Концевые крыльевые шайбы конструкции Родни Мак-Ганна
Данный материал был переведен уважаемым коллегой NF, перевод был выполнен в сентябре 2014 года.
В данной статье будут описаны устанавливаемые на законцовки крыльев шайбы, назначением которых должно было стать снижение индуцированного сопротивления, вызванного набегающим потоком воздуха. Данные законцовки были разработаны Родни Мак-Ганном (Rodney McGann), который для снижения сопротивления набегающего потока воздуха предложил применять аэродинамические гребни («wing fence») – концевые шайбы со шлицами в виде плоского бугеля, которые должны были устанавливаться на верхних частях законцовок крыла. В процессе испытаний модели с такими шайбами были получены значительные результаты.
Первоначально в авиации были известны лишь «голые» крылья. Но вскоре за этим последовало понимание того, что у концевых частей крыльев вследствие повышенного давления под нижней поверхностью крыла и пониженного давления над верхней частью крыла находится зона, в которой давление уравнивается. Обтекающие концевые части крыльев воздушные потоки создают завихрения на кромках крыла. Из-за перемещения самолёта и крыльев в процессе полёта возникающие в данной пограничной зоне у крыльев завихрения создают значительное сопротивление.
Эти завихрения в пограничной зоне, получившие название «индуцированное сопротивление», составляют значительную часть суммарного сопротивления воздушного потока, создаваемого самолётом. Поэтому вполне понятно, почему начались интенсивные исследования, направленные на поиски средств и путей, при помощи которых можно было бы уменьшить его воздействие.
Для снижения индуцированного сопротивления имелось множество возможностей, например, изменение профиля крыла ближе к законцовкам, крутка крыла (Schränkung), экстремальное сужение, большое удлинение или применение концевых шайб.
Концевые шайбы представляют собой вертикально установленные на концевых частях крыльев пластины, ориентированные по направлению полёта самолёта. При соответствующих размерах и форме концевые шайбы позволяют значительно снизить индуцированное сопротивление.
Подбор условий, при которых эффективность этих шайб особенно велика и возникающие побочные явления будут как можно менее действенными, стал причиной, по которой с концевыми шайбами много экспериментировали. Так, например, исследовали малые и большие по размерам, прямые и с изгибом, симметричные и несимметричные шайбы всех возможных форм, установленные на концевых частях крыльев и стабилизаторов. Исследовались даже односторонние шайбы, которые устанавливали только на одной консоли крыла.
Поначалу шайбы использовались на несущих плоскостях планеров (например, на построенном в Штуттгарте специальной технической группой планере «Fledermaus»). Позднее шайбы устанавливали в основном на стабилизаторах хвостового оперения. Кроме преимуществ данные шайбы создавали и ряд недостатков. В зависимости от расположения и величины поперечных сил и изгибающих моментов, требовавших увеличения прочности конструкции крыла, увеличивался и вес. Из-за возникновения этих недостатков шайбы не получили широкого распространения.
У винглетов («winglet») – современных наследников концевых шайб – эти недостатки значительно снижены. Установленные на оконцовках крыла примерно почти вертикально вверх маленькие дополнительные крылья удачно компенсируют все недостатки этого элемента конструкции: эти шайбы обеспечивают дополнительный прирост тяги. Самолет, имеющий подобные шайбы винглетам, расходует меньше топлива, чем самолёт с обычным крылом.
В ходе поисков оптимального варианта установки винглетов так же были исследованы их различные конфигурации. Сначала это были простые плоские винглеты, затем был собран некий агрегат с двумя и более такими дополнительными поверхностями, установленными в различных комбинациях по отношению друг к другу. Такие комбинации с возможностью перестановки отдельных элементов даже были даже необходимы для того чтобы винглеты были эффективны в широком диапазоне скоростей.
В то же время имелась опасность, что установка подобных дополнительных конструкций увеличит вес крыла и что потребуется осуществлять регулировку при помощи специального оборудования, сводящих на нет весь полученный положительный эффект. Далее возникли идеи, что винглет является элементом конструкции, которая при своей аэродинамически совершенной форме и высокой прочности будет соответствовать, пусть и в меньшей степени, несущей плоскости и что стоимость изготовления винглета будет в некоторой степени варьироваться.
В связи с этим исследовались другие формы старых добрых концевых шайб. Это имело особое значение, потому что изготовление таких шайб не создавало технических проблем. Стоимость их была сравнительно низка и вместе с тем обеспечивала бы преимущества, которые давало применение винглетов. Такая информация об исследованиях в данной области поступала из США. Затем новые шайбы стали очень небольшими, лёгкими и очень простой формы, то есть дешевыми при изготовлении.
Родни Мак-Ганн разработал свой вариант, получивший название «wing fence». Эта конструкция являлось разновидностью плоского бугеля установленного на верхней поверхности концевой части крыла. Длина шайбы составляет от 40 до 60 % длины хорды крыла. Высота равна примерно от 50 до 60 % толщины профиля крыла на его концевой части. Размер придающего определённую форму выреза соответствует примерно 1/10 всей площади шайбы, включая и сам этот вырез.
Проведённые исследования моделей при спокойном состоянии воздуха с небольшим относительным удлинением крыла (1:4) показали, что предложенные Мак-Ганном шайбы со шлицами в нормальном горизонтальном полёте позволяют получить аэродинамическое качество на 100% лучшее, чем с шайбами без шлицов. Узкие шлицы позволяли получить такое огромное преимущество. Мак-Ганн верил, что его «открытые» концевые шайбы обеспечат отсутствие обычных в прочих случаях завихрений потока воздуха у законцовок крыла и позволят потоку воздуха без возмущений обтекать верхнюю поверхность крыла.
Из данных, помещенных в таблице, видно насколько эффективно «открытые» концевые шайбы снижают сопротивление воздушному потоку в сравнении с обычными закрытыми концевыми шайбами. По сравнению с крылом без концевой шайбы аэродинамическое качество у варианта с маленькими открытыми концевыми шайбами улучшено на 50 %.
Это в любом случае интересные показатели. Насколько эти показатели, полученные при исследованиях моделей самолётов, окажутся верными для нормальных самолётов, необходимо еще установить. Это не требует больших затрат, и подобные результаты появятся уже в ближайшее время. Результат этих исследований, если он будет положительным, лишь не на много изменит внешний вид самолёта, а в части экономичности перевозок, возможно, станет значительным улучшением.
Рис. 1. Рисунок самолета Beech Bonanza показывает насколько мало будет отличаться машина после установки предложенных Мак-Ганном аэродинамических гребней
Рис. 2. Концевые шайбы обычной формы
Рис. 3. Винглеты, размещенные под и над крылом
Рис. 4. Схематическое изображение структуры воздушного потока около системы винглетов, состоящей из трех частей и зоны давления
Рис. 5. Разрезной гребень («Slotted fence») в варианте Е
Рис. 6. Модель, предложенная Мак-Ганном для исследований
Рис. 7. Исследованные Мак-Ганном 8 конфигураций (см. таблицу ниже)
Вариант (см. эскизы) | Конфигурация | Вес, г | Обратное аэродинамическое качество (Gleitzahl) | Угол планирования | Расположение центра тяжести в % от t* | Сопротивление**, г |
A | Закрытые концевые шайбы по всей длине хорды крыла (t) | 7,7 | 4,65 | 12,13° | 27,2 | 1,6189 |
B1 | Закрытые концевые шайбы. Форма и длина как у D, E, F (58% t) | 7,33 | 4,3 | 13,09° | 27,2 | 1,6603 |
B2 | Как B1, но расположены в средней части | 7,1 | 5,3 | 10,68° | 28,8 | 1,3164 |
C | Без концевых шайб | 5,4 | 5,4 | 10,49° | 28,5 | 0,9833 |
D | Концевые шайбы Мак-Ганна, со шлицами, 58% t длины, заднее расположение | 6 | 6,6 | 8,62° | 29,8 | 0,8988 |
E | Как D, но со средним расположением концевых шайб со шлицами, 58% t | 6,45 | 6,9 | 8,25° | 27,4 | 0,9251 |
F | Как D, но с передним расположением концевых шайб со шлицами, 58% t | 6,9 | 7,8 | 7,31° | 25,8 | 0,8774 |
G | Как F, но короче (прим. 50% t) | 6,9 | 8,1 | 7,04° | 25,8 | 0,8454 |
* – длина хорды крыла
** – общее, включая хвостовое оперение и обтекатель кабины пилота
Источники:
- Rodney McGann (Santa Cruz): Aircraft Wing Fen-ce. US-Patentschrift 4.238.094.
- Doppel-Seitenleitwerke. In: Luftwissen 7 (1940) Nr. 3, S. 61.
- W. Mangler: Die Auftriebsverteilung am Tragflügel mit Endscheiben. In: Luftfahrtforschung Bd. 14, Lfg. 11, S. 564 ff.
- O. Schrenk: Modellversuche über die Kräfte und Momente einer am Flügelende angesetzten Endscheibe. In: Luftfahrtforschung Bd. 14, Lfg. 11, S. 570 ff.
источник: Hans Justus Meier «Die McGann-Endscheibe» Luftfahrt international 10/81
