Принцип использования системы нескольких крыльев, расположенных друг за другом, для улучшения характеристик летательного аппарата



В конструкции воздушных транспортных средств каждая деталь имеет большое значение, но самым значимым элементом является именно крыло. Для того чтобы самолет взлетел необходима подъёмная сила — составляющая полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком. Именно крыло создает эту силу.

Сегодня самолеты изготавливаются на основе моноплана, то есть в конструкции имеется всего одно крыло. Однако в начале развития авиации были и бипланы [6], и трипланы, в которых крылья располагались одно над другим. Конструкторы размещали данный элемент самолета таким образом, чтобы увеличить его площадь, а, следовательно, подъемную силу, но увеличивалась фронтальная площадь самолета и возникала проблема, связанная с увеличением лобового сопротивления.

Крылья современных монопланов, хоть и эффективнее своих предшественников, все равно имеют недостатки. Так они обладают немалой толщиной и массой [6]. Чтобы улучшить параметры крыла необходимо рассмотреть нагрузки, действующие на него во время полета [2]:

1) Массовые нагрузки — это силы тяжести и инерции масс конструкции. Они зависят от массы крыла и придаваемого ускорения;

2) Аэродинамические нагрузки — силы, возникающие при взаимодействии крыла с воздушным потоком. Они зависят от подъемной силы и сопротивления среды.

Так как необходимо улучшить параметры крыла, надо уменьшить негативные нагрузки, а именно массовые (сила тяжести) и аэродинамические (силы сопротивления). Опираясь на это, запишем идеальные параметры:

1) Малая масса. Необходимо для уменьшения массовых нагрузок [4].

2) Малая толщина и фронтальная площадь [4]. Необходимо для уменьшения лобового сопротивления.

3) Большое удлинение. Необходимо для уменьшения индуктивного сопротивления [1].

Если применить данные параметры на современное крыло, то оно разрушиться [6]. Так уменьшая массу, сохраняя исходные размеры, уменьшается прочность данного элемента. Аналогично при увеличении удлинения и уменьшения толщины. Для решения проблемы нужно увеличить прочность крыла. Это возможно при использовании новых материалов или при уменьшении размеров [7]. Рассмотрим второй способ.

Уменьшая размер конструкции, уменьшается площадь крыла, при этом уменьшается подъёмная сила, что следует из следующего уравнения [2]:

,

где — подъемная сила, — коэффициент подъёмной силы (определяется на основании продувок в аэродинамических трубах), — плотность воздуха, - скорость движения самолета относительно воздуха, S — площадь крыла.

Так как благодаря этой силе воздушное средство может летать, необходимо сохранить ее. Это возможно если использовать рассматриваемую систему, при условии равенства суммарной площади крыльев исходной.

Если применить предложенную конфигурацию крыльев, состоящую из трех элементов (при пропорциональном уменьшении линейных размеров), то можно добиться следующего:

1) Площадь одного крыла уменьшилась в 3 раза, его объем уменьшился в

раз. Так как масса прямо пропорциональна объему, то она так же уменьшилась в раз. Из этого следует, что общая масса крыльев, по сравнению с исходной, уменьшилась в раз.

2) Рассмотрим формулу лобового сопротивления [8]:

,

где — сила лобового сопротивления, — коэффициент силы лобового сопротивления (определяется на основании продувок в аэродинамических трубах), — плотность воздуха, - скорость движения самолета относительно воздуха, S — фронтальная площадь крыла.

Так как в системе тел расположенных друг за другом лобовое сопротивление испытывает только первое крыло [5], то для расчета этой величины нужно рассматривать только его. Если площадь крыла уменьшилось в три раза, то и фронтальная площадь уменьшается в 3 раза, следовательно, во столько же раз уменьшилось лобовое сопротивление. Толщина, соответственно, уменьшилась в раз.

3) Рассмотрим формулу индуктивного сопротивления [1]:

Где — сила индуктивного сопротивления, — коэффициент подъёмной силы (определяется на основании продувок в аэродинамических трубах), — плотность воздуха, - скорость движения самолета относительно воздуха, S — площадь крыла, — удлинение крыла (вычисляется как отношение квадрата размаха крыла к его площади).

Чтобы уменьшить данное сопротивление при заданных условиях, необходимо увеличить удлинение, а именно увеличить размах крыла. Так как прочность рассматриваемого элемента увеличилась, а его масса уменьшилась, то возникает возможность сделать необходимую величину больше (например, уменьшив толщину в 1,5 раза и во столько же увеличив длину).

Основываясь на полученных результатах, использование системы из нескольких крыльев может уменьшить нагрузки, действующие на крыло, и улучшить его характеристики в следующем:

1) Увеличение прочности;

2) Уменьшение массы;

3) Уменьшение лобового сопротивления;

4) Возникновение возможности к увеличению размаха крыльев и, следовательно, к уменьшению индуктивного сопротивления.

Данная система может быть использована в самолетах, у которых двигатель расположен не на крыле, а, например, в фюзеляже. Приведём схематичное изображение использования данной системы в авиации на рис. 1.

Рис. 1. Схематичная иллюстрация самолета, с использованием системы из трех крыльев, расположенных друг за другом (вид сверху)

Также перспектива использования нескольких крыльев видится в конструировании многоразовых ракетоносителей. Предлагаемая модель будет представлять подобие ускорителя «Байкал» [3], то есть крылатую ракету, но с возможностью упрощения конструкции (расположение стационарных крыльев с малым сопротивлением, не влияющим на ракету при выведении ее на орбиту) и уменьшения ее массы.

Литература:

1. Аэродинамика самолета. — Текст: электронный // vzletim.ru: [сайт]. — URL: https://vzletim.ru/upload/iblock/e28/aerodynamics02.pdf (дата обращения: 04.04.2021).
2. Аэродинамические силы, действующие на крыло самолета в полете. — Текст: электронный // Все рефераты: [сайт]. — URL: https://allrefrs.ru/3–2128.html (дата обращения: 04.04.2021).
3. Байкал-Ангара. Российская многоразовая ракета. — Текст: электронный // zen.yandex.ru: [сайт]. — URL: https://zen.yandex.ru/media/space_for_you/baikalangara-rossiiskaia-mnogorazovaia-raketa-5d8dfc46c05c7100af1248d2 (дата обращения: 04.04.2021).
4. Виктор, Бабинцев Новая аэродинамика для чайников и учёных / Бабинцев Виктор. — Текст: электронный // Проза.ру: [сайт]. — URL: https://proza.ru/2018/03/23/374#:~:text=Теорема %206. %20 (дата обращения: 04.04.2021).
5. Голубев, В. К. Аэродинамическое взаимодействие двух сферических объектов при сверхзвуковом обтекании / В. К. Голубев. — Текст: непосредственный // SCI-ARTICLE. — 2020. — № 86. — С. 117–124.
6. Корнеев В. М. Конструкция и эксплуатация воздушных судов для пилотов и бортинженеров: конспект лекций / В. М. Корнеев. — Ульяновск: УВАУ ГА, 2006. — 152 с.
7. Прочность Влияние размеров детали. — Текст: электронный // Энциклопедия по машиностроению XXL: [сайт]. — URL: https://mash-xxl.info/info/155625/ (дата обращения: 04.04.2021).
8. Силы в гидродинамических течениях. — Текст: электронный // StudFiles: [сайт]. — URL: https://studfile.net/preview/1118390/ (дата обращения: 04.04.2021).