Выдувные закрылки , выдувное крыло или реактивные закрылки — это аэродинамические устройства с большой подъемной силой, используемые на крыльях некоторых самолетов для улучшения их характеристик полета на низкой скорости. Они используют воздух, выдуваемый через сопла, для формирования воздушного потока над задней кромкой крыла, направляя поток вниз для увеличения коэффициента подъемной силы . Существует множество методов достижения этого воздушного потока, большинство из которых используют реактивный выхлоп или воздух высокого давления, отбираемый из компрессора реактивного двигателя, а затем перенаправляемый для следования линии закрылков задней кромки .
Выдувные закрылки могут относиться конкретно к тем системам, которые используют внутреннюю воздуховодную систему внутри крыла для направления воздушного потока, или, в более широком смысле, к таким системам, как продувка верхней поверхности или сопловые системы на обычном подкрыльевом двигателе, которые направляют воздух через закрылки. Выдувные закрылки являются одним из решений среди более широкой категории, известной как силовой подъем , которая также включает различные системы управления пограничным слоем , системы, использующие направленную струю пропеллера , и крылья с циркуляционным управлением .
Внутренние продуваемые закрылки использовались на некоторых наземных и палубных быстрых реактивных самолетах в 1960-х годах, включая Lockheed F-104 , Blackburn Buccaneer и некоторые версии Mikoyan -Gurevich MiG-21 . Они, как правило, вышли из моды, поскольку требовали значительных накладных расходов на поддержание чистоты воздуховодов и исправной работы различных систем клапанов, а также имели тот недостаток, что отказ двигателя снижал подъемную силу именно в той ситуации, когда это было наиболее желательно. Эта концепция вновь появилась в виде верхнего и нижнего продува в нескольких транспортных самолетах , как турбовинтовых, так и турбовентиляторных.
В обычном выдувном закрылке небольшое количество сжатого воздуха, вырабатываемого реактивным двигателем, «стравливается» на ступени компрессора и подается по трубам в каналы, проходящие вдоль задней части крыла. Там он нагнетается через щели в закрылках самолета, когда закрылки достигают определенных углов. Впрыскивание высокоэнергетического воздуха в пограничный слой приводит к увеличению угла атаки сваливания и максимального коэффициента подъемной силы за счет задержки отделения пограничного слоя от аэродинамического профиля . Управление пограничным слоем путем впрыскивания массы (выдува) предотвращает отделение пограничного слоя за счет подачи дополнительной энергии частицам жидкости , которые задерживаются в пограничном слое . Таким образом, впрыскивание высокоскоростной воздушной массы в воздушный поток по существу по касательной к поверхности стенки аэродинамического профиля обращает вспять замедление трения пограничного слоя; таким образом, отделение пограничного слоя задерживается. [1]
.jpg/1280px-English_Electric_P.10_(50096670131).jpg)
Подъемная сила крыла может быть значительно увеличена с помощью управления потоком выдува . При использовании механических щелей естественный пограничный слой ограничивает давление управления пограничным слоем до полного напора свободного потока. [2] Выдув небольшой долей воздушного потока двигателя (внутренний выдувной закрылок) увеличивает подъемную силу. Использование гораздо большего количества газа из выхлопа двигателя, что увеличивает эффективную хорду закрылка (струйный закрылок), создает сверхциркуляцию [3] или принудительную циркуляцию [4] вплоть до теоретического потенциального максимума потока. [3] Преодоление этого предела требует добавления прямой тяги. [4]
Развитие общей концепции продолжилось в NASA в 1950-х и 1960-х годах, что привело к упрощенным системам с аналогичной производительностью. Внешний обдуваемый закрылок направляет двигатель на обдув закрылков в задней части крыла. Часть реактивного выхлопа отклоняется вниз непосредственно закрылком, в то время как дополнительный воздух проходит через щели в закрылке и следует по внешнему краю из-за эффекта Коанда . Похожая система обдува верхней поверхности располагает двигатели над крылом и полностью полагается на эффект Коанда для перенаправления воздушного потока. Хотя эти системы «силового подъема» не так эффективны, как прямой обдув, они, тем не менее, довольно мощные и гораздо более простые в сборке и обслуживании.
Более недавняя и многообещающая концепция управления потоком типа продувки — это противоточная инжекция жидкости, которая способна осуществлять высокоавторитетное управление глобальными потоками, используя низкоэнергетические модификации ключевых областей потока. В этом случае щель для продувки воздуха расположена на стороне давления вблизи точки застоя передней кромки , а управляющий воздушный поток направлен по касательной к поверхности, но в прямом направлении. Во время работы такой системы управления потоком присутствуют два различных эффекта. Один эффект, усиление пограничного слоя, вызван увеличением уровней турбулентности вдали от области стенки, таким образом, перенося внешний поток с более высокой энергией в область стенки. В дополнение к этому другой эффект, эффект виртуального формирования, используется для аэродинамического утолщения аэродинамического профиля при больших углах атаки . Оба эти эффекта помогают задержать или устранить разделение потока . [5]
В целом, выдувные закрылки могут улучшить подъемную силу крыла в два-три раза. В то время как сложная система трехщелевых закрылков на Boeing 747 создает коэффициент подъемной силы около 2,45, [6] внешний выдув (верхний обдув на Boeing YC-14 ) улучшает его до 7, [6] а внутренний выдув (струйный закрылок на Hunting H.126 ) до 9. [7]
Уильямс [8] утверждает, что некоторые испытания по продувке закрылков проводились в Королевском авиационном учреждении до Второй мировой войны, и что обширные испытания проводились во время войны в Германии, включая летные испытания самолетов Arado Ar 232 , Dornier Do 24 и Messerschmitt Bf 109. Лахманн [9] утверждает, что самолеты Arado и Dornier использовали эжекторный единый поток воздуха, который всасывался над частью размаха задней кромки и выдувался над оставшейся частью. Эжектор работал на химическом топливе с использованием пара высокого давления. Bf 109 использовал приводимые в действие двигателем нагнетатели для продувки закрылков.
Ребуффе и Пуассон-Квинтон [10] описывают испытания во Франции в ONERA . после войны с комбинированным всасыванием слева от первой секции закрылка и продувкой во второй секции закрылка с использованием эжектора отбора воздуха из компрессора реактивного двигателя для обеспечения как всасывания, так и продувки. Летные испытания проводились на самолете Breguet Vultur . [11]
Испытания также проводились в компании Westland Aircraft компанией WH Paine после войны, отчеты датированы 1950 и 1951 годами. [8]
В Соединенных Штатах самолет Grumman F9F Panther был модифицирован с помощью продувки закрылков на основе работы, проделанной Джоном Аттинелло в 1951 году. Использовался отбор воздуха через компрессор двигателя. Система была известна как «Supercirculation Boundary Layer Control» или сокращенно BLC. [12]
В период с 1951 по 1955 год Cessna проводила испытания на продувку закрылков на самолетах Cessna 309 и 319, используя систему Arado. [13]
В 1950-х и 1960-х годах истребители в целом эволюционировали в сторону меньших крыльев, чтобы уменьшить сопротивление на высоких скоростях. По сравнению с истребителями предыдущего поколения, они имели нагрузку на крыло примерно в четыре раза выше; например, у Supermarine Spitfire нагрузка на крыло составляла 24 фунта/фут 2 (117 кг/м 2 ) , а у Messerschmitt Bf 109 была «очень высокая» нагрузка в 30 фунтов/фут 2 (146 кг/м 2 ) , тогда как у Lockheed F-104 Starfighter 1950-х годов она составляла 111 фунтов/фут 2 (542 кг/м 2 ) .
Один серьезный недостаток этих более высоких нагрузок на крыло проявляется на низкой скорости, когда крыла недостаточно для обеспечения подъемной силы, чтобы самолет мог лететь. Даже огромные закрылки не могли компенсировать это в какой-либо значительной степени, и в результате многие самолеты приземлялись на довольно высоких скоростях, и в результате были отмечены несчастными случаями.
Основная причина неэффективности закрылков заключается в том, что воздушный поток над крылом мог быть «согнут только на определенное расстояние», прежде чем он переставал следовать профилю крыла, состояние, известное как разделение потока . Существует предел тому, сколько воздуха закрылки могут отклонить в целом. Есть способы улучшить это, за счет улучшения конструкции закрылков; например, современные авиалайнеры используют сложные многокомпонентные закрылки. Однако большие закрылки, как правило, значительно усложняют конструкцию и занимают место на внешней стороне крыла, что делает их непригодными для использования на истребителе.
Принцип действия реактивного закрылка, типа внутреннего продуваемого закрылка, был предложен и запатентован в 1952 году Британским национальным газовым турбинным заводом (NGTE) и впоследствии исследован NGTE и Королевским авиастроительным заводом. [14] Концепция была впервые испытана в полном масштабе на экспериментальном Hunting H.126. Он снизил скорость сваливания до всего лишь 32 миль в час (51 км/ч), что не может достичь большинство легких самолетов. Реактивный закрылок использовал большую часть выхлопных газов двигателя, а не воздух, отбираемый компрессором, для продувки. [15]
.svg/1280px-Blackburn_Buccanneer_blown_wings_diagram_(1).svg.png)
Одним из первых серийных самолетов с выдувными закрылками был Lockheed F-104 Starfighter, который поступил на вооружение в январе 1958 года. [16] После длительных проблем с разработкой BLCS оказалась чрезвычайно полезной для компенсации крошечной поверхности крыла Starfighter. Lockheed T2V SeaStar с выдувными закрылками поступил на вооружение в мае 1957 года, но имел постоянные проблемы с обслуживанием BLCS, что привело к его досрочному снятию с вооружения. [17] В июне 1958 года на вооружение поступил Supermarine Scimitar с выдувными закрылками. [18] Выдувные закрылки использовались на North American Aviation A-5 Vigilante , Vought F-8 Crusader вариантов E(FN) и J, McDonnell Douglas F-4 Phantom II и Blackburn Buccaneer . Самолеты МиГ-21 и МиГ-23 имели сдуваемые закрылки. Петров [19] утверждает, что длительная эксплуатация этих самолетов показала высокую надежность систем BLC. Самолет TSR-2 , который был отменен до ввода в эксплуатацию, имел сдуваемые закрылки по всему размаху. [20]
Начиная с 1970-х годов уроки воздушных боев над Вьетнамом значительно изменили мышление. Вместо самолетов, рассчитанных на чистую скорость, в большинстве конструкций более важными стали общая маневренность и грузоподъемность. Результатом стала эволюция обратно к более крупным формам плана для обеспечения большей подъемной силы. Например, у General Dynamics F-16 Fighting Falcon нагрузка на крыло составляет 78,5 фунтов/фут2 ( 383 кг/м2 ) , и он использует удлинители передней кромки для обеспечения значительно большей подъемной силы на больших углах атаки , включая заход на посадку и посадку. Некоторые более поздние боевые самолеты достигли требуемых характеристик на низкой скорости, используя крылья с качающимися крыльями . Внутренний обдув закрылков по-прежнему используется в дополнение к внешним обдуваемым закрылкам на Shin Meiwa US-1A .
Некоторые самолеты, находящиеся в эксплуатации в настоящее время (2015 г.), которым требуются характеристики STOL, используют внешний обдув закрылков, а в некоторых случаях также используют внутренний обдув закрылков, а также поверхностей управления, таких как руль направления, чтобы обеспечить адекватное управление и устойчивость на низких скоростях. Концепции внешнего обдува известны как [15] «внешний обдув закрылков» (используется на Boeing C-17 Globemaster ), «обдув верхней поверхности» (используется на Антонов Ан-72 и Антонов Ан-74 ) и «векторный слипстрим», или «обдув над крылом», [19] используемый на Антонов Ан-70 и Shin Meiwa US-1A и ShinMaywa US-2 .
Системы с силовой установкой, такие как выдвижные закрылки, не используются в гражданских транспортных самолетах по причинам, указанным Рекзехом [21] , среди которых сложность, вес, стоимость, достаточная длина существующих взлетно-посадочных полос и правила сертификации.