Закрытое крыло — это крыло , которое фактически имеет две основные плоскости, которые сливаются на концах, так что нет обычных законцовок крыла . Закрытые конструкции крыла включают кольцевое крыло (обычно известное как цилиндрическое или кольцевое крыло ), соединенное крыло, коробчатое крыло и спироидные законцовки. [1]
Как и многие устройства законцовок крыла , закрытое крыло направлено на снижение расточительных эффектов, связанных с вихрями законцовок крыла , которые возникают на концах обычных крыльев. Хотя закрытое крыло не имеет уникального права на такие преимущества, многие конструкции закрытого крыла действительно предлагают структурные преимущества по сравнению с обычным свободнонесущим монопланом .
Вихри на концах крыла формируют основной компонент турбулентности следа и связаны с индуцированным сопротивлением , которое вносит значительный вклад в общее сопротивление в большинстве режимов. Закрытое крыло избегает необходимости в законцовках крыла и, таким образом, можно ожидать, что оно уменьшит эффекты сопротивления законцовок крыла.
Помимо потенциальных конструктивных преимуществ по сравнению с открытыми консольными крыльями, закрытые поверхности крыла обладают некоторыми уникальными аэродинамическими свойствами:
В результате получается, что хотя закрытые системы могут обеспечить значительное снижение индуктивного сопротивления по сравнению с обычным плоским крылом, нет никаких существенных аэродинамических преимуществ, которые были бы присущи только им, если бы они были закрытыми, а не открытыми. [1]
Описаны различные типы закрытого крыла:
Ранним примером закрытого крыла был самолет Blériot III , построенный в 1906 году Луи Блерио и Габриэлем Вуазеном . Несущие поверхности состояли из двух кольцевых крыльев, установленных тандемно. Более поздний Blériot IV заменил переднее кольцевое крыло бипланом и добавил переднее оперение-утку, чтобы сделать его трехплоскостным самолетом . Он мог отрываться от земли небольшими прыжками, прежде чем был поврежден без возможности ремонта.
На основе работы GJA Kitchen Седрик Ли и Г. Тилгман Ричардс построили и использовали несколько самолетов с кольцевым крылом , в которых передние и задние сегменты находились на одном уровне. Первый был бипланом. За ним последовала серия монопланов, последний из которых оставался в эксплуатации до 1914 года. [3]
В 1944 году немецкий конструктор Эрнст Хейнкель начал работу над многоцелевым одноместным самолетом вертикального взлета и посадки с кольцевым крылом под названием Lerche , но проект вскоре был заброшен. [4]
В 1950-х годах французская компания SNECMA разработала Coléoptère , одноместный VTOL- самолёт с кольцевым крылом. Самолёт оказался опасно нестабильным, несмотря на разработку и испытания нескольких прототипов, и проект был заброшен. [5] Более поздние предложения по конструкциям с закрытым крылом включали Convair Model 49 Advanced Aerial Fire Support System (AAFSS) и концепцию Lockheed "Ring Wing" 1980-х годов. [ необходима цитата ]
Доктор Джулиан Волкович продолжил развивать эту идею в 1980-х годах, утверждая, что это эффективное структурное решение, в котором горизонтальное оперение обеспечивает структурную поддержку крыла, а также действует как стабилизирующая поверхность. [6] [7] [8]
Spiroid winglet , конструкция, в настоящее время разрабатываемая Aviation Partners , представляет собой закрытую поверхность крыла, установленную на конце обычного крыла. Компания объявила, что winglets, установленные на Gulfstream II, снизили расход топлива в крейсерской фазе более чем на 10%. [9] [10]
Финская компания FlyNano 11 июня 2012 года запустила прототип сверхлегкого самолета с закрытым крылом FlyNano Nano . [11] [12]
Белорусский экспериментальный самолет OW-1 с момента своего первого полета в 2007 году был единственным пилотируемым самолетом с закрытым кольцевым крылом, который успешно поддерживал устойчивый горизонтальный полет. Летные испытания показали, что самолеты с закрытым кольцевым крылом меньше подвержены влиянию бокового ветра , чем самолеты с другими конфигурациями крыла . [13]
Различные современные примеры включают в себя:
Закрытые крылья по-прежнему в основном остаются в сфере исследований и концептуальных проектов, поскольку инженерные проблемы разработки прочного, самонесущего закрытого крыла для использования в больших авиалайнерах, которые в наибольшей степени выиграют от повышения эффективности, еще предстоит решить.
Закрытое крыло также используется в воде для плавников для серфинга, также известных как туннельные плавники . [15]
В 2011 году проект «Экологически ответственная авиация» в Управлении по исследованию аэронавтики НАСА принял предложения по исследованиям, направленным на достижение цели НАСА по сокращению потребления топлива будущими самолетами на 50% по сравнению с 1998 годом. Компания Lockheed Martin предложила конструкцию крыла коробчатого сечения вместе с другими передовыми технологиями. [ 16] [17]
В 1924 году немецкий аэродинамик Людвиг Прандтль предположил, что коробчатое крыло при определенных условиях может обеспечить минимальное индуцированное сопротивление для заданной подъемной силы и размаха крыла. [18] В его конструкции два смещенных горизонтальных крыла имеют вертикальные крылья, соединяющие их кончики и имеющие форму, обеспечивающую линейное распределение боковых сил. Говорят, что такая конфигурация обеспечивает улучшенную эффективность для ряда самолетов.
В 1980-х годах этот подход использовался в самолете Ligeti Stratos . [19] [20] Название «PrandtlPlane» было придумано в 1990-х годах в ходе исследований Альдо Фредиани и др. из Пизанского университета . [21] В настоящее время он также используется в некоторых сверхлегких самолетах . [22]
.jpg/1280px-IDINTOS_project_exposition_at_Creactivity_2013_(Pontedera,_Italy).jpg)
IDINTOS [22] (IDrovolante INnovativo TOScano) — исследовательский проект, совместно финансируемый региональным правительством Тосканы (Италия) в 2011 году с целью проектирования и производства амфибийного сверхлегкого самолета PrandtlPlane. Исследовательский проект был реализован консорциумом тосканских государственных и частных партнеров под руководством Аэрокосмического отделения Департамента гражданского и промышленного строительства Пизанского университета и привел к производству двухместного прототипа VLA. [23]
Также утверждается, что эта конфигурация теоретически эффективна для широкофюзеляжных реактивных авиалайнеров. Крупнейший коммерческий авиалайнер, Airbus A380 , должен пойти на компромиссы в плане эффективности, чтобы поддерживать размах крыльев ниже 80-метрового предела в большинстве аэропортов, но закрытое крыло с оптимальным размахом крыльев может быть короче, чем у обычных конструкций, что потенциально позволяет даже более крупным самолетам использовать текущую инфраструктуру. [24]
C-крыло — это теоретическая конфигурация, в которой большая часть верхней центральной секции коробчатого крыла удаляется, создавая крыло, которое складывается и перекрывается на концах, но не соединяется в центре. C-крыло может достичь почти тех же характеристик индуцированного сопротивления, что и соответствующее коробчатое крыло, как показывают расчеты, проиллюстрированные ниже. [25]
В каждом из первых трех рядов на рисунке показана различная конфигурация C-крыла, проходящая через последовательность теоретических расчетов индуктивного сопротивления, в которых законцовки крыла сближаются, достигая кульминации в предельном случае справа, где зазор сведен к нулю, а конфигурация становится закрытым коробчатым крылом (называемым «квазизакрытым C-крылом», поскольку расчеты проводились в пределе, когда зазор стремится к нулю).
Параметр ε является оптимальным коэффициентом аэродинамической эффективности [25] и представляет собой отношение между аэродинамической эффективностью заданного неплоского крыла и соответствующей эффективностью эталонного классического консольного крыла с тем же размахом крыла и общей подъемной силой. Обе эффективности оцениваются для их соответствующих оптимальных распределений подъемной силы. Значения ε больше 1 указывают на более низкое индуцированное сопротивление, чем у классического консольного крыла, для которого ε = 1. [25]
Обратите внимание, что все конфигурации C-крыла имеют ε больше 1 и что существует небольшая разница (никакой разницы в двух десятичных знаках, показанных в двух случаях) между конфигурацией со значительным зазором (вторая запись в каждой строке) и соответствующей закрытой конфигурацией (третья запись в каждой строке). Это связано с тем, что оптимальная подъемная нагрузка, рассчитанная для квазизакрытых случаев, очень мала над верхней центральной секцией, и эта часть крыла может быть удалена с небольшим изменением подъемной силы или сопротивления.
Распределения подъемной силы, показанные здесь для квазизакрытых случаев, выглядят иначе, чем те, которые обычно показаны для коробчатых крыльев в классической литературе (см. Дюран, рисунок 81, например). [2] Классическое решение в Дюране было получено с помощью анализа конформного отображения, который был сформулирован таким образом, что привел к равным восходящим нагрузкам на горизонтальных панелях коробки. Но оптимальное распределение подъемной силы не является уникальным. [1] Постоянная внутренняя нагрузка (соответствующая определенной постоянной циркуляции) может быть добавлена к классической нагрузке, подобной той, что показана Дюраном, чтобы получить нагрузку, подобную тем, что показаны в квазизакрытых случаях ниже. Два метода анализа дают по-разному выглядящие версии оптимальной нагрузки, которые не являются принципиально разными. За исключением небольших различий из-за численного метода, используемого для квазизакрытых случаев, два вида нагрузки в принципе являются просто смещенными версиями друг друга.