A szárny a repüléstechnikában egy olyan csapágyfelület , amelynek keresztmetszete az áramlás irányában profilozott, és aerodinamikai emelés létrehozására szolgál . A repülőgép szárnyának különböző alakja lehet a tervben, és fesztávolság szempontjából - a repülőgép szimmetriasíkjával párhuzamos síkban lévő szakaszok eltérő alakja, valamint a szakaszok különböző csavarási szögei ezekben a síkban [1] .
Geometriai jellemzők - a szárny tervezéséhez és elemeinek nevének meghatározásához használt paraméterek, fogalmak és kifejezések listája [2] :
Szárnyfesztávolság (L) - a repülőgép alapsíkjával párhuzamos és a szárny végeit érintő két sík közötti távolság. [GHS 1990 (55.o.)] A szárny felfekvési felületének húrja egy egyenes szakasz, amelyet a szárny egyik szakaszában a repülőgép alapsíkjával párhuzamos sík vesz fel, és amelyet a profil elülső és hátsó pontja határol. A lokális szárnyhúr (b(z)) egy egyenes szakasz a szárnyprofilon, amely a profilkontúr elülső és hátsó pontjait köti össze egy adott szakaszon a szárny fesztávja mentén. A szárny lokális húrjának hossza (b (z)) annak a vonalszakasznak a hossza, amely a szárny fesztávolsága mentén a lokális szakaszon áthalad a szárny hátsó és elülső pontjain. A szárny középső húrja (b 0 ) a szárny lokális húrja a repülőgép alapsíkjában, amelyet úgy kapunk, hogy a szárny elülső és hátsó éleinek vonalát folytatjuk a metszéspontig ezzel a síkkal. [GHS 1990 (54.o.)] A szárny központi húrjának hossza (b 0 ) a szárny első és hátsó élének a repülőgép alapsíkjával való metszéspontja közötti szakasz hossza. [GHS 1990 (54.o.)] Fedélzeti szárny húrja (b b ) - egy húr a szárny és a törzs elválasztási vonala mentén a repülőgép alapsíkjával párhuzamos szárnyszakaszban. [GHS 1990 (54.o.)] A szárny véghúrja (b - ) - a húr a szárny végszakaszában, párhuzamosan a repülőgép alapsíkjával. A szárny referenciasíkja az a sík, amely a szárny központi húrját tartalmazza és merőleges a repülőgép referenciasíkjára. [GHS 1990 (43.o.)] Szárnyterület (S) - a szárny vetületének területe a szárny alapsíkján, beleértve a szárny hasi részét és a szárnynyúlványokat. [GHS 1990 (55.o.)] A szárny vezérlőszelvénye a szárnynak a szárny alapsíkjával párhuzamos sík általi feltételes szakasza (z = const). [GHS 1990(16)] Szárnygörbület - a légszárnyak középvonalának változó eltérése a húrjaitól; a profil relatív homorúsága (a középvonal húrtól való maximális eltérésének aránya a húr hosszához képest). [GHS 1990(16)] A szárny középfelülete - a fesztáv mentén a szárnyprofilok összes átlagos vonalának összessége alkotja; általában a profil homorúságának és a fesztávolság mentén bekövetkező szárnycsavarodásnak bizonyos törvényei alapján adják meg; a szárnyat alkotó profilok szárnycsavarásának állandó értékével és nulla görbületével a középső felület egy sík. [GHS 1990(16)] A szárny oldalaránya (λ) egy relatív geometriai paraméter, amelyet arányként határoznak meg: λ = L²/S; A szárny szűkülete (η) a szárny relatív geometriai paramétere, az arány: η = b 0 /b -hoz ; A szárny geometriai csavarodása a szárny húrjainak fesztávja mentén bizonyos szögekkel történő elforgatása (a φ kr = f (z) törvény szerint), amelyeket abból a síkból mérünk, amelyet általában alapsíknak veszünk. a szárny (feltéve, hogy a szárny beékelődési szöge a fedélzeti húr mentén nulla) . Az aerodinamikai jellemzők, a stabilitás és az irányíthatóság javítására szolgál körutazáskor és nagy támadási szögek elérésekor. A szárny geometriai csavarodásának lokális szöge (φkr(z)) a szárny lokális húrja és alapsíkja közötti szög, a φkr (z) szög pedig akkor tekinthető pozitívnak, ha a lokális húr elülső pontja magasabb, mint ugyanazon szárnyhúr hátsó pontja.A szárny három részre osztható: a bal és jobb oldali félsíkra vagy konzolokra és a középső részre. Könnyű repülőgépeknél, mint például a Cessna-152 , Yak-12 és még a nagyobb L-410 is, a szárny egy darabból áll, részekre osztás nélkül. A törzs elkészíthető hordozóként (például Szu-27 , F-35 , Szu-57 repülőgépeken ). A félsíkok viszont tartalmazhatják a szárny beáramlását és a szárnycsúcsot . A "szárnyak" kifejezést gyakran találják, de ez hibás egy egysíknál , mivel a szárny egy és két félsíkból áll. Ritka esetekben egy monoplánnak 2 szárnya is lehet, például a Tu-144- nek volt egy további behúzható első szárnya.
A szárny emelőereje a légáramlás irányának változtatásával jön létre [3] [4] .
A szárny elvének egyik leggyakoribb magyarázata Newton becsapódási modellje, amelyet a Principia Mathematicában javasolt egy rendkívül ritka, egymással nem ütköző részecskéket tartalmazó közegre (vagyis olyan közegre, amelyben az átlagos szabad út sokkal nagyobb, mint a szárny mérete): a légrészecskék a szárny alsó felületével az áramláshoz képest szögben ütközve rugalmasan visszapattannak Newton harmadik törvénye szerint, felfelé tolva a szárnyat. Ez az egyszerűsített modell figyelembe veszi az impulzus megmaradásának törvényét, de teljesen figyelmen kívül hagyja a szárny felső felülete körüli áramlást, aminek következtében alulbecsült felhajtóerőt ad [5] . Ebben az esetben tilos ezt a modellt olyan közeghez használni, amelyben az átlagos szabad út sokkal kisebb, mint a szárny jellemző méretei.
Egy másik egyszerűsített modellben az emelés előfordulását a profil felső és alsó oldalán kialakuló nyomáskülönbség magyarázza, amely Bernoulli törvénye szerint [6] : a szárny alsó felületén a légáramlás kisebb, mint a felsőn, tehát a szárny emelése alulról felfelé irányul; Ez a nyomáskülönbség felelős az emelőerőért. A modell az áramlási sebesség és a ritkulás közötti helytelen egyirányú kapcsolat miatt is hibás [3] [7] [8] . A valóságban összefüggés van a támadási szög , a ritkulás és az áramlási sebesség között.
A pontosabb számítások érdekében N. E. Zsukovszkij bevezette az áramlási sebesség cirkulációjának fogalmát ; 1904 -ben megfogalmazta Zsukovszkij tételét . A sebességi cirkuláció lehetővé teszi az áramlási ferde figyelembevételét és sokkal pontosabb eredmények elérését a számításokban. A fenti magyarázatok egyik fő hiányossága, hogy nem veszik figyelembe a levegő viszkozitását , vagyis az áramlás egyes rétegei közötti energia- és lendületátvitelt (ez okozza a keringést). A talajfelület jelentős hatást gyakorolhat a szárnyra, "visszatükrözi" a szárny okozta áramlási zavarokat, és visszaadja a lendület egy részét ( talajhatás ).
A szárny felső felületén végigkövető légáram hozzá "ragad" és a szárny inflexiós pontja után is ezen a felületen igyekszik követni ( Coanda-effektus ).
Valójában a szárny körüli áramlás egy nagyon összetett, háromdimenziós, nemlineáris és gyakran nem álló folyamat. A szárny emelőereje függ a területétől, profiljától, alaprajzi alakjától, valamint a támadási szögtől , a sebességtől és az áramlási sűrűségtől ( Mach-szám ), valamint számos egyéb tényezőtől. Az emelőerő kiszámításához a Navier-Stokes egyenleteket [3] használjuk (azaz a számítás figyelembe veszi a viszkozitást, a tömegmegmaradást és a lendületet).
A szárnynak a törzshöz viszonyított helyzetét a törzs hossza és magassága mentén való elhelyezkedése, valamint a hossztengelyéhez viszonyított beépítési szög határozza meg. A szárny elhelyezkedése a törzs magassága mentén eltérő lehet: magas, közepes és alacsony. Ennek megfelelően a repülőgépet magas szárnyúnak , közepes szárnyúnak és alacsony szárnyúnak nevezik . Az elhelyezési lehetőség a törzs alakjától, a repülőgép rendeltetésétől, a hajtóművek típusától és elhelyezkedésétől stb. függ. A szárny beépítési szögét úgy kell megválasztani, hogy az megegyezzen a legjellemzőbb repülési mód támadási szögével. Ebben az esetben a törzs az áramlás irányában található, és a legkisebb ellenállással rendelkezik.
Az új repülőgépek tervezésénél az egyik fő probléma az optimális szárnyforma és paraméterei (geometriai, aerodinamikai, szilárdsági stb.) megválasztása.
Az egyenes szárny fő előnye a magas emelési együttható alacsony támadási szögek esetén is . Ez lehetővé teszi a szárny fajlagos terhelésének jelentős növelését , ezáltal a méret és a súly csökkentését anélkül, hogy félne a fel- és leszállási sebesség jelentős növekedésétől. Ezt a szárnytípust szubszonikus és transzonikus sugárhajtóműves repülőgépeken használják. Az egyenes szárny másik előnye a gyárthatóság, amely lehetővé teszi az előállítási költségek csökkentését.
Az a hátrány, amely előre meghatározza egy ilyen szárny alkalmatlanságát hangos repülési sebességnél, a légellenállási együttható meredek növekedése a Mach-szám kritikus értékének túllépése esetén.
Az egyenes szárny nagyon érzékeny a légköri turbulenciára, ezért a "légzsebek" hatása jól érezhető a lassan mozgó repülőgépeken (főleg a kétfedelűeken) és az egyenes szárnyú vitorlázórepülőkön.
A lesöpört szárny széles körben elterjedt a különféle módosításoknak és tervezési megoldásoknak köszönhetően.
Előnyök:
Hibák:
A negatív momentumok kiküszöbölésére szárnycsavarást , gépesítést, a fesztáv mentén változtatható pásztázási szöget, fordított szárnyszűkítést vagy negatív söprést alkalmaznak.
Alkalmazási példák: Su-7 , Boeing 737 , Tu-134 stb.
Beáramlási szárny (állat)Söpört szárny variáció . Az ogivális szárny működése úgy írható le, mint a szárny törzsközeli részében egy nagy söprés éles elülső éléről letörő örvények spirális áramlása. Az örvényfilm emellett hatalmas, alacsony nyomású területek kialakulását idézi elő, és növeli a levegő határrétegének energiáját, ezáltal növeli az emelési együtthatót. A manőverezhetőséget elsősorban a szerkezeti anyagok statikus és dinamikus szilárdsága, valamint a repülőgép aerodinamikai jellemzői korlátozzák.
Alkalmazási példák: Tu-144 , Concorde
Egy szárny negatív söpréssel (azaz előre ferde szöggel).
Előnyök:
Hibák:
Alkalmazási példák : soros polgári HFB-320 Hansa Jet , kísérleti Szu-47 Berkut vadászgép .
A háromszög alakú ( delta alakú angol delta-wing - a nevét a görög delta betűről kapta ) szárny merevebb és könnyebb, mint az egyenes és a söpört, és leggyakrabban M = 2 feletti sebességnél használják.
Előnyök:
Hibák:
Alkalmazási példák : MiG-21 , HAL Tejas , Mirage 2000 (kis relatív vastagság); Gloster Javelin , Avro Vulcan (nagy nyomtáv), Avro Canada CF-105 Arrow , Saab 37 Viggen , Lockheed L-2000 szuperszonikus utasszállító repülőgép , Boeing-2707-300 [10]
Trapéz alakú szárny.
Előnyök:
Alkalmazási példák : F/A-18 , YF-23 prototípus .
Elliptikus szárny [11] [12] .
Előnyök: az összes ismert szárnytípus közül a legmagasabb az emelő- ellenállás aránya [13] .
Hátrányok: nagyon nehéz gyártani.
Alkalmazási példák : K-7 (Szovjetunió), Supermarine Spitfire .
Az íves szárnytípus szerzője Willard Custer amerikai tervező, aki az 1930-1950-es években több kísérleti repülőgépet fejlesztett és épített, amelyeken az általa kitalált aerodinamikai sémát alkalmazta. Fő jellemzője, ahogyan azt Custer kitalálta, a félkör alakú szárny azon képessége volt, hogy alakja miatt további statikus emelést hozzon létre. Casternek azonban nem sikerült bebizonyítania, hogy a koncepció életképes, és az íves szárny nem nyert teret a repülőgépiparban .
Custer azt állította, hogy egy ilyen szárnyú jármű képes szinte függőlegesen felszállni és felmászni, vagy lebegni, miközben fenntartja a vasúti jármű sebességét.
A szárnyat a relatív vastagság (a vastagság és a szélesség aránya ) is jellemzi, a tövénél és a végén, százalékban kifejezve.
vastag szárnyA vastag szárny lehetővé teszi, hogy az elakadás pillanatát egy farokpergésbe ( stall ) mozgassa , és a pilóta nagy szögekkel és túlterheléssel manőverezhet. A lényeg az, hogy az ilyen szárnyon lévő istálló fokozatosan fejlődjön, miközben sima áramlást tart fenn az áramlás körül a szárny nagy részén. Ugyanakkor a pilóta lehetőséget kap arra, hogy a repülőgép felbukkanó rázkódásából felismerje a veszélyt, és időben intézkedjen. Egy vékony szárnyú repülőgép szinte a teljes szárnyterületen hirtelen és hirtelen elveszíti a felhajtóerőt, így esélyt sem hagy a pilótának [14] .
Példák : TB-4 (ANT-16), ANT-20 , K-7 , Boeing Model 299, Boeing XB-15
Szuperkritikus szárnyszelvény (S.P.), egy szubszonikus szárnyú szárny, amely lehetővé teszi az emelőerő együtthatóinak és a szárnyvastagságnak rögzített értéke mellett a kritikus Mach-szám jelentős növelését . A sebesség növeléséhez csökkenteni kell a szárnyprofil ellenállását a vastagságának csökkentésével (a profil „lelapítása”), ugyanakkor meg kell őrizni súlyát és szilárdsági jellemzőit. A megoldást Richard Whitcomb amerikai mérnök találta meg. Azt javasolta, hogy a szárny hátsó részének alsó felületén készítsenek elkeskenyedő alámetszést (a szárny "farkának" kis sima hajlítása lefelé). Az alámetszésben táguló áramlás kompenzálta az aerodinamikai fókusz eltolódását. Az ívelt hátsó résszel lapított profilok használata lehetővé teszi a nyomás egyenletes elosztását a profilhúr mentén, és ezáltal a nyomásközéppont hátrafelé történő elmozdulásához vezet, valamint 10-15%-kal növeli a kritikus Mach-számot. Az ilyen profilokat szuperkritikusnak (szuperkritikusnak) kezdték nevezni. Meglehetősen gyorsan a 2. generáció szuperkritikus profiljaivá fejlődtek - az elülső rész közeledett a szimmetrikushoz, és az alámetszés fokozódott. A további fejlesztés ebben az irányban azonban megállt - a még erősebb trimmelés miatt a hátsó él túl vékony lett az erő szempontjából. A 2. generációs szuperkritikus szárny másik hátránya a merülési pillanat volt, amelyet a vízszintes farok terhelésével kellett hárítani. Mivel hátul nem lehet vágni, elöl kell vágni: a megoldás olyan ötletes volt, mint amilyen egyszerű volt – a szárny elülső alsó részén szegélyt, hátul pedig kicsinyítettek. Íme egy rövid történet a szárnyszárnyak fejlődéséről képekben. Szuperkritikus profilokat használnak az utasszállító repülésben, amelyek a gazdaságosság, a szerkezeti tömeg és a repülési sebesség legjobb arányát biztosítják.
A szárny helyzete (fentről lefelé)
Az összecsukható szárnyú kialakítást akkor alkalmazzák, amikor a repülőgép parkolásakor csökkenteni akarják a méreteket. Leggyakrabban a fuvarozó alapú repülésben található ilyen alkalmazás ( Su-33 , Yak-38 , F-18 , Bell V-22 Osprey ), de néha utasszállító repülőgépeknél is felmerül ( KR-860 , Boeing 777X ) .
A szerkezeti erőrendszer szerint a szárnyak rácsra, szárra, keszonra vannak osztva.
Egy ilyen szárny kialakítása tartalmaz egy térbeli rácsot, amely érzékeli az erőtényezőket, a bordákat és az aerodinamikai terhelést a bordákra átadó burkolatot. A szárny rácsos szerkezeti-erősségi sémáját nem szabad összetéveszteni a rácsos szerkezettel, beleértve a rácsos szerkezet gerendáit és (vagy) bordáit. Jelenleg a rácsos szárnyakat gyakorlatilag nem használják repülőgépeken, de széles körben használják sárkányrepülőkön .
A szárny egy vagy több hosszirányú erőelemet tartalmaz - szárakat , amelyek érzékelik a hajlítónyomatékot [15] . Az ilyen szárnyban a szárnyak mellett hosszanti falak is lehetnek. Abban különböznek a lécektől, hogy a húrkészlettel ellátott bőrpanelek a szárokhoz vannak rögzítve. A hengerek nyomaték csomópontok segítségével adják át a terhelést a repülőgép törzsének kereteire [16] .
A caisson szárnyban a fő terhelést mind a szárak, mind a bőr veszik. A határban a lécek a falakhoz fajulnak, és a hajlítónyomatékot teljesen felveszik a bőrpanelek. Ebben az esetben a kialakítást monoblokknak nevezik . Az elektromos panelek burkolatot és erősítő készletet tartalmaznak zsinórok vagy hullámok formájában . Az erősítő készlet arra szolgál, hogy ne veszítse el a bőr stabilitását a kompresszió következtében, és a bőrrel együtt feszítő-kompresszióban működik. A caisson szárny kialakításához egy középső rész szükséges , amelyhez a szárnykonzolok rögzítve vannak. A szárnykonzolok a középső részhez kontúrcsuklóval csatlakoznak, ami biztosítja az erőtényezők átadását a panel teljes szélességében.
Az első elméleti tanulmányokat és a végtelen fesztávolságú szárnyra vonatkozó fontos eredményeket a 19-20. század fordulóján végezték N. Zsukovszkij , S. Chaplygin , a német M. Kutta és az angol F. Lanchester orosz tudósok . Az igazi szárny elméleti munkálatait a német L. Prandtl kezdte el .
Az általuk elért eredmények között szerepel:
