Концевой вихрь

Концевой вихрь — это аэродинамическое явление, представляющее собой интенсивный вращающийся поток воздуха, который сходит с законцовок крыла летательного аппарата или иного несущего тела (лопасти винта, киля, стабилизатора) в полёте. Образуется в результате перетекания воздуха из области повышенного давления под крылом в область пониженного давления над крылом, что является следствием создания подъёмной силы. Концевые вихри являются основной причиной индуктивного сопротивления и представляют собой значительную опасность для других воздушных судов, особенно при взлёте и посадке.

Физика образования

Концевой вихрь возникает из-за разности давлений на нижней и верхней поверхностях крыла. Воздух, обтекающий профиль, стремится выровнять давление, огибая законцовку крыла. Это движение создаёт вихревую пелену, которая сворачивается в два устойчивых вихревых жгута, вращающихся в противоположные стороны: за правой законцовкой — по часовой стрелке (если смотреть по направлению полёта), за левой — против часовой стрелки.

Параметры вихря

Интенсивность концевого вихря (циркуляция скорости) прямо пропорциональна массе воздушного судна и обратно пропорциональна его скорости и размаху крыла. Чем тяжелее и медленнее самолёт, тем мощнее вихрь. Наиболее сильные вихри образуются у тяжёлых широкофюзеляжных самолётов (например, Boeing 747, Ан-124 «Руслан») в конфигурации «взлёт» или «заход на посадку» с выпущенными закрылками.

Ключевые характеристики:

• Диаметр ядра: от 2 до 10 метров в зависимости от размера самолёта.
• Скорость вращения: в ядре может достигать 50–90 м/с (180–320 км/ч).
• Время жизни: в спокойной атмосфере вихри могут сохраняться до 2–3 минут, опускаясь со скоростью 1–2 м/с.
• Траектория: после схода с крыла вихри опускаются вниз и расходятся в стороны, постепенно затухая.

Влияние на лётные характеристики

Концевые вихри являются основным источником индуктивного сопротивления — вредной составляющей полного аэродинамического сопротивления. На образование вихрей тратится до 30–40 % энергии двигателей на режимах взлёта и набора высоты. Чем меньше удлинение крыла (отношение размаха к средней хорде), тем больше доля индуктивного сопротивления.

Борьба с индуктивным сопротивлением

Для снижения интенсивности концевых вихрей и уменьшения индуктивного сопротивления применяются различные конструктивные решения:

• Удлинение крыла: увеличение размаха снижает перепад давлений на законцовках.
• Законцовки крыла (винглеты): вертикальные или наклонные аэродинамические поверхности на концах крыла, которые размывают вихрь и смещают его в сторону, уменьшая потери энергии. Винглеты позволяют снизить расход топлива на 3–5 %.
• Крылья обратной стреловидности (например, на Су-47 «Беркут»): изменяют характер схода вихревой пелены.

Опасность для воздушных судов (спутный след)

Концевые вихри образуют спутный след (турбулентный след) — область возмущённого воздуха за летящим самолётом. Попадание в спутный след другого воздушного судна, особенно лёгкого или среднего, может привести к потере управления, неконтролируемому крену, сваливанию или разрушению конструкции.

Инциденты и катастрофы

Наиболее известные случаи, связанные с попаданием в спутный след:

• Катастрофа Boeing 737 над Эверглейдсом (1996 год) — столкновение с вихрем от Boeing 747 привело к разрушению хвостового оперения и гибели 110 человек.
• Катастрофа ATR 72 в Розеле (1994 год) — самолёт попал в вихрь от Boeing 727, перевернулся и разбился, погибли 68 человек.
• Инцидент с Airbus A340 в аэропорту Франкфурта (2001 год) — лёгкий бизнес-джет Cessna Citation был перевёрнут вихрем от A340, но пилоты смогли восстановить управление.

Нормы эшелонирования

Для предотвращения столкновений со спутным следом Международная организация гражданской авиации (ИКАО) установила минимальные интервалы между воздушными судами, зависящие от их максимальной взлётной массы (MTOW):

• Лёгкие (до 7 тонн): интервал 3–5 км.
• Средние (7–136 тонн): интервал 5–7 км.
• Тяжёлые (более 136 тонн): интервал 7–10 км.
• Супертяжёлые (A380, Ан-225 «Мрия»): интервал до 15 км.

При взлёте и посадке лёгкие самолёты должны выдерживать задержку не менее 2–3 минут после пролёта тяжёлого.

Концевые вихри в других областях

Вертолёты

У вертолётов концевые вихри сходят с законцовок лопастей несущего винта. Взаимодействие вихрей с последующими лопастями вызывает вибрации, шум и снижает эффективность винта. Для борьбы с этим применяются:

• Лопасти с изменяемой геометрией законцовки (например, BERP-лопасти на вертолётах Westland Lynx).
• Активные системы управления (использование накладок на законцовки).

Ветроэнергетика

В ветроэнергетических установках концевые вихри с лопастей ротора вызывают потери мощности и шум. Для снижения эффекта применяются винглеты на законцовках лопастей, а также оптимизация формы лопасти.

Аэродинамика автомобилей

В автоспорте и при проектировании серийных автомобилей концевые вихри на задних кромках антикрыльев и спойлеров создают дополнительную прижимную силу, улучшая сцепление с дорогой. Однако избыточные вихри увеличивают лобовое сопротивление.

Методы визуализации и исследования

Концевые вихри изучаются в аэродинамических трубах с помощью:

• Дымовой визуализации — впрыск дыма в ядро вихря.
• Лазерной анемометрии — измерение скоростей в потоке.
• Численного моделирования (CFD) — расчёт полей давления и скорости.

В полётных условиях вихри иногда становятся видимыми при конденсации водяного пара в ядре (образование инверсионных следов особой формы — «вихревых жгутов»).

Интересные факты

• Концевые вихри могут быть настолько мощными, что способны переворачивать лёгкие самолёты на расстоянии до 10–15 км за тяжёлым лайнером.
• В 1970-х годах в СССР проводились эксперименты по гашению концевых вихрей с помощью струйных завес (подача сжатого воздуха через щели на законцовках крыла), но из-за сложности и веса системы метод не получил распространения.
• Форма вихревого жгута впервые была описана английским физиком Джорджем Габриэлем Стоксом в 1845 году, а применительно к аэродинамике — немецким учёным Людвигом Прандтлем в начале XX века.

Источники

• Андерсон Дж. «Основы аэродинамики». — М.: Мир, 2001.
• Лойцянский Л. Г. «Механика жидкости и газа». — М.: Наука, 1987.
• Документы ИКАО: Doc 4444 «Правила полётов и обслуживание воздушного движения».
• Отчёты NTSB (Национальный совет по безопасности на транспорте США) по авиационным происшествиям, связанным со спутным следом.
• «Аэродинамика самолёта» / Под ред. Г. С. Бюшгенса. — М.: Машиностроение, 1994.