CC BY
204
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 97
УДК 629.735.015.681
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЗАЦИИ КРЫЛА ЗА СЧЕТ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ УГЛОВ ОТКЛОНЕНИЯ ЗАКРЫЛКОВ
М.Г. ЕФИМОВА, В.И. БУГАЙ, БЕНАЗЗИ МОХАММЕД, АС. КУДРЕВСКИЙ Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье проведен анализ и обобщение результатов исследования повышения эффективности механизации крыла за счет выбора оптимальных углов отклонения закрылков
С ростом скоростей современных пассажирских самолетов и, как следствие этого, применением на них стреловидных крыльев с более тонким профилем, когда уменьшается, с одной стороны, несущая способность крыла (уменьшаются значения коэффициента подъемной силы крыла суа), а с другой стороны, увеличивается удельная нагрузка на крыло р = mg/S, когда чаще взлетная масса самолета твзл растет быстрее, чем площадь крыла S, роль средств механизации крыла в создании высоких значений коэффициента суа на режимах взлета и посадки все время возрастает. Последнее приводит к ухудшению взлетно-посадочных характеристик воздушных судов: к увеличению скоростей отрыва и посадки (Уотр и Упос) и к увеличению длины разбега и пробега самолетов Ьр и Ьпр [1, 2].
Самолеты с большой пассажировместимостью, рассчитанные на массовую эксплуатацию, должны иметь такие взлетно-посадочные характеристики, которые допускали бы взлет и посадку с минимальными скоростями не только на крупные аэродромы первого класса с большой длиной ВПП (три и более километра), но и на аэродромы низших категорий. Надо отметить, что большие значения Уотр и Упос затрудняют выполнение взлета и особенно посадки, когда снижается безопасность полетов, уменьшается ресурс планера из-за большей вероятности грубых посадок, а также снижаются сроки службы колес шасси (особенно пневматиков).
В указанных условиях выбор оптимальных углов отклонения механизации крыла позволит существенно повысить его подъемную силу на протяжении всего периода взлета и посадки, снизить отрицательные последствия, связанные с увеличением удельной нагрузки на крыло и уменьшением относительной толщины крыла, и позволит получить приемлемые значения взлетно-посадочных характеристик. В связи с этим к средствам увеличения подъемной силы крыла за счет выбора оптимальных углов отклонений его механизации предъявляются особые требования.
Средства увеличения подъемной силы крыла, применяемые на современных самолетах, обычно делятся на две группы [1]:
средства, повышающие коэффициент суа при помощи управления пограничным слоем;
обычные средства механизации крыла (закрылки, щитки и др.).
Из обычных средств механизации задней кромки крыла самыми распространенными являются закрылки (поворотные, выдвижные, щелевые, многощелевые), среди которых наиболее эффективными являются выдвижные закрылки (одно-, двух- и трехщелевые). При выдвижении закрылков этого типа подъемная сила крыла, т.е. величина коэффициента суа, возрастает за счет трех факторов: увеличения эффективной площади крыла при выдвижении закрылка, увеличения кривизны профиля при отклонении закрылка и использования эффекта щели для ускорения потока, обтекающего верхнюю поверхность крыла.
Однако надо заметить, что существует большая зависимость допускаемых углов отклонения закрылков, т.е. создаваемой кривизны профиля крыла от количества и параметров щелей. Так, например, исследования показывают [1], что однощелевые закрылки обеспечивают безотрывное обтекание до углов 30°, двухщелевые - до 40° - 45°, а трехщелевые - до 60°. Тем не менее, поскольку профилировка щели между крылом и закрылком весьма существенно влияет на величину коэффициента суа, то параметры щели существенно зависят от угла отклонения закрылка.
Так, например, в улучшении взлетно-посадочных характеристик, характеристик прерванного взлета, нормального и экстренного снижений самолета Ту-204-120 важную роль играет механизация крыла, куда входят [3]:
двухщелевые закрылки, отклоняемые на взлете на 18°, на посадке на 37°; предкрылки, отклоняемые на взлете на 19° и на посадке на 23°; интерцепторы и воздушные тормоза.
Изменение аэродинамических характеристик самолета Ту-204-120 при отклоненных закрылках представлено на графиках рис. 1.
Рис. 1
При убранных закрылках на больших углах атаки поток, обтекающий профиль закрылка в наименьшем сечении, имеет наибольшую скорость и наименьшее давление, при этом в концевой части закрылка частицы воздуха под действием большого давления стремятся перетекать из зоны повышенного давления в зону пониженного. Это приводит к тому, что у поверхности крыла толщина пограничного слоя увеличивается, слой подхватывается набегающим потоком и отрывается в виде вихрей. Плавность обтекания нарушается, образуется зона срыва. При этом давление по профилю крыла перераспределяется, коэффициент суа уменьшается, а коэффициент лобового сопротивления сха увеличивается.
Если на таком угле атаки отклонить закрылки, то воздух проходит из-под крыла через две щели между крылом и закрылком. Щели эти сужающиеся, поэтому поток увеличивает свою скорость, а давление в этом потоке в конце щели (сверху профиля крыла) уменьшается. Понижение давления в этом месте вызывает отсос пограничного слоя на верхней поверхности крыла, вследствие этого верхняя поверхность крыла обтекается плавно, без вихрей. Кроме того, пограничный слой над крылом приобретает большую скорость, а это значит, что давление над крылом значительно понижается.
Пилот, сохраняя подъемную силу постоянной, в процессе выпуска закрылков уменьшает угол атаки крыла, что делает характер обтекания более плавным [3].
Вследствие отсоса пограничного слоя крыла, увеличения кривизны и площади крыла значительно возрастают коэффициенты суа и сха, причем сха возрастает в большей степени, чем суа .
Анализируя аэродинамические характеристики самолета Ту-204-120 с выпущенными на разные углы закрылками, можно сделать следующие выводы: углы атаки нулевой подъемной силы становятся более отрицательными, наивыгоднейший и критический углы атаки уменьшаются, аэродинамическое качество К уменьшается, коэффициент суатах и угол качества увеличиваются.
Такие изменения аэродинамических характеристик самолета вызывают изменения и летных характеристик:
1. Уменьшается скорость отрыва самолета при взлете. В зависимости от условий взлета скорость отрыва самолета Ту-204-120 при отклонении закрылков на 18° уменьшается на 80 км/ч - 85 км/ч, а при 8з = 0° скорость Уотр = 350 км/ч.
2. Уменьшается длина разбега самолета. Самолет при разбеге с выпущенными закрылками увеличивает скорость с тем же ускорением, что и с убранными закрылками, но скорость отрыва Уотр уменьшается, а следовательно, уменьшаются также время и длина разбега до 1200 м - 1400 м.
3. Упрощается расчет посадки. Самолет с выпущенными на 37° закрылками снижается на меньшей скорости при относительно небольших углах атаки, при этом сопротивление самолета увеличено. Уменьшение скорости при снижении и увеличение сопротивления самолета уменьшают длину этапов пробега, выравнивания и выдерживания перед приземлением в 1,9 раза.
4. Уменьшается посадочная скорость самолета и длина пробега после приземления. Так как при выпущенных закрылках суа больше, то приземление происходит на меньшей скорости. Уменьшение посадочной скорости вызывает также уменьшение длины пробега самолета. При стандартных атмосферных условиях, массе 85 т, 5з = 37°, Упос = 220 км/ч длина пробега составляет 1000 м - 900 м. При убранных закрылках Упос = 320 км/ч, а длина пробега - 2000 м - 1800 м. Следовательно, применение двухщелевых выдвижных закрылков улучшает взлетные и посадочные характеристики самолета.
Предкрылки также позволяют улучшить взлетно-посадочных характеристик самолета Ту-204120. Они увеличивают кривизну крыла: поток, проходя через щель между предкрылком и крылом, на углах атаки более 12° - 13° сдувает готовый сорваться поток с верхней поверхности крыла. Все это при отклоненных на угол 23° предкрылках и отклоненных на 37° закрылках увеличивает критический угол атаки на 9° - 10°, а максимальный коэффициент подъемной силы суатах на 0,8 - 0,9. Увеличения критического угла атаки на 9° - 10°, а максимального коэффициента подъемной силы на 0,8 - 0,9 приводит к уменьшению скорости сваливания на 40 км/ч - 50 км/ч [3].
Уменьшение скорости сваливания за счет предкрылков на 40 км/ч - 50 км/ч позволяет иметь меньшие скорости отрыва и посадочные, меньшие длину разбега и пробега.
В последнее время широкое распространение получили трехщелевые закрылки, позволяющие получать для стреловидных крыльев значения коэффициента суа, близкие к 3. При этом применение трехщелевых закрылков дает прирост подъемной силы не только от увеличения количества щелей, но и за счет значительного приращения площади от раздвижки звеньев. Прирост площади закрылка в этом случае доходит до 40% [1].
Таким образом, на основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что дальнейшее повышение эффективности механизации крыла и улучшение взлетно-посадочных характеристик самолета в целом может быть достигнуто только за счет выбора оптимальных углов отклонения закрылков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Теория и практика проектирования пассажирских самолетов; Под ред. Г.В.Новожилова. - М.: Наука, 1976.
2. Житомирский Г. И. Конструкция самолетов - М.: Машиностроение, 1991.
3. Ципенко В.Г., Бехтир В.П., Ефимова М.Г., Стариков Ю.Н. Практическая аэродинамика самолета Ту-204-120 и Ту-204-120С. - М.: МГТУ ГА, 2005.
THE HIGH-LIFT DEVICES EFFECTIVENESS INCREASING THROUGH THE CHOICE OF THE
FLAPS DEFLECTION OPTIMAL ANGLES
Efimova M.G., Bugai V.I., Benazzy Mohammed, Kudrevskiy A.S.
The analyze and generalization of the high-lift devices effectiveness increasing researching results through the choice of the flaps deflection optimal angles
Сведения об авторах
Ефимова Марина Григорьевна, окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана (1993), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 20 научных работ, область научных интересов - аэродинамика, эффективность транспорта.
Бугай Виктор Иванович, 1953 г.р., окончил КИИ ГА (1983), руководитель САХА Якутского территориального Управления воздушного транспорта Министерства транспорта РФ, соискатель кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, область научных интересов - летная эксплуатация и безопасность полетов вертолета.
Беназзи Мохаммед, 1976 г.р., гражданин Марокко, окончил МГТУ ГА (2005), аспирант кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, область научных интересов - аэродинамика и динамика полета воздушных судов.
Кудревский Андрей Станиславович, 1981 г.р., окончил УВАУ ГА (2003), пилот ОАО "Аэрофлот - Российские авиалинии" , аспирант кафедры летной эксплуатации воздушных судов УВАУ ГА, область научных интересов - летная эксплуатация воздушных судов.
