Siipi ilmailutekniikassa on poikkileikkaukseltaan virtaussuunnassa profiloitu laakeripinta, joka on suunniteltu luomaan aerodynaamista nostovoimaa . Lentokoneen siivellä voi olla eri muotoinen taso ja jännevälin suhteen eri muotoinen osien muoto lentokoneen symmetriatason kanssa yhdensuuntaisissa tasoissa sekä eri osien kiertymiskulmat näissä tasoissa [1] .
Geometriset ominaisuudet - luettelo parametreista, käsitteistä ja termeistä, joita käytetään siiven suunnittelussa ja sen elementtien nimien määrittämisessä [2] :
Siipien kärkiväli (L) - kahden lentokoneen perustason kanssa yhdensuuntaisen tason välinen etäisyys, jotka koskettavat siiven päitä. [GHS 1990 (s. 55)] Siiven kannatinpinnan jänne on suora segmentti, jonka siiven yhdestä osasta ottaa lentokoneen perustason suuntainen taso ja jota rajoittavat profiilin etu- ja takapisteet. Paikallinen siiven jänne (b(z)) on siipiprofiilissa oleva suora viiva, joka yhdistää profiilin ääriviivan etu- ja takapisteet tietyssä siiven jännevälissä. Siiven paikallisjänteen pituus (b (z)) on kantosiiven taka- ja etupisteiden kautta kulkevan linjasegmentin pituus paikallisessa osassa siiven jänneväliä pitkin. Siiven keskijänne (b 0 ) on siiven paikallinen jänne lentokoneen perustasossa, joka saadaan jatkamalla siiven etureunan ja takareunan linjaa tämän tason leikkauspisteeseen. [GHS 1990 (s. 54)] Siiven keskijänteen pituus (b 0 ) on siiven etureunan ja lentokoneen perustason leikkauspisteiden välisen segmentin pituus. [GHS 1990 (s. 54)] Lentokoneen siiven jänne (b b ) - jänne siiven ja rungon erotusviivaa pitkin siipiosassa, joka on yhdensuuntainen lentokoneen perustason kanssa. [GHS 1990 (s. 54)] Siiven päätejänne (b - ) - jänne siiven päätyosassa, yhdensuuntainen lentokoneen perustason kanssa. Siiven vertailutaso on taso, joka sisältää siiven keskijänteen ja on kohtisuorassa ilma-aluksen vertailutasoon nähden. [GHS 1990 (s. 43)] Siipialue (S) - siiven ulokkeen alue siiven perustasolla, mukaan lukien siiven vatsaosa ja siiven jatkeet. [GHS 1990 (s. 55)] Siiven ohjausosa on siiven ehdollinen leikkaus siiven perustason kanssa yhdensuuntaisella tasolla (z = const). [GHS 1990(16)] Siipien kaarevuus - kantosiippien keskilinjan vaihteleva poikkeama niiden jänteistä; jolle on tunnusomaista profiilin suhteellinen koveruus (keskilinjan suurimman poikkeaman suhde jänteestä jänteen pituuteen). [GHS 1990(16)] Siiven keskipinta - muodostuu kaikkien siipiprofiilien keskimääräisistä viivoista jänneväliä pitkin; yleensä annetaan joidenkin profiilin koveruuden ja siiven kiertymisen muutoslakien mukaan jänneväliä pitkin; kun siiven kierteen arvo on vakio ja profiilien, joista siipi koostuu, kaarevuus nolla, keskipinta on taso. [GHS 1990(16)] Siiven muotosuhde (λ) on suhteellinen geometrinen parametri, joka määritellään suhteeksi: λ = L²/S; Siiven kavennus (η) on siiven suhteellinen geometrinen parametri, joka määritellään suhteena: η = b 0 /b to ; Siiven geometrinen kierre on siiven jänteiden kierto sen jänneväliä pitkin joidenkin kulmien verran (lain φ kr = f (z) mukaan), jotka mitataan tasosta, joka yleensä otetaan perustasoksi. siiven kulma (edellyttäen, että siiven kiilautumiskulma laivan jännettä pitkin on nolla) . Sitä käytetään parantamaan aerodynaamisia ominaisuuksia, vakautta ja hallittavuutta risteilylennolla ja korkeissa iskukulmissa. Siiven geometrisen kierteen paikallinen kulma (φkr(z)) on siiven paikallisjänteen ja sen perustason välinen kulma, ja kulmaa φkr (z) pidetään positiivisena, kun paikallisjänteen etupiste on korkeampi kuin saman siiven jänteen takapiste.Siipi voidaan jakaa kolmeen osaan: vasempaan ja oikeaan puolitasoon tai konsoleihin sekä keskiosaan. Kevyille lentokoneille, kuten Cessna-152 , Yak-12 ja jopa suuremmille L-410, siipi on yksiosainen rakenne ilman jakoa osiin. Runko voidaan valmistaa kantajaksi (esim. Su-27 , F-35 , Su-57 lentokoneisiin ). Puolitasot puolestaan voivat sisältää siiven sisääntulon ja kärjen . Ilmaisu "siivet" löytyy usein, mutta se on virheellinen suhteessa yksitasoon , koska siipi on yksi ja koostuu kahdesta puolitasosta. Harvinaisissa tapauksissa yksitasolla voi olla myös 2 siipeä, esimerkiksi Tu-144 :ssä oli ylimääräinen sisäänvedettävä etusiipi.
Siiven nostovoima syntyy muuttamalla ilmavirran suuntaa [3] [4] .
Yksi yleisimmistä selityksistä siiven periaatteelle on Newtonin iskumalli, jonka hän ehdotti teoksessa Principia Mathematica erittäin harvinaiselle väliaineelle, jossa on hiukkasia, jotka eivät törmää toisiinsa (eli väliaineelle, jossa keskimääräinen vapaa reitti on paljon suurempi kuin siiven koko): ilmahiukkaset, jotka törmäävät siiven alapintaan kulmassa virtaukseen nähden, pomppaavat elastisesti alas Newtonin kolmannen lain mukaan työntäen siiven ylös. Tämä yksinkertaistettu malli ottaa huomioon liikemäärän säilymisen lain, mutta jättää kokonaan huomiotta siiven yläpinnan ympärillä kulkevan virtauksen, minkä seurauksena se antaa aliarvioidyn nostovoiman [5] . Tässä tapauksessa on laitonta käyttää tätä mallia väliaineessa, jossa keskimääräinen vapaa reitti on paljon pienempi kuin siiven ominaismitat.
Toisessa yksinkertaistetussa mallissa nousun esiintyminen selittyy paine-erolla profiilin ylä- ja alapuolella, mikä tapahtuu Bernoullin lain [6] mukaan: siiven alapinnalla ilman virtausnopeus on pienempi kuin ylhäällä, joten siiven nosto on suunnattu alhaalta ylös; Tämä paine-ero on vastuussa nostovoimasta. Malli on myös virheellinen johtuen virheellisestä yksisuuntaisesta suhteesta virtausnopeuden ja harvinaistumisen välillä [3] [7] [8] . Todellisuudessa meillä on suhde iskukulman , harventumisen ja virtausnopeuden välillä.
Tarkempia laskelmia varten N. E. Zhukovsky esitteli käsitteen virtausnopeuden kierto ; vuonna 1904 hän muotoili Žukovskin lauseen . Nopeuskierron avulla voit ottaa huomioon virtauksen vinon ja saada paljon tarkempia tuloksia laskelmissa. Yksi yllä olevien selitysten suurimmista puutteista on se, että niissä ei oteta huomioon ilman viskositeettia eli energian ja liikemäärän siirtymistä virtauksen yksittäisten kerrosten välillä (joka aiheuttaa kierron). Maanpinnalla voi olla merkittävä vaikutus siipiin, "heijastaen" siiven aiheuttamia virtaushäiriöitä ja palauttaen osan liikemäärästä takaisin ( ground effect ).
Siiven yläpintaa pitkin seuraava ilmavirta "kiinni" siihen ja yrittää seurata tätä pintaa pitkin kantosiiven käännekohdan jälkeenkin ( Coanda-ilmiö ).
Itse asiassa virtaus siiven ympärillä on hyvin monimutkainen kolmiulotteinen epälineaarinen ja usein ei-stationaarinen prosessi. Siiven nostovoima riippuu sen pinta-alasta, profiilista, tasomuodosta, sekä iskukulmasta , nopeudesta ja virtaustiheydestä ( Mach-luku ) ja useista muista tekijöistä. Nostovoiman laskemiseen käytetään Navier-Stokesin yhtälöitä [3] (eli laskennassa otetaan huomioon viskositeetti, massan säilyminen ja liikemäärä).
Siiven asennon runkoon nähden määrää sen sijainti rungon pituudella ja korkeudella sekä asennuskulma sen pituusakseliin nähden. Siiven sijainti rungon korkeudella voi olla erilainen: korkea, keskitaso ja matala. Tämän mukaisestikonetta kutsutaan korkeasiipiseksi , keskisiipiseksi ja matalasiipiseksi . Sijaintivaihtoehto riippuu rungon muodosta, lentokoneen käyttötarkoituksesta, moottoreiden tyypistä ja sijainnista jne. Siiven asennuskulma valitaan siten, että se on yhtä suuri kuin tyypillisimmässä lentotilassa oleva hyökkäyskulma. Tässä tapauksessa runko sijaitsee alavirtaan ja sillä on pienin vastus.
Yksi uusien lentokoneiden suunnittelun suurimmista ongelmista on optimaalisen siiven muodon ja sen parametrien (geometrinen, aerodynaaminen, lujuus jne.) valinta.
Suoran siiven tärkein etu on sen korkea nostokerroin myös alhaisissa hyökkäyskulmissa . Tämän avulla voit lisätä merkittävästi siiven ominaiskuormitusta ja siten vähentää kokoa ja painoa ilman pelkoa nousu- ja laskunopeuden merkittävästä noususta. Tämän tyyppistä siipiä käytetään aliääni- ja transonic-lentokoneissa, joissa on suihkumoottorit. Toinen suoran siiven etu on valmistettavuus, joka mahdollistaa tuotantokustannusten alentamisen.
Haittana, joka ennalta määrää tällaisen siiven sopimattomuuden äänilentonopeuksilla, on vastuskertoimen jyrkkä kasvu, kun Mach-luvun kriittinen arvo ylittyy.
Suora siipi on erittäin herkkä ilmakehän turbulenssille, ja siksi "ilmataskujen" vaikutus tuntuu hyvin hitaasti liikkuvissa lentokoneissa (etenkin kaksitasoisissa) ja suorasiipisissä purjelentokoneissa.
Pyyhkäisy siipi on yleistynyt erilaisten muutosten ja suunnitteluratkaisujen ansiosta.
Edut:
Virheet:
Negatiivisten momenttien poistamiseksi käytetään siiven kiertymistä , koneistumista, muuttuvaa pyyhkäisykulmaa jännevälillä, taaksepäin suunnattua siiven kaventamista tai negatiivista pyyhkäisyä.
Sovellusesimerkkejä: Su-7 , Boeing 737 , Tu-134 jne.
Influx wing (eläin)Pyyhkäisy siiven muunnelma . Ogivaalisen siiven toimintaa voidaan kuvata pyörteiden kierteisenä virtauksena, joka katkeaa suuren pyyhkäisyn terävästä etureunasta siiven rungon lähellä. Pyörrekalvo aiheuttaa myös laajojen matalapaineisten alueiden muodostumista ja lisää rajailmakerroksen energiaa, mikä lisää nostokerrointa. Ohjattavuutta rajoittavat ensisijaisesti rakennemateriaalien staattinen ja dynaaminen lujuus sekä lentokoneen aerodynaamiset ominaisuudet.
Sovellusesimerkkejä: Tu-144 , Concorde
Siipi negatiivisella pyyhkäisyllä (eli eteenpäin viistetyllä).
Edut:
Virheet:
Sovellusesimerkkejä : sarjasiviili HFB-320 Hansa Jet , kokeellinen Su-47 Berkut- hävittäjä .
Kolmiomainen ( delta -muotoinen englanninkielinen delta-siipi - sai nimensä kreikkalaisesta kirjaimesta delta ) on jäykempi ja kevyempi kuin suora ja pyyhkäisy, ja sitä käytetään useimmiten nopeuksilla, jotka ovat yli M = 2.
Edut:
Virheet:
Käyttöesimerkkejä : MiG-21 , HAL Tejas , Mirage 2000 (pieni suhteellinen paksuus); Gloster Javelin , Avro Vulcan (suuriraiteinen), Avro Canada CF-105 Arrow , Saab 37 Viggen , Lockheed L-2000 yliäänilentokone , Boeing-2707-300 [10]
Puolisuunnikkaan muotoinen siipi.
Edut:
Sovellusesimerkkejä : F/A-18 , YF-23 prototyyppi .
Elliptinen siipi [11] [12] .
Edut: sillä on korkein nosto- vastussuhde kaikista tunnetuista siipityypeistä [13] .
Haitat: erittäin vaikea valmistaa.
Käyttöesimerkkejä : K-7 (neuvostoliitto), Supermarine Spitfire .
Kaarevan siipityypin kirjoittaja on amerikkalainen suunnittelija Willard Custer, joka 1930-1950-luvuilla kehitti ja rakensi useita koelentokoneita, joihin hän sovelsi keksimäänsä aerodynaamista kaaviota. Sen pääominaisuus, kuten Custerin keksi, oli puoliympyrän muotoisen siiven kyky luoda muotonsa ansiosta staattista lisänostoa. Caster ei kuitenkaan pystynyt osoittamaan konseptia toimivaksi, eikä kaareva siipi saanut jalansijaa lentokoneteollisuudessa .
Custer väitti, että tällaisella siivellä varustettu alus kykeni nousemaan ja kiipeämään melkein pystysuoraan tai leijumaan säilyttäen samalla rautatieajoneuvon nopeuden.
Siivelle on tunnusomaista myös suhteellinen paksuus (paksuuden suhde leveyteen), tyvestä ja päistä prosentteina ilmaistuna.
paksu siipiPaksun siiven avulla voit siirtää pysähtymishetken tailspin ( stall ) ja ohjaaja voi ohjata suuria kulmia ja ylikuormitusta . Tärkeintä on, että tämä tällaisen siiven pysähdys kehittyy vähitellen säilyttäen samalla tasaisen virtauksen virtauksen ympärillä suurimman osan siivestä. Samalla lentäjä saa mahdollisuuden havaita vaaran ilmaantuvan lentokoneen tärinän perusteella ja ryhtyä toimiin ajoissa. Ohuen siiven omaava lentokone menettää äkillisesti ja äkillisesti nostovoiman lähes koko siipialueen yli jättämättä lentäjälle mitään mahdollisuutta [14] .
Esimerkkejä : TB-4 (ANT-16), ANT-20 , K-7 , Boeing Model 299, Boeing XB-15
Ylikriittinen kantosiipi (S.P.), aliääninen siipikansi, joka sallii nostovoimakertoimien ja kantosiipin paksuuden kiinteällä arvolla suurentaa merkittävästi kriittistä Mach-lukua . Nopeuden lisäämiseksi on tarpeen vähentää siipiprofiilin vastusta vähentämällä sen paksuutta ("tasoittaa" profiilia), mutta samalla on tarpeen säilyttää sen paino- ja lujuusominaisuudet. Ratkaisun löysi amerikkalainen insinööri Richard Whitcomb. Hän ehdotti kapenevan alileikkauksen tekemistä siiven takaosan alapinnalle (siiven "hännän" pieni sileä taivutus alaspäin). Alaleikkauksessa laajeneva virtaus kompensoi aerodynaamisen painopisteen muutosta. Liteistettyjen profiilien käyttö kaarevalla takaosalla mahdollistaa paineen tasaisen jakamisen profiilin jännettä pitkin ja johtaa siten paineen keskipisteen siirtymiseen taaksepäin ja lisää myös kriittistä Mach-lukua 10-15%. Tällaisia profiileja alettiin kutsua ylikriittisiksi (superkriittisiksi). Melko nopeasti ne kehittyivät toisen sukupolven ylikriittisiksi profiileiksi - etuosa lähestyi symmetristä ja alileikkaus vahvistui. Jatkokehitys tähän suuntaan kuitenkin pysähtyi - vieläkin vahvempi trimmaus teki takareunasta lujuuden kannalta liian ohuen. Toinen toisen sukupolven ylikriittisen siiven haittapuoli oli sukellusmomentti, joka jouduttiin torjumaan vaakasuoraan hännän kuormitukseen. Koska et voi leikata takaa, sinun on leikattava edestä: ratkaisu oli yhtä nerokas kuin se olikin - he laittoivat trimmauksen siiven etuosaan ja pienensivät sitä takaosaan. Tässä on lyhyt historia kantosiipien kehityksestä kuvina. Matkustaja-ilmailussa käytetään ylikriittisiä profiileja, jotka tarjoavat parhaan taloudellisuuden, rakenteellisen painon ja lentonopeuden suhteen.
Läpän asento (ylhäältä alas)
Taitettavaa siipirakennetta käytetään, kun halutaan pienentää mittoja lentokoneen ollessa pysäköitynä. Useimmiten tällainen sovellus löytyy lentoyhtiöön perustuvasta ilmailusta ( Su-33 , Yak-38 , F-18 , Bell V-22 Osprey ), mutta joskus sitä harkitaan myös matkustajalentokoneissa ( KR-860 , Boeing 777X ) .
Rakenteellisen voimajärjestelmän mukaan siivet on jaettu ristikkoon, sparraan, kessoniin.
Tällaisen siiven suunnitteluun kuuluu spatiaalinen ristikko, joka havaitsee voimatekijät, kylkiluut ja kuoren, joka siirtää aerodynaamisen kuorman kylkiluihin. Siiven ristikon rakenne-voimakaaviota ei pidä sekoittaa tukirakenteeseen, mukaan lukien ristikkorakenteen säleet ja (tai) rivat. Tällä hetkellä ristikkosiipiä ei käytännössä käytetä lentokoneissa, mutta niitä käytetään laajalti riippuliitokoneissa .
Särmäsiipi sisältää yhden tai useamman pitkittäissuuntaisen voimaelementin - säleet , jotka havaitsevat taivutusmomentin [15] . Särmien lisäksi tällaisessa siivessä voi olla pitkittäisiä seinämiä. Ne eroavat säleistä siinä, että nauhalevyt, joissa on stringerit , on kiinnitetty sparnoihin. Sparlat siirtävät kuorman lentokoneen rungon rungoille momenttisolmujen avulla [16] .
Caisson-siivessä pääkuorman ottavat sekä sparpit että nahka. Rajassa säleet rappeutuvat seiniin ja taivutusmomentti omaksuvat kokonaan pintalevyt. Tässä tapauksessa mallia kutsutaan monoblockiksi . Tehopaneeleissa on vaippa ja vahvikesarja narujen tai poimujen muodossa . Vahvistussarja varmistaa, että ihon stabiilisuus ei menetä puristusta ja toimii jännitys-puristus yhdessä ihon kanssa. Caisson-siipirakenne vaatii keskiosan , johon siipikonsolit kiinnitetään. Siipikonsolit liitetään keskiosaan ääriviivaliitoksella, mikä varmistaa voimatekijöiden siirtymisen paneelin koko leveydeltä.
Ensimmäiset teoreettiset tutkimukset ja tärkeät tulokset äärettömän jännevälin siivelle suorittivat 1800-1900-luvun vaihteessa venäläiset tiedemiehet N. Žukovski , S. Chaplygin , saksalainen M. Kutta ja englantilainen F. Lanchester . Teoreettisen työn todellisen siiven puolesta aloitti saksalainen L. Prandtl .
Niiden saavuttamien tulosten joukossa ovat:
