Щиток ЦАГИ

Щиток ЦАГИ — это тип выдвижного закрылка, разработанный в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) в 1930-х годах. Представляет собой отклоняемую и одновременно сдвигаемую назад по потоку поверхность, расположенную на задней кромке крыла. Основное назначение щитка ЦАГИ — значительное увеличение подъёмной силы крыла на взлётно-посадочных режимах за счёт изменения его эффективной кривизны и площади, а также управления пограничным слоем.

История создания

Разработка щитка ЦАГИ велась под руководством советского учёного и авиаконструктора Владимира Петровича Ветчинкина. В 1930-х годах, в период бурного развития авиации, остро стояла проблема обеспечения безопасного взлёта и посадки скоростных самолётов. Традиционные простые закрылки (отклоняемые щитки) не давали достаточного прироста подъёмной силы, а более сложные механизмы, такие как закрылки Фаулера, были ещё несовершенны.

Исследования в ЦАГИ показали, что если не просто отклонить закрылок вниз, но и одновременно сдвинуть его назад, образуя щель между крылом и закрылком, то эффект увеличивается многократно. Щель позволяет высокоэнергетическому потоку воздуха с нижней поверхности крыла перетекать на верхнюю, что предотвращает срыв потока и затягивает обтекание на больших углах атаки. Первые практические испытания щитка ЦАГИ проводились на экспериментальных самолётах, в том числе на бомбардировщике ТБ-3.

Конструкция и принцип действия

Щиток ЦАГИ представляет собой механизированную поверхность, которая в убранном положении является частью нижней обшивки крыла. В выпущенном положении он одновременно совершает два движения: отклоняется вниз на угол (обычно от 30 до 60 градусов) и сдвигается назад по направляющим рельсам или шарнирному механизму.

Основные элементы конструкции:

• Собственно щиток — профилированная панель, повторяющая контур крыла в убранном состоянии.
• Направляющие рельсы (или качалки) — обеспечивают поступательное движение щитка назад.
• Привод — гидравлический, электрический или механический (тросовый), обеспечивающий синхронное движение обоих щитков.
• Узлы навески — шарниры, соединяющие щиток с крылом.

Аэродинамический эффект:

При выпуске щитка ЦАГИ реализуются три основных эффекта:

1. Увеличение кривизны профиля — отклонённый щиток изменяет форму крыла, делая его более выпуклым, что увеличивает циркуляцию воздуха и подъёмную силу.
2. Увеличение эффективной площади крыла — выдвижение щитка назад увеличивает хорду крыла, что также способствует росту подъёмной силы.
3. Эффект щели — между основной частью крыла и передней кромкой щитка образуется зазор. Через эту щель воздух с нижней поверхности, обладающий повышенным давлением, перетекает на верхнюю поверхность щитка, где давление понижено. Эта струя воздуха «подсасывает» заторможенный пограничный слой, предотвращая его отрыв и позволяя крылу работать на больших углах атаки без сваливания.

Благодаря этому щиток ЦАГИ обеспечивает значительно больший прирост коэффициента подъёмной силы (Cу) по сравнению с простым отклоняемым щитком. В зависимости от конструкции, прирост может составлять от 60% до 100% и более.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая эффективность — значительное увеличение подъёмной силы на взлёте и посадке, что позволяет снизить посадочную скорость и уменьшить длину разбега и пробега.
• Простота конструкции по сравнению с более сложными многощелевыми закрылками или закрылками Фаулера. Щиток ЦАГИ имеет меньшее количество подвижных частей и проще в обслуживании.
• Надёжность — механизм отработан и хорошо зарекомендовал себя в эксплуатации.
• Возможность использования на самолётах с относительно тонким крылом, где размещение сложных убирающихся механизмов затруднено.

Недостатки:

• Увеличение лобового сопротивления — при выпуске щиток создаёт значительное аэродинамическое сопротивление, что ограничивает его применение на крейсерских режимах (он используется только на взлёте и посадке).
• Пикирующий момент — выпуск щитка ЦАГИ обычно вызывает продольный пикирующий момент (нос самолёта опускается), что требует балансировки рулём высоты.
• Ограниченная эффективность на больших углах атаки — при чрезмерном отклонении или на больших углах атаки щиток может вызвать преждевременный срыв потока на задней кромке.
• Шум — при выпуске щитка возникает характерный шум из-за турбулентности в щели и на его поверхности.

Применение в авиации

Щиток ЦАГИ получил широкое распространение в советской и российской авиации, особенно на самолётах с поршневыми и ранними турбореактивными двигателями. Он применялся на многих типах боевых и гражданских машин.

Примеры самолётов с щитками ЦАГИ:

• Ту-2 — советский фронтовой бомбардировщик Второй мировой войны.
• Ил-2 — штурмовик, на некоторых модификациях устанавливались щитки ЦАГИ для улучшения взлётно-посадочных характеристик.
• Ил-12, Ил-14 — пассажирские самолёты для местных авиалиний.
• Ан-2 — многоцелевой биплан, широко известный как «кукурузник».
• Як-18, Як-52 — учебно-тренировочные самолёты.
• МиГ-15 — первый советский серийный реактивный истребитель (на некоторых модификациях).
• МиГ-17 — реактивный истребитель.

В современной авиации щитки ЦАГИ постепенно вытесняются более эффективными многощелевыми закрылками и закрылками Фаулера, которые обеспечивают ещё больший прирост подъёмной силы и меньшее сопротивление на крейсерском режиме. Однако на некоторых лёгких и учебных самолётах, а также на самолётах с малым удлинением крыла, щитки ЦАГИ продолжают использоваться благодаря своей простоте и надёжности.

Интересные факты

• Название «щиток ЦАГИ» закрепилось в советской авиационной терминологии и стало нарицательным для данного типа механизации крыла. В западной литературе аналогичные устройства часто называют «закрылками ЦАГИ» (TsAGI flap) или «выдвижными щитками».
• В 1930-х годах в ЦАГИ проводились масштабные исследования по оптимизации формы и угла отклонения щитка. Было установлено, что оптимальная ширина щели составляет 1-2% от хорды крыла, а угол отклонения — 40-50 градусов.
• На самолёте Ан-2 щитки ЦАГИ позволяют снизить посадочную скорость до 60-70 км/ч, что является одним из самых низких показателей для самолётов такого класса.
• В некоторых конструкциях щиток ЦАГИ может выполнять функцию элерона, то есть использоваться для управления креном. Такие устройства называются «элерон-щитками» или «щитками-элеронами».

Источники

• Аэродинамика самолёта. Под редакцией Г. С. Бюшгенса. — М.: Наука, 1994.
• Шульженко М. Н. Конструкция самолётов. — М.: Машиностроение, 1971.
• Жабров А. А. Аэродинамика и конструкция самолётов. — М.: Транспорт, 1969.
• Технические описания самолётов Ан-2, Ил-14, Як-18.