КАК УСТРОЕН САМОЛЕТ: КРЫЛО
Составные части крыла
Крыло можно разделить на три части: левую и правую консоли и центроплан. У легких самолетов крыло может иметь цельную конструкцию без разделения на части. У большинства современных самолетов крыло может выполнять дополнительные функции и являться одновременно баком-кессоном для топлива.
“Перепроектирование конструкции крыла для Ил-76МД-90А стало примером успешного решения довольно сложной задачи, в результате чего удалось снизить массу, увеличить грузоподъёмность и улучшить ресурсные характеристики крыла. Инженеры смогли уйти от поперечных стыков, новое крыло получило клепаную конструкцию. Значительно увеличилась долговечность крыла, снизился вес изделия. Инженерная задача усложнялась необходимостью сохранить преемственность с предыдущей конструкцией и оставить в тех же местах точки крепления механизации крыла. И нам все это удалось сделать!” – рассказывает Ольга Русанова, начальник отдела крыла ПАО “Ил”.
Ольга Русанова, начальник отдела крыла ПАО "Ил"
Дополнительно проектируются законцовки крыла, позволяющие уменьшить индуктивное сопротивление и сократить расход горючего. Уникальная разработка российских инженеров - горизонтальные законцовки крыла типа “сайберлет”, которыми оснащен SSJ100. Эксплуатация таких машин позволяет снизить расходы на авиакеросин на 4%.
SSJ-100 с закрылками "сайберлет»
Расположение и форма крыла
Выбор схемы расположения крыла – высокое, среднее, низкое – зависит от требуемых характеристик самолета. Например, на транспортных Ил-76 реализована схема высокого расположения крыла, которая позволяет создать большую грузовую кабину, расположить погрузо-разгрузочную рампу в хвостовой части фюзеляжа, установить мощные двигатели на пилонах под крылом, не опасаясь близости к поверхности земли. Среднее расположение крыла до недавнего времени было характерно для истребителей и бомбардировщиков, в последнее время его “интегрируют” с фюзеляжем. Нижнее расположение крыла применяется на пассажирских самолётах, оно облегчает обслуживание на аэродромах.
Ил-76МД-90А с высоким расположением крыла
По форме крылья бывают прямые, стреловидные и обратной стреловидности, треугольные, трапециевидные, эллиптические или арочного типа. Выбор формы крыла также зависит от типа самолета и его применения. Прямые крылья и крылья с небольшой стреловидностью применяются на пассажирских и транспортных самолетах – т.е. там, где не требуются высокие скорости, но необходимы улучшенные взлетно-посадочные характеристики. Крыло обратной стреловидности характерно для самолетов с потребностью в улучшении управляемости на малых скоростях. Такие крылья применялись на опытных образцах истребителей.
На ближнемагистральном самолете Ил-14, который впервые поднялся в воздух в 1950, применялось крыло с обратной стреловидностью (-3 градуса по линии 1/4 хорды). Это техническое решение улучшало аэродинамику и характеристики по срывам потока. Ил-14 оказался очень удачным самолетом, строился серийно и отлично зарекомендовал себя в сложных условиях Арктики и Антарктики.
Ил-14 в окраске полярной авиации
При проектировании агрегатов механизации крыла широко используются современные композиционные материалы, которые позволяют снизить вес изделия, снизить стоимость производства, улучшить эксплуатационные характеристики агрегата. А использование электронных моделей и системы менеджмента жизненного цикла упрощает сложные увязки подвижных частей и отслеживание конфигурации различных модификаций самолетов.
Механизация крыла
На разных режимах полета от крыла современного самолета требуются разные характеристики – очевидно, что скорость при взлете самолета, при его посадке и в установившемся полете различная. В зависимости от высоты полета различаются и окружающие условия.
Форма крыла, обеспечивающая большую подъемную силу для полета на малых скоростях вблизи поверхности, будет малоэффективна при полете на крейсерском режиме. Решить эту задачу призваны агрегаты механизации крыла: изменяя геометрические характеристики крыла, они изменяют его аэродинамические характеристики, облегчая тем самым управление самолетом и позволяя улучшить отдельные летно-технические характеристики (ЛТХ).
За историю авиации было придумано множество различных вариантов агрегатов механизации крыла, которые применяются по отдельности и совместно. Состав и конфигурацию механизации крыла выбирают исходя из целей и сложности самолета.
На самолетах "Ил" используются:
закрылки и предкрылки - управляют подъемной силой и аэродинамическим сопротивлением самолет при взлете и посадке;
элероны - для управления углом крена самолета;
тормозные щитки и интерцеторы уменьшают подъемную силу крыла для повышения эффективности торможения шасси.
Закрылки и предкрылки
Основная задача закрылка - уменьшить взлетную и посадочную дистанцию, а также снизить скорость захода на посадку, тем самым повышая безопасность. Закрылки устанавливаются на задней кромке крыла.
Ил-76ТД. Работа предкрылков и закрылков
На взлете закрылок выпускается не полностью, чтобы увеличить подъемную силу крыла без существенного увеличения лобового сопротивления. При посадке, наоборот, увеличение кривизны крыла, а значит и сопротивления, способствует снижению скорости и уменьшению пробега, поэтому закрылок отклоняется еще и вниз. В установившемся полете закрылок убирается, чтобы уменьшить лобовое сопротивление и оптимизировать расход топлива.
Чем эффективнее тип закрылка, тем больше прирост подъемной силы, который он может создать. Но вместе с тем растут его сложность и масса. Так, простой отклоняемый щиток на задней кромке крыла – это простое конструктивное решение, а также самое легкое по массе. Но прирост подъемной силы такого закрылка будет в районе 40% от подъемной силы крыла с убранной механизацией, чего недостаточно для самолетов, создаваемых в ОКБ Ильюшина.
На современных самолетах “Ил” используются выдвижные щелевые закрылки, состоящие из секций, которые образовывают несколько щелей. При использовании таких закрылков самолет получает увеличение подъемной силы д 90%.
Очень наглядно изменение площади и кривизны крыла видно при выпущенном закрылке Ил-76.
Ил-76МД с выпущенными закрылками
В процессе разработки необходимо рационально спроектировать агрегаты механизации крыла для достижения требуемых ЛТХ. Современные технологии компьютерного моделирования позволяют быстрее и проще выполнить эту задачу. В качестве примера рассмотрим самолет Ил-114. В его базовом исполнении самолета его закрылок выдвигался на 40 градусов. В ходе эксплуатации выяснилось, что он создает излишнюю подъемную силу - из-за этого увеличивалась длина пробега при посадке. На новом Ил-114-300 закрылок выпускается на 30 градусов. Этого достаточно и для снижения скорости, и для эффективного торможения на ВПП.
На самолетах марки "Ил" для механизации передней кромки крыла используют предкрылки с профилированной щелью. Они имеют большую массу и относительно сложную конструкцию, но эффективнее, чем другие типы механизации передней кромки крыла. Предкрылки работают совместно с закрылками при взлете и посадке, выпускаются синхронно с ними. На тяжелых самолетах, таких как Ил-76, Ил-86, Ил-96 и их модификациях, применяется развитая механизация крыла, в том числе и его передней кромки.
Элероны
Для управления самолетом по крену используются элероны. Они представляют собой отклоняющиеся поверхности (обычно 5-7% от площади крыла), расположенные на его концах вдоль задней кромки. Оба элерона связаны так, что отклоняются в противоположные стороны. Когда пилот отклоняет штурвал влево, левый элерон отклоняется вверх, правый - вниз. Подъемная сила левой половины крыла уменьшается, а правой увеличивается. Возникает момент крена и самолет кренится влево. Для элеронов применяют дифференциальное управление, т.е. углы отклонения элерона вниз меньше, а вверх больше. Это обусловлено тем, что отклонение элерона вниз с точки зрения аэродинамики эффективнее, чем вверх.
Конструкция элеронов напрямую зависит от типа управления. Различают управление с прямой и дистанционной проводкой.
В системе управления с прямой проводкой при изменении положения управляющей поверхности возникает усилие на органе управления. Чтобы преодолеть эти усилия в режиме полета на современном самолете без использования вспомогательных средств, пилотам бы пришлось иметь спортивный разряд по пауэрлифтингу. Для решения этой проблемы применяют средства компенсации, которые также называются малой механизацией:
сервокомпенсатор – отклоняемая поверхность в хвостовой части элерона, работающая автоматически и снимающая 80-85% усилия со штурвала;
триммер – небольшая отклоняющаяся поверхность в хвостовой части элерона. Конструктивно триммер подобен сервокомпенсатору и позволяет при необходимости снять оставшиеся 15-20% усилия со штурвала.
На тяжелых самолетах для экономии веса устанавливается электро-дистанционная система управления с автоматической проводкой. Сервокомпенсатор и триммер в таком случае не применяются.
“В нашем отделе мы стремимся использовать передовые технологии, чтобы повышать надежность и эффективность производимых изделий. Так, при проектировании агрегатов механизации крыла широко используются композиционные материалы, которые позволяют уменьшить вес изделия, снизить стоимость производства, улучшить эксплуатационные характеристики агрегата. А использование электронных моделей и системы менеджмента жизненного цикла упрощает сложные увязки подвижных частей и отслеживание конфигурации различных модификаций самолета,” – рассказывает Григорий Мишуков, инженер-конструктор отдела механизации крыла ПАО “Ил”.
Григорий Мишуков, инженер-конструктор отдела механизации крыла ПАО "Ил".
Тормозные щитки, спойлеры, интерцепторы
Задача тормозных щитков, спойлеров и интерцепторов – значительное повышение лобового сопротивления и прижатие самолета к земле после касания ВПП. Воздушные тормоза призваны не столько затормозить самолет, сколько прижать его к поверхности, чтобы тормоза в шасси выполнили свою работу эффективно. Эти агрегаты выполняются в виде щитков. При их подъеме часть крыла, находящаяся за ними, теряет подъемную силу.
В зависимости от предназначения, площади поверхности и поперечного расположения можно выделить следующие разновидности:
интерцептор (спойлер) – располагается ближе к законцовкие крыла, чтобы создавать больший момент. Может выпускаться не полностью, работает в паре с элероном автоматически, помогая элеронам в управлении самолетом по крену;
тормозной щиток располагается ближе фюзеляжу, выпускается полностью и синхронно на обеих консолях крыла. Его единственная задача - создание прижимной силы.
От полотна к композитам
Крылья первых самолетов изготавливались из легкого полотна, натянутого на деревянный каркас. Затем появился дюралюминий, “крылатый металл”, с которым связывают революцию в авиастроении.
При создании конструкции крыльев современных гражданских самолетов, как российских, так и зарубежных, все шире используются композитные материалы. МС-21 стал первым пассажирским самолетом с композитным крылом, изготовленным по новой технологии. Впервые в практике мирового авиастроения отечественные специалисты освоили эту технологию применительно к силовым элементам консолей крыла – самому сложному и высоко нагруженному элементу воздушного судна. Доля композитов в конструкции МС-21 превышает 30%. Благодаря их использованию удалось получить крыло большего удлинения, которое невозможно сделать из металла. Одновременно был увеличен диаметр фюзеляжа. Эта сложная задача впервые решена в классе среднемагистральных лайнеров.
Силовые элементы консолей крыла МС-21 изготавливаются с помощью инфузионной технологии. Это позволяет создавать длинномерные интегральные композитные конструкции единым монолитом без дополнительного крепежа.
