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.

* – длина хорды крыла
** – общее, включая хвостовое оперение и обтекатель кабины пилота

Источники: 

1. Rodney McGann (Santa Cruz): Aircraft Wing Fen-ce. US-Patentschrift 4.238.094.
2. Doppel-Seitenleitwerke. In: Luftwissen 7 (1940) Nr. 3, S. 61.
3. W. Mangler: Die Auftriebsverteilung am Tragflügel mit Endscheiben. In: Luftfahrtforschung Bd. 14, Lfg. 11, S. 564 ff.
4. 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