Мой друг Василий Самокатов

Веду телеграмм канал Короли и капуста - про новости авиации, необычные летательные аппараты, политику и ценообразование.

Сверхкритическое крыло

Классический профиль крыла имеет такой вид

Наибольшая толщина располагается примерно на 40% хорды.

В соответствии с законом Бернулли, с ростом скорости потока, его внутреннее давление падает.

Верхняя кромка крыла выпуклая, а следовательно, воздушный поток сужается над ней. Одновременно с этим происходит два динамических процесса ― ускорение потока над крылом и снижение его внутреннего давления. Однако, если самолет летит на высокой скорости, то над крылом возникает область сверхзвукового потока, завершающегося скачком уплотнения. Появление скачков резко увеличивает динамическое сопротивление крыла, что крайне негативно сказывается на расходе топлива. Продвинутся по скорости можно было бы, сплющив профиль сверху. Толщину профиля при этом желательно оставить той же — чем толще профиль, тем легче крыло. На пальцах этот эффект можно пояснить следующим образом:

Сломать равнобедренный треугольник гораздо сложнее, чем треугольник, стремящийся к двойной прямой. Следовательно, при равной нагрузке равнобедренный треугольник можно сделать легче.

Есть ещё один вариант объяснения:

Труба имеет почти такую же прочность на изгиб, как и цельный цилиндр (лом) того же диаметра. но весит сильно меньше. Следовательно, при том же весе материала, можно сделать трубу большего диаметра,чем лом, которая в итоге будет иметь гораздо большую прочность, чем лом. Следовательно, для достижения равных прочностей, труба меньшего диаметра должна иметь более толстые стенки.

Итак, для того, чтобы увеличить критическую скорость, нужно сплющить профиль, но при этом сохранить его толщину.

Однако такой профиль будет приближаться к симметричному. В результате для получения той же подъемной силы его нужно ставить под больший угол атаки к набегающему потоку. И скачок возникнет даже раньше, чем у исходного профиля.

Решение проблемы нашел американский инженер по авиационной технике Ричард Уиткомб. Он предложил сделать сужающуюся подрезку на нижней поверхности задней части крыла. Расширяющийся в подрезке поток, увеличивал давление под крылом и компенсировал падение подъемной силы.

Профиль получил название сверхкритического.

Средняя линия при этом изменяется примерно таким образом.

Такие профили стали называть сверхкритическими (суперкритическими). Достаточно быстро они эволюционировали в сверхкритические профили 2-го поколения - передняя часть приближалась к симметричной, а подрезка усиливалась.

Уход средней части профиля вниз принес бы дополнительное продвижение по скорости.

Однако дальнейшее развитие в этом направлении остановилось - еще более сильная подрезка делала заднюю кромку слишком тонкой с точки зрения прочности. Другим недостатком сверхкритического крыла 2-го поколения был момент на пикирование, который приходилось парировать нагрузкой на горизонтальное оперение.

Раз нельзя подрезать сзади - нужно подрезать спереди.

О результате пишут:

«Как вы понимаете, эта задача была с блеском решена. И решение было столь же гениально, сколько и просто ― применили подрезку в передней нижней части крыла и уменьшили её в задней. Это идея разом ликвидировала обе проблемы (пикирования и прочности), сохранив все достоинства сверхкритического профиля.

Теперь у инженеров появилась прямая возможность увеличить скорость полета более чем на 10% без увеличения мощности двигателей, либо увеличить прочность крыла без увеличения его массы. Здесь краткая история эволюции аэродинамических профилей в картинках.»