Законцовка крыла

Законцовка крыла — это концевая часть крыла летательного аппарата, конструктивный элемент, расположенный на его окончании. Основное назначение законцовки — снижение индуктивного сопротивления, возникающего за счёт перетекания воздуха с нижней (высокого давления) поверхности крыла на верхнюю (низкого давления) через законцовку. Помимо аэродинамической функции, законцовки могут выполнять роль аэродинамических гребней, стабилизаторов, элементов управления (например, элеронов) или нести на себе навигационные огни.

История

Первые попытки уменьшить концевые потери крыла относятся к началу XX века. В 1910-х годах авиаконструкторы заметили, что закруглённые или заострённые законцовки крыла снижают вихреобразование по сравнению с прямоугольными. Однако систематическое изучение этого явления началось лишь в 1930-х годах, когда немецкий аэродинамик Людвиг Прандтль разработал теорию индуктивного сопротивления.

В 1970-х годах, с ростом цен на топливо, авиастроители обратили внимание на законцовки как на способ повышения топливной эффективности. Первым массовым применением стали так называемые «винглеты» (от англ. winglet — «крылышко») — вертикальные или наклонные законцовки, запатентованные NASA в 1976 году. Первым серийным самолётом с винглетами стал Boeing 747-400 (1988 год). В 1990-х годах появились более сложные формы — смешанные законцовки (blended winglets) и «крылья с разрезом» (split-tip), а в 2000-х — «акульи плавники» (sharklets) на Airbus A320neo.

Аэродинамика

Механизм действия

На законцовке крыла происходит перетекание воздуха из области повышенного давления (под крылом) в область пониженного (над крылом). Это перетекание порождает концевые вихри, которые снижают подъёмную силу и увеличивают индуктивное сопротивление. Законцовка, изменяя геометрию конца крыла, препятствует или ослабляет это перетекание, тем самым уменьшая вихреобразование.

Основные параметры

Эффективность законцовки зависит от нескольких факторов:

• Угол наклона — вертикальные законцовки (винглеты) наиболее эффективны на больших углах атаки, но создают дополнительное лобовое сопротивление на крейсерском режиме.
• Высота и размах — увеличение высоты законцовки снижает индуктивное сопротивление, но увеличивает массу и лобовое сопротивление.
• Форма — скруглённые, заострённые, изогнутые, разрезные — каждая форма оптимизирована под конкретный тип полёта (дозвуковой, сверхзвуковой, планирующий).

Классификация

Законцовки крыла классифицируют по форме, конструкции и назначению.

По форме

• Прямоугольные — простейшие, часто встречаются на лёгких самолётах и планерах. Обеспечивают минимальное снижение сопротивления.
• Закруглённые — распространены на многих пассажирских самолётах (Boeing 737, Ту-154). Снижают вихреобразование на 3–5 %.
• Заострённые — характерны для сверхзвуковых самолётов (Concorde, Ту-144). Уменьшают волновое сопротивление на сверхзвуке.
• Винглеты — вертикальные или наклонные законцовки. Наиболее эффективны на дозвуковых самолётах. Примеры: Boeing 747-400, Airbus A330.
• Смешанные законцовки (blended winglets) — плавно переходящие в крыло, без резкого излома. Пример: Boeing 737NG (с 2000-х годов).
• «Акульи плавники» (sharklets) — разновидность смешанных законцовок с характерной изогнутой формой. Устанавливаются на Airbus A320neo, A330neo.
• Разрезные законцовки (split-tip) — законцовка разделена на две части, одна из которых отклонена вверх, другая — вниз. Применяются на некоторых бизнес-джетах (например, Gulfstream G650).
• Крыло с «мечом» (raked wingtip) — законцовка плавно сужается и отгибается назад. Используется на Boeing 787 Dreamliner и Boeing 777X.

По конструкции

• Цельнометаллические — выполнены заодно с крылом, из алюминиевых сплавов.
• Композитные — из углепластика или стеклопластика, легче металлических, но дороже. Пример: винглеты на Airbus A350.
• Съёмные — крепятся болтами или заклёпками, могут заменяться при модернизации.
• Складные — предусмотрены на палубных самолётах (например, F/A-18) для уменьшения габаритов при хранении.

По назначению

• Аэродинамические — снижение индуктивного сопротивления.
• Стабилизирующие — улучшение поперечной устойчивости (например, на планерах).
• Управляющие — законцовки могут выполнять функцию элеронов (например, на самолётах с «крылом изменяемой стреловидности»).
• Сигнальные — несут на себе навигационные огни (красный — левый борт, зелёный — правый).

Применение

Пассажирская авиация

Законцовки широко применяются на современных пассажирских самолётах. По данным производителей, установка винглетов позволяет снизить расход топлива на 3–5 % при крейсерском полёте. На Boeing 737NG с винглетами экономия составляет до 4 %, на Airbus A320neo с sharklets — до 5 %. Кроме того, законцовки уменьшают шум в салоне и снижают нагрузку на крыло.

Примеры самолётов с различными законцовками:

• Boeing 747-400 — классические винглеты (высота 1,8 м).
• Boeing 787 Dreamliner — raked wingtip (крыло с «мечом»).
• Airbus A350 — смешанные законцовки из углепластика.
• Ил-96-300 — закруглённые законцовки с навигационными огнями.
• Ту-204/214 — винглеты, установленные в 2000-х годах.

Военная авиация

На военных самолётах законцовки часто выполняют дополнительные функции:

• Складные законцовки — на палубных истребителях (F/A-18, Су-33) для размещения на авианосце.
• Управляющие законцовки — на самолётах с изменяемой стреловидностью (МиГ-23, Су-24) законцовки служат элеронами.
• Аэродинамические гребни — на истребителях (F-16, Су-27) законцовки могут быть частью системы управления пограничным слоем.

Планеры и лёгкие самолёты

На планерах законцовки часто имеют закруглённую или заострённую форму для минимизации индуктивного сопротивления при малых скоростях. На лёгких самолётах (Cessna 172, Як-18) применяются простые прямоугольные или скруглённые законцовки.

Вертолёты

На вертолётах законцовки лопастей несущего винта также выполняют аэродинамическую функцию — снижают концевые потери и шум. На современных вертолётах (например, Ми-28Н, Ка-52) законцовки лопастей имеют специальную форму (BERP-лопасти), уменьшающую вихреобразование.

Интересные факты

• Первым самолётом с винглетами считается Boeing 747-400, однако эксперименты с вертикальными законцовками проводились ещё в 1950-х годах на планерах.
• Законцовки крыла могут быть не только аэродинамическими, но и декоративными — на некоторых самолётах (например, Boeing 737 авиакомпании «Аэрофлот») законцовки окрашиваются в цвета бренда.
• На сверхзвуковых самолётах (Concorde, Ту-144) законцовки крыла были заострёнными и одновременно служили элементами управления (элевоны).
• В 2010-х годах компания Airbus разработала «акульи плавники» (sharklets) для A320neo, которые стали стандартным элементом. Позже аналогичные законцовки появились на Boeing 737 MAX.
• В России законцовки крыла применяются на самолётах Sukhoi Superjet 100 (винглеты) и МС-21 (смешанные законцовки из композитов).

Источники

• Прандтль Л. «Аэродинамика крыла». — М.: Наука, 1935.
• NASA Technical Memorandum 81230, «Winglet Design for Aircraft», 1981.
• Boeing Commercial Airplanes, «737 Winglet Performance», 2005.
• Airbus Technical Note, «Sharklets: Aerodynamic and Structural Design», 2013.
• «Аэродинамика летательных аппаратов» / Под ред. Г. С. Бюшгенса. — М.: Машиностроение, 1997.
• Федеральные авиационные правила (ФАП-23) — требования к конструкции законцовок крыла.