Генератор вихрей ( ГВ ) — это аэродинамическое устройство, состоящее из небольшой лопасти, обычно прикрепленной к несущей поверхности (или аэродинамическому профилю , например, крылу самолета ) [1] или лопасти ротора ветряной турбины . [2] ГВ также могут быть прикреплены к некоторой части аэродинамического транспортного средства, например, фюзеляжу самолета или автомобиля. Когда аэродинамический профиль или корпус находится в движении относительно воздуха, ГВ создает вихрь , [ 1] [3] который, удаляя некоторую часть медленно движущегося пограничного слоя, контактирующего с поверхностью аэродинамического профиля, задерживает локальный отрыв потока и аэродинамическое сваливание , тем самым повышая эффективность крыльев и поверхностей управления , таких как закрылки , рули высоты , элероны и рули направления . [3]
Генераторы вихрей чаще всего используются для задержки разделения потока . Для этого их часто размещают на внешних поверхностях транспортных средств [4] и лопастях ветряных турбин. Как на самолетах, так и на лопастях ветряных турбин они обычно устанавливаются довольно близко к передней кромке аэродинамического профиля , чтобы поддерживать постоянный поток воздуха над поверхностями управления на задней кромке. [3] ВГ обычно имеют прямоугольную или треугольную форму, примерно такую же высоту, как и местный пограничный слой , и проходят по линиям размаха, как правило, вблизи самой толстой части крыла. [1] Их можно увидеть на крыльях и вертикальных хвостах многих авиалайнеров .
Генераторы вихрей располагаются наклонно, так что они имеют угол атаки по отношению к локальному потоку воздуха [1] , чтобы создать концевой вихрь, который втягивает энергичный, быстро движущийся внешний воздух в медленно движущийся пограничный слой, контактирующий с поверхностью. Турбулентный пограничный слой с меньшей вероятностью отделится, чем ламинарный, и поэтому желателен для обеспечения эффективности поверхностей управления задней кромкой. Генераторы вихрей используются для запуска этого перехода. Другие устройства, такие как вихри , удлинители передней кромки и манжеты передней кромки [5] , также задерживают отрыв потока при больших углах атаки, повторно активируя пограничный слой. [1] [3]
Примерами самолетов, использующих VG, являются ST Aerospace A-4SU Super Skyhawk и Symphony SA-160 . Для трансзвуковых конструкций со стреловидным крылом VG смягчают потенциальные проблемы срыва потока (например, Harrier , Blackburn Buccaneer , Gloster Javelin ).
Многие самолеты оснащены лопастными вихревыми генераторами с момента изготовления, но есть также поставщики на вторичном рынке, которые продают комплекты VG для улучшения характеристик STOL некоторых легких самолетов. [6] Поставщики на вторичном рынке утверждают, что (i) VG снижают скорость сваливания и уменьшают скорость взлета и посадки, и (ii) что VG повышают эффективность элеронов, рулей высоты и рулей направления, тем самым улучшая управляемость и безопасность на низких скоростях. [7] Для самодельных и экспериментальных комплектов самолетов VG дешевы, экономичны и могут быть быстро установлены; но для сертифицированных установок на самолетах затраты на сертификацию могут быть высокими, что делает модификацию относительно дорогим процессом. [6] [8]
Владельцы устанавливают VGs послепродажного обслуживания в первую очередь для получения преимуществ на низких скоростях, но недостатком является то, что такие VGs могут немного снизить крейсерскую скорость. В испытаниях, проведенных на Cessna 182 и Piper PA-28-235 Cherokee , независимые обозреватели задокументировали потерю крейсерской скорости от 1,5 до 2,0 узлов (от 2,8 до 3,7 км/ч). Однако эти потери относительно незначительны, поскольку крыло самолета на высокой скорости имеет небольшой угол атаки, тем самым снижая сопротивление VG до минимума. [8] [9] [10]
Владельцы сообщили, что на земле может быть сложнее очищать поверхности крыла с VG от снега и льда, чем с гладкого крыла, но VG, как правило, не склонны к обледенению в полете, поскольку находятся в пограничном слое воздушного потока. VG также могут иметь острые края, которые могут порвать ткань обшивки планера, и поэтому могут потребовать изготовления специальных обшивок. [8] [9] [10]
Для двухмоторных самолетов производители утверждают, что VG снижают скорость управления одним двигателем ( Vmca ), увеличивают нулевой расход топлива и общий вес, повышают эффективность элеронов и руля направления, обеспечивают более плавный полет в условиях турбулентности и делают самолет более устойчивой инструментальной платформой. [6]
Некоторые комплекты VG, доступные для легких двухмоторных самолетов, могут позволить увеличить максимальный взлетный вес . [6] Максимальный взлетный вес двухмоторного самолета определяется структурными требованиями и требованиями к характеристикам набора высоты с одним двигателем (которые ниже для более низкой скорости сваливания). Для многих легких двухмоторных самолетов требования к характеристикам набора высоты с одним двигателем определяют более низкий максимальный вес, а не структурные требования. Следовательно, все, что может быть сделано для улучшения характеристик набора высоты с одним неработающим двигателем, приведет к увеличению максимального взлетного веса. [8]
В США с 1945 [11] по 1991 [12] требования к набору высоты при одном неработающем двигателе для многомоторных самолетов с максимальным взлетным весом 6000 фунтов (2700 кг) или менее были следующими:
Все многомоторные самолеты, имеющие скорость сваливания более 70 миль в час, должны иметь постоянную скороподъемность не менее футов в минуту на высоте 5000 футов при неработающем критическом двигателе и остальных двигателях, работающих на мощности, не превышающей максимальную непрерывную мощность, неработающем воздушном винте в положении минимального сопротивления, убранном шасси, закрылках в наиболее благоприятном положении…
где - скорость сваливания в посадочной конфигурации в милях в час.
Установка вихревых генераторов обычно может привести к небольшому снижению скорости сваливания самолета [4] и, следовательно, снизить требуемые характеристики набора высоты с одним неработающим двигателем. Сниженные требования к характеристикам набора высоты позволяют увеличить максимальный взлетный вес, по крайней мере, до максимального веса, разрешенного структурными требованиями. [8] Увеличение максимального веса, разрешенного структурными требованиями, обычно может быть достигнуто путем указания максимального веса без топлива или, если максимальный вес без топлива уже указан как одно из ограничений самолета, путем указания нового, более высокого максимального веса без топлива. [8] По этим причинам комплекты вихревых генераторов для многих легких двухмоторных самолетов сопровождаются уменьшением максимального веса без топлива и увеличением максимального взлетного веса. [8]
Требование к скороподъемности при одном неработающем двигателе не распространяется на одномоторные самолеты, поэтому увеличение максимального взлетного веса (в зависимости от скорости сваливания или конструктивных особенностей) менее существенно по сравнению с двухмоторными самолетами 1945–1991 годов.
После 1991 года требования к сертификации летной годности в США определяют требование набора высоты при одном неработающем двигателе как градиент, не зависящий от скорости сваливания, поэтому у вихрегенераторов меньше возможностей увеличить максимальный взлетный вес многомоторных самолетов, чьей основой сертификации является FAR 23 с поправкой 23-42 или более поздней. [12]
Поскольку посадочный вес большинства легких самолетов определяется структурными соображениями, а не скоростью сваливания, большинство комплектов VG увеличивают только взлетный вес, а не посадочный вес. Любое увеличение посадочного веса потребует либо структурных изменений, либо повторных испытаний самолета при более высоком посадочном весе, чтобы продемонстрировать, что требования сертификации по-прежнему выполняются. [8] Однако после длительного полета могло быть израсходовано достаточно топлива, тем самым вернув самолету вес ниже разрешенного максимального посадочного веса.
Генераторы вихрей использовались на нижней стороне крыла самолетов семейства Airbus A320 для снижения шума, создаваемого потоком воздуха через круглые отверстия выравнивания давления для топливных баков. Lufthansa утверждает, что таким образом можно достичь снижения шума до 2 дБ. [13]
