En vinge i luftfartsteknologi er en lejeflade, der har en profileret form i tværsnit i strømningsretningen og er designet til at skabe aerodynamisk løft . En flyvinge kan have en anden form i plan og med hensyn til spændvidde - en anden form af sektioner i planer parallelt med flyets symmetriplan, samt forskellige drejningsvinkler af sektionerne i disse planer [1] .
Geometriske karakteristika - en liste over parametre, begreber og udtryk, der bruges til at designe en vinge og bestemme navnene på dens elementer [2] :
Vingefang (L) - afstanden mellem to planer parallelt med flyets basisplan og rørende enderne af vingen. [GHS 1990(s.55)] Korden af vingens lejeflade er et lige linjesegment taget i en af vingens sektioner af et plan parallelt med flyets basisplan og afgrænset af profilens forreste og bageste punkter. Lokal vingekorde (b(z)) er et lige linjesegment på vingeprofilet, der forbinder de forreste og bageste punkter af profilkonturen i et givet afsnit langs vingens spænd. Længden af vingens lokale korde (b (z)) er længden af linjestykket, der passerer gennem de bagerste og forreste punkter af bærefladen i den lokale sektion langs vingens spænd. Vingens centrale korde (b 0 ) er vingens lokale korde i flyets basisplan, opnået ved at fortsætte linjen af vingens for- og bagkant til skæringen med dette plan. [GHS 1990(s.54)] Længden af vingens centrale korde (b 0 ) er længden af segmentet mellem skæringspunkterne mellem for- og bagkanten af vingen med flyets basisplan. [GHS 1990(s.54)] Onboard wing chord (b b ) - en akkord langs adskillelseslinjen mellem vingen og flykroppen i vingesektionen parallelt med flyets basisplan. [GHS 1990(s.54)] Vingens endekorde (b til ) - akkorden i endestykket af vingen, parallelt med flyets basisplan. Vingens referenceplan er det plan, der indeholder vingens centrale korde og vinkelret på flyets referenceplan. [GHS 1990(s.43)] Vingeområde (S) - området af vingeprojektionen på vingens basisplan, inklusive den ventrale del af vingen og vingeforlængelserne. [GHS 1990(s.55)] Vingens kontrolsektion er en betinget sektion af vingen i et plan parallelt med vingens basisplan (z = const). [GHS 1990(16)] Vinge krumning - variabel afvigelse af midterlinjen af bæreblade fra deres akkorder; kendetegnet ved en relativ konkavitet af profilen (forholdet mellem den maksimale afvigelse af midterlinjen fra akkorden til akkordens længde). [GHS 1990(16)] Vingens medianoverflade - dannet af helheden af alle de gennemsnitlige linjer af vingeprofilerne langs spændet; sædvanligvis givet af nogle love om forandring i profilens konkavitet og vingedrejning langs spændet; med en konstant værdi af vingedrejning og nul krumning af de profiler, som vingen er sammensat af, er medianoverfladen et plan. [GHS 1990(16)] Vingeformatforhold (λ) er en relativ geometrisk parameter defineret som et forhold: λ = L²/S; Vingens indsnævring (η) er den relative geometriske parameter for vingen, defineret som forholdet: η = b 0 /b til ; Vingens geometriske drejning er drejningen af vingens korder langs dens spændvidde med nogle vinkler (ifølge loven φ kr = f (z)), som måles fra planet, som normalt tages som basisplanet af vingen (forudsat at vinklen på vingens kiling langs den indbyggede korde er lig med nul) . Det bruges til at forbedre aerodynamiske egenskaber, stabilitet og kontrollerbarhed under krydstogtflyvning og når man når høje angrebsvinkler. Den lokale vinkel på vingens geometriske drejning (φkr(z)) er vinklen mellem vingens lokale korde og dens basisplan, og vinklen φkr (z) anses for positiv, når det forreste punkt på den lokale korde er højere end det bagerste punkt på den samme vingeakkord.Vingen kan opdeles i tre dele: venstre og højre halvplan eller konsoller og midtersektionen. For lette fly, såsom Cessna-152 , Yak-12 og endda den større L-410, har vingen en struktur i ét stykke uden opdeling i dele. Skroget kan laves som et luftfartsselskab (for eksempel på Su-27 , F-35 , Su-57 fly ). Halvplanerne kan til gengæld omfatte vingetilstrømningen og spidsen . Udtrykket "vinger" findes ofte, men det er fejlagtigt i forhold til en monoplan , da vingen er en og består af to halvplaner. I sjældne tilfælde kan et monoplan også have 2 vinger, for eksempel havde Tu-144 en ekstra udtrækkelig forvinge.
Vingens løftekraft skabes ved at ændre luftstrømmens retning [3] [4] .
En af de mest almindelige forklaringer på princippet om vingen er Newtons nedslagsmodel, foreslået af ham i Principia Mathematica for et ekstremt forsælnet medium med partikler, der ikke kolliderer med hinanden (dvs. for et medium, hvor den gennemsnitlige frie vej er meget større end vingens størrelse): luftpartikler, der kolliderer med den nederste overflade af vingen i en vinkel i forhold til strømmen, hopper elastisk ned i henhold til Newtons tredje lov og skubber vingen op. Denne forenklede model tager højde for loven om bevarelse af momentum, men negligerer fuldstændig flowet omkring den øvre overflade af vingen, som et resultat af hvilket det giver en undervurderet mængde løft [5] . I dette tilfælde er det ulovligt at bruge denne model til et medie, hvor den gennemsnitlige frie vej er meget mindre end vingens karakteristiske dimensioner.
I en anden forenklet model er forekomsten af løft forklaret med trykforskellen på profilens over- og underside, hvilket sker i henhold til Bernoullis lov [6] : på den nederste overflade af vingen er luftstrømmen lavere end på den øverste, så løftet af vingen er rettet fra bund til top; Denne trykforskel er ansvarlig for løftekraften. Modellen er også forkert på grund af det forkerte envejsforhold mellem flowhastighed og sjældenhed [3] [7] [8] . I virkeligheden har vi forholdet mellem angrebsvinklen , sjældenhed og strømningshastighed.
For mere nøjagtige beregninger introducerede N. E. Zhukovsky begrebet cirkulation af strømningshastigheden ; i 1904 formulerede han Zhukovskys teorem . Hastighedscirkulation giver dig mulighed for at tage højde for strømningshældningen og få meget mere præcise resultater i beregningerne. En af de vigtigste mangler ved ovenstående forklaringer er, at de ikke tager højde for luftens viskositet , det vil sige overførslen af energi og momentum mellem de enkelte lag af strømmen (som er det, der forårsager cirkulation). Jordoverfladen kan have en betydelig effekt på vingen, "afspejler" de strømningsforstyrrelser, som vingen forårsager og returnerer en del af momentum tilbage ( jordeffekt ).
Luftstrømmen, der følger langs den øvre overflade af vingen, "klæber" til den og forsøger at følge langs denne overflade, selv efter aerofoliens bøjningspunkt ( Coanda-effekt ).
Faktisk er strømmen omkring en vinge en meget kompleks tredimensionel ikke-lineær og ofte ikke-stationær proces. En vinges løftekraft afhænger af dens areal, profil, form i plan, såvel som af angrebsvinklen , hastigheden og strømningstætheden ( Mach-tal ) og af en række andre faktorer. For at beregne løftekraften bruges Navier-Stokes ligningerne [3] (dvs. at beregningen tager hensyn til viskositet, bevarelse af masse og momentum).
Vingens position i forhold til flykroppen bestemmes af dens placering langs skrogets længde og højde samt installationsvinklen i forhold til dens længdeakse. Placeringen af vingen langs skrogets højde kan være forskellig: høj, medium og lav. I overensstemmelse hermed kaldes flyet højvinget , mellemvinget og lavvinget . Placeringsmuligheden afhænger af flykroppens form, formålet med flyet, motorernes type og placering osv. Vinkelinstallationsvinklen er valgt, så den er lig med angrebsvinklen i den mest typiske flyvetilstand. I dette tilfælde er flykroppen placeret nedstrøms og har den mindste modstand.
Et af hovedproblemerne i design af nye fly er valget af den optimale vingeform og dens parametre (geometrisk, aerodynamisk, styrke osv.).
Den største fordel ved en lige vinge er dens høje løftekoefficient selv ved lave angrebsvinkler . Dette giver dig mulighed for betydeligt at øge den specifikke belastning på vingen , og derfor reducere størrelsen og vægten uden frygt for en væsentlig stigning i start- og landingshastighed. Denne type vinge bruges i subsoniske og transoniske fly med jetmotorer. En anden fordel ved en lige vinge er fremstillingsevnen, som gør det muligt at reducere produktionsomkostningerne.
Ulempen, der forudbestemmer uegnetheden af en sådan vinge ved soniske flyvehastigheder, er en kraftig stigning i luftmodstandskoefficienten , når den kritiske værdi af Mach-tallet overskrides.
Den lige vinge er meget følsom over for atmosfærisk turbulens, og derfor mærkes effekten af "luftlommer" godt på langsomtkørende fly (især biplan) og svævefly med lige vinge.
Den fejede vinge er blevet udbredt på grund af forskellige modifikationer og designløsninger.
Fordele:
Fejl:
For at slippe af med negative momenter bruges vingedrejning , mekanisering, variabel fejevinkel langs spændet, omvendt vingeindsnævring eller negativt fejning.
Anvendelseseksempler: Su-7 , Boeing 737 , Tu-134 osv.
Tilstrømningsvinge (dyr)Fejet vinge variation . Handlingen af en ogival vinge kan beskrives som en spiralstrøm af hvirvler, der brækker af fra den skarpe forkant af et stort sweep i den nærliggende del af vingen. Hvirvelfilmen forårsager også dannelsen af store områder med lavt tryk og øger energien i grænselaget af luft, hvorved løftekoefficienten øges. Manøvredygtighed er primært begrænset af den statiske og dynamiske styrke af strukturelle materialer, såvel som flyets aerodynamiske egenskaber.
Anvendelseseksempler: Tu-144 , Concorde
En vinge med et negativt sweep (det vil sige med en fremad skråning).
Fordele:
Fejl:
Anvendelseseksempler : seriel civil HFB-320 Hansa Jet , eksperimentel Su-47 Berkut jagerfly .
Den trekantede ( delta -formet engelsk delta-wing - har fået sit navn fra det græske bogstav delta ) vinge er stivere og lettere end både lige og fejet og bruges oftest ved hastigheder over M = 2.
Fordele:
Fejl:
Anvendelseseksempler : MiG-21 , HAL Tejas , Mirage 2000 (lille relativ tykkelse); Gloster Javelin , Avro Vulcan (stor sporvidde), Avro Canada CF-105 Arrow , Saab 37 Viggen , Lockheed L-2000 supersoniske passagerfly , Boeing-2707-300 [10]
Trapezformet vinge.
Fordele:
Anvendelseseksempler : F/A-18 , YF-23 prototype .
Fordele: den har det højeste løft-til- træk - forhold blandt alle kendte vingetyper [13] .
Ulemper: meget vanskeligt at fremstille.
Anvendelseseksempler : K-7 (USSR), Supermarine Spitfire .
Forfatteren til den buede vingetype er den amerikanske designer Willard Custer, som i 1930'erne-1950'erne udviklede og byggede flere eksperimentelle fly, hvorpå han anvendte det aerodynamiske skema, han opfandt. Dens hovedtræk, som udtænkt af Custer, var en halvcirkelformet vinges evne til på grund af sin form at skabe yderligere statisk løft. Caster formåede imidlertid ikke at bevise konceptet til levedygtig ydeevne, og den buede vinge vandt ikke indpas i flyindustrien .
Custer hævdede, at et fartøj med en sådan vinge var i stand til at lette og klatre næsten lodret, eller svæve, mens det bibeholdt et jernbanekøretøjs hastighed.
Vingen er også karakteriseret ved den relative tykkelse (forholdet mellem tykkelse og bredde), ved roden og i enderne, udtrykt i procent.
tyk vingeDen tykke vinge giver dig mulighed for at flytte stalløjeblikket ind i et tailspin ( stall ), og piloten kan manøvrere med store vinkler og overbelastning. Det vigtigste er, at denne stall på en sådan vinge udvikler sig gradvist, samtidig med at der opretholdes et jævnt flow rundt om flowet over det meste af vingen. Samtidig får piloten mulighed for at erkende faren ved den opståede rystelse af flyet og skride til handling i tide. Et fly med en tynd vinge mister pludseligt og pludselig løfteevnen over næsten hele vingeområdet, hvilket ikke giver piloten nogen chance [14] .
Eksempler : TB-4 (ANT-16), ANT-20 , K-7 , Boeing Model 299, Boeing XB-15
Superkritisk bæreflade (S.P.), en subsonisk vingefolie, der tillader, ved en fast værdi af løftekraftskoefficienterne og bærefladetykkelsen, at øge det kritiske Mach-tal markant . For at øge hastigheden er det nødvendigt at reducere vingeprofilens modstand ved at reducere dens tykkelse (“flad” profilen), men samtidig er det nødvendigt at bevare dets vægt og styrkeegenskaber. Løsningen blev fundet af den amerikanske ingeniør Richard Whitcomb. Han foreslog at lave et tilspidset underskæring på den nederste overflade af bagsiden af vingen (en lille glat bøjning af "hale" af vingen ned). Strømningen, der udvidede sig i underskæringen, kompenserede for skiftet i det aerodynamiske fokus. Brugen af affladede profiler med en buet bagdel gør det muligt at fordele trykket jævnt langs profilkorden og fører derved til en bagudrettet forskydning af trykcentret, og øger desuden det kritiske Mach-tal med 10-15%. Sådanne profiler begyndte at blive kaldt superkritiske (superkritiske). Ret hurtigt udviklede de sig til superkritiske profiler af 2. generation - den forreste del nærmede sig symmetrisk, og underskæringen blev intensiveret. Den videre udvikling i denne retning stoppede dog - en endnu kraftigere trimning gjorde bagkanten for tynd i forhold til styrke. En anden ulempe ved 2. generations superkritiske vinge var dykkermomentet, som skulle pareres med en belastning på den vandrette hale. Da du ikke kan skære bagpå, skal du skære foran: løsningen var lige så genial, som den var enkel - de påførte en trim i den forreste nederste del af vingen og reducerede den bagtil. Her er en kort historie om udviklingen af flyveblade i billeder. Superkritiske profiler bruges i passagerflyvning, hvilket giver det bedste forhold mellem økonomi, strukturel vægt og flyvehastighed.
Klapposition (top til bund)
Et foldevingedesign bruges, når de ønsker at reducere dimensionerne, når flyet er parkeret. Oftest findes en sådan applikation i luftfartsselskabsbaseret luftfart ( Su-33 , Yak-38 , F-18 , Bell V-22 Osprey ), men nogle gange overvejes den også til passagerfly ( KR-860 , Boeing 777X ) .
Ifølge strukturkraftskemaet er vingerne opdelt i truss, spar, caisson.
Udformningen af en sådan vinge omfatter en rumlig truss, der opfatter kraftfaktorer, ribben og en hud, der overfører den aerodynamiske belastning til ribbenene. Vingens truss strukturelle kraftskema må ikke forveksles med en spartlingstruktur, herunder sprosser og (eller) ribber af trussstrukturen. I øjeblikket bruges truss-vinger praktisk talt ikke på fly, men er meget udbredt på hangglidere .
Spartvingen omfatter et eller flere langsgående kraftelementer - sparre , som opfatter bøjningsmomentet [15] . Ud over sparre kan der være langsgående vægge i en sådan vinge. De adskiller sig fra bjælkerne ved, at skindpanelerne med stringer sæt er fastgjort til bjælkerne. Sparterne overfører belastningen til rammerne af flykroppen ved hjælp af momentknudepunkter [16] .
I caisson-fløjen tages hovedbelastningen af både sparrene og skindet. I grænsen degenererer sparsene til væggene, og bøjningsmomentet optages fuldstændigt af hudpanelerne. I dette tilfælde kaldes designet monoblok . Power paneler inkluderer beklædning og et forstærkningssæt i form af stringere eller korrugeringer . Forstærkningssættet tjener til at sikre, at der ikke opstår tab af stabilitet af huden ved kompression og arbejder i spændingskompression sammen med huden. Kaissonvingedesignet kræver en midtersektion , hvortil vingekonsollerne er fastgjort. Vingekonsollerne er forbundet med midtersektionen ved hjælp af en kontursamling, som sikrer overførsel af kraftfaktorer over hele panelets bredde.
De første teoretiske undersøgelser og vigtige resultater for en vinge med uendelig spændvidde blev udført ved overgangen til det 19.-20. århundrede af de russiske videnskabsmænd N. Zhukovsky , S. Chaplygin , tyskeren M. Kutta og englænderen F. Lanchester . Teoretisk arbejde for en rigtig fløj blev startet af tyskeren L. Prandtl .
Blandt de resultater, de opnåede, er:
