En vinge inom flygteknik är en bäryta som har en profilerad form i tvärsnitt i flödesriktningen och är utformad för att skapa aerodynamisk lyftkraft . En flygplansvinge kan ha en annan form i plan, och i termer av spännvidd - en annan form av sektioner i plan parallella med flygplanets symmetriplan, såväl som olika vridningsvinklar för sektionerna i dessa plan [1] .
Geometriska egenskaper - en lista över parametrar, begrepp och termer som används för att designa en vinge och bestämma namnen på dess element [2] :
Vingspann (L) - avståndet mellan två plan som är parallella med flygplanets basplan och som rör ändarna på vingen. [GHS 1990(s.55)] Kordan på vingens bärande yta är ett rakt linjesegment taget i en av vingens sektioner av ett plan parallellt med flygplanets basplan och avgränsat av profilens främre och bakre punkter. Lokalt vingkorda (b(z)) är ett rakt linjesegment på vingprofilen som förbinder de främre och bakre punkterna på profilkonturen i en given sektion längs vingens spann. Längden på vingens lokala korda (b (z)) är längden av linjesegmentet som passerar genom de bakre och främre punkterna på bärytan i den lokala sektionen längs vingens spännvidd. Vingens centrala korda (b 0 ) är vingens lokala korda i flygplanets basplan, erhållet genom att fortsätta linjen för vingens främre och bakre kanter till skärningen med detta plan. [GHS 1990(s.54)] Längden på vingens centrala korda (b 0 ) är längden på segmentet mellan skärningspunkterna för vingens främre och bakre kanter med flygplanets basplan. [GHS 1990(s.54)] Inbyggd vingkorda (b b ) - en korda längs linjen för separation av vinge och flygkropp i vingsektionen parallellt med flygplanets basplan. [GHS 1990(s.54)] Vingens ändkorda (b till ) - ackordet i ändsektionen av vingen, parallellt med flygplanets basplan. Vingens referensplan är det plan som innehåller vingens centrala korda och vinkelrätt mot flygplanets referensplan. [GHS 1990(s.43)] Vingområde (S) - området för vingprojektionen på vingens basplan, inklusive den ventrala delen av vingen och vingförlängningarna. [GHS 1990(s.55)] Vingens kontrollsektion är en villkorlig sektion av vingen med ett plan parallellt med vingens basplan (z = const). [GHS 1990(16)] Vingkrökning - variabel avvikelse av vingars mittlinje från deras ackord; kännetecknad av en relativ konkavitet av profilen (förhållandet mellan den maximala avvikelsen för mittlinjen från kordan till kordans längd). [GHS 1990(16)] Vingens medianyta - bildad av helheten av alla medellinjer för vingprofilerna längs spännvidden; vanligtvis ges av några lagar för förändring i profilens konkavitet och vingvridning längs spännvidden; med ett konstant värde på vingvridning och noll krökning av profilerna som vingen består av, är medianytan ett plan. [GHS 1990(16)] Wing aspektförhållande (λ) är en relativ geometrisk parameter definierad som ett förhållande: λ = L²/S; Vingens avsmalning (η) är den relativa geometriska parametern för vingen, definierad som förhållandet: η = b 0 /b till ; Vingens geometriska vridning är rotationen av vingens kordar längs dess spännvidd med några vinklar (enligt lagen φ kr = f (z)), som mäts från planet, som vanligtvis tas som basplanet av vingen (förutsatt att vinkeln för vingens kiling längs den ombordvarande kordan är lika med noll) . Den används för att förbättra aerodynamiska egenskaper, stabilitet och kontrollerbarhet under kryssningsflyg och när man når höga anfallsvinklar. Den lokala vinkeln för vingens geometriska vridning (φkr(z)) är vinkeln mellan vingens lokala korda och dess basplan, och vinkeln φkr (z) anses vara positiv när den främre punkten på den lokala kordan är högre än den bakre punkten på samma vingackord.Vingen kan delas in i tre delar: vänster och höger halvplan eller konsoler och mittsektionen. För lätta flygplan, som Cessna-152 , Yak-12 och även den större L-410, har vingen en struktur i ett stycke utan uppdelning i delar. Flygplanskroppen kan göras som en bärare (till exempel på Su-27 , F-35 , Su-57 flygplan ). Halvplanen kan i sin tur inkludera vinginflödet och spetsen . Uttrycket "vingar" finns ofta, men det är felaktigt i förhållande till ett monoplan , eftersom vingen är en och består av två halvplan. I sällsynta fall kan ett monoplan också ha 2 vingar, till exempel hade Tu-144 en extra infällbar framvinge.
Vingens lyftkraft skapas genom att ändra luftflödets riktning [3] [4] .
En av de vanligaste förklaringarna till principen om vingen är Newtons nedslagsmodell, som han föreslagit i Principia Mathematica för ett extremt sällsynt medium med partiklar som inte kolliderar med varandra (dvs. för ett medium där den genomsnittliga fria vägen är mycket större än storleken på vingen): luftpartiklar, som kolliderar med den nedre ytan av vingen i en vinkel mot flödet, studsar elastiskt ner enligt Newtons tredje lag och trycker upp vingen. Denna förenklade modell tar hänsyn till lagen om bevarande av momentum, men försummar helt flödet runt den övre ytan av vingen, vilket resulterar i att den ger en underskattad mängd lyft [5] . I det här fallet är det olagligt att använda denna modell för ett medium där den genomsnittliga fria vägen är mycket mindre än vingens karakteristiska dimensioner.
I en annan förenklad modell förklaras uppkomsten av lyft av tryckskillnaden på profilens ovan- och undersida, vilket sker enligt Bernoullis lag [6] : på vingens nedre yta är luftflödet lägre än på den övre, så lyftet av vingen är riktad från botten till toppen; Denna tryckskillnad är ansvarig för lyftkraften. Modellen är också felaktig på grund av det felaktiga envägsförhållandet mellan flödeshastighet och sällsynthet [3] [7] [8] . I verkligheten har vi förhållandet mellan anfallsvinkel , sällsynthet och flödeshastighet.
För mer exakta beräkningar introducerade N. E. Zhukovsky begreppet cirkulation av flödeshastigheten ; 1904 formulerade han Zhukovskys teorem . Hastighetscirkulation gör att du kan ta hänsyn till flödeslutningen och få mycket mer exakta resultat i beräkningarna. En av huvudbristerna med ovanstående förklaringar är att de inte tar hänsyn till luftens viskositet , det vill säga överföringen av energi och momentum mellan flödets individuella lager (vilket är det som orsakar cirkulation). Markytan kan ha en betydande effekt på vingen, "reflektera" de flödesstörningar som vingen orsakar och återföra en del av momentumet tillbaka ( markeffekt ).
Luftflödet som följer längs vingens övre yta "fastnar" vid den och försöker följa med längs denna yta även efter vingens böjningspunkt ( Coanda-effekten ).
Faktum är att flödet runt en vinge är en mycket komplex tredimensionell icke-linjär, och ofta icke-stationär , process. Lyftkraften hos en vinge beror på dess area, profil, form i plan, såväl som på anfallsvinkel , hastighet och flödestäthet ( Mach-tal ) och på ett antal andra faktorer. För att beräkna lyftkraften används Navier-Stokes ekvationer [3] (dvs. beräkningen tar hänsyn till viskositet, bevarande av massa och momentum).
Vingens position i förhållande till flygkroppen bestäms av dess placering längs flygkroppens längd och höjd, såväl som installationsvinkeln i förhållande till dess längdaxel. Placeringen av vingen längs flygkroppens höjd kan vara olika: hög, medium och låg. I enlighet med detta kallas flygplanet för högvinge , medelvingar och lågvingar . Placeringsalternativet beror på flygkroppens form, flygplanets syfte, motorernas typ och placering etc. Vinkelinstallationsvinkeln är vald så att den är lika med attackvinkeln i det mest typiska flygläget. I detta fall är flygkroppen placerad nedströms och har minst motstånd.
Ett av huvudproblemen vid utformningen av nya flygplan är valet av den optimala vingformen och dess parametrar (geometriska, aerodynamiska, styrka, etc.).
Den största fördelen med en rak vinge är dess höga lyftkoefficient även vid låga anfallsvinklar . Detta gör att du avsevärt kan öka den specifika belastningen på vingen , och därför minska storleken och vikten, utan rädsla för en betydande ökning av start- och landningshastigheten. Denna typ av vingar används i subsoniska och transoniska flygplan med jetmotorer. En annan fördel med en rak vinge är tillverkningsbarhet, vilket gör det möjligt att minska produktionskostnaden.
Nackdelen som förutbestämmer olämpligheten för en sådan vinge vid soniska flyghastigheter är en kraftig ökning av luftmotståndskoefficienten när det kritiska värdet för Mach-talet överskrids.
Den raka vingen är mycket känslig för atmosfärisk turbulens, och därför märks effekten av "luftfickor" väl på långsamtgående flygplan (särskilt biplan) och segelflygplan med rak vinge.
Den sopade vingen har blivit utbredd på grund av olika modifieringar och designlösningar.
Fördelar:
Brister:
För att bli av med negativa moment används vingvridning , mekanisering, variabel svepvinkel längs spännet, omvänd vingavsmalning eller negativ svep.
Applikationsexempel: Su-7 , Boeing 737 , Tu-134 , etc.
Inflödesvinge (djur)Svep vingvariation . Verkningarna av en ogival vinge kan beskrivas som ett spiralflöde av virvlar som bryter av från den skarpa framkanten av ett stort svep i den nära flygkroppsdelen av vingen. Virvelfilmen orsakar också bildandet av stora områden med lågt tryck och ökar energin i luftens gränsskikt, vilket ökar lyftkoefficienten. Manövrerbarheten begränsas främst av den statiska och dynamiska styrkan hos strukturella material, såväl som flygplanets aerodynamiska egenskaper.
Applikationsexempel: Tu-144 , Concorde
En vinge med negativt svep (det vill säga med en framåtfasning).
Fördelar:
Brister:
Tillämpningsexempel : seriell civil HFB-320 Hansa Jet , experimentell Su-47 Berkut stridsflygplan .
Den triangulära ( delta -formade engelska delta-vingen - har fått sitt namn från den grekiska bokstaven delta ) vingen är styvare och lättare än både rak och svept och används oftast vid hastigheter över M = 2.
Fördelar:
Brister:
Användningsexempel : MiG-21 , HAL Tejas , Mirage 2000 (liten relativ tjocklek); Gloster Javelin , Avro Vulcan (stor gauge), Avro Canada CF-105 Arrow , Saab 37 Viggen , Lockheed L-2000 överljudspassagerarflygplan , Boeing-2707-300 [10]
Trapetsformad vinge.
Fördelar:
Applikationsexempel : F/A-18 , YF-23 prototyp .
Fördelar: den har det högsta lyft-till- drag - förhållandet bland alla kända vingtyper [13] .
Nackdelar: mycket svår att tillverka.
Applikationsexempel : K-7 (USSR), Supermarine Spitfire .
Författaren till den välvda vingtypen är den amerikanske designern Willard Custer, som under 1930-1950-talen utvecklade och byggde flera experimentflygplan, på vilka han tillämpade det aerodynamiska schema han uppfann. Dess huvudsakliga kännetecken, som utformats av Custer, var förmågan hos en halvcirkelformad vinge att skapa, på grund av sin form, ytterligare statiskt lyft. Men Caster misslyckades med att bevisa konceptet till livskraftig prestanda, och den välvda vingen vann inte mark inom flygindustrin .
Custer hävdade att en farkost med en sådan vinge var kapabel att lyfta och klättra nästan vertikalt, eller sväva samtidigt som hastigheten på ett järnvägsfordon bibehölls.
Vingen kännetecknas också av den relativa tjockleken (förhållandet mellan tjocklek och bredd), vid roten och i ändarna, uttryckt i procent.
tjock vingeDen tjocka vingen gör att du kan flytta stoppögonblicket till en tailspin ( stall ), och piloten kan manövrera med stora vinklar och överbelastning. Huvudsaken är att detta stall på en sådan vinge utvecklas gradvis, samtidigt som det bibehåller ett jämnt flöde runt flödet över större delen av vingen. Samtidigt får piloten möjlighet att känna igen faran genom att flygplanet skakar och vidta åtgärder i tid. Ett flygplan med en tunn vinge tappar plötsligt och plötsligt lyft över nästan hela vingområdet, vilket inte lämnar någon chans för piloten [14] .
Exempel : TB-4 (ANT-16), ANT-20 , K-7 , Boeing Model 299, Boeing XB-15
Supercritical aerofoil (S.P.), en subsonisk vingprofil som gör det möjligt att avsevärt öka det kritiska Mach-talet vid ett fast värde på lyftkraftskoefficienterna och vingtjockleken . För att öka hastigheten är det nödvändigt att minska vingprofilens motstånd genom att minska dess tjocklek (”plana ut” profilen), men samtidigt är det nödvändigt att behålla dess vikt och styrka. Lösningen hittades av den amerikanske ingenjören Richard Whitcomb. Han föreslog att göra en avsmalnande underskärning på den nedre ytan av baksidan av vingen (en liten mjuk böj av "svansen" på vingen nedåt). Flödet som expanderade i underskärningen kompenserade för förändringen i det aerodynamiska fokuset. Användningen av tillplattade profiler med en krökt bakre del gör det möjligt att jämnt fördela trycket längs profilkordan och leder därigenom till en bakåtförskjutning av tryckcentrum och ökar även det kritiska Mach-talet med 10-15%. Sådana profiler började kallas superkritiska (superkritiska). Ganska snabbt utvecklades de till superkritiska profiler av 2:a generationen - den främre delen närmade sig symmetrisk och underskärningen intensifierades. Den fortsatta utvecklingen i denna riktning avstannade dock - en ännu kraftigare trimning gjorde bakkanten för tunn vad gäller styrka. En annan nackdel med den 2:a generationens superkritiska vingen var dykmomentet, som måste pareras med en belastning på den horisontella svansen. Eftersom du inte kan klippa baktill måste du klippa framtill: lösningen var lika genial som den var enkel - de applicerade en trim i den främre nedre delen av vingen och reducerade den baktill. Här är en kort historik över utvecklingen av bärplan i bilder. Superkritiska profiler används inom passagerarflyg, vilket ger det bästa förhållandet mellan ekonomi, strukturell vikt och flyghastighet.
Flikposition (uppifrån och ned)
En hopfällbar vingdesign används när de vill minska dimensionerna när flygplanet är parkerat. Oftast finns en sådan applikation inom transportörsbaserad luftfart ( Su-33 , Yak-38 , F-18 , Bell V-22 Osprey ), men ibland övervägs den även för passagerarflygplan ( KR-860 , Boeing 777X ) .
Enligt det strukturella kraftschemat är vingarna uppdelade i fackverk, spar, caisson.
Utformningen av en sådan vinge inkluderar ett rumsligt fackverk som uppfattar kraftfaktorer, revben och en hud som överför den aerodynamiska belastningen till revbenen. Vingens strukturella kraftschema för fackverk bör inte förväxlas med en balkstruktur, inklusive balkar och (eller) ribbor i fackverksstrukturen. För närvarande används fackverksvingar praktiskt taget inte på flygplan, men används ofta på hängglidare .
Sparrvingen innehåller ett eller flera längsgående kraftelement - sparrar , som uppfattar böjmomentet [15] . I en sådan vinge kan utöver balkarna finnas längsgående väggar. De skiljer sig från balkarna genom att skinnpanelerna med stringer- set är fästa på balkarna. Sparrarna överför lasten till flygplanskroppens ramar med hjälp av momentnoder [16] .
I caissonvingen tas huvudbelastningen av både balkarna och skinnet. I gränsen urartar spärrarna till väggarna, och böjmomentet tas helt upp av hudpanelerna. I det här fallet kallas designen monoblock . Power paneler inkluderar mantel och en förstärkningssats i form av stringers eller korrugeringar . Förstärkningssetet tjänar till att säkerställa att det inte sker någon förlust av stabiliteten hos huden från kompression och arbetar i spänningskompression tillsammans med huden. Kaissonvingarnas design kräver en mittsektion , till vilken vingkonsolerna är fästa. Vingkonsolerna är sammanfogade med mittsektionen med hjälp av en konturfog, som säkerställer överföring av kraftfaktorer över hela panelens bredd.
De första teoretiska studierna och viktiga resultat för en vinge med oändlig spännvidd utfördes vid sekelskiftet 1800-1900 av de ryska vetenskapsmännen N. Zhukovsky , S. Chaplygin , tysken M. Kutta och engelsmannen F. Lanchester . Teoretiskt arbete för en riktig flygel startades av tysken L. Prandtl .
Bland resultaten de fick är:
