O aripă în tehnologia aviației este o suprafață portantă care are o formă profilată în secțiune transversală în direcția fluxului și este proiectată pentru a crea portanță aerodinamică . O aripă de avion poate avea o formă diferită în plan, iar în termeni de deschidere - o formă diferită a secțiunilor în planuri paralele cu planul de simetrie al aeronavei, precum și diferite unghiuri de răsucire a secțiunilor din aceste planuri [1] .
Caracteristici geometrice - o listă de parametri, concepte și termeni utilizați pentru proiectarea unei aripi și determinarea numelor elementelor sale [2] :
Anvergura (L) - distanța dintre două avioane paralele cu planul de bază al aeronavei și care ating capetele aripii. [GHS 1990(p.55)] Coarda suprafeței de sprijin a aripii este un segment de linie dreaptă luat într-una dintre secțiunile aripii de un plan paralel cu planul de bază al aeronavei și delimitat de punctele din față și din spate ale profilului. Coarda aripii locale (b(z)) este un segment de linie dreaptă pe profilul aripii care leagă punctele anterioare și posterioare ale conturului profilului într-o secțiune dată de-a lungul anvergurei aripii. Lungimea coardei locale a aripii (b (z)) este lungimea segmentului de linie care trece prin punctele din spate și din față ale profilului aerodinamic în secțiunea locală de-a lungul anverității aripii. Coarda centrală a aripii (b 0 ) este coarda locală a aripii în planul de bază al aeronavei, obținută prin continuarea liniei muchiilor de față și de fugă ale aripii până la intersecția cu acest plan. [GHS 1990(p.54)] Lungimea coardei centrale a aripii (b 0 ) este lungimea segmentului dintre punctele de intersecție ale muchiilor de față și de fugă ale aripii cu planul de bază al aeronavei. [GHS 1990(p.54)] Coarda aripii la bord (b b ) - o coardă de-a lungul liniei de separare a aripii și a fuselajului în secțiunea aripii paralelă cu planul de bază al aeronavei. [GHS 1990(p.54)] Coarda de capăt a aripii (b la ) - coarda din secțiunea de capăt a aripii, paralelă cu planul de bază al aeronavei. Planul de referință al aripii este planul care conține coarda centrală a aripii și perpendicular pe planul de referință al aeronavei. [GHS 1990(p.43)] Zona aripii (S) - zona proiecției aripii pe planul de bază al aripii, inclusiv partea ventrală a aripii și extensiile aripii. [GHS 1990(p.55)] Secțiunea de control a aripii este o secțiune condiționată a aripii de un plan paralel cu planul de bază al aripii (z = const). [GHS 1990(16)] Curbura aripilor - abatere variabilă a liniei centrale a profilurilor aerodinamice de la coardele acestora; caracterizat printr-o concavitate relativă a profilului (raportul dintre abaterea maximă a liniei mediane de la coardă la lungimea coardei). [GHS 1990(16)] Suprafața mediană a aripii - formată din totalitatea tuturor liniilor medii ale profilelor aripii de-a lungul anverei; dat de obicei de unele legi ale modificării concavității profilului și răsucirea aripilor de-a lungul travei; cu o valoare constantă a răsucirii aripii și curbură zero a profilelor din care este compusă aripa, suprafața mediană este un plan. [GHS 1990(16)] Raportul de aspect al aripii (λ) este un parametru geometric relativ definit ca un raport: λ = L²/S; Îngustarea aripii (η) este parametrul geometric relativ al aripii, definit ca raportul: η = b 0 /b la ; Răsucirea geometrică a aripii este rotirea coardelor aripii de-a lungul deschiderii sale cu unele unghiuri (conform legii φ kr = f (z)), care sunt măsurate din plan, care este de obicei luat ca plan de bază. a aripii (cu condiția ca unghiul de înclinare a aripii de-a lungul coardei de bord să fie egal cu zero) . Este folosit pentru a îmbunătăți caracteristicile aerodinamice, stabilitatea și controlabilitatea în zborul de croazieră și la atingerea unghiurilor înalte de atac. Unghiul local al răsucirii geometrice a aripii (φkr(z)) este unghiul dintre coarda locală a aripii și planul său de bază, iar unghiul φkr (z) este considerat pozitiv atunci când punctul anterior al coardei locale este mai sus decât punctul din spate al aceluiași coard de aripă.Aripa poate fi împărțită în trei părți: semiplanurile stânga și dreaptă sau console și secțiunea centrală. Pentru aeronavele ușoare, cum ar fi Cessna-152 , Yak-12 și chiar și mai marele L-410, aripa are o structură dintr-o singură piesă, fără împărțire în părți. Fuzelajul poate fi realizat ca transportator (de exemplu, pe aeronavele Su-27 , F-35 , Su-57 ). Semiplanele, la rândul lor, pot include afluxul aripii și vârful . Expresia „aripi” este adesea găsită, dar este eronată în raport cu un monoplan , deoarece aripa este una și este formată din două semiplane. În cazuri rare, un monoplan poate avea și 2 aripi, de exemplu, Tu-144 avea o aripă frontală retractabilă suplimentară.
Forța de ridicare a aripii este creată prin schimbarea direcției fluxului de aer [3] [4] .
Una dintre cele mai comune explicații pentru principiul aripii este modelul de impact al lui Newton, propus de acesta în Principia Mathematica pentru un mediu extrem de rarefiat cu particule care nu se ciocnesc între ele (adică, pentru un mediu în care calea liberă medie este mult mai mare decât dimensiunea aripii): particulele de aer, care se ciocnesc de suprafața inferioară a aripii la un unghi față de flux, riesc elastic în jos conform celei de-a treia legi a lui Newton , împingând aripa în sus. Acest model simplificat ia în considerare legea conservării impulsului, dar neglijează complet curgerea în jurul suprafeței superioare a aripii, drept urmare oferă o portanță subestimată [5] . În acest caz, este ilegală utilizarea acestui model pentru un mediu în care calea liberă medie este mult mai mică decât dimensiunile caracteristice ale aripii.
Într-un alt model simplificat, apariția portanței este explicată prin diferența de presiune pe părțile superioare și inferioare ale profilului, care apare conform legii lui Bernoulli [6] : pe suprafața inferioară a aripii, debitul de aer este mai mic decât pe partea superioară, astfel încât ridicarea aripii este îndreptată de jos în sus; Această diferență de presiune este responsabilă pentru forța de ridicare. De asemenea, modelul este incorect din cauza relației incorecte unidirecționale dintre debitul și rarefacția [3] [7] [8] . În realitate, avem relația dintre unghiul de atac , rarefierea și viteza curgerii.
Pentru calcule mai precise , N. E. Jukovsky a introdus conceptul de circulație a vitezei curgerii ; în 1904 a formulat teorema lui Jukovski . Circulația cu viteză vă permite să țineți cont de înclinarea debitului și să obțineți rezultate mult mai precise în calcule. Unul dintre principalele deficiențe ale explicațiilor de mai sus este că acestea nu iau în considerare vâscozitatea aerului, adică transferul de energie și impuls între straturile individuale ale fluxului (care este ceea ce provoacă circulația). Suprafața solului poate avea un efect semnificativ asupra aripii, „reflectând” perturbațiile de curgere cauzate de aripă și revenirea unei părți a impulsului înapoi ( efect de sol ).
Fluxul de aer care urmează de-a lungul suprafeței superioare a aripii „se lipește” de ea și încearcă să urmeze de-a lungul acestei suprafețe chiar și după punctul de inflexiune al profilului aerodinamic ( efect Coanda ).
De fapt, fluxul în jurul unei aripi este un proces tridimensional foarte complex, neliniar și adesea non-staționar . Forța de ridicare a unei aripi depinde de aria sa, profilul, forma în plan, precum și de unghiul de atac , viteza și densitatea curgerii ( numărul Mach ) și de o serie de alți factori. Pentru a calcula forța de ridicare, se folosesc ecuațiile Navier-Stokes [3] (adică, calculul ia în considerare vâscozitatea, conservarea masei și a impulsului).
Poziția aripii față de fuzelaj este determinată de locația sa de-a lungul lungimii și înălțimii fuselajului, precum și de unghiul de instalare față de axa longitudinală. Locația aripii de-a lungul înălțimii fuselajului poate fi diferită: înaltă, medie și scăzută. În conformitate cu aceasta, aeronava este numită cu aripă înaltă , aripă medie și aripă joasă . Opțiunea de locație depinde de forma fuselajului, scopul aeronavei, tipul și locația motoarelor etc. Unghiul de instalare a aripii este ales astfel încât să fie egal cu unghiul de atac în cel mai tipic mod de zbor. În acest caz, fuzelajul este situat în aval și are cea mai mică rezistență.
Una dintre principalele probleme în proiectarea noilor aeronave este alegerea formei optime a aripii și a parametrilor acesteia (geometrice, aerodinamică, rezistență etc.).
Principalul avantaj al unei aripi drepte este coeficientul ridicat de portanță chiar și la unghiuri mici de atac . Acest lucru vă permite să creșteți semnificativ sarcina specifică pe aripă și, prin urmare, să reduceți dimensiunea și greutatea, fără teama de o creștere semnificativă a vitezei de decolare și aterizare. Acest tip de aripă este utilizat în aeronavele subsonice și transonice cu motoare cu reacție. Un alt avantaj al unei aripi drepte este fabricabilitatea, ceea ce face posibilă reducerea costurilor de producție.
Dezavantajul care predetermină inadecvarea unei astfel de aripi la viteze de zbor sonice este o creștere bruscă a coeficientului de rezistență atunci când valoarea critică a numărului Mach este depășită.
Aripa dreaptă este foarte sensibilă la turbulențele atmosferice și, prin urmare, efectul „puncurilor de aer” este bine resimțit la aeronavele cu mișcare lentă (în special la biplanele) și la planoarele cu aripă dreaptă.
Aripa măturată a devenit larg răspândită datorită diverselor modificări și soluții de proiectare.
Avantaje:
Defecte:
Pentru a scăpa de momentele negative, se utilizează răsucirea aripii , mecanizarea, unghiul variabil de măturare de-a lungul anverității, îngustarea inversă a aripii sau măturarea negativă.
Exemple de aplicații: Su-7 , Boeing 737 , Tu-134 , etc.
Aripă de aflux (animal)Variația aripii măturate . Acțiunile unei aripi ogivale pot fi descrise ca un flux în spirală de vârtejuri care se desprind de la marginea anterioară ascuțită a unei mișcări mari în partea din apropierea fuselajului aripii. Filmul vortex provoacă, de asemenea, formarea de zone vaste de joasă presiune și crește energia stratului limită de aer, crescând astfel coeficientul de ridicare. Manevrabilitatea este limitată în primul rând de rezistența statică și dinamică a materialelor structurale, precum și de caracteristicile aerodinamice ale aeronavei.
Exemple de aplicații: Tu-144 , Concorde
O aripă cu o mișcare negativă (adică cu o teșire înainte).
Avantaje:
Defecte:
Exemple de aplicații : avion de luptă HFB-320 Hansa civil în serie , avion de luptă experimental Su-47 Berkut .
Aripa triunghiulară ( în formă de delta în engleză delta-wing - și-a primit numele de la litera greacă delta ) este mai rigidă și mai ușoară decât atât dreptă cât și curățată și este cel mai des folosită la viteze peste M = 2.
Avantaje:
Defecte:
Exemple de aplicare : MiG-21 , HAL Tejas , Mirage 2000 (grosime relativă mică); Gloster Javelin , Avro Vulcan (ecartament mare), Avro Canada CF-105 Arrow , Saab 37 Viggen , avion supersonic de pasageri Lockheed L-2000 , Boeing-2707-300 [10]
Aripă trapezoidală .
Avantaje:
Exemple de aplicații : prototip F/A-18 , YF-23 .
Avantaje: are cel mai mare raport lift-to- drag dintre toate tipurile de aripi cunoscute [13] .
Dezavantaje: foarte greu de fabricat.
Exemple de aplicații : K-7 (URSS), Supermarine Spitfire .
Autorul tipului de aripă arcuită este designerul american Willard Custer, care în anii 1930-1950 a dezvoltat și construit mai multe avioane experimentale, pe care a aplicat schema aerodinamică pe care a inventat-o. Caracteristica sa principală, așa cum a fost concepută de Custer, a fost capacitatea unei aripi semicirculare de a crea, datorită formei sale, o portanță statică suplimentară. Cu toate acestea, Caster nu a reușit să dovedească conceptul la performanță viabilă, iar aripa arcuită nu a câștigat teren în industria aeronautică .
Custer a susținut că o ambarcațiune cu o astfel de aripă era capabilă să decoleze și să urce aproape vertical sau să plutească în același timp menținând viteza unui vehicul feroviar.
Aripa se caracterizează și prin grosimea relativă (raportul dintre grosime și lățime), la rădăcină și la capete, exprimată în procente.
aripă groasăAripa groasă vă permite să mutați momentul blocării într-un tailpin ( blocare ), iar pilotul poate manevra cu unghiuri mari și suprasarcină. Principalul lucru este că această stație pe o astfel de aripă se dezvoltă treptat, menținând în același timp un flux lin în jurul fluxului peste cea mai mare parte a aripii. În același timp, pilotul are ocazia de a recunoaște pericolul din cauza tremurării avioanului și de a lua măsuri la timp. O aeronavă cu o aripă subțire pierde brusc și brusc portanța pe aproape toată zona aripii, fără a lăsa nicio șansă pilotului [14] .
Exemple : TB-4 (ANT-16), ANT-20 , K-7 , Boeing Model 299, Boeing XB-15
Supercritical Airfoil (S.P.), un aerofoil subsonic al aripii care permite, la o valoare fixă a coeficienților forței de susținere și a grosimii profilului aerodinamic, creșterea semnificativă a numărului Mach critic . Pentru a crește viteza, este necesar să se reducă rezistența profilului aripii prin reducerea grosimii acestuia („aplatiza” profilul), dar în același timp este necesar să se mențină caracteristicile sale de greutate și rezistență. Soluția a fost găsită de inginerul american Richard Whitcomb. El a propus să facă o tăietură conică pe suprafața inferioară a spatelui aripii (o mică îndoire netedă a „cozii” aripii în jos). Fluxul care se extinde în decupaj a compensat schimbarea focalizării aerodinamice. Utilizarea profilelor aplatizate cu o parte din spate curbată face posibilă distribuirea uniformă a presiunii de-a lungul coardei profilului și, prin urmare, duce la o deplasare spre spate a centrului de presiune și, de asemenea, crește numărul Mach critic cu 10-15%. Astfel de profiluri au început să fie numite supercritice (supercritice). Destul de repede, au evoluat în profile supercritice ale generației a 2-a - partea din față se apropia simetrică, iar subtăierea a fost intensificată. Cu toate acestea, dezvoltarea ulterioară în această direcție s-a oprit - o tăiere și mai puternică a făcut ca marginea de fugă să fie prea subțire în ceea ce privește rezistența. Un alt dezavantaj al aripii supercritice de generația a 2-a a fost momentul de scufundare, care trebuia parat cu o sarcină pe coada orizontală. Deoarece nu puteți tăia în spate, trebuie să tăiați în față: soluția a fost pe cât de ingenioasă, pe atât de simplă - au aplicat un ornament în partea inferioară din față a aripii și au redus-o în spate. Iată un scurt istoric al evoluției profilurilor aerodinamice în imagini. Profilele supercritice sunt utilizate în aviația de pasageri, oferind cel mai bun raport între economie, greutate structurală și viteza de zbor.
Poziția clapetei (de sus în jos)
Un design de aripă pliabilă este folosit atunci când doresc să reducă dimensiunile atunci când aeronava este parcata. Cel mai adesea, o astfel de aplicație se găsește în aviația bazată pe transportatori ( Su-33 , Yak-38 , F-18 , Bell V-22 Osprey ), dar uneori este luată în considerare și pentru aeronavele de pasageri ( KR-860 , Boeing 777X ) .
Conform schemei de putere structurală, aripile sunt împărțite în ferme, spate, cheson.
Designul unei astfel de aripi include o sarpă spațială care percepe factorii de forță, nervuri și o piele care transferă sarcina aerodinamică către coaste. Schema structurală-putere a aripii nu ar trebui confundată cu o structură de spate, inclusiv spate și (sau) nervuri ale structurii de armadă. În prezent, aripile în sârmă practic nu sunt folosite pe aeronave, dar sunt utilizate pe scară largă pe deltaplanuri .
Aripa spate include unul sau mai multe elemente longitudinale de putere - spate , care percep momentul încovoietor [15] . În plus față de lățișoare, într-o astfel de aripă pot fi prezenți pereți longitudinali. Ele diferă de lățișoare prin faptul că panourile de piele cu set de stringere sunt atașate de lănți. Longele transferă sarcina pe cadrele fuselajului aeronavei folosind nodurile de moment [16] .
În aripa chesonului, sarcina principală este preluată atât de lame, cât și de piele. În limită, stanbul degenerează către pereți, iar momentul încovoietor este preluat complet de panourile de piele. În acest caz, designul se numește monobloc . Panourile de alimentare includ înveliș și un set de armare sub formă de stringers sau ondulații . Setul de întărire servește pentru a se asigura că nu există nicio pierdere a stabilității pielii din cauza compresiei și funcționează în tensiune-compresie împreună cu pielea. Designul aripii chesonului necesită o secțiune centrală , la care sunt atașate consolele aripii. Consolele aripioarelor sunt îmbinate cu secțiunea centrală folosind o îmbinare de contur, care asigură transferul factorilor de forță pe toată lățimea panoului.
Primele studii teoretice și rezultate importante pentru o aripă cu deschidere infinită au fost efectuate la începutul secolelor XIX-XX de oamenii de știință ruși N. Jukovsky , S. Chaplygin , germanul M. Kutta și englezul F. Lanchester . Lucrarea teoretică pentru o aripă adevărată a fost începută de germanul L. Prandtl .
Printre rezultatele obtinute se numara:
