Механизация на крилото

Механизацията на самолетното крило е съвкупност от устройства, които имат предназначението да променят характера на аеродинамичните сили и моменти, като се осъществяват различни режими на полет на летателните апарати. Това се реализира с редица технически решения от конструктивен и аеродинамичен характер. Посредством допълнителните подвижни средства към самолетното крило се подобрява управляемостта на летателния апарат, неговата маневреност и висока устойчивост особено при режимите излитане и кацане при неманеврените самолети.

1 – аеродинамични крилца
2 – елерон
3 – високоскоростен елерон
4 – обтекатели на задвижването на задкрилките.
5 – предкрилки на Крюгер
6 – предкрилки
7, 8 – задкрилки
9 – интерцептор
10 – спойлер

Механизацията на крилото в съвременните бойни самолети е съчетание от ефективни форми на въздействие върху обтичането, което позволява многократно да се променят аеродинамичните характеристики. С това се реализира много широк диапазон на промяна на аеродинамиката на летателния апарат, с което се променят значително скоростните характеристики, но при условията на надеждно управление и устойчивост на полета във всички режими на експлоатация.

Схеми за действие на устройствата за механизация на крилото

Физическо обяснение

Използването на устройствата за механизация се базира на теоретичните постановки за създаването на подемната сила, защото тя е основната предпоставка за реализиране на един полет. Уравнението за подемната сила изразява важни зависимости между основните фактори, които я създават, както от конструкцията на летателния апарат, така и от въздушната среда и условията, при които се провежда полета:

$Y={\tfrac {1}{2}}\rho V^{2}SC_{Y}$,

където:

• Y е размера на подемната сила измерена в kg;
• $\rho$ е плътността на въздуха, в kg/m³, $\rho$=1.225 kg/m³ при 15 ⁰C;
• V е скоростта на летателния апарат по отношение на въздушната среда;
• S е повърхността на крилото, измерена в m²;
• $C_{Y}$ коефициент на подемната сила, който се определя от ъгъла на атака на крилото, както и зависи от числото на Мах (M_a), и Числото на Рейнолдс (Re).

Вижда се, че увеличаването на площта на крилото (S) и коефициента на подемната сила ($C_{Y}$), позволяват създаването на подемна сила при по-ниска скорост (V). Със задействането на подвижните устройства от механизацията на крилото се използват точно тези зависимости – като увеличават общата повърхност на крилото и променят неговия аеродинамичен профил, се получава по-висока стойност на подемната сила при по-ниска въздушна скорост. Със задействането на елементи от механизацията на крилото се увеличава челното съпротивление на летателния апарат и се намалява скоростта му. Това е нежелан ефект при нормален полет, когато зависимостта между скорост и челно съпротивление е компромис, който авиоконструкторите се стремят да доведат до минимум. При приземяване увеличаването на челното съпротивление от устройствата за механизация води до желано намаляване скоростта на апарата, като в същото време е възможно да се лети устойчиво с ъгъл на атака близък до критичния. Така се създава необходимата подемна сила за поддържане на самолета във въздуха с възможност за плавно изпълнение на отделните фази на полета при приземяване. Обобщено, по време на полет управлението на подемната сила и съпротивлението на крилото се осъществява от системата от устройства с общото название механизация на крилото.

Със различна степен на задействане, механизацията на крилото се използва и за намаляване на разбега при излитане, чрез възможността за създаване на подемна сила при по-ниска скорост, както и за намаляване на пробега при кацане чрез действието на системата като въздушни спирачки чрез промяната на аеродинамичната форма.

Аеродинамични крилца

Схема за големината на вихри при крило (вляво) и на вихри при крило с използването на аеродинамични крилца (вдясно)

Следи от вихри на F/A-18 Hornet при динамичен режим на полет

Аеродинамичните крилца са неуправляеми неподвижно поставени плоскости под ъгъл в края на крилата. Популярното наименование на крилцата в Англия, САЩ и Русия са съответно на английски: Winglet и на руски: Законцовка или Винглет. Крилцата са предназначени да подобряват ефективността на неподвижните крила на въздухоплавателните средства. Предназначението им е да ограничават вихрите на въздушния поток в края на крилото, особено на самолетите със стреловидно крило, като с това се намалява съпротивлението при полет. Тези специални технически решения са с различна форма и едните в българската литература се наричат шайби или крайни шайби. Другото решение е в края на крилото да се поставят крилца под ъгъл спрямо крилото и с еднакъв аеродинамичен профил. Освен с функциите на шайбите, свързани с обтичането на крилото, последните създават и подемна сила, и са наричани аеродинамични крилца или крайни крилца. Вграждането в конструкцията на крилото на аеродинамични крилца повишава аеродинамичните характеристики, като се увеличава подемната сила на крилото без съществено да се увеличава неговата разпереност и тегло. С това техническо решение се подобрява и безопасността на полетите, чрез създаване на ламинарен въздушен поток на обтичане на горната повърхност на крилото и близо до неговия край и се създават условия за устойчив полет при различни режими.

Увеличаване на коефициента на подемна сила

Използват се:

• клапи, които в зависимост от конструктивните решения са прости, предвижни и сложни.
• задкрилки – които в зависимост от конструкцията са прости, предвижни и многозвенни. Използват се струйни и реактивни задкрилки.

Увеличаване на критичния ъгъл на атака

Стойността на критичния ъгъл на атака се увеличава чрез промяна на профила на крилото чрез:

• Предкрилки. Това са повърхности, разположени в предния атакуващ ръб на крилото. Това са подвижни повърхности напред и надолу от атакуващия ръб, които променят профила на крилото, като го правят значително по-изпъкнал (по-дебел). При отклонението се образува процеп, от което се получава сложно преразпределяне на насрещния въздушен поток при обтичане на крилото. При ползването на предкрилките особено важен е ефектът от възможността за увеличаването на допустимия ъгъл на атака. Действието им в резултат от наличния процеп позволява сривът на въздушния поток от горната повърхност на крилото да настъпи при по-голям ъгъл на атака. Увеличаването изпъкналостта на профила позволява увеличаването на подемната сила при по-ниски въздушни скорости.

Обикновено предкрилките се задействат от пилота едновременно със задкрилките. При тежките неманеврени самолети предкрилките може да се задействат и независимо като една стъпкa от включването на другите елементи от механизацията на крилото.

Използват се и по-сложни системи за задвижване на предкрилките. Така наречените адаптивни предкрилки без намесата на пилота се отклоняват автоматически, с което се обезпечават оптимални аеродинамически характеристики на крилото по време на целия полет. Адаптивните предкрилки посредством асинхронно управление позволяват добра управляемост при крен на самолета при високи ъгли на атака.

• Отклоняеми носове. Това са предкрилки, при които преместването напред не образува процеп. Профилът на крилото се променя, и с това се променя неговата аеродинамическа характеристика.
• Крюгер предкрилки (Krueger flaps) са предкрилки, монтирани на атакуващия ръб на крилото близо до фюзелажа на самолета в зоната на центроплана, където крилото има най-дебел профил. Предкрилката е свързана шарнирно към атакуващия ръб на крилото, като основната ѝ част е разположена в долната част на крилния профил. Действието на предкрилката е различно – горният край не се измества, с което горната повърхност не се променя, а долният край се завърта напред. Аеродинамичният ефект на Крюгер при полет се получава от промяната на профила на крилото.

• 
  Предкрилки-конструкция
• 
  Въздушен поток, обтичащ самолетно крило при малък и при голям ъгъл на атака с включени предкрилки
• 
  Предкрилки на лек самолет
• 
  Предкрилки на Boeing C-17 Globemaster III
• 
  Предкрилки тип отклоняеми носове
• 
  Предкрилки на Крюгер – схема
• 
  Предкрилки на Крюгер на В747-200F

Промяна на аеродинамичното качество

Увеличаването или намаляването на аеродинамичното качество, особено при маневрените самолети и при тежките скоростни самолети на гражданската авиация, се осъществява посредством управлението по директен или косвен начин на граничния въздушен слой. Това се реализира чрез издухване или изсмукване на въздушния слой в областите на надебеляването и откъсването му от повърхността на крилото. Откъсването му се предизвиква с вградени елементи като интерцептори и спойлери. Използваните конструктивни елементи за дебелината на граничния слой и началото на откъсването му се регулира чрез следните управляеми елементи:

• интерцептори
• спойлери
• сплайни
• турболизатори
• срезове

Разпределението на натоварването

Крило на Ту-134 с аеродинамични гребени и други елементи от механизацията на крилото

Натоварването на крилото по неговата разпереност може да се променя чрез изменение на стреловидността и адаптивност на формата на профилите и се регулира чрез аеродинамични гребени. Това са геометрични или вихрови прегради, които генерират вихри и които възпрепятстват тангенциалното движение на обтичащите въздушни потоци.