Как крыло должно быть защищено от сваливания или вращения?

Это действительно два отдельных вопроса. В обоих случаях крыло не одно, это целая конфигурация, особенно когда дело доходит до штопора.

Застой неизбежен. В какой-то момент воздушный поток над крылом начнет разделяться, и если это разделение потока достаточно велико, чтобы ограничить увеличение подъемной силы с увеличением угла атаки (AoA), крыло глохнет.

Чтобы сделать характеристики сваливания благоприятными, внешнее крыло должно по-прежнему иметь в основном присоединенный поток, чтобы элероны могли корректировать угол крена. Если сваливание начинается с одной законцовки крыла, вызывая локальную потерю подъемной силы, самолет будет неконтролируемо катиться. Движение законцовки крыла вниз во время качения еще больше увеличивает угол атаки, что делает сваливание неустранимым. Вы достигаете контроля по крену, используя размытие на законцовках крыла и/или используя аэродинамические поверхности с более высоким максимальным углом атаки, например. с помощью предкрылков на внешнем крыле.

Второе условие – постепенный отрыв потока, начиная с задней кромки. Старые пятизначные аэродинамические поверхности NACA имели неприятную характеристику сваливания с отрывом потока, начинающимся с передней кромки, что приводило к внезапному падению подъемной силы. Это достигается путем проектирования верхней поверхности с соответствующим распределением давления по хорде. Тогда потеря подъемной силы над углом атаки будет постепенной, что даст пилоту возможность легко восстановиться.

Во всех случаях хвостовое оперение (или, в случае с уткой, основное крыло) должно оставаться в режиме прикрепленного потока, чтобы обеспечить управление по тангажу и демпфирование по тангажу. Кроме того, вертикальное положение хвостового оперения должно быть немного ниже, чем след от отрывного потока, но достаточно близко, чтобы некоторая турбулентность ударяла по рулю высоты (чтобы пилот чувствовал сваливание рукояткой/штурвалом), но достаточно низко, чтобы самолет не войдет в глубокое сваливание (когда крыло полностью отделено, а хвост находится в хвосте крыла, что снижает возможности управления до точки, когда пилот больше не может снижаться).

Для спиннинга нужен фюзеляж с некоторой массой по длине. Вращение этой массы при высоком угле атаки создает момент тангажа, необходимый для стабилизации вращения. Хвост должен быть в состоянии создать остаточный момент тангажа и рыскания, чтобы стабилизировать штопор, а также прекратить его, когда того пожелает пилот. Для этого важно, чтобы руль направления не находился в кильватере горизонтального оперения. DeHavilland Tiger Moth имеет два алюминиевых ремня перед оперением; без них сваливание неустранимо, потому что авторитет руля недостаточен. Чтобы завершить штопор F-14 , цельноповоротные стабилизаторы должны были быть вытянуты до минимального угла -70°, чтобы они не препятствовали потоку к двум рулям направления. Только когда пилоты тянули, они могли закончить штопор.

Просто для ясности: обычно вам нужно нажать, чтобы закончить вращение. Особенно у планеров с их относительно небольшими рулями и большой инерцией крыла это вернет большую часть крыла обратно в область нормального потока, а демпфирование крена остановит вращение. На этом заканчивается инерционная качка фюзеляжа, и самолет можно восстановить.

В конфигурациях с преобладанием фюзеляжа вы заканчиваете вращение, применяя руль направления против направления вращения. Это уменьшает вращение, уменьшает инерционный угол тангажа и позволяет самолету вернуться к нормальному углу атаки.

Кроме стойла, вращение возможно не всегда. Иногда, особенно в местах с передним центром тяжести, силы подачи будет недостаточно для стабилизации вращения. Вы можете свалить и использовать руль направления, но самолет войдет только в пикирование по спирали. Особенно на реактивных самолетах передняя часть фюзеляжа является основным фактором штопора, потому что он создает след при высоком угле атаки, который стабилизирует штопору. Детали формы фюзеляжа определят, достаточен ли след для вращения. Это сложная тема - извините, но в таком масштабе трудно вдаваться в подробности.

Есть несколько способов сделать небольшой самолет устойчивым к сваливанию и штопору. Оба случая в чем-то похожи в том, что они оба включают случаи, когда органы управления самолетом становятся неэффективными, а сваливание может привести к штопору, если его не исправить должным образом. В то время как сваливание, безусловно, во многом зависит от крыла самолета, сваливание и штопор также зависят от геометрии всего самолета.

Здесь есть интересная информация о спинах и киосках. В Википедии тоже есть хорошая статья про спины . В FAR 23.221 есть требования FAA к одномоторным самолетам .

Для сохранения управления в сваливании перед элеронами могут быть установлены такие устройства, как вихрегенераторы. Если воздушный поток отрывается от крыла перед элеронами, воздух больше не проходит над рулями, что приводит к потере управления. Вихревые генераторы помогают потоку оставаться прикрепленным к элеронам, помогая им оставаться эффективными на больших углах атаки.

Помимо генераторов вихрей, само крыло может быть рассчитано на аналогичный эффект. Внутренние секции могут быть сконструированы так, чтобы останавливаться перед внешними секциями, поэтому подъемная сила уменьшается, но внешние секции по-прежнему будут обеспечивать подъемную силу и управление.

Самолет также может быть спроектирован таким образом, что у руля высоты не будет достаточно полномочий, чтобы полностью свалить самолет, или не дальше, чем у элеронов. Эффект руля высоты также будет зависеть от центра тяжести самолета, который имеет предполагаемый диапазон, но определяется оператором.

Вращение связано с геометрией самолета, когда поток воздуха, проходящий мимо крыла, «закрывает» хвостовое оперение. Эту геометрию можно устроить так, чтобы было сложнее создать условия вращения. Тем не менее, обычные конструкции самолетов, как правило, по своей природе подвержены этому. Большинство самолетов сертифицированы как «устраняемые при вращении», что означает, что самолет будет вращаться, но пилот должен иметь возможность остановить вращение с помощью надлежащих управляющих воздействий. Улучшение характеристик сваливания самолета также поможет предотвратить штопор.

Возможно, вы захотите взглянуть на исследовательскую программу НАСА по вращению , которую уместно назвать «побочной». Где-то в сети есть полный документ, я его опубликую, если найду. Знания, полученные в результате исследования, фактически были включены в новые разработки.

Ercoupe был построен как безопасный самолет, который не мог свалиться или закрутиться, однако, как показывают записи об авариях, с ним произошло несколько аварий .