Законцовка крыла

Классическая (традиционная) законцовка представляет собой обтекаемый обтекатель, устанавливаемый на торце консоли крыла и плавно продолжающий её обводы. Обычно она выполняется по схеме полумонокока — тонкостенной металлической (реже композитной) оболочки с внутренним набором нервюр и стрингеров, крепящейся к концевой нервюре и лонжеронам крыла. Функциональное назначение классической законцовки многогранно:

• силовое замыкание торца кессона крыла и защита его внутренних объёмов от аэродинамических нагрузок, осадков и посторонних предметов;
• установка аэронавигационных (бортовых) огней — красного на левой законцовке, зелёного на правой, а также белого хвостового и импульсных проблесковых («стробов»), обеспечивающих визуальное различение самолёта в тёмное время суток;
• размещение статических разрядников («стекателей»), отводящих накопленный на планёре электростатический заряд в атмосферу и снижающих уровень радиопомех в диапазоне работы бортовых радиосистем;
• в ряде самолётов — установка антенн систем радиосвязи и навигации, датчиков углов атаки и скольжения, приёмников воздушного давления, а на военных машинах — приёмников предупреждения об облучении и устройств выброса помех.

Такие законцовки характерны для самолётов гражданской и военной авиации более ранних поколений (Ту-134, Ту-154, Ил-62, Ил-86, Ил-76, Boeing 737 Classic, Douglas DC-9), а также для большинства современных лёгких и спортивных самолётов, планёров и беспилотных летательных аппаратов небольшого класса. Форма классической законцовки может быть скруглённой, срезанной под прямым углом, слегка отогнутой вниз (для сноса вихря от концевой части) либо иметь так называемый «эффект Хортна» — плавно уменьшающееся к концу поперечное сечение.

Винглет — вертикально или наклонно установленная аэродинамическая поверхность на конце крыла, снижающая индуктивное сопротивление за счёт частичного восстановления вертикальной составляющей скоса потока. Различают несколько разновидностей^[2]:

• классические винглеты Уиткомба — почти вертикальные пластины над и (иногда) под плоскостью крыла с собственным аэродинамическим профилем, установленные под небольшим углом «на подсос» вовнутрь;
• сопряжённые (blended) винглеты — плавно переходящие в крыло без излома, применяются, в частности, на Boeing 737NG, Boeing 757, Boeing 767, бизнес-джетах Gulfstream и лёгких лайнерах Bombardier CRJ;
• split-scimitar(раздвоенные винглеты) — с дополнительной нижней поверхностью, продлевающей рабочую площадь ниже плоскости крыла;
• наклонные концевые кромки (raked wingtip) — плавное увеличение стреловидности и удлинения к концу крыла, применяются на Boeing 767-400ER, Boeing 777 и Boeing 787;
• саблевидные законцовки (saberlets) — почти горизонтальные, разработаны для Сухого Суперджета 100.

По конструктивно-производственному признаку современные винглеты почти всегда выполняются как отдельный композитный агрегат, крепящийся к концевой нервюре крыла болтовым или заклёпочным соединением; это позволяет варьировать конфигурацию законцовок в зависимости от эксплуатанта и упрощает ремонт при повреждениях.

Идея концевой пластины, ослабляющей перетекание воздуха через торец крыла, впервые была высказана английским инженером Ф. У. Ланчестером в 1897 году и позднее упомянута в его труде Aerodynamics (1907). В начале XX века отдельные концевые «шайбы» встречались на некоторых экспериментальных монопланах, однако широкого применения не получили.

Практическое значение винглеты приобрели после работ американского инженера Ричарда Уиткомба в исследовательском центре NASA англ. Langley Research Center. В рамках программы англ. Aircraft Energy Efficiency (ACEE), начатой в ответ на нефтяной кризис 1973 года, Уиткомб в 1976 году опубликовал результаты продувок и расчётов, показавшие, что установка вертикальных «крылышек» на транспортных самолётах позволяет снизить индуктивное сопротивление примерно на 20% и повысить аэродинамическое качество на 6—9%^[3]. Совместные лётные испытания NASA, ВВС США и Boeing на самолёте-заправщике KC-135 в 1979—1980 годах подтвердили расчёты: полное сопротивление в крейсерском полёте снизилось примерно на 7%, устойчивость и управляемость не пострадали^[3].

В 1988—1990 годах винглеты появились на серийных широкофюзеляжных лайнерах Boeing 747-400 и McDonnell Douglas MD-11. С рубежа 2000-х годов, после образования компании Aviation Partners Boeing (APB), началось массовое дооснащение эксплуатируемого парка Boeing 737NG, Boeing 757 и Boeing 767 сопряжёнными винглетами; по данным «NASA Spinoff», к 2010 году только по программе APB винглетами было оснащено несколько тысяч самолётов^[3].

Теоретическая основа явления была заложена задолго до этого — в трудах Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина и Л. Прандтля по теории крыла конечного размаха. Классическая теория несущей линии Прандтля (1918), опирающаяся на подходы Жуковского и Чаплыгина к циркуляции скорости и понятие присоединённого вихря, дала первое строгое соотношение для индуктивного сопротивления крыла:

C_xi = C_y² / (π · λ · e),

где C_y — коэффициент подъёмной силы, λ — удлинение крыла, e — коэффициент Освальда, учитывающий отклонение реального распределения циркуляции от эллиптического.

Дальнейшее развитие теория получила в работах советских учёных В. В. Голубева, С. М. Белоцерковского и школы ЦАГИ: был разработан метод дискретных вихрей, позволивший численно моделировать сложные концевые устройства ещё до появления полноценных методов вычислительной гидродинамики. Именно этот аппарат используется и при современных расчётах эффективности винглет^[4].

С точки зрения классической аэродинамики никакая законцовка, в том числе винглет, не может полностью устранить индуктивное сопротивление. В силу теорем Гельмгольца о вихрях и уравнения неразрывности вихревых линий (математически — тождества div rot v = 0) вихревая нить, связанная с крылом (присоединённый вихрь Жуковского), должна замыкаться в пространстве. Поэтому за крылом всегда существуют свободные концевые вихри, сходящие с задней кромки и сворачивающиеся у концов крыла в мощные вращающиеся жгуты, движущиеся вниз по потоку и постепенно диссипирующие за счёт вязкости^[4].

Установка винглета не «уничтожает» концевой вихрь: он просто начинает сходить не с конца исходной консоли, а с верхней (или нижней) кромки винглета, несколько отодвигаясь от плоскости основного крыла. Поскольку это смещение невелико по сравнению с полуразмахом (типичная высота винглета 1,5—2,5 м при размахе 30—60 м), эффект уменьшения индуктивного скоса потока проявляется только вблизи концевой части — на относительно малой доле полуразмаха. По этой причине винглет всегда уступает по чистой аэродинамической эффективности эквивалентному удлинению крыла — увеличив размах на удвоенную высоту винглета, можно получить больший выигрыш по индуктивному сопротивлению. Однако именно винглет фактически увеличивает эффективное удлинение крыла без роста габаритного размаха, что критически важно в условиях ограниченийаэропортов— например, лимитов по размаху крыла для существующих стоянок и рулёжных дорожек^[2].

Дополнительный эффект винглета — небольшая тяга, возникающая за счёт того, что набегающий на его поверхность закрученный концевым вихрем поток создаёт составляющую, направленную вперёд (по аналогии с эффектом лавирующей яхты); этот вклад иногда называют «парусным эффектом» винглета^[3].

По данным NASA, лётные испытания подтвердили теоретические оценки Уиткомба: снижение индуктивного сопротивления на 15—20% и рост аэродинамического качества на 6—7%^[3]. В эксплуатации это транслируется в следующую экономию топлива и связанные с ней эффекты:

• сопряжённые винглеты Aviation Partners на Boeing 737NG дают в среднем 4—5% экономии топлива по блочному расходу; Boeing 737 MAX с законцовками схемы AT (Advanced Technology) — до 1,5 % дополнительной экономии топлива^[3][5];
• Airbus заявляет для sharklet на семействе A320 снижение расхода топлива до 4%, при этом соответствующие модификации могут дополнительно перевозить до 500 кг полезной нагрузки или увеличивать дальность полёта примерно на 100 морских миль^[2];
• по данным «NASA Spinoff», к 2010 году применение сопряжённых винглетов позволило мировому парку сэкономить около 2 млрд галлонов авиационного керосина и сократить выбросы примерно на 21,5 млн тонн; площадь зоны воздействия взлётного шума уменьшается примерно на 6,5 %^[3];
• «саблевидные» законцовки Sukhoi Superjet 100 обеспечивают, по данным разработчика, снижение расхода топлива до 4% и экономию порядка 70 тыс. долларов США в год на самолёт^[6].

Эффект существенно зависит от протяжённости маршрута:. Во время полетов на небольшое расстояние преимущество частично «съедается» дополнительным весом законцовок и их сопротивлением на малых скоростях.

Установка винглета связана с рядом отрицательных последствий, которые учитываются при проектировании и модернизации:

• увеличение подъёмной силы на концах крыла повышает изгибающий и крутящий моменты, действующие на главный лонжерон. Для сохранения ресурса конструкцию крыла (прежде всего центроплана и корневых участков консолей) приходится усиливать, что частично снижает выигрыш по массе и удорожает производство^[2];
• растёт масса самой концевой части, из-за чего меняется распределение массы вдоль размаха и повышается Момент инерции крыла; это заставляет заново проводить анализ флаттера и других аэроупругих явлений;
• винглет работает как небольшой вертикальный стабилизатор и заметно меняет реакцию самолёта на боковой ветер при взлёте и посадке; ряд лётных экипажей отмечает, что самолёты с высокими винглетами более чувствительны к порывам и требуют более активной работы рулём направления на пробеге и разбеге;
• в зонах атмосферной турбулентности увеличение эффективного удлинения повышает жёсткость реакции крыла на вертикальные порывы; в кабинах некоторых самолётов с крупными винглетами тряска на порывах ощущается чуть более резко, хотя количественных подтверждённых данных по этому эффекту сравнительно мало;
• габаритная высота самолёта на стоянке возрастает, что иногда требует изменения процедур буксировки и установки ангарного оборудования; повышается риск повреждения винглета при контакте с наземной техникой (известные случаи — многочисленные ремонты sharklet после руления в стеснённых условиях);
• по оценкам FAA, винглеты практически не изменяют интенсивность спутного следа, особенно на малых скоростях при взлёте и посадке, — надежда на снижение категории самолёта по вихревому следу не подтвердилась^[7].

Не все производители считают винглеты безусловно оправданными. Airbus в течение многих лет выпускал семейство A320 с малыми двусторонними концевыми пластинами (wingtip fence) и лишь в 2012 году предложил их замену на sharklet высотой около 2,4 м. После появления модификации A320neo в 2015 году sharklet(заостренные законцовки) стали стандартом, однако значительная часть эксплуатируемого парка A319, A320 и A321 по-прежнему летает со старыми концевыми пластинами^[2]. Широкофюзеляжные A340 и A330 раннего выпуска имеют небольшие «шайбы», а не полноценные винглеты; для последних поколений Airbus A330neo и Airbus A350 использованы уже другие концевые устройства — «шарклетоподобные» гибкие законцовки с активным изгибом в полёте.

Российский региональный Сухой Суперджет 100 в базовой конфигурации спроектирован с классическими законцовками — конструкторы АО «Гражданские самолёты Сухого» пришли к выводу, что для сравнительно небольшого крыла с умеренной крейсерской дальностью экономический выигрыш от винглет не оправдывает усложнения конструкции. Позднее, в 2017—2019 годах, была разработана опциональная модификация с горизонтальными «саблевидными» законцовками (от англ. saberlets), которая одновременно улучшает и крейсерские, и взлётно-посадочные характеристики; по расчётам производителя, экономия топлива и накладных расходов достигает 70 тыс. долларов на самолёт в год^[6]. Отечественный ближне-среднемагистральный МС-21 изначально спроектирован с классической композитной законцовкой без винглета — за счёт применения крыла большого удлинения. На Ту-204 и Ту-214 винглет также не устанавливался.

Аналогично не имеют классических винглет большинство Boeing 777 и все Boeing 787 Dreamliner — вместо них применены наклонные концевые кромки (от англ. raked wingtip) с очень большим удлинением, что аэродинамически эффективнее при большом числе Рейнольдса и типичной для этих машин дальности полёта.

Помимо собственно винглет, к концевым аэродинамическим поверхностям относят:

• концевые шайбы (endplates) — вертикальные пластины на конце крыла, известные ещё по опытам Ланчестера; аэродинамически являются простейшим приспособление наиболее похожую на законцовку крыла;
• раздвоенные и spiroid winglet — замкнутые «петлевые» законцовки, испытывавшиеся Aviation Partners в 1990-х и 2000-х годах; в опытах давали снижение расхода топлива до 10%^[3], однако из-за конструктивной сложности и повышенной массы в серию не пошли;
• наклонные концевые кромки (raked wingtip) — плавное увеличение стреловидности к концу крыла (Boeing 767-400ER, Boeing 777, Boeing 787); дают эффект, близкий к установки законцовок, при меньшем росте изгибающего момента у корня;
• саблевидные законцовки (saberlets) — почти горизонтальные с плавным изгибом вверх, применяются на модернизированной версии Сухого Суперджета 100^[6];
• активные упругие законцовки — гибкие, изменяющие форму в полёте; такие концевые устройства применяются, в частности, на Boeing 777X со складной законцовкой.