Почему тяжелые закрылки лучше, чем просто большое крыло?

Когда закрылки убраны, они ничего не делают, в этом и весь смысл. Побочным продуктом подъемной силы является сопротивление, большее крыло будет создавать большую подъемную силу, но и большее сопротивление. Большее аэродинамическое сопротивление означает меньшую крейсерскую скорость или более мощные двигатели для преодоления аэродинамического сопротивления при более высоком расходе топлива. Закрылки позволяют самолетам двигаться быстрее, убираясь с дороги.

Ваши опасения по поводу тяжелых закрылков вполне обоснованы. Конструкторы стараются обойтись как можно меньшим количеством подъемных устройств. Но не меньше!

Если вы проследите тенденцию с годами, то увидите, что с каждым новым поколением авиалайнеров закрылки становились все более сложными , начиная с простых раздельных закрылков в 1930-х годах и заканчивая закрылками с тремя прорезями на Боинге 747 в конце шестидесятых. Но потом все немного изменилось. Теперь закрылки с двумя прорезями являются стандартными, а более легкие версии того же типа (например, A318 по сравнению с A321) обходятся более простыми закрылками .

Одна из причин - объем крыльевого бака. Чтобы пересечь Атлантику, реактивным самолетам первого поколения требовались большие крыльевые баки, что стало возможным благодаря большой площади крыла . Простых закрылков с одной прорезью было достаточно для желаемой посадочной скорости. Благодаря гораздо меньшему расходу топлива двигателей с большим двухконтурником теперь мы можем позволить себе крылья меньшего размера с меньшей хордой, но теперь закрылки должны компенсировать потерю площади. Устройства механизации являются основной частью усилий по разработке самолетов, и большая работа направлена ​​на уменьшение сложности закрылков и предкрылков. Закрылки Крюгера с изменяемым изгибом 747-го великолепны, но они никогда не повторялись в новых конструкциях.

Даже более простые крылья были бы возможны, если бы крейсерская высота полета была выше. Но пользы от подъема выше тропопаузы не много (кроме стратегических бомбардировщиков, но их разработка фактически прекращена полвека назад ), так что именно для этого оптимизирована установленная тяга. Если вы хотите летать выше, вам нужны более крупные и дорогие двигатели , но вы мало что выиграете в крейсерской эффективности .

И не убирать закрылки - не вариант. Большая площадь означает, что порывы ветра потенциально могут оказывать большую нагрузку на крыло, а увеличенная площадь поверхности вызовет большее сопротивление трения. Уменьшение площади крыла позволяет экономить топливо, хотя крыло становится тяжелее. Кроме того, сильно изогнутое крыло было бы совершенно непригодным для трансзвукового полета.

Закрылки стали намного тоньше за последние полвека, и на то есть веские причины. Да, вам нужен сложный путь нагрузки через направляющие закрылков к основному крылу, но именно здесь нужна жесткость для перевозки больших грузов. Это не должно дублироваться, чтобы поддерживать низкую массу конструкции! Попытки уменьшить сложность закрылков привели к тому, что закрылки стали еще тоньше, а разработка трансзвуковых аэродинамических профилей с их высоким задним изгибом позволила также увеличить изгиб закрылков, что повысило их эффективность. Обратите внимание, что обтекатель траекторий закрылков используется для регулирования площади и помогает ограничить трансзвуковое увеличение лобового сопротивления .

• Подъем к круизу сжигает топливо.
• Добавление дополнительного сопротивления сжигает топливо.
• Добавление выдвижных механизмов увеличивает вес, который сжигает топливо.
• Большее сопротивление, даже на больших крейсерских высотах, требует более мощных двигателей для той же крейсерской скорости. Большие двигатели сжигают больше топлива (несмотря на повышение эффективности использования топлива современными двигателями).
• Убирание устройств с большой подъемной силой и высоким сопротивлением снижает расход топлива (даже несмотря на то, что они увеличивают вес, таким образом, сопротивление, которое сжигает топливо).
• Перевозка топлива, необходимого для перевозки этого дополнительного топлива, сжигает топливо (здесь есть несколько вопросов об этом, я приглашаю вас посмотреть, сколько это стоит).
• Увеличенный запас топлива снижает грузоподъемность (как коробчатую, так и самозагружаемую).

Как и во всем остальном в конструкции самолетов, существует компромисс между постоянной подъемной силой / сопротивлением крыла с большой подъемной силой и весом / сложностью убирающихся устройств большой подъемной силы на крыле с малой подъемной силой.

Конструкторы решили, что уменьшение запаса топлива в крыле, а также дополнительный вес и сложность убирающихся закрылков и предкрылков для создания подъемной силы, необходимой для безопасного и разумного взлета и посадки, а также длины взлетно-посадочной полосы, лучше, чем добавление дополнительной подъемной силы и сопротивления. , но дополнительный запас топлива за счет конструкции крыла с большей подъемной силой.

Спрашивающий, кажется, заметил, что базовое крыло с убранными закрылками обеспечивает высокое отношение L/D (или Cl/Cd). Где L обозначает подъемную силу, Cl обозначает коэффициент подъемной силы, D обозначает сопротивление и т. д.

Мы, безусловно, можем масштабировать базовое крыло без закрылков, чтобы обеспечить настолько низкую посадочную скорость, насколько мы пожелаем, хотя посадка будет сложной из-за плоской глиссады. Закрылки помогают при посадке, увеличивая коэффициент аэродинамического сопротивления, а также коэффициент подъемной силы, делая глиссаду более крутой.

Основная проблема с этим подходом заключается в том, что для крейсерского полета мы не только хотим достичь высокого отношения L/D, мы хотим достичь его на высокой воздушной скорости.. Подъемная сила пропорциональна коэффициенту подъемной силы, умноженному на квадрат воздушной скорости, и в крейсерском полете подъемная сила не может быть больше веса. Если крыло слишком велико, оно будет оптимизировано, чтобы обеспечить пиковое соотношение L/D при гораздо более низкой воздушной скорости, чем мы хотим крейсерскую. В таком случае, при нашей предполагаемой крейсерской скорости, если бы мы увеличили угол атаки до максимального угла атаки L/D, крыло создавало бы слишком большую подъемную силу, и мы бы накренились в тангаж. начало цикла. Чтобы сохранить горизонтальную траекторию полета, нам пришлось бы отрегулировать угол атаки далеко вправо от пикового отношения L/D, как показано на полярной кривой зависимости отношения L/D от воздушной скорости. Другими словами, нам пришлось бы отрегулировать угол атаки до угла атаки, намного меньшего, чем угол атаки, обеспечивающий максимальное соотношение L/D. Мы получили бы большее сопротивление, чем было бы, если бы крыло было меньше.

Ситуация мало чем отличается от ситуации с пилотом планера, желающим достичь плоского планирования на высокой воздушной скорости . Планер получает меньшую скорость снижения и лучшее аэродинамическое качество при такой высокой воздушной скорости , когда нагрузка на крыло высока, чем когда нагрузка на крыло мала, потому что крыло может эксплуатироваться под углом атаки, обеспечивающим наилучшее значение L/D. соотношение, а не на гораздо меньший угол атаки. Так возится водяной балласт.

В полете с двигателем уравнения немного другие, и простое увеличение веса самолета никогда не улучшает крейсерские характеристики на высокой скорости. Но если бы крыло было спроектировано достаточно большим, чтобы обеспечить приемлемо низкую посадочную скорость без использования закрылков, то уменьшение этого крыла до меньшего размера, безусловно, улучшило бы крейсерские характеристики на высокой скорости. И именно поэтому стоит носить с собой вес и внутренний объем сложной системы закрылков — потому что мы можем сделать крыло меньше, так что, когда закрылки убраны, оно оптимизируется для обеспечения максимального соотношения L/D на высокой воздушной скорости . .

Основная тяга этого ответа остается неизменной независимо от того, пытаемся ли мы достичь низкой посадочной скорости за счет увеличения крыла во всех измерениях или только за счет увеличения хорды. Как правило, высокое пиковое отношение L/D связано с большим удлинением и, следовательно, с малой хордой крыла. Однако, если в крейсерском полете мы знаем, что должны управлять нашим увеличенным крылом с некоторой воздушной скоростью, которая намного выше, чем его максимальная воздушная скорость L / D, возможно, у нас будет лучшее отношение L / D на этой высокой воздушной скорости .если мы увеличили крыло, расширив только хорду, а не расширив все размеры. Потому что кривая зависимости L/D от воздушной скорости может быть менее «пиковой» при меньшем удлинении, чем при более высоком удлинении. Но лучшим решением будет сохранить высокое удлинение и достаточно маленькое крыло, чтобы на нем можно было летать с максимальным отношением L/D на предполагаемой крейсерской скорости . Затем «масштабируем» крыло для посадки, выпуская закрылки.

Конечно, выпуск закрылков дает гораздо больше, чем просто «увеличение» крыла. При полном выдвижении цель конструктора состоит в том, чтобы свести к минимуму скорость сваливания, поэтому приоритетом является максимизация коэффициента подъемной силы. Он или она может свободно выбирать конфигурацию, которая максимизирует коэффициент подъемной силы, не заботясь о минимизации коэффициента лобового сопротивления для максимизации отношения L/D. Как отмечалось выше, увеличение лобового сопротивления на самом деле полезно во время захода на посадку - легче направить самолет в предполагаемую зону приземления, если глиссада при выключенном двигателе не слишком плоская. (И нет, несмотря на предложение спрашивающего, мы не можем устранить дополнительное сопротивление, создаваемое выпущенными закрылками в крейсерском полете, просто «закрывая щели».) Закрылки предназначены исключительно для того, чтобы сделать коэффициент подъемной силы крыла максимально высоким, в то время как аэродинамический профиль чистого крыла спроектирован так, чтобы оптимизировать соотношение L / D или Cl / Cd. Следовательно, для достижения такой же низкой скорости сваливания просто за счет увеличения крыла без закрылков — либо по хорде, либо во всех измерениях — потребовалось бы гораздо большее увеличение площади крыла, чем площадь, которая фактически добавляется выпущенными закрылками.

Связанный --

(В) Зачем планеру водяной балласт? Если он пытается удержаться в воздухе без двигателя, не лучше ли было бы сделать его как можно легче?

(A) Для большого коммерческого самолета при посадке отношение L/D увеличивается, уменьшается или изменяется незначительно?

(A) Для большого коммерческого самолета при посадке отношение L/D увеличивается, уменьшается или изменяется незначительно?

(A) Зачем и когда использовать закрылки?