Вихревой генератор ( ВГ ) — аэродинамическое устройство, состоящее из небольшой лопатки, обычно прикрепленной к несущей поверхности (или аэродинамическому профилю , например крылу самолета ) [1] или лопасти ротора ветряной турбины . [2] VG также могут быть прикреплены к какой-либо части аэродинамического транспортного средства, например, к фюзеляжу самолета или автомобиля. При движении профиля или тела относительно воздуха ВГ создает вихрь , [ 1] [3] который, удаляя некоторую часть тихоходного пограничного слоя, контактирующего с поверхностью профиля, задерживает локальный отрыв потока и аэродинамическое сваливание , тем самым улучшая эффективность крыльев и поверхностей управления , таких как закрылки , рули высоты , элероны и рули направления . [3]
Генераторы вихрей чаще всего используются для задержки отрыва 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 рулями на задней кромке. [3] VG обычно имеют прямоугольную или треугольную форму, примерно такую же высоту, как локальный пограничный слой , и проходят по размаху линий, обычно вблизи самой толстой части крыла. [1] Их можно увидеть на крыльях и вертикальном оперении многих авиалайнеров .
Генераторы вихрей расположены наклонно так, чтобы они имели угол атаки по отношению к местному потоку воздуха [1] для создания концевого вихря, который втягивает энергичный, быстро движущийся внешний воздух в медленно движущийся пограничный слой, контактирующий с поверхностью. Турбулентный пограничный слой отделяется с меньшей вероятностью, чем ламинарный, и поэтому желателен для обеспечения эффективности управления задней кромкой. Для запуска этого перехода используются генераторы вихрей. Другие устройства, такие как вортилоны , удлинители передней кромки и манжеты передней кромки , [5] также задерживают отрыв потока при больших углах атаки, повторно активируя пограничный слой. [1] [3]
Примеры самолетов, использующих VG, включают ST Aerospace A-4SU Super Skyhawk и Symphony SA-160 . Для трансзвуковых конструкций со стреловидным крылом VG смягчают потенциальные проблемы сваливания (например, Harrier , Blackburn Buccaneer , Gloster Javelin ).
Многие самолеты оснащены лопастными вихревыми генераторами с момента производства, но есть также поставщики вторичного рынка, которые продают комплекты VG для улучшения характеристик взлета и посадки некоторых легких самолетов. [6] Поставщики вторичного рынка утверждают, что (i) VG снижают скорость сваливания и уменьшают скорости 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 китпланов VG дешевы, экономичны и могут быть быстро установлены; однако для сертифицированных авиационных установок затраты на сертификацию могут быть высокими, что делает модификацию относительно дорогим процессом. [6] [8]
Владельцы выбирают VG послепродажного обслуживания в первую очередь для получения преимуществ на низких скоростях, но недостатком является то, что такие VG могут немного снизить крейсерскую скорость. В ходе испытаний, проведенных на самолетах Cessna 182 и Piper PA-28-235 Cherokee , независимые обозреватели зафиксировали потерю крейсерской скорости от 1,5 до 2 узлов (от 2,8 до 3,7 км/ч). Однако эти потери сравнительно невелики, так как крыло самолета на большой скорости имеет небольшой угол атаки, благодаря чему сопротивление ВГ снижается до минимума. [8] [9] [10]
Владельцы сообщают, что на земле с помощью VG может быть сложнее очистить снег и лед с поверхностей крыльев, чем с гладкого крыла, но VG обычно не склонны к обледенению в полете, поскольку они находятся в пограничном слое воздушного потока. VG также могут иметь острые края, которые могут порвать ткань чехлов планера, и поэтому может потребоваться изготовление специальных чехлов. [8] [9] [10]
Что касается двухмоторных самолетов, производители заявляют, что VG уменьшают скорость управления одним двигателем ( Vmca ), увеличивают нулевой расход топлива и полную массу, улучшают эффективность элеронов и рулей направления, обеспечивают более плавный полет в условиях турбулентности и делают самолет более устойчивой приборной платформой. . [6]
Некоторые комплекты VG, доступные для легких двухмоторных самолетов, могут позволить увеличить максимальную взлетную массу . [6] Максимальная взлетная масса двухдвигательного самолета определяется конструктивными требованиями и требованиями к скороподъемности с одним двигателем (которые ниже при более низкой скорости сваливания). Для многих легких двухмоторных самолетов требования к скороподъемности с одним двигателем определяют меньший максимальный вес, а не требования к конструкции. Следовательно, все, что можно сделать для улучшения характеристик набора высоты с одним неработающим двигателем, приведет к увеличению максимальной взлетной массы. [8]
В США с 1945 [11] по 1991 год [12] требования к набору высоты с одним неработающим двигателем для многомоторных самолетов с максимальной взлетной массой 6000 фунтов (2700 кг) или менее были следующими:
Все многомоторные самолеты, имеющие скорость сваливания более 70 миль в час, должны иметь постоянную скорость набора высоты не менее футов в минуту на высоте 5000 футов при неработающем критическом двигателе и работе остальных двигателей на максимальной скорости. постоянная мощность, неработающий винт в положении минимального лобового сопротивления, шасси убрано, закрылки в самом выгодном 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, к снижению требуемых скороподъемностей при одном неработающем двигателе. Снижение требований к скороподъемности позволяет увеличить максимальную взлетную массу, по крайней мере, до максимальной массы, разрешенной конструктивными требованиями. [8] Увеличение максимального веса, разрешенного конструктивными требованиями, обычно может быть достигнуто путем указания максимального веса с нулевым топливом или, если максимальный вес с нулевым топливом уже указан как одно из ограничений самолета, путем указания нового, более высокого максимального веса с нулевым топливом. . [8] По этим причинам комплекты вихревых генераторов для многих легких двухмоторных самолетов сопровождаются снижением максимальной массы нулевого топлива и увеличением максимальной взлетной массы. [8]
Требование к скороподъемности при одном неработающем двигателе не распространяется на одномоторные самолеты, поэтому прирост максимальной взлетной массы (исходя из скорости сваливания или конструктивных соображений) менее значителен по сравнению с таковым для близнецов 1945–1991 годов.
После 1991 года в требованиях сертификации летной годности в США требование набора высоты при одном неработающем двигателе определяется как градиент, не зависящий от скорости сваливания, поэтому у вихревых генераторов меньше возможностей увеличить максимальную взлетную массу многомоторных самолетов, основа сертификации которых FAR 23 с поправкой 23-42 или более поздней. [12]
Поскольку посадочная масса большинства легких самолетов определяется конструктивными соображениями, а не скоростью сваливания, большинство комплектов VG увеличивают только взлетную массу, а не посадочную массу. Любое увеличение посадочной массы потребует либо структурных изменений, либо повторных испытаний самолета с более высокой посадочной массой, чтобы продемонстрировать, что сертификационные требования по-прежнему выполняются. [8] Однако после длительного полета могло быть израсходовано достаточно топлива, в результате чего самолет снова оказался ниже разрешенной максимальной посадочной массы.
Генераторы вихрей использовались в нижней части крыла самолетов семейства Airbus A320 для снижения шума, создаваемого потоком воздуха через круглые вентиляционные отверстия для выравнивания давления в топливных баках. Lufthansa утверждает, что таким образом можно достичь снижения шума до 2 дБ. [13]
