То, что не всегда видно, — это вихрь, исходящий от кончика каждого крыла — как два крошечных горизонтальных торнадо — оставляющий за собой турбулентный след за транспортным средством. След создает дестабилизирующую опасность для полета, особенно для небольших самолетов, которые используют одну и ту же траекторию полета.Недавние исследования в Университете Иллинойса показали, что, хотя большинство используемых сегодня форм крыльев создают эти турбулентные вихри в следе, геометрия крыла может быть спроектирована так, чтобы почти полностью уменьшить или устранить вихри на концах крыла.
В ходе исследования характеристики вихря и следа были рассчитаны для трех классических конструкций крыла: эллиптического крыла и конструкции крыла, разработанной в классических исследованиях Р.Т. Джонс и Людвиг Прандт.«Эллиптическая конфигурация крыла использовалась в качестве золотого стандарта аэродинамической эффективности на протяжении большей части столетия. Мы учим наших студентов, что она имеет оптимальные характеристики нагрузки и что ее часто используют при оценке эффективности крыла, например, для минимизации лобового сопротивления, "сказал Филип Анселл, доцент кафедры аэрокосмической техники Университета И.
В предыдущем экспериментальном исследовании оптимизации конфигураций крыла компания Ansell узнала, что эффективность системы крыла можно повысить с помощью неэллиптического профиля крыла. «Предыдущие академические исследования показали, что теоретически есть и другие конструкции, которые фактически обеспечивают более низкое сопротивление плоского крыла при фиксированной подъемной силе. Но чего не хватало, так это реального эксперимента, чтобы доказать это».
В этом новом исследовании Анселл и его аспирант Пратик Ранджан использовали реальные данные из предыдущего исследования для анализа трех конфигураций крыльев.«Мы преследовали это, потому что мы увидели кое-что любопытное в наших измерениях в предыдущем эксперименте.
Следовательно, в этом новом исследовании мы смоделировали поток вокруг этих трех крыльев и увидели значительные различия в том, как вихри и следы развивались от каждого из трех крыльев. Типы крыльев Джонса и Прандтля не имели вихрей на концах крыльев, как у эллиптического крыла. У них была гораздо более постепенная объемная деформация всей структуры следа, чем немедленное когерентное сворачивание.
Теперь мы знаем, что мы может задержать образование вихревых структур в следе и увеличить расстояние, необходимое для того, чтобы катиться вихрь в следе, примерно в 12 раз, делая его более слабым и менее опасным для самолета, входящего в его след ».Анселл сказал, что эта информация может быть использована для изменения взгляда на полет группировки между самолетами или для разработки новой идеальной конфигурации для подъемной нагрузки при взлете и посадке, а затем уменьшить расстояние между самолетами на одной и той же траектории полета. .«Вихри хвоста законцовок крыла, как правило, долго исчезают, как только они образуются в атмосфере. Поэтому время, необходимое для рассеивания вихря, необходимо учитывать при взлете следующего самолета, идущего по тому же пути.
Движение Воздуха, создаваемого этими вихрями, может создать опасность для тянущегося за ним самолета, поскольку он может быть непредсказуемым и создавать опасные режимы полета. Таким образом, использование крыльев Джонса или Прандтля приведет к гораздо меньшей турбулентности воздуха позади самолета », — сказал Анселл.
Можно подумать, что Анселл пришел к выводу, что нужно использовать только конфигурации крыла Джонса или Прандтля, но это не так.«Одна из вещей, которая впервые привлекла меня к теме аэродинамики, заключается в том, что правильный ответ всегда зависит от ваших ограничений. Если вы создаете крошечный беспилотный автомобиль, который будет летать с низкой скоростью, вы получите другое решение для дизайнерских нужд, чем если бы вы строили самолет, который будет перевозить людей на большой высоте и на высоких скоростях.
Таким образом, технически вы можете утверждать, что все три типа крыла являются лучшим решением. Вопрос в том, каковы ваши ограничения вождения, например как размах и вес крыла при выборе одного из них? "Анселл добавил, что это фундаментальное исследование и не предназначено для консультирования конкретного авиаконструктора или компании.«Мы изучаем, как ведет себя обтекание крыла, и эту информацию можно использовать, чтобы понять, как происходит процесс сворачивания вихрей.
Это исследование позволяет нам узнать, как конфигурация крыла влияет на образование вихрей и следа, изучая крайние пределы процессов немедленного и запаздывающего вихря », — сказал Анселл.«Интересно, что мы определили, что одним из худших нарушителей создания вихрей действительно является эллиптическое распределение подъемной силы, которое также является одной из самых традиционных конструкций крыла.
Это определенно изменило то, как я говорю об этой проблеме в моих классах. Вместо того, чтобы просто ссылаться на структуры потока, образующиеся за крылом в виде пары «вихрей на концах крыла», я использовал для описания полного следа, образующегося в результате системы вихревых движений ".