Винглет¶

Винглет (от англ. winglet — «крылышко»), также известный как законцовка крыла, концевой аэродинамический элемент или крылышко Уиткомба, — это аэродинамическое устройство, установленное на законцовке крыла летательного аппарата, предназначенное для уменьшения индуктивного сопротивления и повышения топливной эффективности. Винглет представляет собой изогнутый вверх (или, реже, вниз) профилированный элемент, который ослабляет концевые вихри, образующиеся на законцовке крыла при обтекании его воздушным потоком.

¶История

¶Ранние исследования

Идея уменьшения индуктивного сопротивления крыла с помощью концевых пластин впервые была высказана британским аэродинамиком Фредериком Ланчестером в 1897 году. В 1920-х годах аналогичные концепции изучал немецкий инженер Людвиг Прандтль, однако практическое применение устройств долгое время сдерживалось технологическими ограничениями и недостаточной эффективностью простых вертикальных шайб.

¶Разработка Уиткомба

Современный облик винглета был разработан американским аэродинамиком Ричардом Уиткомбом в 1970-х годах в рамках программы NASA по повышению экономичности самолётов. Уиткомб предложил не просто вертикальную пластину, а плавно изогнутый профилированный элемент, который создаёт дополнительную подъёмную силу и одновременно ослабляет концевые вихри. Первые испытания проводились на самолёте KC-135 Stratotanker, а затем на Boeing 707. Результаты показали снижение расхода топлива на 3–5%.

¶Коммерческое внедрение

Первым серийным самолётом с винглетами стал бизнес-джет Learjet 55 (1981 год). В 1985 году Boeing предложил винглеты в качестве опции для модели 747-400, а в 1988 году они стали стандартным оборудованием. С 1990-х годов винглеты получили массовое распространение на пассажирских и грузовых самолётах, включая семейства Airbus A320, Boeing 737NG, Boeing 777, Airbus A330 и A350. К 2020-м годам винглеты стали обязательным элементом конструкции большинства новых магистральных лайнеров.

¶Принцип действия

¶Физика явления

При обтекании крыла воздушным потоком на его законцовке образуется концевой вихрь — область интенсивного вращения воздуха, возникающая из-за перетекания воздуха из зоны повышенного давления (под крылом) в зону пониженного давления (над крылом). Этот вихрь является причиной индуктивного сопротивления — дополнительной силы, тормозящей самолёт и снижающей его топливную эффективность.

¶Роль винглета

Винглет выполняет две основные функции:

• Ослабление концевого вихря: изогнутая форма винглета перераспределяет поток воздуха, уменьшая интенсивность вихря и снижая индуктивное сопротивление на 3–7%.
• Создание дополнительной подъёмной силы: винглет сам по себе работает как небольшое крыло, генерируя тягу в направлении полёта за счёт набегающего потока.

¶Влияние на характеристики

Установка винглетов позволяет:

• снизить расход топлива на 3–5% (в зависимости от типа самолёта и режима полёта);
• увеличить дальность полёта на 2–4%;
• улучшить скороподъёмность и крейсерскую скорость;
• снизить шум в салоне за счёт ослабления вихревой турбулентности.

¶Классификация винглетов

¶По форме и конструкции

• Классические винглеты (Whitcomb winglets) — плавно изогнутые вверх элементы с углом наклона 30–60°. Применяются на Boeing 747-400, MD-11, Gulfstream IV.
• Смешанные винглеты (Blended winglets) — плавный переход от крыла к винглету без резких углов. Разработаны компанией Aviation Partners Boeing. Устанавливаются на Boeing 737NG, 767, 757. Обеспечивают снижение расхода топлива до 5%.
• Шарклеты (Sharklets) — разновидность смешанных винглетов, разработанная Airbus. Устанавливаются на A320neo, A330neo. Отличаются меньшей массой и улучшенной аэродинамикой.
• Сплит-винглеты (Split winglets) — конструкция из двух элементов: верхнего и нижнего. Используются на Boeing 737 MAX. Обеспечивают дополнительное снижение сопротивления на 1–2% по сравнению с обычными винглетами.
• Рэкед-тип (Raked wingtip) — не винглет в классическом смысле, а удлинённая и изогнутая назад законцовка крыла. Применяется на Boeing 787 Dreamliner и 777X. Снижает сопротивление на 3–4%.

¶По углу установки

• Верхние (upward winglets) — наиболее распространённый тип, направленный вверх.
• Нижние (downward winglets) — направлены вниз. Используются редко, например, на самолёте Boeing 747-8 (для уменьшения высоты ангара).
• Двусторонние (dual winglets) — комбинация верхнего и нижнего элементов. Применяются на некоторых бизнес-джетах.

¶Применение

¶Гражданская авиация

Винглеты являются стандартным оборудованием на большинстве современных пассажирских самолётов. Крупнейшие производители — Boeing, Airbus, Embraer, Bombardier — предлагают различные типы винглетов в зависимости от модели. Например, Boeing 737 MAX оснащён сплит-винглетами, а Airbus A320neo — шарклетами. В 2020-х годах винглеты также устанавливаются на региональные самолёты (Sukhoi Superjet 100, Ил-114-300) и бизнес-джеты.

¶Военная авиация

Винглеты применяются на военно-транспортных самолётах (C-17 Globemaster III, C-130J Super Hercules), а также на некоторых истребителях (F-16 Fighting Falcon — в виде конформных топливных баков, выполняющих роль винглетов). На российских военных самолётах винглеты используются реже, но встречаются на модернизированных версиях Ил-76МД-90А и Ту-160М.

¶Беспилотные летательные аппараты

Винглеты широко применяются в конструкции БПЛА для увеличения продолжительности полёта. Например, американский MQ-9 Reaper и турецкий Bayraktar TB2 оснащены винглетами.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Снижение расхода топлива на 3–5%.
• Увеличение дальности и продолжительности полёта.
• Улучшение лётных характеристик на взлёте и посадке.
• Снижение шума в салоне.
• Повышение устойчивости при боковом ветре.

¶Недостатки

• Увеличение массы конструкции (на 50–150 кг в зависимости от типа).
• Повышение стоимости самолёта (на 0,5–1,5% от цены).
• Усложнение технического обслуживания.
• Увеличение размаха крыла, что может создавать проблемы при стоянке в ангарах.
• В некоторых случаях — ухудшение обтекания на больших углах атаки.

¶Интересные факты

• Первый патент на устройство, напоминающее винглет, был выдан в 1910 году французскому инженеру Эжену Лефевру.
• Самолёт Boeing 747-400 с винглетами имеет размах крыла 64,4 м, без винглетов — 59,6 м.
• Винглеты на самолёте Boeing 737 MAX выполнены в виде двух элементов (сплит-винглет), что позволило увеличить их эффективность без значительного увеличения размаха.
• В 2010-х годах компания Airbus провела испытания «морфинг-винглетов» — устройств, меняющих угол наклона в полёте для оптимизации аэродинамики на разных режимах.
• На российском самолёте МС-21-300 используются винглеты собственной разработки, выполненные из композитных материалов.

¶Источники

• Whitcomb, R. T. «A Design Approach and Selected Wind-Tunnel Results at High Subsonic Speeds for Wing-Tip Mounted Winglets». NASA TN D-8260, 1976.
• Raymer, D. P. «Aircraft Design: A Conceptual Approach». AIAA Education Series, 2018.
• Kroo, I. «Drag Due to Lift: Concepts for Prediction and Reduction». Annual Review of Fluid Mechanics, 2001.
• «Boeing 737 MAX Winglets». Boeing Commercial Airplanes Technical Report, 2017.
• «Airbus Sharklets: A New Generation of Wingtip Devices». Airbus S.A.S. Technical Brief, 2013.