Закрылок — это устройство с большой подъемной силой, используемое для снижения скорости сваливания крыла самолета при заданном весе. Закрылки обычно устанавливаются на задних кромках крыла самолета с фиксированным крылом . Закрылки используются для сокращения взлетной и посадочной дистанции. Закрылки также вызывают увеличение сопротивления , поэтому они убираются, когда в них нет необходимости.
Закрылки, установленные на большинстве самолетов, являются закрылками частичного размаха; по размаху от корня крыла до внутреннего конца элеронов . Когда закрылки частичного размаха выдвинуты, они изменяют распределение подъемной силы по размаху на крыле, заставляя внутреннюю половину крыла обеспечивать увеличенную долю подъемной силы, а внешнюю половину — уменьшенную долю подъемной силы. Уменьшение доли подъемной силы, обеспечиваемой внешней половиной крыла, сопровождается уменьшением угла атаки внешней половины. Это полезно, поскольку увеличивает запас над срывом внешней половины, сохраняя эффективность элеронов и снижая вероятность асимметричного срыва и вращения . Идеальное распределение подъемной силы по крылу — эллиптическое, и выдвижение закрылков частичного размаха вызывает значительное отклонение от эллиптического. Это увеличивает сопротивление, вызванное подъемной силой , что может быть полезно при заходе на посадку и посадке, поскольку позволяет самолету снижаться под более крутым углом.
Выдвижение закрылков увеличивает изгиб или кривизну крыла, повышая максимальный коэффициент подъемной силы или верхний предел подъемной силы, которую может создать крыло. Это позволяет самолету создавать необходимую подъемную силу на более низкой скорости, снижая минимальную скорость (известную как скорость сваливания), при которой самолет будет безопасно поддерживать полет. Для большинства конфигураций самолетов полезным побочным эффектом развертывания закрылков является уменьшение угла тангажа самолета, что опускает нос, тем самым улучшая обзор пилота на взлетно-посадочную полосу над носом самолета во время посадки.
Существует множество различных конструкций закрылков, выбор которых зависит от размера, скорости и сложности самолета, на котором они будут использоваться, а также от эпохи, в которую был спроектирован самолет. Наиболее распространены простые закрылки, щелевые закрылки и закрылки Фаулера . Закрылки Крюгера располагаются на передней кромке крыльев и используются на многих реактивных авиалайнерах.
Закрылки типа Fowler, Fairey-Youngman и Gouge увеличивают площадь крыла в дополнение к изменению изгиба. Большая подъемная поверхность уменьшает нагрузку на крыло , тем самым еще больше снижая скорость сваливания.
Некоторые закрылки установлены в других местах. Закрылки передней кромки образуют переднюю кромку крыла и при развертывании поворачиваются вниз, увеличивая изгиб крыла. У гоночного самолета de Havilland DH.88 Comet закрылки располагались под фюзеляжем и впереди задней кромки крыла. У многих бипланов серии Waco Custom Cabin закрылки располагались на середине хорды на нижней стороне верхнего крыла.
Общее уравнение подъемной силы самолета демонстрирует эти соотношения: [1]
где:
Здесь можно увидеть, что увеличение площади (S) и коэффициента подъемной силы ( ) позволяет генерировать аналогичную величину подъемной силы при более низкой скорости полета (V). Таким образом, закрылки широко используются для коротких взлетов и посадок ( STOL ).
Выдвижение закрылков также увеличивает коэффициент лобового сопротивления самолета. Таким образом, для любого заданного веса и скорости полета закрылки увеличивают силу лобового сопротивления . Закрылки увеличивают коэффициент лобового сопротивления самолета из-за более высокого индуцированного сопротивления , вызванного искаженным распределением подъемной силы по размаху крыла при выдвинутых закрылках. Некоторые закрылки увеличивают площадь крыла, и для любой заданной скорости это также увеличивает паразитную составляющую лобового сопротивления в общем лобовом сопротивлении. [1]
В зависимости от типа самолета, закрылки могут быть частично выпущены для взлета . [1] При использовании во время взлета закрылки обменивают расстояние взлетно-посадочной полосы на скорость набора высоты: использование закрылков уменьшает дорожный разбег, но также снижает скорость набора высоты. Количество закрылков, используемых при взлете, специфично для каждого типа самолета, и производитель предложит ограничения и может указать ожидаемое снижение скорости набора высоты. В руководстве по эксплуатации пилота Cessna 172S рекомендуется 10° закрылков при взлете, когда земля мягкая или это короткая взлетно-посадочная полоса, в противном случае используется 0 градусов. [2]
Закрылки могут быть полностью выпущены для посадки, чтобы дать самолету более низкую скорость сваливания, поэтому заход на посадку может быть выполнен медленнее, что также позволяет самолету приземлиться на более коротком расстоянии. Более высокая подъемная сила и сопротивление, связанные с полностью выпущенными закрылками, позволяют более круто и медленно приближаться к месту посадки, но создают трудности в управлении самолетами с очень низкой нагрузкой на крыло (т. е. имеющими небольшой вес и большую площадь крыла). Ветры поперек линии полета, известные как боковые ветры , заставляют наветренную сторону самолета создавать большую подъемную силу и сопротивление, заставляя самолет крениться, рыскать и отклоняться от предполагаемой траектории полета, и в результате многие легкие самолеты приземляются с уменьшенными настройками закрылков при боковом ветре. Кроме того, как только самолет оказывается на земле, закрылки могут снизить эффективность тормозов, поскольку крыло все еще создает подъемную силу и не дает всему весу самолета опираться на шины, тем самым увеличивая тормозной путь, особенно в условиях сырости или обледенения. Обычно пилот поднимает закрылки как можно скорее, чтобы предотвратить это. [2]
Некоторые планеры используют закрылки не только при посадке, но и в полете, чтобы оптимизировать изгиб крыла для выбранной скорости. Во время термического режима закрылки могут быть частично выпущены, чтобы уменьшить скорость сваливания, чтобы планер мог лететь медленнее и, таким образом, уменьшить скорость снижения, что позволяет планеру более эффективно использовать восходящий воздух термического потока и поворачивать по меньшему кругу, чтобы наилучшим образом использовать ядро термического потока . [ требуется цитата ] На более высоких скоростях используется отрицательная настройка закрылков для уменьшения момента тангажа носом вниз . Это снижает балансировочную нагрузку, необходимую для горизонтального стабилизатора , что, в свою очередь, снижает сопротивление балансировки, связанное с поддержанием планера в продольном положении. [ требуется цитата ] Отрицательный закрылок также может использоваться на начальном этапе взлета с буксира и в конце посадочного пробега для поддержания лучшего контроля элеронами . [ требуется цитата ]
Как и планеры, некоторые истребители, такие как Nakajima Ki-43, также используют специальные закрылки для улучшения маневренности во время воздушного боя, позволяя истребителю создавать большую подъемную силу на заданной скорости, позволяя выполнять гораздо более крутые повороты. [3] Закрылки, используемые для этого, должны быть специально разработаны для выдерживания больших нагрузок, и большинство закрылков имеют максимальную скорость, при которой они могут быть развернуты. Модели самолетов с кордами управления , построенные для соревнований по точному высшему пилотажу , обычно имеют тип системы маневренных закрылков, которая перемещает их в противоположном направлении к рулям высоты, чтобы помочь сузить радиус маневра.
Изготовленные чаще всего из PH-сталей и титана, направляющие закрылков управляют закрылками, расположенными на задней кромке крыльев самолета. Выдвижные закрылки часто работают по направляющим дорожкам. Там, где они выходят за пределы конструкции крыла, они могут быть обтекаемы, чтобы сделать их обтекаемыми и защитить от повреждений. [4] Некоторые обтекатели направляющих закрылков предназначены для работы в качестве противоударных тел , которые уменьшают сопротивление, вызванное локальными звуковыми ударными волнами, когда воздушный поток становится околозвуковым на высоких скоростях.
Заслонки тяги или зазоры в закрылках задней кромки могут потребоваться для минимизации помех между потоком двигателя и выпущенными закрылками. При отсутствии внутреннего элерона, который обеспечивает зазор во многих установках закрылков, может потребоваться модифицированная секция закрылка. Заслонка тяги на Boeing 757 была обеспечена однощелевым закрылком между внутренними и внешними двухщелевыми закрылками. [5] У A320 , A330 , A340 и A380 нет внутреннего элерона. Заслонка тяги не требуется в непрерывном однощелевом закрылке. Помехи в случае ухода на второй круг, когда закрылки все еще полностью выпущены, могут вызвать повышенное сопротивление, которое не должно ухудшать градиент набора высоты. [6]
Задняя часть аэродинамического профиля вращается вниз на простом шарнире, установленном в передней части закрылка. [7] Королевский авиационный завод и Национальная физическая лаборатория в Соединенном Королевстве испытывали закрылки в 1913 и 1914 годах, но они никогда не были установлены на реальном самолете. [8] В 1916 году компания Fairey Aviation Company внесла ряд усовершенствований в перестраиваемый ими Sopwith Baby , включая патентованный механизм изменения кабрирования, сделавший Fairey Hamble Baby , как они его переименовали, первым самолетом, летавшим с закрылками. [8] Это были плоские закрылки полного размаха, включавшие элероны, что сделало его также первым примером флаперонов. [8] Однако Fairey были не одиноки, поскольку Breguet вскоре в 1917 году включили автоматические закрылки в нижнее крыло своего разведчика/бомбардировщика Breguet 14. [9] Из-за большей эффективности других типов закрылков простые закрылки обычно используются только там, где требуется простота.
Задняя часть нижней поверхности аэродинамического профиля откидывается вниз от передней кромки закрылка, в то время как верхняя поверхность остается неподвижной. [10] Это может вызвать большие изменения в продольной балансировке, наклоняя нос либо вниз, либо вверх. При полном отклонении разрезные закрылки действуют во многом как спойлер, значительно увеличивая коэффициент лобового сопротивления. [ необходима цитата ] Они также немного увеличивают коэффициент подъемной силы. Они были изобретены Орвиллом Райтом и Джеймсом М. Х. Джейкобсом в 1920 году, но стали распространены только в 1930-х годах и затем были быстро вытеснены. [11] [ не удалось проверить ] Douglas DC-1 (предшественник DC-3 и C-47) был одним из первых из многих типов самолетов, использовавших разрезные закрылки.
Зазор между закрылком и крылом заставляет воздух под высоким давлением проходить из-под крыла через закрылок, помогая воздушному потоку оставаться прикрепленным к закрылку, увеличивая подъемную силу по сравнению с разрезным закрылком. [12] Кроме того, подъемная сила по всей хорде первичного аэродинамического профиля значительно увеличивается, поскольку скорость воздуха, покидающего его заднюю кромку, увеличивается с типичных 80% свободного потока без закрылка до скорости более высокоскоростного воздуха с более низким давлением, обтекающего переднюю кромку щелевого закрылка. [13] Любой закрылок, который позволяет воздуху проходить между крылом и закрылком, считается щелевым закрылком. Щелевой закрылок был результатом исследований в Handley-Page , вариант щелевого, который датируется 1920-ми годами, но не получил широкого распространения до гораздо более позднего времени. Некоторые закрылки используют несколько щелей для дальнейшего усиления эффекта.
Разделенный закрылок, который скользит назад, прежде чем откинуться вниз, тем самым увеличивая первую хорду, затем изгиб. [14] Закрылок может образовывать часть верхней поверхности крыла, как простой закрылок, или нет, как разделенный закрылок, но он должен скользить назад перед опусканием. Как определяющая черта — отличающая его от закрылка Gouge — он всегда обеспечивает эффект щели.
Закрылок был изобретен Харланом Д. Фаулером в 1924 году и испытан Фредом Вейком в NACA в 1932 году. Впервые он был использован на прототипе Martin 146 в 1935 году, а затем поступил в производство на Lockheed Super Electra 1937 года [15] и по-прежнему широко используется на современных самолетах, часто с несколькими прорезями. [16]
Прорезной плоский закрылок, закрепленный под задней кромкой крыла и вращающийся вокруг его передней кромки. [17] Когда он не используется, он имеет большее сопротивление, чем другие типы, но более эффективен для создания дополнительной подъемной силы, чем простой или разделенный закрылок, сохраняя при этом свою механическую простоту. Изобретенные Отто Мадером в Junkers в конце 1920-х годов, они чаще всего встречались на Junkers Ju 52 и Junkers Ju 87 Stuka , хотя ту же самую базовую конструкцию можно найти и на многих современных сверхлегких самолетах, таких как Denney Kitfox . Этот тип закрылка иногда называют закрылком с внешним аэродинамическим профилем. [18]
Тип раздельного закрылка, который скользит назад по изогнутым направляющим, которые заставляют заднюю кромку опускаться вниз, увеличивая хорду и изгиб, не влияя на балансировку и не требуя дополнительных механизмов. [19] Он был изобретен Артуром Гугом для Short Brothers в 1936 году и использовался на летающих лодках Short Empire и Sunderland , которые использовали очень толстый аэродинамический профиль Shorts AD5. Short Brothers, возможно, была единственной компанией, которая использовала этот тип.
Опускается вниз (становясь закрылком Junkers) перед скольжением назад и затем вращением вверх или вниз. Fairey был одним из немногих представителей этой конструкции, которая использовалась на Fairey Firefly и Fairey Barracuda . В выдвинутом положении он мог быть наклонен вверх (до отрицательного угла атаки), так что самолет мог пикировать вертикально без необходимости чрезмерных изменений балансировки. [ необходима цитата ]
Закрылок Zap был изобретен Эдвардом Ф. Запаркой, когда он работал в Berliner/Joyce, и испытан на самолете General Airplanes Corporation Aristocrat в 1932 году и периодически на других типах самолетов после этого, но он мало использовался на серийных самолетах, кроме Northrop P-61 Black Widow . Передняя кромка закрылка установлена на направляющей, в то время как точка на середине хорды закрылка соединена с помощью рычага с шарниром чуть выше направляющей. Когда передняя кромка закрылка движется назад вдоль направляющей, треугольник, образованный направляющей, валом и поверхностью закрылка (закрепленной на шарнире), становится уже и глубже, заставляя закрылок опускаться. [20]
Шарнирный закрылок, который складывается из-под передней кромки крыла, не образуя при этом часть передней кромки крыла в убранном состоянии. Это увеличивает изгиб и толщину крыла, что, в свою очередь, увеличивает подъемную силу и сопротивление. [21] [22] Это не то же самое, что ниспадающий закрылок передней кромки, так как он формируется из всей передней кромки. [23] Изобретенные Вернером Крюгером в 1943 году и испытанные в Геттингене, закрылки Крюгера встречаются на многих современных авиалайнерах со стреловидным крылом.
Небольшая фиксированная перпендикулярная вкладка размером от 1 до 2% хорды крыла, установленная на стороне высокого давления задней кромки аэродинамического профиля. Она была названа в честь гонщика Дэна Герни , который заново открыл ее в 1971 году, и с тех пор использовалась на некоторых вертолетах, таких как Sikorsky S-76B, для исправления проблем управления без необходимости прибегать к серьезной модернизации. Она повышает эффективность даже базовых теоретических аэродинамических профилей (состоящих из треугольника и перекрывающегося круга) до эквивалента обычного аэродинамического профиля. Принцип был открыт в 1930-х годах, но использовался редко и затем был забыт. Поздние модели Supermarine Spitfire использовали бусинку на задней кромке рулей высоты, которая функционировала аналогичным образом.
Вся передняя кромка крыла поворачивается вниз, эффективно увеличивая изгиб и также немного уменьшая хорду. [24] [25] Чаще всего встречается на истребителях с очень тонкими крыльями, неподходящими для других устройств увеличения подъемной силы передней кромки.
Тип системы управления пограничным слоем, продуваемые закрылки пропускают воздух, вырабатываемый двигателем, или выхлопные газы через закрылки, чтобы увеличить подъемную силу сверх достижимой с механическими закрылками. Типы включают оригинальный (внутренний продуваемый закрылок), который продувает сжатый воздух из двигателя через верхнюю часть закрылка, внешний продуваемый закрылок, который продувает выхлопные газы двигателя через верхнюю и нижнюю поверхности закрылка, и продувка верхней поверхности, которая продувает выхлопные газы двигателя через верхнюю часть крыла и закрылка. В то время как испытания проводились в Великобритании и Германии до Второй мировой войны , [26] и начались летные испытания, первый серийный самолет с продуваемыми закрылками появился только в 1957 году на Lockheed T2V SeaStar . [27] Продувка верхней поверхности использовалась на Boeing YC-14 в 1976 году.
Также известен как FlexFoil . Современная интерпретация деформации крыла, внутренние механические приводы изгибают решетку, которая изменяет форму аэродинамического профиля. Он может иметь гибкое зазорное уплотнение на переходе между фиксированными и гибкими аэродинамическими профилями. [28]
Тип поверхности управления самолетом , совмещающий функции закрылков и элеронов .
По состоянию на 2014 год исследователи из Исследовательской лаборатории армии США (ARL) в Исследовательском центре Лэнгли НАСА разработали конструкцию активного закрылка для лопастей вертолетного винта. Непрерывный закрылок задней кромки (CTEF) использует компоненты для изменения изгиба лопасти во время полета, устраняя механические шарниры для повышения надежности системы. Были построены прототипы для испытаний в аэродинамической трубе. [29]
Команда ARL завершила испытание лопасти ротора с индивидуальной технологией управления лопастями в январе 2016 года. Эксперименты с реальным огнем исследовали баллистическую уязвимость технологий управления лопастями. Исследователи произвели три выстрела, представляющих типичный наземный огонь, по секции лопасти ротора с размахом 7 футов и хордой 10 дюймов с CTEF длиной 4 фута на экспериментальной базе ARL Airbase. [30]
Транспортное средство спроектировано так, чтобы иметь возможность приземляться на Земле, Луне или Марсе. В зависимости от того, ... соотношение энергии, рассеиваемой аэродинамически и пропульсивно, совершенно разное. В случае Луны это полностью пропульсивно. ... Земля: более 99,9% энергии удаляется аэродинамически ... Марс: более 99% энергии удаляется аэродинамически на Марсе
.