивление для заданной общей вертикальной подъемной силы, является закрытой системой, т.е. прямоугольное коробчатое крыло с несущими поверхностями, полностью занимающими все четыре границы разрешенной прямоугольной площади. [ 2 ] Однако характеристики идеального закрытого коробчатого крыла по лобовому сопротивлению могут быть очень близко приближены к открытым конфигурациям, таким как C-образное крыло, обсуждаемое ниже. [ 1 ]
- Для любой подъемной системы (или части подъемной системы), которая образует замкнутый контур, если смотреть в направлении набегающего потока, оптимальное распределение подъемной силы (или циркуляции), которое обеспечивает минимальное индуцированное сопротивление для заданной общей вертикальной подъемной силы, не является уникальным, а определяется только с точностью до константы на участке с обратной связью. Это связано с тем, что независимо от того, с чего должно начинаться распределение циркуляции, к части с замкнутым контуром можно добавить постоянную циркуляцию без изменения общей подъемной силы системы или индуцированного сопротивления. [ 1 ] Это ключ к объяснению того, как C-образное крыло обеспечивает почти такое же снижение индуцированного сопротивления, что и соответствующая полностью закрытая система, как обсуждается ниже.
В результате, хотя закрытые системы могут обеспечить значительное снижение индуцированного сопротивления по сравнению с обычным плоским крылом, не существует значительного аэродинамического преимущества, которое однозначно возникает из-за того, что они закрыты, а не открыты. [ 1 ]
Конфигурации
[ редактировать ]Описаны различные типы закрытого крыла:
- Коробчатое крыло
- Ромбовидное крыло
- Плоское кольцевое крыло
- Концентрические крыло и фюзеляж
История
[ редактировать ]Пионерские годы
[ редактировать ]
Ранним примером закрытого крыла был самолет Блерио III , построенный в 1906 году Луи Блерио и Габриэлем Вуазеном . Несущие поверхности представляли собой два кольцевых крыла, установленных тандемно. Более поздний Blériot IV заменил переднее кольцевое крыло на биплан и добавил носовую часть с утком , чтобы сделать его самолетом с тремя поверхностями . Он смог оторваться от земли небольшими прыжками, прежде чем был поврежден и не подлежал ремонту.
На основе работ GJA Kitchen Седрик Ли и Дж. Тилман Ричардс построили и пилотировали несколько самолетов с кольцевым крылом , у которых носовая и кормовая части находились на одном уровне. Первым был биплан. За ним последовала серия монопланов, последний из которых использовался до 1914 года. [ 3 ]
Вторая мировая война
[ редактировать ]В 1944 году немецкий конструктор Эрнст Хейнкель кольцевым крылом начал работу над многоцелевым одноместным вертикальным взлетом и посадкой с под названием Lerche , но вскоре от проекта отказались. [ 4 ]
Послевоенный
[ редактировать ]В 1950-х годах французская компания SNECMA разработала Coléoptère , одноместный самолет вертикального взлета и посадки с кольцевым крылом. Несмотря на разработку и испытания нескольких прототипов, самолет оказался опасно нестабильным, и от проекта отказались. [ 5 ] Более поздние предложения по конструкциям с закрытым крылом включали Convair усовершенствованную систему воздушной огневой поддержки Model 49 (AAFSS) и концепцию Lockheed «Ring Wing» 1980-х годов. [ нужна ссылка ]
Доктор Джулиан Волкович продолжал развивать эту идею в 1980-х годах, утверждая, что это эффективная конструктивная конструкция, в которой горизонтальное оперение обеспечивает структурную поддержку крыла, а также действует как стабилизирующая поверхность. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
Spiroid Винглет , конструкция которого в настоящее время разрабатывается Aviation Partners , представляет собой закрытую поверхность крыла, установленную на конце обычного крыла. Компания объявила, что законцовки крыла, установленные на Gulfstream II, снижают расход топлива на крейсерском этапе более чем на 10%. [ 9 ] [ 10 ]
финская компания FlyNano совершила полет на прототипе сверхлегкого самолета с закрытым крылом FlyNano Nano . 11 июня 2012 года [ 11 ] [ 12 ]
экспериментальный Построенный в Беларуси OW-1 самолет с момента своего первого полета в 2007 году стал единственным пилотируемым кольцевым самолетом с закрытым крылом, который успешно поддерживал устойчивый горизонтальный полет. Летные испытания показали, что самолеты с кольцевым закрытым крылом менее подвержены боковому ветру , чем самолеты с крыльями других конфигураций . [ 13 ]
Различные современные примеры включают:
- Стэнфордское исследование [ 14 ]
- Lockheed кольцевое крыло
Закрытые крылья по-прежнему остаются в основном сферой исследований и концептуальных проектов, поскольку инженерные проблемы разработки прочного, самонесущего закрытого крыла для использования в больших авиалайнерах, которые больше всего выиграют от повышения эффективности, еще не решены.
Закрытое крыло также используется в воде для плавников досок для серфинга , также известных как туннельные плавники . [ 15 ]
Проект экологически ответственной авиации Lockheed Martin
[ редактировать ]
В 2011 году в рамках проекта «Экологически ответственная авиация» Дирекции аэронавтических исследований НАСА были предложены предложения по исследованиям, направленные на достижение цели НАСА по сокращению потребления топлива самолетами в будущем на 50% по сравнению с 1998 годом. Lockheed Martin предложила конструкцию коробчатого крыла наряду с другими передовыми технологиями. [ 16 ] [ 17 ]
Коробка Прандтля Крыло
[ редактировать ]В 1924 году немецкий аэродинамик Людвиг Прандтль предположил, что коробчатое крыло при определенных условиях может обеспечить минимальное индуцированное сопротивление при заданной подъемной силе и размахе крыла. [ 18 ] В его конструкции два смещенных горизонтальных крыла имеют вертикальные крылья, соединяющие их законцовки и имеющие форму, обеспечивающую линейное распределение боковых сил. Сообщается, что такая конфигурация обеспечивает повышенную эффективность для ряда самолетов.
В 1980-х годах Ligeti Stratos . этот подход использовали [ 19 ] [ 20 ] Название «PrandtlPlane» было придумано в 1990-х годах в ходе исследования Альдо Фредиани и др. университета Пизанского . [ 21 ] В настоящее время он также используется в некоторых сверхлегких самолетах . [ 22 ]
ИДИНТОС [ 22 ] (IDrovolante INnovativo TOScano) — исследовательский проект, совместно финансируемый региональным правительством Тосканы (Италия) в 2011 году с целью разработки и производства сверхлегкого самолета-амфибии PrandtlPlane. Исследовательский проект был реализован консорциумом тосканских государственных и частных партнеров под руководством аэрокосмического отдела факультета гражданского и промышленного строительства Пизанского университета и привел к изготовлению двухместного прототипа VLA. [ 23 ]
Также утверждается, что такая конфигурация теоретически эффективна для широкофюзеляжных реактивных авиалайнеров. Крупнейшему коммерческому авиалайнеру Airbus A380 приходится идти на компромисс с эффективностью, чтобы поддерживать размах крыльев ниже предела в 80 метров в большинстве аэропортов, но закрытое крыло с оптимальным размахом крыльев может быть короче, чем у традиционных конструкций, что потенциально позволяет создавать даже более крупные самолеты. использовать существующую инфраструктуру. [ 24 ]
C-крыло
[ редактировать ]C-образное крыло представляет собой теоретическую конфигурацию, в которой большая часть верхней центральной части коробчатого крыла удалена, в результате чего создается крыло, которое складывается вверх и вниз на концах, но не соединяется снова в центре. C-образное крыло может достичь почти тех же характеристик вынужденного сопротивления, что и соответствующее коробчатое крыло, как показывают расчеты, показанные ниже. [ 25 ]
Каждый из первых трех рядов на иллюстрации показывает различную конфигурацию C-образного крыла, полученную посредством последовательности теоретических расчетов вынужденного сопротивления, в которых законцовки крыла сближаются, что приводит к предельному случаю справа, когда зазор был принят к нулю, а конфигурация стала крылом закрытого короба (называемым «квазизакрытым C-образным крылом», поскольку расчеты проводились в пределе, когда зазор стремился к нулю).
Параметр ε — оптимальный коэффициент аэродинамической эффективности. [ 25 ] и представляет собой отношение между аэродинамической эффективностью данного неплоского крыла и соответствующей эффективностью эталонного классического свободнонесущего крыла с тем же размахом крыла и полной подъемной силой. Обе эффективности оцениваются для соответствующих оптимальных распределений подъемной силы. Значения ε больше 1 указывают на более низкое индуцированное сопротивление, чем у классического свободнонесущего крыла, для которого ε = 1. [ 25 ]
Обратите внимание, что все конфигурации C-крыла имеют ε больше 1 и что существует небольшая разница (никакая разница до двух десятичных знаков, показанных в двух случаях) между конфигурациями со значительным разрывом (вторая запись в каждой строке). и соответствующая закрытая конфигурация (третья запись в каждой строке). Это связано с тем, что оптимальная подъемная нагрузка, рассчитанная для квазизакрытых корпусов, очень мала в верхней центральной части, и эту часть крыла можно снять с небольшим изменением подъемной силы или сопротивления.
Распределения подъемной силы, показанные здесь для квазизакрытых случаев, отличаются от тех, которые обычно показаны для коробчатых крыльев в классической литературе (см., например, Дюран, рисунок 81). [ 2 ] Классическое решение Дюрана было получено с помощью анализа конформных отображений, который оказался сформулирован таким образом, что приводил к равным восходящим нагрузкам на горизонтальные панели ящика. Но оптимальное распределение подъемной силы не уникально. [ 1 ] Постоянная внутренняя нагрузка (соответствующая определенной постоянной циркуляции) может быть добавлена к классической нагрузке, подобной той, что показана Дюраном, чтобы получить нагрузку, подобную той, которая приведена в квазизакрытых случаях ниже. Два метода анализа дают по-разному выглядящие версии оптимальной нагрузки, которые принципиально не отличаются. За исключением небольших различий, обусловленных численным методом, используемым для квазизакрытых случаев, эти два вида нагружения, в принципе, представляют собой просто сдвинутые версии друг друга.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Кроо, Илан (июнь 2005 г.). Концепции неплоского крыла для повышения эффективности самолетов (PDF) . Серия лекций ВКИ по инновационным конфигурациям и передовым концепциям будущих гражданских самолетов. Архивировано (PDF) из оригинала 07 марта 2022 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б фон Карман, Th. ; Бургерс, Дж. М. (1935). Дюран, Уильям Ф. (ред.). Раздел E: Общая аэродинамическая теория – идеальные жидкости . Аэродинамическая теория: общий обзор прогресса в рамках гранта Фонда Гуггенхайма по развитию аэронавтики. Том. 2. Берлин : Юлиус Шпрингер . дои : 10.1007/978-3-642-91485-0 . ISBN 978-3-642-89628-6 .
- ^ Льюис, Питер М.Х. (1962). Британские самолеты 1809–1914 гг . Лондон : Патнэм . стр. 340–343. LCCN 64035723 . ОСЛК 1301968 . ОЛ 5924340М .
- ^ «Хейнкель Лерхе (Жаворонок)» . Военный завод . 27.10.2020. Архивировано из оригинала 28 декабря 2021 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- ^ Дэвис, Джереми (июль 2012 г.). «Отменено: вертикальный флаер» . Воздух и космос/Смитсоновский институт . ISSN 0886-2257 . OCLC 1054386888 . Архивировано из оригинала 7 апреля 2022 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- ^ Патент США 4365773 , Волкович, Джулиан, «Самолет с совмещенным крылом», выдан 28 декабря 1982 г.
- ^ «Технологии будущего и типы самолетов» . Стэнфордский университет . Архивировано из оригинала 12 июля 2012 г. Проверено 4 июля 2012 г.
- ^ Волкович, Джулиан (1 марта 1986 г.). «Присоединенное крыло - Обзор» . Журнал самолетов . 23 (3): 161–178. дои : 10.2514/3.45285 . ISSN 0021-8669 .
- ^ «Типы смешанных крылышек и спиральная технология» . Авиационные партнеры . Архивировано из оригинала 18 мая 2021 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- ^ Патент США 5102068 , Гратцер, Луис Б., «Крыло со спиральной законцовкой», выдан 7 апреля 1992 г., передан компании Aviation Partners Boeing.
- ^ Грейди, Мэри (12 июня 2012 г.). «FlyNano переходит на электродвигатель и начинает «испытательные полеты» » . AVweb . Архивировано из оригинала 7 апреля 2022 г. Проверено 7 июля 2012 г.
- ^ ФлайНано (12 июня 2012 г.). «Воздушно-десантный» . Архивировано из оригинала 16 марта 2022 г. Проверено 7 июля 2012 г.
- ^ "ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ САМОЛЕТ С ОВАЛЬНЫМ КРЫЛОМ OW-1" . Белорусский авиадневник . Belarus Aerospace Museum - Borovaya . Retrieved 2024-05-16 .
- ^ «Неплоские крылья: закрытые системы» . Стэнфордский университет . Архивировано из оригинала 11 августа 2011 г. Проверено 4 июля 2012 г.
- ^ «Турбо-туннельный плавник» . ТурбоТуннель . Архивировано из оригинала 12 июня 2021 г. Проверено 13 апреля 2022 г.
- ^ Барнсторф, Кэти (27 января 2012 г.). «Новые идеи способствуют повышению экологичности самолетов» . НАСА . Исследовательский центр НАСА в Лэнгли. Архивировано из оригинала 25 марта 2022 г. Проверено 17 декабря 2012 г.
- ^ Розенблюм, Эндрю; Пасторе, Роуз (1 мая 2012 г.). «Самолеты будущего» . Популярная наука . Архивировано из оригинала 08 декабря 2021 г. Проверено 17 декабря 2012 г.
- ^ Прандтль, Л. (1924). «Вынужденное сопротивление мультипланов». Технический Берихте . Национальный консультативный комитет по аэронавтике. Техническая записка № 182. 3 (7): 309–315. OCLC 1121049802 .
- ^ «История Лигети Стратоса» . ЛГТ Аэроспейс . 20 сентября 2010 г. Архивировано из оригинала 17 сентября 2013 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- ^ «Лигети Стратос» . Проект Plaisir (на французском языке). Архивировано из оригинала 02 января 2022 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- ^ Фредиани, Альдо (июнь 2005 г.). Крыло Прандтля . Серия лекций ВКИ по инновационным конфигурациям и передовым концепциям будущих гражданских самолетов. Архивировано из оригинала 7 апреля 2022 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б «ИДИНТОС» . Архивировано из оригинала 06 мая 2021 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- ^ Чиполла, Витторио; Фредиани, Альдо; Оливьеро, Ф.; Пинуччи, М.; Риццо, Эмануэле; Росси, Р. (01 июля 2016 г.). «Сверхлегкий самолет-амфибия PrandtlPlane: окончательный проект» . Аэротехника Ракетно-космическая промышленность . 95 (3): 125–135. Бибкод : 2016АэМиС..95..125С . дои : 10.1007/BF03404721 . hdl : 11568/867708 . ISSN 0365-7442 . S2CID 195242441 . Архивировано из оригинала 7 апреля 2022 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- ^ Фредиани, Альдо; Чиполла, Витторио; Риццо, Эмануэле (2012). «Конфигурация PrandtlPlane: обзор возможных применений в гражданской авиации» . В Бутаццо, Г.; Фредиани, Альдо (ред.). Вариационный анализ и аэрокосмическая техника: математические проблемы аэрокосмического проектирования . Оптимизация Springer и ее приложения. Том. 66. Бостон : Спрингер . стр. 179–210. дои : 10.1007/978-1-4614-2435-2_8 . ISBN 978-1-4614-2434-5 .
- ^ Jump up to: а б с Демаси, Лучано; Дипас, Антонио; Монегато, Джованни; Кавалларо, Рауно (10 января 2014 г.). «Инвариантная формулировка условий минимального индуцированного сопротивления неплоских систем крыла» . 52-е совещание по аэрокосмическим наукам . Научно-технический форум AIAA. Американский институт аэронавтики и астронавтики . дои : 10.2514/6.2014-0901 . ISBN 978-1-62410-256-1 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Филиппоне, Антонио (сентябрь 2006 г.). «Неплоские системы крыла» . Продвинутые темы по аэродинамике . Архивировано из оригинала 11 апреля 2021 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- «Расширенная конфигурация самолета» . Расширенная конфигурация самолета . Архивировано из оригинала 12 июня 2021 г. Проверено 7 апреля 2022 г.
- «Изображение Convair Model 49» . Архивировано из оригинала 29 октября 2007 г.