Форма крила та її вплив на аеродинамічну якість

Форма крила характеризується профілем крила, видом крила в планітавидом крила спереду. У свою чергу, профіль крила, вид у плані й вид спереду визначаються його геометричними розмірами.

2.8.1. Профіль крила

Профілем крила називається місцевий перетин крила площиною, паралельної площини симетрії. Крило має одну площину симетрії, що збігає із площиною симетрії ЛА. Основні геометричні елементи профілю крила показані на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Профіль крила.

Профіль крила характеризується його хордою b, товщиною с і кривизною (увігнутістю) f.

Двоопуклісиметричні профілі 1 або профілі з дуже малою кривизною застосовують у крилі швидкісних літаків. На не швидкісних літаках симетричні профілі використовуються в основному для органів оперення (кермо напрямку і кермо висоти).

Опукло-увігнуті профілі 2, що мають більшу несучу здатність, застосовувалися на зорі авіації на літаках братів Райт, Блерио та ін. Крило такого профілю створювало достатню піднімальну силу при дуже малих швидкостях польоту. На сучасних літаках опукло-увігнутий профіль створюється відхиленням закрилка та передкрилка.

Двоопуклі несиметричні профілі 3 c великою кривизною забезпечують не тільки достатню несучу здатність, але і велику міцність і жорсткість крила. Тому вони використовуються на не швидкісних важких літаках.

Плоско-опуклі профілі 4 дуже прості у виробництві й застосовуються на не швидкісних літаках.

S-образні профілі 5 - самостійкі. Застосовуються на “безхвостих” літаках.

Ламінізіровані профілі 6 мають велике значення абсциси Х_с, за рахунок чого подовжується ламінарна частина межового шару. Вони застосовуються на швидкісних дозвукових літаках.

Всі профілі з гострими кромками - чечевіцеобразні 7, ромбовидні 8 і дельтовидні 9 - використовуються на надзвукових літаках.

2.8.2. Вид крила в плані

Вид крила в планіявляє собою проекцію крила на базову площину, що проходить через центральну хорду перпендикулярно площини симетрії крила. Форми крила в плані представлені на рис. 2.29.

Рис. 2.29. Форми крила в плані.

Форма крила в плані може бути прямокутною (а), еліпсоїдною (б), трапецієподібною (в, г),стрілоподібною (д, е),трикутною (ж, з),ожівальною (і).

Форма крила в плані визначається розмахом l, площею S, подовженням λ, звуженням η і кутом стрілоподібності χ.

Розмах крила l - це найбільша відстань між кінцями крила, заміряна перпендикулярно до площини симетрії літака. Розмах крила залежить від призначення літака і зазвичай коливається від (8-10) м у легких літаків і до 50 м і більше у важких літаків. Наприклад, у літака Іл-62 l = 43,3 м, у літака Як-40 l = 25 м, у літака Ту-154 l = 37,5 м.

Площа крила S - це площа його проекції на площину хорд, в яку включається і частина площі, вписаної в фюзеляж літака S =l∙ b_ср. Площа крила виміряється у квадратних метрах. У сучасних літаків площа крила коливається від 12 до 400 м². Наприклад, у літака Іл-62 S = 282,2м², у літака Ту-154 S = 201м², у літака Як-40 S = 70м². Скорочення площі крила зменшує його геометричні розміри, що знижує лобовий опір крила.

Подовження крила λ - це відношенню квадрата розмаху крила до його площі λ = l² / S. В окремому випадку (для прямокутного крила) подовження - це відношення розмаху крила до довжини хорди: λ = l/b. Подовження характеризується витягностю крила уздовж розмаху. У сучасних літаків λ має значення від 2 до 15. Крило дозвукових літаків має λ = (6 - 9), надзвукових λ = (2 - 5). Так, у літака Іл-18 λ = 10, а у Іл-62 λ = 6,4. Подовження крила впливає на його аеродинамічну якість.

Звуження крила η - це відношення довжини кореневої хорди до довжини кінцевої хорди (рис. 2.29, е):

Звуження крила може мінятися від 1 (пряме) до ∞ (трикутне). Крило літака Іл-18 має звуження η = 3, а у крила літака Іл-62 - η = 4,1.

Стрілоподібність крила χ - це кут між лінією фокусів (лінією, що з'єднує точки, що лежать на 1/4 хорд від передньої кромки крила) і лінією, перпендикулярної до осі літака (рис. 2.29, е). Іноді стрілоподібність рахують по передній кромці крила літака. Стрілоподібсть впливає на аеродинамічну якість при польотах на великих швидкостях. Кут стрілоподібності крила сучасних літаків змінюється від 0° (дозвукове - прямокутне) до 80° (надзвукове - трикутне). На військових літаках застосовується крило зі стрілоподібностю, що змінюється.

Форми крила сучасних літаків багатообразні (рис. 2.29).

Крило прямокутної форми в плані (а) є найпростішим по конструкції, має великий коефіцієнт піднімальної сили С_y і застосовується на літаках з малими швидкостями польоту. Літаки з прямокутним крилом мають хороші злітно-посадочні характеристики, але зі збільшенням швидкості польоту в них різко збільшується коефіцієнт лобового опору С_x. На сучасних літаках прямокутне крило застосовується вкрай рідко через аеродинамічну недосконалість.

Найбільш аеродинамічне довершеною формою крила для не швидкісних літаків вважається еліпсоїдне крило (б), але через складність виробництва на сучасних літаках воно майже не застосовується.

Трапецієвідне крило (в, г) з подовженням λ = 10-15 і звуженням η = 1-3 широко використовується на не швидкісних літаках. На швидкісних літаках використовується пряме трапецієвідне крило (передня кромка крила стрілоподібна, а задня кромка пряма).

Пряме трапецієвідне крило має високий коефіцієнт піднімальної сили С_y, що дозволяє збільшити питоме навантаження на крило. Хороші злітно-посадочні характеристики літака забезпечуються при цьому ще і тим, що на прямому крилі можна розмістити ефективну механізацію, яка розширює діапазон експлуатаційних швидкостей.

При надзвукових швидкостях польоту різко збільшується коефіцієнт лобового опору С_x прямого крила. Ситуацію погіршує і те, що при переході через швидкість звуку у літаків із прямим крилом спостерігається значна зміна положення центра тиску, а значить і зміна балансування. Деякого поліпшення характеристик можна домогтися при використанні крила з невеликим подовженням і тонким надзвуковим профілем. Найважливішою перевагою прямого крила з малим подовженням у порівнянні зі стрілоподібним і трикутним (при такій же відносній товщині й подовженні) є кращі аеродинамічні характеристики (С_y і С_x) при приземленні.

Більшість сучасних реактивних літаків мають стрілоподібні крила (д, е), що пояснюється їх високими аеродинамічними характеристиками. Застосування стрілоподібного крила дозволило відносно просто перевершити швидкість звуку і робити польоти з надзвуковими швидкостями.

На деяких літаках використовуються крила, зі зламом передньої або задньої кромки. Фактично такі крила являють собою комбінацію двох крил різної стрілоподібності з малим подовженням (комбіноване крило). Використання змінної стрілоподібності дозволило при малій відносній товщині профілю отримати більшу будівельну висоту крила в кореневому перетині (біля фюзеляжу), де можна розмістити канали повітряних забірніків, ніші основних опор шасі, паливні баки, а також напливи перед крилом. Наявність напливу в кореневій частині крила зменшує зсув аеродинамічного фокусу назад при переході від дозвукової швидкості до надзвукової. Це приводить до зменшення втрат на балансування і забезпечує збереження необхідної стійкості. Ефективність крила з напливом значно зростає при оснащенні його носком, що відхиляється (або щитком), і висувними закрилками.

На швидкісних літаках широко використовуються стрілоподібні крила з кутом стрілоподібності χ > 30°, подовженням λ = 6 - 12, звуженням η = 2 - 4.

Ще одним типом крила, широко застосовуваним на надзвукових літаках, є трикутне крило (ж, з) (може мати задню кромку з невеликий позитивної або негативної стрілоподібністю). Маючи практично однакові аеродинамічні характеристики зі стрілоподібним крилом, трикутне крило має конструктивні і міцністні переваги. Завдяки великій хорді в кореневому перетині, можливе використання профілів з відносно малою товщиною. Переваги трикутногокриланайкраще проявляються при великих швидкостях польоту. Однак, трикутне крило має меншу аеродинамічну якість, що затрудняє досягнення великої висоти та дальності польоту. Для зменшення цих недоліків у трикутних крилах використовується передня кромка зі зламом або з кутом стрілоподібності, що плавно змінюється уздовж розмаху – так зване ожівальне (і) крило; носок, що відгинається, застосування стабілізатора або переднього горизонтального оперення (ПГО).

З ростом швидкостей польоту літаків росли труднощі із забезпеченням задовільних злітно-посадочних характеристик і дальності польоту. Це привело до необхідності створення літака зі змінюваної в польоті стрілоподібністюкрила: при прямому куті стрілоподібності досягалася максимальна піднімальна сила (хороші злітно-посадочні характеристики), а при стрілоподібному – максимальна швидкість.

2.8.3. Вид крила спереду

Геометричною характеристикою крила спереду є кут поперечного V крила, який утворений площиною хорд 1 і горизонтальною площиною 2 (рис. 2.30).

Рис. 2.30. Вид крила спереду.

Цей кут уважається позитивним, якщо кінці крила підняті, і негативним, якщо кінці крила опущені. Наявність поперечного V крила впливає на поперечну стійкість і керованість літака. На не швидкісних літаках поперечне V крила зазвичай має позитивне значення від +2 до +7°, у швидкісних літаків - негативне значення від -1 до -5°. У літака Як-40 поперечне V крила + 5°30'.

При проектуванні літальних апаратів вибирається така форма крила, що мала б найкращу аеродинамічну якість на основних експлуатаційних режимах польоту. Для цього крила різних форм або їх моделі продувають в аеродинамічних трубах, де і визначають їх аеродинамічні якості.

У крилах сучасних літаків цивільної авіації широко використовуються ламінізіровані профілі, застосовуються аеродинамічна і геометрична крутки. Цікавою особливістю крила літака Ту-154 є «перевернені» (з негативною кривизною) профілі в кореневій частині, за рахунок яких зменшується шкідливий взаємний вплив між крилом і фюзеляжем та забезпечується стійка робота двигунів.