Околоэкранная аэродинамика крыла с механизацией

В большинстве случаев зарубежные экранопланы оборудованы тем или иным устройством, обеспечивающим повышение несу­щих свойств крыла и улучшение летных характеристик аппа­рата. Значительная часть их, кроме того, предназначена для улучшения стартовых характеристик аппаратов, т. е. облегчения выхода на расчетный режим околоэкранного полета Учитывая назначение этих устройств, условно отнесем к иим (помимо щит — ^ ков, закрылков и пр.) та-

кие устройства, как конце — вые шайбы, воздушные за­весы. Впрочем, они пред­назначены для тех же целей, что и обычные средства ме­ханизации крыла самолета, облегчающие взлет и по­садку.

Концевые шайбы. Все

без исключения рассматри­ваемые экранопланы обору­дованы концевыми шайба­ми различной конструкции — Столь широкое применение шайб объясняется сильным благоприятным влиянием, которое оии оказывают иа несущие свойства вблизи экрана. С целью подроб­ного изучения влияния раз-

По характеру влияния на несущие свойства крыла установка концевых шайб эквивалентна увеличению удлинения крыла (рис. 23). На рис. 24 показаны кривые Cy = f(u) для крыла ма­лого удлинения без шайб и с односторонними шайбами для раз­личных расстояний от экрана. Установка иа крыле таких шайб

очень резко повышает подъемную силу крыла. Наприм_ер, для глаатаки а = 5° коэффициент Су увеличивается с 0,5 при Л = 0,03 до 0,9, т. е. в два раза. Подобный же характер изменения коэф­фициента подъемной силы крыла с шайбами в зависимости от расстояния его до экрана отмечен А. Липпишем при опытах в гидроканале. Характер изменения поляры крыла при уста­новке концевых шайб показан на рис. 25. Известный интерес в этом отношении представляют результаты исследований А. Картера (рис. 26 и 27).

		3
		/ * У >
	/ ^ / / J	// // ^	»V/ У^1
	//Л Y//Y	У
ш

О 5 Ю 15 20 <х} ер ад

Рис 24. Зависимость коэффициента подъемной силы крыла от угла атаки при различных расстояниях до экрана.

————— — крыло без шайб._——- крыло

с концевыми шайбами I — h=2.0. 2 —/1 =
=0,25. 3 — ft=Q,09. 4~k =0.03

Зависимости, показанные на рис. 26, относятся к крылу, имеющему типичные для зарубежных экранопланов удлинение (А = 1) и относительную толщину (с = 11 %). Оборудование крыла малого удлинения концевыми шайбами обеспечивает повыше­ние его аэродинамического качества в полтора-два раза.

На рис. 26 и особенно отчетливо на рис. 27 показано, что аэродинамическое качество наиболее резко возрастает при уменьшении относительной высоты полета менее Л = 0,4-т-0,5. Так, для рассматриваемого крыла с приближением его к экрану с Л = 0.5 до А = 0,1 значение качества повышается в два раза.

Именно зависимость аэродинамического качества от относитель­ной высоты полета привела X. Вейлаида и некоторых других зарубежных специалистов к выводу о целесообразности строи­тельства крупных экраноплаиов, имеющих несравненно большие

=0.47; 7 — ft=0,27, 8 — Л=0.015

возможности к уменьшению относительной высоты полета (при заданных гидрометеорологических условиях).

Как отмечалось, полученное увеличение подъемной силы яв­ляется следствием резкого уменьшения перетекания воздуха через концы крыла, что значительно повышает наполнение кривой давления на нижней поверхности крыла.

Одновременно с увеличением коэффициента Су при установке на крыло концевых шайб несколько возрастает лобовое сопро-

тивление крыла у земли. Рост сопротивления, несмотря на сни­жение индуктивного сопротивления и сопротивления трения на иижней поверхности крыла из-за падения местных скоростей

приторможенного потока, можно объяснить в данном случае, по — видимому, значительным сопротивлением трения самих шайб.

Как и для крыла в неограниченном потоке, удлинение крыла с концевыми шайбами очень сильно влияет на его аэродинами­ческие характеристики вблизи экрана (рис. 28).

В последние годы различными авторами проведены экспери­ментальные исследования влияния размеров и формы концевых шайб иа аэродинамические характеристики крыла. В частно­сти, изучалось влияние высоты верхней (ai) и нижней (а2) шайб; для этого были использованы относительные их размеры

Исследования позволили установить следующие зависимости, характеризующие влияние концевых шайб на подъемную силу

А — полные шайбы; ai=as=0.09; О —
шайбы на верхней поверхности крыла,
йі=0.09; X — шайбы на_ нижней поверх-
ности крыла, aj=0.09.

крыла с удлинением Л = 2, движущегося вблизи опорной поверх­ности.

Особенно ощутимое влияние на несущую способность крыла оказывают полные шайбы, а также шайбы, расположенные на нижней поверхности (рис. 29). Наиболее сильно это сказывается на малых углах атаки (рис. 30). Прирост коэффициента подъ­емной силы от установки шайб на верхней поверхности крыла невелик и практически не зависит от высоты шайб и расстояния от крыла до поверхности воды, соответствующих А>0,1.

В то же время высота шайб на нижней поверхности весьма существенно влияет на подъемную силу крыла (рис. 31)^ На­пример, увеличение высоты нижних шайб в два раза при h =0,1 приводит к увеличению в 1,2 раза отношения дСу/да для крыла с шайбами к соответствующей величине для крыла без шайб. Это еще раз подтверждает приведенный ранее вывод о том, что благоприятное влияние опорной поверхности на подъемную силу
крыла обусловлено главным образом увеличением давления на его нижней поверхности.

Проводя исследования, японские специалисты установили: вогнутость профиля крыла с шайбами существенно влияет на его аэродинамические характеристики, в частности, на поляру крыла (рис. 32). На графике видно, что крыло с более вогнутым профилем обладает пониженным сопротивлением и заметно бо­лее высоким аэродинамическим качеством. Последнее позволило авторам проекта KAG-3 сделать вывод о целесообразности при-

/ — крыло с >.=1.2 и увеличенной вогну­тостью профиля: 2 — крыло с >.=0,8 при той же вогнутости профиля; 3 — крыло с >, = 1.2 и небольшой вогнутостью про­филя.

менеиия для крыльев экраиопланов тонких и достаточно вогну­тых профилей.

Исследования выявили значительное влияние конфигурации концевых шайб на поляру крыла, причем было установлено, что наибольшее аэродинамическое качество имеют крылья с мини­мальными по размерам концевыми шайбами (рис. 33). Умень­шение размеров шайб обеспечивает снижение лобового сопро­тивления крыла более чем на 10%. Это и приводит к соответ­ствующему повышению аэродинамического качества.

Продолжая исследования по выбору оптимальных конфигу­раций и размеров концевых шайб, японские специалисты уста­новили, что максимальное аэрогндродинамнческое качество крыла достигается при помощи шайб с наклонной в продольном направлении ннжней кромкой (рнс. 34). Авторы работы объяс­
няют это более ранним срывом потока, возникающим с увели­чением размеров шайб.

Японские исследования включали также продувки ряда мо­делей объемных коицевых шайб-поплавков, которые, как изве-

Рнс. 33. Влияние конфигурации концевых шайб кры­ла на его поляру вблизи экрана.

Рис. 34. Влияние наклона нижней кромки концевых шайб на поляру крыла.

стно, впоследствии были приняты для экраноплана KAG-3. Уста­новлено, что тонкие шайбы в виде пластин эффективны при ма­лой относительной высоте движения крыла над экраном и менее выгодны для повышения коэффициента Су в случае увеличения высоты полета. Авторы исследования связывают это с наличием
подсасывающей силы, возникающей у шайб-поплавков на малой высоте (особенно в кормовой части).

Таким образом, японские специалисты пришли к выводу, что для движения на расчетном режиме околоэкраниого полета аэро­динамически выгоднее устанавливать тонкие односторонние шайбы длиной, равной хорде крыла, и высотой, выбранной с учетом заданной высоты полета. Если же исходя из общей компоновки аппарата используют толстые шайбы-поплавки (как на экраиоплаие KAG-3), то нижнюю кромку этих шайб делают наклонной по поперечному сечению (на угол примерно 15° к го­ризонтали, причем плоскость наклона обращена внутрь аппа-

	а. = Є“; П-0,Ч

4^6 0° Рис 36. Влияние угла крена на отно­шение коэффициента крепящего мо­мента крыла с шайбами к соответ­ствующему коэффициенту для крыла без шайб (а[ = а2=0,18).

рата). Утверждают, что это позволяет избежать отрицательного подсасывающего эффекта, сопутствующего вытеканию воздуха под шайбами из-под крыла наружу. С той же целью на днищах поплавков аппарата KAG-3 были установлены специальные про­дольные вертикальные пластинки, заметно уменьшающие пере­текание воздуха и падение подъемной силы в результате подсоса поплавков аппарата к поверхности воды.

Установкой концевых шайб обусловлено также более интен­сивное, нежели без шайб, перемещение назад аэродинамического фокуса крыла при приближении его к экрану, что приводит к увеличению отрицательных (пикирующих) моментов и соот­ветствующему повышению продольной статической устойчивости крыла. Это явление можно объяснить более значительным на­полнением эпюры давления под крылом (в районе ребра обте­кания) вследствие уменьшения при установке шайб перетекания воздуха через концы крыла.

Определенный практический интерес представляет исследо­вание влияния концевых шайб иа поперечную устойчивость
крыла, движущегося вблизи опорной поверхности. Поскольку с приближением крыла к экрану его подъемная сила сущест­венно возрастает, можно априорно утверждать, что с возникно­вением крена немедленно появится и соответствующий восста­навливающий момент.

Выполненные экспериментальные исследования позволили установить: подъемная сила крыла практически не меняется с изменением угла крена 0, прн постоянной высоте полета, изме­ряемой от крыла в среднем по размаху сечении. Крен приводит к появленню восстанавливающего момента, значение которого

Р Рис. 37. Эпюры распределения давления по профилю крыла с от­клоненным щитком взависимости ог расстояния крыла до экрана. I—h = oc; 2 — h =0.75. 3—Т=0,50; 4—~h= 0,25: 5 — Л=0.125. 6— 7Ї=0,063;

увеличивается с ростом 0 (рис. 35). Влияние концевых шайб обусловливает существенное изменение зависимости коэффици­ента восстанавливающего момента тх от угла крена (рис. 36).

Щитки. Исследователи в ряде стран неоднократно обраща­лись к изучению влияния щитков на аэродинамические характе­ристики крыла, движущегося вблизи экрана. Как показали ис­следования, это влияние, вызванное увеличением вогнутости крыла вследствие отклонения щитка, подобно рассмотренному ранее характеру изменения обтекания крыла и его аэродинами­ческих характеристик в неограниченном потоке, правда, с не­которыми отступлениями. Незначительное различие в эпюрах давления на крыле (вблизи экрана) без щитка н с отклоненным на угол бщ = 60° щитком можно легко заметить из сопоставления рис. 14 и 37. С приближением крыла с отклоненными щитками к экрану площадь эпюры давления в районе задней кромки
у крыла с отклоненными щитками (рис. 38),

По мнению Б, Т. Горощенко, отклонение щитка может при­вести к уменьшению значения критического угла атаки (угла, при котором происходит полный срыв потока) на 6—8°, и это необходимо учитывать в соот­ветствующих расчетах. На до — критических углах атаки с приближением крыла со щит­ком к экрану происходит па­раллельное смещение кривой

Рис 38 Зависимость коэффици — Рис. 39. Зависимость коэффициента ло — ента подъемной силы крыла с от — бового сопротивления крыла с отклонен — клоненным щитком от угла атаки ным щитком от угла атаки и расстояния и расстояния крыла до экрана. крыла до экрана.

/ — h= <Х; 2—7Ї=0,75; 3—71=0,50; / — А= сс; 2-"ft=0i75; 3 — А=0,50; 4 — /Г=

4 — h =0,25. 5 — Л=0,125; 6 — h=0,063. =0,25; 5 — А=0,125;’ 6 — T=ft,063.

Су влево, что характеризует рост подъемной силы крыла на сравнительно небольших углах атаки, Однако средний прирост значения коэффициента Су у крыла со щитком заметно меньше, чем у крыла без щитка.

Приближение крыла с отклоненным щитком к экрану при­водит к заметному уменьшению лобового сопротивления на до — критических углах атаки по сравнению с сопротивлением крыла на тех же углах атаки в неограниченном потоке (рис. 39). При срыве потока происходит резкое увеличение сопротивления крыла,

Результаты исследований крыла со щитком свидетельствуют о значительном повышении аэродинамического качества крыла с приближением к экрану. Однако этот прирост качества за­метно меньше, чем у крыла без щитка. Угол атаки, соответ­ствующий максимальному качеству крыла, заметно уменьшается (на 4—5° и более). На докритических углах атаки с увеличе­нием относительной толщины крыла, при постоянном расстоянии его до земли, лобовое сопротивление крыла со щитком сни­жается.

Приведенные кривые изменения коэффициента продольного момента крыла со щитком Ст по углу а (рис. 40) показывают,

что пикирующие момен­ты крыла с приближе­нием его к экрану замет­но растут, т. е. продоль­ная устойчивость крыла повышается. Физически это объясняется, как и для крыла без щитка, со — ‘ ответствующим измене­нием кривой давления, в основном на нижней поверхности крыла. Од­нако в отличие от кривой Ст по углу а для крыла без щитка в данном слу­чае замечено некоторое уменьшение максималь­ного значения коэффици­ента продольного мо­мента.

Простые, щелевые и струйные закрылки. Эф­фективность применения закрылков для улучшения взлетно-по­садочных качеств самолетов давно привлекала внимание уче — ных-аэродинамиков многих стран. Появление аппаратов, ис­пользующих благоприятное влияние экрана, способствовало интенсификации работ по изучению свойств закрылков. Резуль­таты исследований показали, что влияние близости земли на аэродинамические характеристики крыла с закрылками анало­гично рассмотренному применительно к крылу со щитками. Од­нако существуют и некоторые отклонения от приведенных за­кономерностей-

Сравнительно недавно (1970 г.) весьма интересное теоре-

пых закономерностей. Наиболее существенными из них являются уменьшение подъемной силы н смещение к передней кромке крыла аэродинамического фокуса.

В процессе экспериментов было установлено, что заметное уменьшение подъемной силы вблизи земли происходит при коэффициенте подъемной силы СУоо>1,5—2, т. е. при углах отклонения закрылка 6 = 20—30° (рис. 41). Эта особенность объ­ясняется более интенсивным возрастанием давления на верхней поверхности крыла, чем иа ннжней, прн приближении к экрану. Физически обнаруженное явление можно объяснить отклоне-

Рис. 41. Зависимость уменьшения подъемной силы крыла от от­носительной высоты его над экраном и угла атаки при различ­ных положениях закрылка.

иием линий тока вверх вблизи задней кромки закрылка, что вызывает увеличение давления на всей верхней поверхности как крыла, так и закрылка.

При больших углах отклонения закрылка давление на верх­ней поверхности увеличивается более интенсивно, чем на ннж­ней; в результате с приближением к земле подъемная сила подоб­ного крыла уменьшается. Подъемная сила неравномерно сни­жается по углам атаки: с увеличением а она уменьшается более интенсивно. Уменьшение подъемной силы крыла с закрылком определяется значением коэффициента Су в неограниченном потоке СРоо и расстоянием до экрана h и мало зависит от вели­чин а и 63, а также от формы профиля и вида механизации.

У крыла с неотклоиенным закрылком С,,тах с приближением к экрану изменяется незначительно. Одиако по мере отклонения закрылка влияние опорной поверхности становится все сущест­веннее. Как показывают эпюры распределения давления, с при­ближением к экрану возрастают положительные градиенты дав­ления иа верхней поверхности крыла, что способствует более раннему отрыву потока. Поэтому с приближением к экрану крыла с отклоненным закрылком происходит ие только падение значения Су , но и некоторое уменьшение критического угла атаки (см. рис. 41). Так, в одном из опытов при 63=30° величина. СУтах уменьшилась на 10% при изменении h от 2,4 до 0,75.

Рис. 42. Зависимость коэффициента продольного момента крыла от угла атаки и относительного расстояния крыла до экрана при раз­личных отклонениях закрылка.

Как уже отмечено, особенностью обтекания крыла с откло­ненным закрылком вблизи земли является заметное смещение аэродинамического фокуса к передней кромке (рис. 42).

В одном из экспериментов было обнаружено, что такое сме­щение при изменении h от 2,5 до 0,75 может достигать 4—5% хорды крыла (СУоо = 2). Это также объясняется отмеченными выше изменениями в эпюрах давления над крылом и под ним, но главным образом в зоне разрежения.

Особенности аэродинамических характеристик крыла со щелевым закрылком вблизи экрана достаточно подробно были исследованы И. Рикантом. В результате проделанных экспери­ментов он установил, что обтекание подобного крыла в ряде случаев отличается от обтекания крыла со щитком. Кривая Си по углу а с приближением крыла к экрану смещается влево и при значеннях коэффициента Су<0,6 ее наклон несколько уве­
личивается. Значение СУтах при уменьшении h падает заметно больше, чем у крыла со щитком, что, по-видимому, можно объяс­нить интенсивным перетеканием воздуха через щель из области повышенного давления под крылом. Исследования показали также, что при наличии щелевого закрылка падение значення Сутах с приближением к экрану у прямоугольного крыла больше, чем у трапециевидного. Впрочем, такая же особенность наблю­дается н при использовании прос­тых щитков.

Однако наиболее существенно то, что с приближением к экрану резко повышается аэродинамическое ка­чество крыла, оборудованного щеле­выми закрылками. Интересные ре­зультаты были получены фирмой «Локхнд» в процессе продувки мо­дели крыла (А = 2, с = 6%), обору­дованного односторонними конце­выми шайбами высотой #ш = 0,16, с отклоненными на угол б3=15° за­крылками (рис. 43). На графике видно, что прн Су = 0,8 снижение высоты над экраном с 0,4 до 0,04 приводит к увеличению аэродина­мического качества крыла в 3,5 раза. Влияние близости экрана на аэродинамику крыла с закрылками проявляется в уменьшении пикиру­ющих моментов с приближением к земле, что происходит за счет со­ответствующего изменения кривой давления, обусловленного пе­ретеканием воздуха из-под крыла через щель в районе за­крылков.

Выше отмечалось, что струйные закрылки — достаточно мощное средство повышения несущих свойств крыла. Это побу­дило ряд зарубежных специалистов (Д. Дж. Хаггетта и др.) исследовать влияние струйных закрылков на аэродинамические характеристики крыла вблизи экрана. Результаты оказались неутешительными: при любой высоте крыла над экраном (но в пределах его влияния) и для всех практически осуществимых значений импульса струи закрылка (и ее наклона к горизонту) происходит весьма заметное падение подъемной силы крыла, достигающее 50% и более. Неблагоприятное влияние газовой струи закрылка объясняют эжектнрованием ею потока воздуха под крылом, в результате чего увеличивается скорость потока, а следовательно, и падает давление под крылом (т. е. возникает присасывающая сила).

Таковы основные особенности различных видов механиза­ции крыльев и устройств, применяемых на зарубежных экрано — планах в целях повышения несущих свойств крыла и обеспече­ния выхода аппарата на расчетный режим околоэкранного движения. Одновременно виды механизации, подобные щиткам и закрылкам, зачастую служат н в качестве средств продольной балансировки аппарата (например, на экраиоплаие Н. Дис — кинсона).