В статье рассмотрено применение аэродинамических законцовок крыла самолета, механика их работы, а также история их появления и различные виды.
Ключевые слова: аэродинамические законцовки, винглеты, шарклеты, индуктивное сопротивление, экономия топлива.
Современная авиаиндустрия создает все более эффективные самолеты с точки зрения эксплуатации. Авиакомпании хотят, чтобы их лайнеры как можно больше летали, были дешевле в обслуживании и потребляли меньше топлива. Последнее очень важно, ведь оплата керосина — это около 30 % от всех расходов авиакомпании, а какое-то время назад и вовсе около половины. Поэтому для производителей гражданской авиатехники проблема экономии топлива является самой важной.
Решают ее преимущественно с помощью совершенной аэродинамики планера и более эффективных двигателей. Но каждый следующий шаг по увеличению топливной эффективности дается с еще большим трудом. Ведущие производители турбовентиляторных двигателей считают, что смогут в ближайшие два-три десятилетия повысить КПД своих разработок с нынешних 40 до 60 %. И все предпосылки к этому имеются: каждое новое поколение турбовентиляторных двигателей в среднем потребляет топлива на 10–12 % меньше, чем предыдущее.
А у авиаконструкторов все намного сложнее. Совершенство аэродинамической компоновки современных пассажирских лайнеров достигло предела, и если какое-то нововведение по части аэродинамики позволит сэкономить от нескольких десятков до пары процентов топлива, то это считается огромным успехом. Ведущие авиастроительные компании мира ведут в этом направлении постоянную работу.
Специальные законцовки крыла — это еще один из способов повысить топливную эффективность. Аэродинамическое сопротивление включает в себя три составляющие: сопротивление давления, сопротивление трения и индуктивное сопротивление, для уменьшения которого и применяют специальные законцовки. Сопротивление давления зависит от формы обтекаемого тела, а сопротивление трения зависит от шероховатости обтекаемого тела. При обтекании крыла давление воздуха над верхней и под нижней поверхностью разное: внизу больше, вверху меньше — как раз за счет этого и создается подъемная сила. В корневой и средней частях крыла воздух перетекает от передней кромки к задней, а около законцовки воздушный поток, который стремится перейти из зоны высокого давления в зону низкого перетекает из-под нижней поверхности на верхнюю через законцовки, при этом поток закручивается и образует вихревые жгуты, энергию на образование которых и называют индуктивным сопротивлением [1].
Существует всего три известных способа борьбы с индуктивным сопротивлением, и все они используются в той или иной степени. Первый — использование специальных аэродинамических законцовок, который оптимизирует перетекание потока воздуха через них. Второй способ — применение отрицательной крутки на концах консоли крыла. Третий — увеличение удлинения крыла.
Аэродинамические законцовки крыла на современных самолетах появились в 80-х годах, хотя работы по этой теме велись еще во времена фашистской Германии и даже раньше. Первые патенты на устройство законцовок крыла, которое уменьшает вихреобразование, были зарегистрированы еще в самом начале 20-го века.
Во времена топливного кризиса, который разразился в 70-х годах, авиастроители всерьез озаботились проблемой сокращения потребления топлива. В это время и вспомнили про снижение индуктивного сопротивления с помощью аэродинамических законцовок крыла. С начала 80-х годов они стали появляться на серийных пассажирских самолетах и бизнес-джетах.
В 1985 году Airbus A310 стал первым лайнером, который получил специальные законцовки. Их еще называют «крылышки Уиткомба», названные в честь исследователя NASA Ричарда Уиткомба, который и придумал такую форму. Затем эти крылышки появились на других самолетах: на среднемагистральном A320 и двухпалубном A380. Использовали такой тип законцовок и на самолете Ан-158. Однако эти крылышки были не особо эффективны — экономия топлива не более 1–1,5 %.
В конце 80-х появился вид законцовок, за которым закрепилось название винглеты, образованное от английского слова «winglet», что в переводе на русский означает «крылышко». Винглеты устанавливали на Boeing 747–400, советских Ил-96 и Ту-204, европейских Airbus A340 и A330, имеются они даже на самых современных узкофюзеляжных Bombardier C-series. Подобные законцовки крыла обеспечивают топливную экономию не более 3 % [2].
Вскоре появились еще более эффективные законцовки этого типа. Американская компания Aviation Partners Inc. в начале 90-х разработала и запатентовала новые винглеты, которые отличались плавным изгибом и переходом от крыла. Сначала ими оснащали некоторые бизнес-джеты Gulfstream и Falcon. В процессе испытания оказалось, что винглеты такой конструкции дают топливную экономию для бизнес-джета около 5–7 %, и это было большим успехом. Компания Boeing под впечатлением таких результатов начала оснащать ими большинство узкофезюляжных лайнеров Boeing 737NG, которые появились в конце 90-х. Экономия топлива составила около 3–4 %. Затем винглеты такой же формы появились в качестве опции еще для двух лайнеров Boeing — узкофюзеляжного 757 и широкофюзеляжного 767.
Airbus начал оснащать семейство A320 фактически аналогичными винглетами с плавным переходом, только придумал свое собственное название — шарклеты [3]. Они доступны в качестве опции для A320, выпущенных после 2012 года, а на новой линейке A320neo шарклеты устанавливаются штатно. Экономия составила все те же 3–4 %, что и для Boeing 737.
Помимо вертикальных законцовок крыла, бывают и горизонтальные. Впервые они появились на широкофюзеляжных лайнерах компании Boeing. Эти законцовки получили название Raked wingtips, которые у нас принято называть гребневыми. Впервые в 1999 году они появились на Boeing 767–400 Extended Range, затем на поздних модификациях Boeing 777 увеличенной дальности. Новый Boeing 747–8 также получил гребневые законцовки вместо обычных винглетов, которые устанавливали на предыдущие версии 747–400. Самая эффективная аэродинамическая законцовка появилась на Boeing 787 Dreamliner. Вот только на этом не стали останавливаться и впервые в истории пассажирской авиации законцовки крыла длиной в 3,5 метра станут складными.
Гребневые законцовки имеют несколько преимуществ над винглетами. Во-первых, гребневые законцовки еще более эффективны в плане экономии топлива, чем винглеты с плавным переходом — в среднем еще на 1,5 %. Во-вторых, с ними более плавный полет в зоне турбулентности, в отличие от вертикальных винглетов. В-третьих, они создают дополнительную подъемную силу, что позитивно сказывается на взлетно-посадочных режимах. Но гребневые законцовки не могут установлены на такие самые массовые самолеты, как Airbus A320 и Boeing 737. По правилам ICAO размах крыла магистрального узкофюзеляжного самолета не должен превышать 36 метров. Поэтому на этих самолетах устанавливают вертикальные законцовки, а чтобы обойтись без них, нужно полностью перепроектировать крыло, что нецелесообразно. Отсюда и появляются гибридные законцовки, вроде тех, что установлены на новой версии Boeing 737 MAX. А на новых самолетах, где крыло спроектировано заново и проходит под лимиты ICAO, стараются использовать гребневые законцовки.
Гребневые законцовки появились и на крыло российского Sukhoi Superjet 100. Похожие законцовки появились и на новой версии Airbus A330neo. А вот Airbus A350 разработали законцовки с плавным изгибом — гибрид винглетов и гребневых законцовок.
Литература:
- Индуктивное сопротивление в аэродинамике. — Текст: электронный // Реальная физика: [сайт] — URL: http://bourabai.ru/physics/1343.html (дата обращения: 30.07.2021).
- Законцовки крыла, винглеты и прочие штучки в борьбе с индуктивным сопротивлением. — Текст: электронный // Авиация, понятная всем: [сайт] — URL: http://avia-simply.ru/zakoncovki-krila-winglets/ (дата обращения: 30.07.2021).
- Винглеты, шарклеты и с чем их едят. — Текст: электронный // WorldAvia: [сайт] — URL: http://worldavia.net/blogs/65 (дата обращения: 30.07.2021)
