Закрылок (аэронавтика)

Закрылки задней кромки выдвинуты справа на типичном авиалайнере ( Airbus A310-300 ). Предкрылки передней кромки также выдвинуты слева.

Закрылок устройство , — это обеспечивающее большую подъемную силу, для уменьшения скорости сваливания крыла самолета используемое при заданном весе. Закрылки обычно устанавливаются на задней кромке самолета крыла . Закрылки используются для уменьшения взлетной и посадочной дистанций. Закрылки также увеличивают лобовое сопротивление , поэтому они убираются, когда в этом нет необходимости.

Закрылки, установленные на большинстве самолетов, представляют собой закрылки с частичным размахом; по размаху от корневой части крыла до внутреннего конца элеронов . Когда закрылки с неполным размахом выдвинуты, они изменяют распределение подъемной силы на крыле по размаху, заставляя внутреннюю половину крыла обеспечивать увеличенную часть подъемной силы, а внешнюю половину - меньшую часть подъемной силы. Уменьшение доли подъемной силы, создаваемой внешней половиной крыла, сопровождается уменьшением угла атаки внешней половины крыла. Это выгодно, поскольку увеличивает запас над сваливанием внешней половины, сохраняя эффективность элеронов и уменьшая вероятность асимметричного сваливания и вращения . Идеальное распределение подъемной силы по крылу является эллиптическим, и выдвижение закрылков с частичным размахом приводит к значительному отклонению от эллиптического. Это увеличивает сопротивление, вызванное подъемной силой , что может быть полезно при заходе на посадку и посадке, поскольку позволяет самолету снижаться под более крутым углом.

Выдвижение закрылков увеличивает развал или кривизну крыла, повышая максимальный коэффициент подъемной силы или верхний предел подъемной силы, которую может создать крыло. Это позволяет самолету создавать необходимую подъемную силу на более низкой скорости, уменьшая минимальную скорость (известную как скорость сваливания), при которой самолет может безопасно поддерживать полет. Для большинства конфигураций самолетов полезным побочным эффектом выпуска закрылков является уменьшение угла тангажа самолета, что приводит к опусканию носовой части самолета, тем самым улучшая обзор взлетно-посадочной полосы над носовой частью самолета во время посадки.

Существует множество различных конструкций закрылков, конкретный выбор которых зависит от размера, скорости и сложности самолета, на котором они будут использоваться, а также от эпохи, в которой самолет был спроектирован. плоские створки, створки с прорезями и створки Фаулера Наиболее распространены . Закрылки Крюгера расположены на передней кромке крыльев и используются на многих реактивных авиалайнерах.

Закрылки типов Фаулера, Фейри-Янгмана и Гуджа увеличивают площадь крыла в дополнение к изменению развала. Большая подъемная поверхность снижает нагрузку на крыло , что еще больше снижает скорость сваливания.

Некоторые закрылки установлены в другом месте. Закрылки образуют переднюю кромку крыла и при раскрытии поворачиваются вниз, увеличивая развал крыла. Гоночный самолет de Havilland DH.88 Comet имел закрылки, расположенные под фюзеляжем и впереди задней кромки крыла. Многие бипланы серии Waco Custom Cabin имеют закрылки в середине хорды на нижней стороне верхнего крыла.

Принципы работы

Общее уравнение подъемной силы самолета демонстрирует следующие соотношения:

$L={\tfrac {1}{2}}\rho V^{2}SC_{L}$

где:

• L — количество Подъёмной силы , произведенной
• $\rho$ плотность воздуха,
• V - истинная воздушная скорость самолета или скорость самолета относительно воздуха.
• S - площадь крыла
• $C_{L}$ - коэффициент подъемной силы , который определяется формой используемого профиля и углом, под которым крыло встречается с воздухом (или углом атаки).

Здесь видно, что увеличение площади (S) и коэффициента подъемной силы ( $C_{L}$) позволяют создавать аналогичную подъемную силу при более низкой скорости полета (V). Таким образом, закрылки широко используются для коротких взлетов и посадок ( КВП ).

Три оранжевых гондолы представляют собой обтекатели , упрощающие работу гусеничных механизмов закрылков. Закрылки (по два с каждой стороны на Airbus A319 ) лежат прямо над ними.

Выпуск закрылков также увеличивает коэффициент лобового сопротивления самолета. Следовательно, при любом весе и скорости полета закрылки увеличивают силу сопротивления . Закрылки увеличивают коэффициент лобового сопротивления самолета из-за более высокого индуцированного сопротивления , вызванного искаженным распределением подъемной силы по размаху крыла с выпущенными закрылками. Некоторые закрылки увеличивают площадь крыла, и при любой заданной скорости это также увеличивает паразитную составляющую общего сопротивления.

Закрылки во время взлета

В зависимости от типа самолета закрылки могут быть частично выпущены при взлете . При использовании во время взлета закрылки меняют расстояние до взлетно-посадочной полосы на скорость набора высоты: использование закрылков уменьшает качку земли, но также снижает скорость набора высоты. Количество закрылков, используемых при взлете, специфично для каждого типа самолета, и производитель предложит пределы и может указать ожидаемое снижение скорости набора высоты. В Cessna 172S Руководстве по эксплуатации рекомендуется угол поворота закрылков при взлете 10°, если земля мягкая или взлетно-посадочная полоса короткая, в противном случае используется угол 0 градусов.

Закрылки при приземлении

Закрылки во время разворота после приземления с поднятыми спойлерами, что увеличивает лобовое сопротивление.

Североамериканский учебно-тренировочный самолет Т-6 с разрезными закрылками.

Закрылки могут быть полностью выпущены для посадки, чтобы обеспечить самолету меньшую скорость сваливания, чтобы заход на посадку мог выполняться медленнее, что также позволяет самолету приземлиться на более коротком расстоянии. Более высокая подъемная сила и сопротивление, связанные с полностью выпущенными закрылками, позволяют осуществлять более крутой и медленный заход на посадку, но создают трудности в управлении самолетами с очень низкой нагрузкой на крыло (т. е. имеющими небольшой вес и большую площадь крыла). Ветер поперек траектории полета, известный как боковой ветер , заставляет наветренную сторону самолета создавать большую подъемную силу и сопротивление, заставляя самолет крениться, отклоняться от курса и отклоняться от намеченной траектории полета, и в результате многие легкие самолеты приземляются с уменьшенной скоростью полета. настройки закрылков при боковом ветре. Кроме того, когда самолет находится на земле, закрылки могут снизить эффективность тормозов, поскольку крыло все еще создает подъемную силу и не позволяет всему весу самолета опираться на шины, тем самым увеличивая тормозной путь, особенно на мокрой или обледенелой дороге. условия. Обычно пилот поднимает закрылки как можно скорее, чтобы этого не произошло.

Маневрирующие закрылки

Некоторые планеры используют закрылки не только при приземлении, но и в полете, чтобы оптимизировать развал крыла для выбранной скорости. Во время прохождения термиков закрылки могут быть частично выпущены, чтобы уменьшить скорость сваливания, чтобы планер мог лететь медленнее и тем самым уменьшить скорость снижения, что позволяет планеру более эффективно использовать поднимающийся воздух в потоке и разворачиваться на меньшем расстоянии. круг, чтобы наилучшим образом использовать ядро ​​термического потока . при пикировании На более высоких скоростях используется отрицательная установка закрылков для уменьшения момента тангажа . Это уменьшает балансирующую нагрузку, необходимую на горизонтальный стабилизатор , что, в свою очередь, уменьшает балансировочное сопротивление, связанное с поддержанием планера в продольном балансе. Отрицательный закрылок также может использоваться на начальном этапе буксировки и в конце разбега для обеспечения лучшего управления элеронами .

Как и планеры, некоторые истребители, такие как Nakajima Ki-43, также используют специальные закрылки для улучшения маневренности во время воздушного боя, что позволяет истребителю создавать большую подъемную силу на заданной скорости, что позволяет выполнять гораздо более крутые повороты. Используемые для этого закрылки должны быть разработаны специально для того, чтобы выдерживать большие нагрузки, и большинство закрылков имеют максимальную скорость , с которой они могут быть развернуты. с линией управления Модели самолетов , созданные для соревнований по точному пилотажу , обычно имеют систему маневрирующих закрылков, которая перемещает их в направлении, противоположном рулям высоты, чтобы помочь уменьшить радиус маневра.

Треки закрылков

Гусеницы закрылков, чаще всего изготавливаемые из стали PH и титана, управляют закрылками, расположенными на задней кромке крыльев самолета. Выдвижные закрылки часто перемещаются по направляющим. Если они выходят за пределы конструкции крыла, их можно установить в обтекатель, чтобы оптимизировать их и защитить от повреждений. Некоторые обтекатели закрылков спроектированы так, чтобы действовать как противоударные тела , которые уменьшают сопротивление, вызываемое локальными звуковыми ударными волнами, когда воздушный поток становится околозвуковым на высоких скоростях.

Распорные ворота

Упорные заслонки или зазоры в задних закрылках могут потребоваться для минимизации помех между потоком двигателя и выпущенными закрылками. При отсутствии внутреннего элерона, который во многих установках закрылков обеспечивает зазор, может потребоваться модифицированная секция закрылка. Затвор на Боинге 757 представлял собой однощелевой закрылок между внутренним и внешним двухщелевым закрылками. У A320 , A330 , A340 и A380 нет внутренних элеронов. В сплошном однощелевом закрылке не требуется упорная заслонка. Вмешательство в уход на второй круг, когда закрылки все еще полностью выпущены, может привести к увеличению сопротивления, которое не должно ухудшать градиент набора высоты.

Виды лоскутов

Закрылки и подъемные устройства. Откидная створка Герни увеличена для наглядности. Выдувной щиток пропущен, так как он модифицирован из любого другого типа. Бледные линии обозначают линию движения, а зеленые — положение закрылков, используемое во время пикирования.

Обычный лоскут

Задняя часть аэродинамического профиля поворачивается вниз на простом шарнире, установленном в передней части закрылка. Королевский авиационный завод и Национальная физическая лаборатория в Соединенном Королевстве испытывали закрылки в 1913 и 1914 годах, но они так и не были установлены на реальный самолет. В 1916 году компания Fairey Aviation внесла ряд усовершенствований в самолет Sopwith Baby , который они восстанавливали, в том числе запатентованный механизм изменения развала, сделав Fairey Hamble Baby , как они его переименовали, первым самолетом, летающим с закрылками. Это были плоские закрылки полного размаха с элеронами, что делало его также первым экземпляром флаперонов. Однако Фейри был не одинок: вскоре в 1917 году компания Breguet установила автоматические закрылки в нижнее крыло своего Breguet 14 . разведывательного бомбардировщика Из-за большей эффективности других типов закрылков простой закрылок обычно используется только там, где требуется простота.

Разделенный клапан

Задняя часть нижней поверхности аэродинамического профиля шарнирно откидывается вниз от передней кромки закрылка, а верхняя поверхность остается неподвижной. Это может привести к большим изменениям продольного дифферента, к наклону носа либо вниз, либо вверх. При полном отклонении разделенные закрылки действуют как спойлер, значительно увеличивая коэффициент лобового сопротивления. Это также немного увеличивает коэффициент подъемной силы. Он был изобретен Орвиллом Райтом и Джеймсом М.Х. Джейкобсом в 1920 году, но стал обычным явлением только в 1930-х годах, а затем был быстро вытеснен. Douglas DC-1 (прародитель DC-3 и C-47) был одним из первых из многих типов самолетов, в которых использовались разъемные закрылки.

Щелевой клапан

Зазор между закрылком и крылом нагнетает воздух под высоким давлением из-под крыла над закрылком, помогая воздушному потоку оставаться прикрепленным к закрылку, увеличивая подъемную силу по сравнению с разделенным закрылком. Кроме того, подъемная сила по всей хорде основного профиля значительно увеличивается, поскольку скорость воздуха, покидающего его заднюю кромку, увеличивается с типичных 80% набегающего потока без закрылков до скорости потока воздуха с более высокой скоростью и более низким давлением. вокруг передней кромки закрылка с прорезями. Любой закрылок, который позволяет воздуху проходить между крылом и закрылком, считается закрылком с прорезями. Заслонка с прорезями стала результатом исследований компании Handley-Page , варианта прорези, который датируется 1920-ми годами, но широко не использовался намного позже. Некоторые закрылки используют несколько слотов для дальнейшего усиления эффекта.

Заслонка Фаулера

Разделенный закрылок, который сдвигается назад, а затем поворачивается вниз, тем самым увеличивая первую хорду, а затем развал. Закрылок может составлять часть верхней поверхности крыла, как простой закрылок, а может и нет, как разделенный закрылок, но перед опусканием он должен сдвинуться назад. Отличительной особенностью, отличающей его от Gouge Flap, является наличие эффекта прорези.

Закрылок был изобретен Харланом Д. Фаулером в 1924 году и испытан Фредом Вейком в NACA в 1932 году. Впервые использованный на прототипе Martin 146 в 1935 году, он поступил в производство на Lockheed Super Electra 1937 года . и по-прежнему широко используется на современных самолетах, часто с несколькими слотами.

Юнкерс закрылок

Плоский закрылок с прорезями, закрепленный под задней кромкой крыла и вращающийся вокруг его передней кромки. Когда он не используется, он имеет большее сопротивление, чем другие типы, но более эффективен в создании дополнительной подъемной силы, чем простой или разделенный закрылок, сохраняя при этом свою механическую простоту. Изобретенные Отто Мадером в компании Junkers в конце 1920-х годов, их чаще всего можно было увидеть на Junkers Ju 52 и Junkers Ju 87 Stuka , хотя ту же базовую конструкцию можно встретить и на многих современных сверхлегких самолетах, таких как Denney Kitfox . Этот тип закрылка иногда называют закрылком с внешним профилем.

Лоскут строжки

Основная статья: Лоскут

Тип разделенного закрылка, который скользит назад по изогнутым гусеницам, что заставляет заднюю кромку опускаться вниз, увеличивая хорду и развал, не влияя на балансировку и не требуя каких-либо дополнительных механизмов. Он был изобретен Артуром Гуджем для компании Short Brothers в 1936 году и использовался на летающих лодках Short Empire и Sunderland , в которых использовался очень толстый аэродинамический профиль Shorts AD5. Short Brothers, возможно, была единственной компанией, использовавшей этот тип.

Лоскут Фейри-Янгмана

Опускается вниз (превращаясь в закрылок Юнкерса), затем сдвигается назад, а затем поворачивается вверх или вниз. Фейри был одним из немногих представителей этой конструкции, которая использовалась на Fairey Firefly и Fairey Barracuda . В выдвинутом положении его можно было повернуть вверх (до отрицательного угла падения), чтобы самолет мог пикировать вертикально без необходимости чрезмерного изменения дифферента.

Запорная заслонка

Закрылок Zap был изобретен Эдвардом Ф. Запаркой, когда он работал с Берлинером/Джойсом, и испытывался на General Airplanes Corporation Aristocrat в 1932 году, а затем периодически на других типах, но он мало использовался на серийных самолетах, кроме Northrop P-61. Черная Вдова . Передняя кромка закрылка установлена ​​на направляющей, а точка в середине хорды закрылка соединена через рычаг с шарниром чуть выше направляющей. Когда передняя кромка закрылка перемещается назад по гусенице, треугольник, образованный гусеницей, валом и поверхностью закрылка (закрепленной на шарнире), становится уже и глубже, заставляя закрылок опускаться вниз.

лоскут Крюгера

Основная статья: лоскут Крюгера

Откидной закрылок, который выдвигается из-под передней кромки крыла, но не образует часть передней кромки крыла в убранном состоянии. Это увеличивает развал и толщину крыла, что, в свою очередь, увеличивает подъемную силу и сопротивление. Это не то же самое, что откидной закрылок передней кромки, поскольку он формируется из всей передней кромки. Изобретенные Вернером Крюгером в 1943 году и испытанные в Геттингене, закрылки Крюгера встречаются на многих современных авиалайнерах со стреловидным крылом.

Откидная створка Герни

Основная статья: лоскут Герни

Небольшая фиксированная перпендикулярная лапка, составляющая от 1 до 2% хорды крыла, установленная на стороне высокого давления задней кромки аэродинамического профиля. Он был назван в честь гонщика Дэна Герни , который заново открыл его в 1971 году, и с тех пор использовался на некоторых вертолетах, таких как Sikorsky S-76B, для устранения проблем с управлением без необходимости прибегать к серьезной модернизации. Это повышает эффективность даже базовых теоретических профилей (состоящих из перекрывающихся треугольника и круга) до эквивалента обычного профиля. Этот принцип был открыт в 1930-х годах, но использовался редко, а затем был забыт. В поздних марках Supermarine Spitfire использовался борт на задней кромке рулей высоты, который работал аналогичным образом.

Передняя кромка закрылка

Вся передняя кромка крыла поворачивается вниз, эффективно увеличивая развал и слегка уменьшая хорду. Чаще всего встречается на истребителях с очень тонкими крыльями, которые не подходят для других устройств с высокой подъемной силой.

Перегоревший клапан

Основная статья: Перегоревший клапан

Тип системы управления пограничным слоем: выдувные закрылки пропускают вырабатываемый двигателем воздух или выхлопные газы через закрылки, чтобы увеличить подъемную силу сверх того, что достижимо с механическими закрылками. Типы включают оригинальную (заслонка с внутренним обдувом), которая продувает сжатый воздух от двигателя через верхнюю часть заслонки, заслонку с внешним обдувом, которая обдувает выхлопные газы двигателя через верхнюю и нижнюю поверхности заслонки, и обдув с верхней поверхности, которая выдувает выхлопные газы двигателя. над верхней частью крыла и закрылка. Хотя испытания проводились в Великобритании и Германии перед Второй мировой войной , и начались летные испытания, первый серийный самолет с выдувными закрылками появился только в 1957 году Lockheed T2V SeaStar . Обдув верхней поверхности использовался на самолете Boeing YC-14 в 1976 году.

Гибкий клапан

Основная статья: Адаптивное совместимое крыло

Также известен как FlexFoil . Современная интерпретация деформации крыла: внутренние механические приводы изгибают решетку, меняющую форму аэродинамического профиля. Он может иметь гибкое уплотнение зазора на переходе между фиксированным и гибким аэродинамическими профилями.

Флапероны

Основная статья: Флаперон

Тип поверхности управления самолетом , сочетающий в себе функции закрылков и элеронов .

Непрерывный закрылок задней кромки

По состоянию на 2014 год исследователи Исследовательской лаборатории армии США (ARL) в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли разработали конструкцию активных закрылков для лопастей несущего винта вертолета. Непрерывный закрылок с задней кромкой (CTEF) использует компоненты для изменения развала лопастей во время полета, устраняя механические шарниры и повышая надежность системы. Были построены прототипы для испытаний в аэродинамической трубе.

В январе 2016 года команда из ARL завершила испытание лопасти несущего винта с боевой стрельбой с технологией индивидуального управления лопастями. Эксперименты с боевой стрельбой исследовали баллистическую уязвимость технологий управления лопастями. На экспериментальной базе авиабазы ​​ARL исследователи произвели три выстрела, характерных для типичного наземного пожара, по секции лопастей несущего винта размахом 7 футов и хордой 10 дюймов с CTEF длиной 4 фута.

Связанные устройства

• передней кромки Предкрылки и прорези установлены на вершине передней кромки крыла, и, хотя они могут быть фиксированными или убирающимися, при раскрытии они образуют прорезь или зазор под предкрылком для нагнетания воздуха в верхнюю часть крыла, которая отсутствует. на клапане Крюгера. Они обеспечивают отличную подъемную силу и улучшают управляемость на низких скоростях. Предкрылки на передней кромке позволяют крылу летать под большим углом атаки, что уменьшает взлетную и посадочную дистанции. Закрылки других типов могут быть оснащены одной или несколькими прорезями для повышения их эффективности, что является типичной установкой многих современных авиалайнеров. Они известны как закрылки с прорезями, как описано выше. Фредерик Хэндли Пейдж экспериментировал с дизайном носовых и задних прорезей в 20-х и 30-х годах.
• Спойлеры предназначены для создания сопротивления и уменьшения подъемной силы за счет «портления» воздушного потока над крылом. Спойлер намного больше, чем створка Герни, и его можно убрать. Спойлеры обычно устанавливаются посередине хорды на верхней поверхности крыла, но могут быть установлены и на нижней поверхности крыла.
• Пневматические тормоза используются для увеличения лобового сопротивления, позволяя самолету быстро замедляться. При установке на крыльях они отличаются от закрылков и спойлеров тем, что не предназначены для изменения подъемной силы и имеют достаточно прочную конструкцию, чтобы их можно было раскрывать на гораздо более высоких скоростях.
• Элероны похожи на закрылки (и работают так же), но предназначены для обеспечения бокового управления, а не для изменения подъемных характеристик обоих крыльев вместе, и поэтому работают дифференцированно - когда элерон на одном крыле увеличивает подъемную силу, противоположный элероны этого не делают и часто работают на уменьшение подъемной силы. Когда элероны предназначены для опускания вместе с закрылками, их обычно называют флаперонами , а те, которые портят подъемную силу (обычно размещаются на верхней поверхности перед задней кромкой), их называют спойлеронами .

• 
  Обычная створка при полном отклонении.
• 
  Разделенный закрылок на бомбардировщике времен Второй мировой войны
• 
  Двойные щелевые закрылки Фаулера выдвинуты для посадки.
• 
  Закрылки Крюгера и задние закрылки с тремя прорезями Боинга 747, выдвинутые для посадки
• 
  Закрылки Юнкерса, выполняющие функцию элеронов .

См. также

• Воздушный тормоз (аэронавтика)
• Система управления полетом самолета
• Элерон
• Закрылки корпуса - тип аэроповерхностей с высоким лобовым сопротивлением, предназначенный для спуска ракетных аппаратов с очень большим углом атаки, особенно используемый при входе космических аппаратов в атмосферу. Закрылки корпуса проектируются таким образом, чтобы отводить как можно больше кинетической и потенциальной энергии во время почти вертикального снижения через атмосферу.
• Крыло контроля циркуляции
• Высотное устройство
• Передняя планка

Ссылки

Библиография

• Клэнси, ЖЖ (1975). «6». Аэродинамика . Лондон: Pitman Publishing Limited. ISBN  978-0-273-01120-0 .
• Ганстон, Билл, Кембриджский аэрокосмический словарь Кембридж, издательство Кембриджского университета, 2004 г., ISBN   978-0-521-84140-5 / ISBN   0-521-84140-2
• Уиндроу, Мартин К. и Рене Дж. Франсильон. Накадзима Ки-43 Хаябуса . Лезерхед, Суррей, Великобритания: Профильные публикации, 1965.