Почему размах крыла определенного авиалайнера не больше с более длинными версиями фюзеляжа?

Есть две основные причины:

• Легче подключить секцию фюзеляжа, чем секцию крыла (стреловидной формы). Если вы заметили, одна вещь, которая оставалась неизменной для всех моделей, — это поперечное сечение фюзеляжа. В принципе, производитель может сделать другое сечение фюзеляжа и добавить его к уже существующим.

  С другой стороны, если добавить секцию крыла, характеристики самолета заметно изменятся, помимо того, что это будет сложно сделать. Если вы добавляете секцию крыла, необходимо сделать довольно много дополнительных модификаций (например, поверхности управления и т. д.), что увеличит стоимость, устраняя любую экономию средств, которую производитель мог бы получить, используя общие детали для моделей.

• Следующая, возможно, более важная причина этого с точки зрения авиакомпании заключается в том, что это изменит группу разработчиков самолета. Следующая таблица взята из проекта аэропорта FAA AC 150/5300-13 (определения ИКАО более или менее совпадают):

Изображение из FAA AC 150/5300-13 Airport Design

Например, Boeing 737 и Airbus A320 имеют размах крыльев на пределе проектной группы III (B737 имеет 117 футов 10 дюймов, а A320 - 117 футов 5 дюймов с шарклетами). Любое увеличение изменит ADG, что ограничит количество аэропортов, из которых можно эксплуатировать самолет, что не понравится авиакомпаниям.

Например, когда размах крыла 747-8 был увеличен, категория самолета была изменена (с категории ИКАО E на F, что эквивалентно V и VI), и необходимо было провести исследования совместимости, чтобы разрешить полеты в аэропортах, где 747-400 уже используются. в действии.

Авиакомпании с удовольствием используют другие эксплуатационные процедуры или жертвуют некоторыми другими характеристиками (такими как дальность полета — например, дальность полета B737 MAX падает примерно на 200 миль между MAX 7 и MAX 9; в любом случае самолеты редко летают на такие расстояния) ради того, чтобы один и тот же самолет работал в большое количество аэропортов и снизить нагрузку на техническое обслуживание за счет наличия общих деталей для всех моделей.

Крыло очень трудно расширить, в отличие от фюзеляжа, когда он имеет цилиндрическую среднюю часть.

Крылья должны быть рассчитаны на то, чтобы не ломаться при максимально возможных воздушных нагрузках в процессе эксплуатации. Это достигается, когда самолет летит в сильный восходящий поток на высокой скорости, и в порывистую погоду необходимо соблюдать ограничения скорости, чтобы крылья оставались неповрежденными.

Если на концах добавить некоторую площадь, это создаст большой изгибающий момент (подъемная сила, умноженная на плечо рычага) при относительно небольшой подъемной силе. Этот изгибающий момент отвечает за напряжения в корневой части крыла и поэтому должен быть ограничен, чтобы крыло не сломалось.

Для увеличения подъемной силы модифицируются только закрылки. Сравните два изображения ниже: на верхнем показаны закрылки A319, а на нижнем — закрылки A321:

Закрылки А319 в посадочной конфигурации ( источник фото )

Закрылки A321 в конфигурации захода на посадку ( источник изображения )

В то время как закрылок A319 имеет одну прорезь, в A321 используется второй сегмент закрылка с дополнительной прорезью, чтобы получить немного больше подъемной силы от той же формы в плане. Он также имеет более глубокий закрылок, поэтому хорда крыла немного увеличена. Это помогает сделать посадочные скорости обоих самолетов одинаковыми, а максимальный посадочный вес А321 на 27,5% выше, чем у А319 . Для аналогичных взлетных характеристик подбираются более мощные двигатели, но для посадочных характеристик крыло должно создавать большую подъемную силу. В крейсерском режиме крыло просто будет работать с более высоким коэффициентом подъемной силы.

Только для серии A340-500/600 площадь крыла была увеличена за счет вставки треугольной средней части в аэродинамический профиль, поэтому хорда и размах могли быть увеличены по сравнению с A340-200/300. Это было возможно из-за геометрии современных сверхкритических профилей, но это очень редкое явление. Помимо увеличения подъемной силы крыла, это увеличило внутренний объем топлива на 50%, поэтому A340-500 стал самым дальнемагистральным авиалайнером в мире, когда он был представлен в 2002 году. Это также увеличило корневую структуру и его максимальный изгибающий момент, поэтому размах крыла мог быть увеличен.

Сравнение версии A340 (собственная работа). Синий — А340-200, красный — А340-500. Обратите внимание на увеличение хорды крыла, в то время как хвостовое оперение осталось неизменным.

Краткий ответ: им нужно разрабатывать, строить и обслуживать только один тип крыла. И нет причин не делать этого.

Это, однако, приводит к вопросу: как это влияет на производительность?

Из формулы аэродинамической подъемной силы видно, что обычно существует 4 способа увеличить подъемную силу крыла:

1. Увеличить угол атаки
2. Увеличить площадь крыла
3. Увеличить скорость
4. Увеличить плотность воздуха

Угол атаки
Угол атаки определяет состояние нашего самолета, например, сваливание, лучший крейсерский режим и т. д. Таким образом, мы можем считать его фиксированным для данной ситуации.

Площадь крыла
Как вы предложили, мы могли бы увеличить размах или высоту крыла.

Speed
​​​​Lift работает со скоростью в квадрате. Чтобы справиться с дополнительным весом более крупного самолета, нам нужно увеличить воздушную скорость для данной ситуации на квадратный корень из коэффициента перегрузки . Предположим, что более крупный самолет в 1,5 раза тяжелее, все скорости масштабируются с помощью sqrt(1.5) = 1.22 . Таким образом, все характеристические скорости, такие как скорость сваливания, наилучшая скорость набора высоты, наилучшая крейсерская скорость и т. д., увеличиваются в 1,22 раза.

Плотность воздуха
Ну, мы не можем изменить плотность воздуха. Однако мы можем летать в более плотном воздухе, то есть ниже. Иными словами, более тяжелый самолет имеет более низкий практический потолок .

Заключение
При том же крыле более тяжелый самолет хуже с точки зрения практических возможностей, короткого взлета и посадки, но лучше, когда дело доходит до крейсерской скорости.

Один момент, который еще не был упомянут:

Вес полностью загруженного и пустого самолета может сильно различаться. Для типичного авиалайнера взлетный вес может составлять от 25% до 45% топлива https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_fraction.

Поэтому вполне возможно, что вариант с длинным фюзеляжем, используемый на ближнемагистральных маршрутах, и вариант с коротким фюзеляжем, используемый на дальнемагистральных маршрутах (требующих гораздо больше топлива), могут иметь точно такой же взлетный вес и, следовательно, нагрузку на крыло.

Так что да, данная конструкция крыла имеет максимально допустимую нагрузку, но то, как она может быть распределена между % самолета + % топлива + % полезной нагрузки, может значительно различаться.

С другой стороны, это правда, что из-за стандартизации появилось много самолетов с переработанными крыльями. Вы можете видеть, что крылья A380 имеют довольно большую площадь по сравнению с остальной частью самолета. Они были разработаны с идеей растянуть самолет позже, но особого интереса к растянутой версии пока не было.

Разве с 737-900 вам не понадобится больший размах крыла, чем у 737-700, из-за дополнительного веса, который вы будете нести, и вам потребуется большая подъемная сила, чтобы выдержать этот дополнительный вес.

Вы бы сделали это, если бы размах крыльев 737-700 был рассчитан на проектные ограничения для фюзеляжа 737-700. Но это не так. Вместо этого размах крыльев всего семейства рассчитан на расчетные пределы для самого крупного члена семейства.

Другими словами, мы могли бы перефразировать ваш вопрос так:

Не слишком ли малы крылья 737-900?

И ответ: нет, у 737-700 крылья слишком большие!

Верно то, что для подъема дополнительного веса более крупного варианта требуется большая подъемная сила. Этого можно было бы достичь с помощью большего крыла, а также за счет более быстрого полета или под большим углом атаки, или за счет того и другого.

Весь смысл внедрения семейств самолетов, таких как 737, заключается в том, чтобы охватить большой сегмент рынка как можно большим количеством общих частей самолета (т. е. снизить затраты на разработку и складские запасы и добиться экономии за счет унификации). Изменение крыла для каждой модели сведет на нет эту цель, поскольку крыло является одной из самых дорогих частей, которые должны быть спроектированы для самолета. Кроме того, это сделает техническое обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации более обременительным, поскольку уменьшится унификация флота.