На крыло! От фанерных у братьев Райт до «черных» на современных лайнерах
Это, пожалуй, главный элемент летательного аппарата. Без него самолет - просто труба с реактивными двигателями. Оно бывает прямым, эллиптическим, треугольным, стреловидным. Бывает экзотика, похожая на буквы М и W. С большим и малым удлинением. Со стреловидностью обратной и изменяемой. Бывает складывающимся. По его расположению летательные аппараты делят на низкопланы, среднепланы и высокопланы. По количеству плоскостей - на монопланы, бипланы, трипланы и даже мультипланы. Все это, конечно же, про варианты крыла.
Природе потребовались сотни миллионов лет, чтобы в небо Земли поднялись летающие обитатели. Где-то 350-400 млн лет назад, в каменноугольном периоде, начали летать насекомые. Чуть более 200 млн лет назад в небо позднего триаса поднялись первые позвоночные, обладающие способностью машущего полета - птерозавры. Еще 50 млн лет спустя появился археоптерикс - наиболее вероятный предок современных птиц.
Человеку для овладения полетом потребовалось меньше времени. В библиотеке греческих мифов «Псевдо-Аполлодор», датируемой I веком н. э., уже есть миф о Дедале, сделавшем для себя и сына Икара крылья, позволившие им улететь из тюрьмы критского царя Миноса. Если предположить, что миф о Дедале и Икаре появился до Троянской войны, когда мог править прототип мифического Миноса, то его можно датировать примерно XII-XIII веками до н. э. Но даже с такой датировкой от умозрительной идеи о полете человека до ее реализации прошло чуть более трех тысячелетий.
120 лет назад, 17 декабря 1903 года в 10:35 утра среди песчаных дюн Килл-Девил-Хилс в шести милях к югу от городка Китти-Хоук Орвилл Райт (Orville Wright) совершил первый в истории задокументированный полет на летательном аппарате Flyer, поднявшемся в воздух с помощью тяги двигателя. Дальность полета составила 37 м, время в воздухе - 12 секунд. Для своего самолета братья Райт изготовили каркас из ели, его обтянули тонким небеленым муслином. Таким было первое в истории самолетное крыло. По их образу крылья первых самолетов стали изготавливать из дерева и ткани. Скоро для большей прочности вместо ткани в ход пошла фанера.
Занимательная аэродинамика
Есть бородатый анекдот, когда летчик говорит коллеге: «До сих пор не понимаю, почему самолет летает, а крыльями не машет». На самом деле самолет летает благодаря мечтам, зовущим нас ввысь. Вниз же нас тянет суровая реальность. Это, конечно, тоже шутка.
Чтобы понять ценность крыла для полета, необходимо немного погрузиться в физику. На самолет в полете действуют четыре силы: вверх - подъемная, вниз - вес, вперед - тяга, противоположная ей - сопротивление. Когда эти силы уравновешивают друг друга, летательный аппарат движется с постоянными скоростью и высотой.
Силу тяги дают двигатели. Силу веса обеспечивает матушка Земля: это масса самолета, умноженная на ускорение свободного падения. Сила сопротивления возникает всегда из-за набегания воздушного потока. Любой движущийся в воздухе предмет испытывает его - воздуха - сопротивление: чтобы почувствовать его, достаточно высунуть руку в окно быстро едущей машины. А вот крыло как раз предназначено, чтобы создавать подъемную силу.
Как оно это делает? Все волшебство в форме крыла, его профиле. Для дозвуковых скоростей профиль делают в виде выгнутой вверх сильно вытянутой капли с закругленной передней кромкой и острой задней. Нижняя и верхняя поверхности профиля разные по длине - верхняя длиннее. Есть признанная большинством классическая теория. Она говорит, что воздушный поток, обтекающий крыло, неразрывный: то есть две молекулы воздуха которые разошлись вверх и вниз на передней кромке крыла, обязательно встретятся на задней. И тут в дело вступает закон Иоганна Бернулли. Этот швейцарский математик еще в 1743 году доказал, правда для воды, а не для воздуха, что скорость потока и его давление связаны: чем выше давление жидкости вдоль линии ее тока, тем ниже скорость течения, и наоборот. Потом выяснилось, что закон Бернулли выполняется и для ламинарного (без перемешивания слоев и завихрений) течения газа. С одной оговоркой: если только скорости течения газа сильно ниже скорости звука.
Вот и получается, что если те две молекулы, разлетевшиеся на передней кромке крыла - одна вверх, другая вниз - должны опять встретиться, то верхняя молекула полетит быстрее, чем нижняя - ведь верхняя поверхность профиля крыла длиннее нижней. А раз сверху скорость молекулы выше - та-дам, вспоминаем принцип Бернулли - давление там ниже. Снизу давление, соответственно, выше. Вот и возникает сила от этой разницы.
В 1904 году русский ученый-механик Николай Егорович Жуковский вывел формулу этой самой подъемной силы как для воды, так и для воздуха. Оказалась, она зависит от трех параметров. Первый - плотность газа или жидкости. Чем ниже летит самолет, тем выше плотность воздуха, крылу есть на что опираться, тем выше подъемная сила. Второй параметр - площадь крыла. Тут все просто: чем больше площадь, тем больше подъемная сила. Третий параметр - скорость потока. Причем, в формуле - квадрат скорости. То есть на каждые, например, 10 % увеличения скорости подъемная сила растет на квадрат - на 100 процентов, вдвое. И еще есть поправочный коэффициент, зависящий от формы профиля и угла атаки. Мы зовем эту формулу в память о ее первооткрывателе формулой Жуковского.
За рубежом ее называют формулой Кутта. Немецкий математик Мартин Вильгельм Кутта (Martin Wilhelm Kutta) вывел ее еще в 1902 году, на два года раньше своего русского коллеги. Подозрения в плагиате тут неуместны: и Кутта, и Жуковский делали свои расчеты независимо друг от друга.
Бабинский не согласен
Есть еще неклассические теории. Они появлялись и до Кутта-Жуковского, и после. И до сих пор появляются. Не так давно, всего 20 лет назад, в декабре 2003 года профессор аэродинамики и глава группы жидкостей инженерного факультета Кембриджского университета Хольгер Бабинский (Holger Babinsky) прочитал лекцию о своей теории. Желающие легко могут найти ее в интернете, есть даже с русским переводом. В ней он опроверг классическое объяснение возникновения подъемной силы из-за равного времени прохождения частицами сверху и снизу от аэродинамического профиля. Профессор предложил альтернативу, исходя из свойств искривленных потоков. Причем в ходе лекции он тут же проводил наглядные опыты, доказывающие его точку зрения.
Профессор Бабинский принес с собой на лекцию аналог аэродинамической трубы. В ней был проектор, демонстрирующий происходящее внутри на экране. В трубе стоял аэродинамический профиль с типичным поперечным сечением крыла самолета. Профессор выразил сомнения: «Почему частицы, огибая профиль, обязательно должны встретиться в одно и тоже время на задней кромке?» И показал опыт с профилем в трубе, в которую пускал струйки дыма. На экране было ясно видно, что частицы дыма, движущиеся над крылом, достигают задней кромки раньше, чем те, что движутся под ним.
«Вы слышали о подводных крыльях, которые имеют почти тот же аэродинамический профиль, - рассуждал профессор из Кембриджа. - Но оно работает в воде, несжимаемой среде. Видимо, сжимаемая это среда или нет, не имеет значения». Дальше Бабинский, по сути, рассуждал уже в сфере гидродинамики, рассматривая несжимаемую среду, установившийся поток и небольшой объем газа. Какие силы действуют на этот объем? Силами гравитации для малого объема мала, сила трения на малых скоростях - тоже. Остается сила давления. Если оно с одной стороны больше, а с другой меньше, то получается результирующая сила давления. В прямом потоке такой разницы давления не возникает. Тогда Хольгер Бабинский перешел к искривленному потоку. «Раз есть движение по кривой, - говорил он, - есть центростремительная сила, из-за чего возникает градиент давления поперек потока». По той же причине, объяснил ученый, из-за обтекания потоком выгнутого профиля давление на верхней стороне крыла должно быть меньше атмосферного, а на нижней, вогнутой поверхности - всегда выше атмосферного. Вот вам и разница давлений, откуда возникает подъемная сила.
Дальше на примере обтекания различных профилей профессор показал, что лучше создает подъемную силу тонкий профиль крыла. «Если вы вспомните птиц, у них очень тонкие изогнутые крылья, - пояснил Бабинский. - Профили же крыла самолета делают более толстыми. Поэтому у самолетов подъемная сила ниже, чем у птиц. Но крылья самолетов делают толще потому, что там нужна структурная жесткость. Кроме того, в толстых крыльях можно разместить топливо, чего не получится в тонком профиле. Но если говорить о чистой аэродинамической эффективности или коэффициенте подъемной силы, конечно, тонкие профили предпочтительнее толстых».
Теория Хольгера Бабинского интересна, но у Кутта-Жуковского пока приверженцев больше. И их формула, что бы там не происходило с потоком и молекулами, дает правильный результат. А это позволяет создавать самолеты, которые, используя подъемную силу своего крыла, успешно взмывают в воздух.
«Кости» крыла
Есть крыло и крыло. У птиц и у самолетов. Задачи у них одна и та же: создавать подъемную силу. Птица за счет мускулов машет крылом, создавая тягу. На самолетах тягу дает двигатель - винтовой или реактивный, а потому махание уже не нужно. Это, кстати, ответ на анекдотический вопрос выше.
Птичье крыло - это измененная передняя конечность. Парная, потому у птиц - два крыла. Их анатомия такая же, как и анатомия передних конечностей большинства других четвероногих животных. Крыло птиц состоит из плеча с плечевой костью, предплечья с локтевой и лучевой костями и кисти, в которой есть запястье, пясть и пальцы. По краю крыла птиц растут накожные роговые образования - перья. Именно они поддерживают птицу в полете.
Силовой набор крыла до крепления обшивки
Крыло на самолете, если это моноплан, одно. Неправильно говорить про типичный пассажирский лайнер, что у него два крыла. Вот консолей крыла у него, действительно, две. Их еще называют полуплоскости. А между ними есть еще третья часть крыла - центроплан. К нему крепятся консоли, а сам он присоединяет крыло к фюзеляжу. Консоли в свою очередь могут иметь наплыв, законцовку, механизацию. Впрочем, о последней - чуть ниже, она требует отдельного разговора.
Как у птицы, у самолета в крыле есть «кости» - главные продольные силовые элементы, называемые лонжеронами. Они воспринимают изгибающий момент. Лонжеронов может быть несколько или может быть один. Но тут с птицами аналогия и кончается. Параллельно с лонжеронами в крыле идут «кости» потоньше - стрингеры, а поперек - нервюры. Последние и задают требуемую форму профиля крыла. Но вся эта лонжеронно-стрингерно-нервюрная «решетка» не создала бы подъемной силы без обшивки. Вот с ней крыло становится монолитным элементом, воспринимающим силу давления воздушного потока.
Пока обшивкой была ткань, как у братьев Райт, или фанера, она и оставалась только обшивкой. Но металлическая обшивка, а тем паче обшивка крыльев из композитных материалов уже воспринимает нагрузку не хуже, чем силовой набор. Тогда не нужны слишком мощные, толстые лонжероны. Они становятся все тоньше, превращаясь в стенки. Такое крыло, где нагрузку воспринимает как силовой набор, так и обшивка, называют кессонным.
Механизация поможет
Мощная механизация крыла широкофюзеляжного Ил-96-300
Приятно сесть в самолете у иллюминатора: можно наслаждаться полетом и смотреть на землю, облака, небо. Но может не повезти, когда место оказывается «на крыле». Хотя работа крыла тоже очень интересное зрелище. Ведь оно почти как живое: то распустит «перья», то их подберет.
Вот лайнер готовится к взлету, и крыло начинает на глазах расти: спереди и сзади из него выдвигаются дополнительные поверхности. Это предкрылки - те что перед крылом, - и закрылки - те что за. Помните, подъемная сила зависит от скорости и площади крыла? Скорость самолет увеличивает, наращивая тягу двигателей. В полете, на скорости 850-900 км/час, большая площадь крыла не нужна. Но вот на взлете и посадке, когда самолет летит на 230-250 км/час, она очень даже пригодиться, чтобы создать подъемную силу нужной величины.
Закрылки в убранном состоянии подтянуты и прижаты к крылу. А вот после их выпуска плоскости становятся значительно шире: с их задних кромок свисают большие панели, отклоненные вниз. Закрылки бывают разных типов. На небольших аэропланах они выглядят как щиток или небольшая часть задней кромки. На больших лайнерах - это мощные конструкции из нескольких выдвижных поверхностей. За выпуск и уборку элеронов отвечают мощные гидроприводы. Для того, чтобы сохранить аэродинамику, их закрывают обтекателями-пилонами.
Предкрылки существенно меньше закрылков: это немного отъезжающая вперед и вниз панель. Ее функция - при полете и маневрировании самолета на малых скоростях обеспечивать равномерное обтекание крыла воздушным потоком, без турбулентности. У крыла будто бы появляется спереди выдвинутый дополнительный обтекатель. Предкрылки тоже бывают разные. На огромных лайнерах - это мощные и сложные панели. На машинах поменьше - небольшие наросты на крыле. А иногда на небольших самолетиках вообще обходятся без предкрылков: если аэродинамика позволяет, зачем лишние сложные и достаточно тяжелые механизмы?
На высоте, когда скорость набрана, закрылки и предкрылки притянуты к плоскостям, чтобы не создавать дополнительного сопротивления. Но крыло не остается в покое. У него все равно отклоняются какие-то еще элементы. Это - элероны: небольшие панели на задней кромке крыла. Они отвечают за управление полетом. Если элерон отклоняется вниз, подъемная сила на этой плоскости возрастает, вниз - уменьшается. На правой плоскости элерон вниз, на левой - вверх, самолет делает крен влево. Вот вам и плавный разворот.
На больших самолетах элероны состоят из нескольких панелей. Те, что ближе к краям плоскости, - для более энергичных маневров, те, что ближе к фюзеляжу - для плавной и более точной работы. На небольших самолетах и военных машинах для экономии веса элероны совмещают с закрылками. Тогда их именуют флаперонами.
При посадке самолета в дело вступают интерцепторы и спойлеры. Это такие поднимающиеся вверх щитки на верхней поверхности крыла, ближе к его задней кромке. Интерцепторы за счет подъема разрушают равномерный воздушный поток над крылом, снижая его подъемную силу. Они могут работать вместе с элеронами, отклоняясь по-разному на каждой из консолей крыла. Тем самым на малых скоростях повышается управляемость лайнером. Спойлеры, как говорят, - это такие вредные механизмы, которые рассказывают вам концовку фильма и тем самым портят все удовольствие. Но в авиации спойлеры - это одновременно отклоняемые вверх щитки на обеих консолях крыла, обеспечивающие за счет роста лобового сопротивления снижение скорости. По сути, интерцепторы и спойлеры очень похожи. Часто на небольших самолетах - это один и тот же механизм.
Фанера, металл, композит
12 декабря 1915 года в воздух поднялся первый в мире цельнометаллический самолет - моноплан Junkers J 1. Металл прочнее дерева и фанеры. Он позволил делать самолеты, развивающие более высокие скорости полета, имеющие большую полезную нагрузку.
Годы между двумя мировыми войнами называют «золотым веком авиации». Но в это время в конструкции самолетов вместо древесины стали применять не золото, а алюминий. Тогда его еще называли «крылатый металл». С начала 1980-х годов в авиации началась «композитная революция». В конструкциях самолетов эти материалы постепенно вытесняют металл. Композиты позволили снизить массу летательного аппарата, повысить его ресурс, безопасность, сократить затраты на изготовление и техобслуживание.
Композиты изготавливают из слоев ткани, состоящей из микроскопических углеродных нитей. Слои пропитывают специальным клеем. Получается монолитная конструкция, жестче и прочнее, чем металл. Из-за цвета угольной ткани такие крылья называют «черными».
«Применение композитов имеет целями значительное снижение веса конструкции самолета - на 15-20 %, повышение ресурса - в 1,5-2 раза, повышение безопасности по прочности в несколько раз, сокращение сроков разработки и производства при одновременном снижении стоимости изготовления и расходов на техническое обслуживание и ремонт», - говорит научный руководитель ЦАГИ, вице-президент Российской академии наук Сергей Чернышев.
Углепластик стал впервые использоваться в военных и космических программах в середине 1960-х годов. Известно, что из этого материала делались сопла ракет и шлемы астронавтов. Способ получения углеродной ткани, ее пропитки эпоксидной смолой и отверждения - коммерческая тайна. В 1967 году углепластик появился в свободной продаже в Англии, но в ограниченном количестве и под контролем государства. Первым известным гражданским применением этого композита стал корпус болида Формулы 1 для команды McLaren, изготовленный в 1981 году Джоном Барнардом (John Barnard). Теперь углепластик вошел в наш повседневный быт, однако технологические тонкости его изготовления остаются одной из самых охраняемых тайн производителя.
«Черное» крыло
Углепластиковое крыло МС-21 имеет большее удлинение и тонкий профиль
Композиты стали в настоящее время мировым трендом авиастроения. Однако они пока относительно дорогое удовольствие: килограмм дюрали для самолета стоит около 200 рублей, килограмм углепластика - 28 тысяч. Стоит отметить, что, как любое другое нововведение, с ростом использования стоимость его снижается. Однако в 1990-2000-х годах существовало устойчивое мнение, что композиты выгодно использовать только на больших летательных аппаратах - широкофюзеляжных дальнемагистральных лайнерах. Считалось, что лишь тогда эффект от применения этих новых, но достаточно дорогих (на тот момент) конструкционных материалов даст положительный экономический эффект. Для менее крупных, хотя и существенно более массовых узкофюзеляжных самолетов композиты применялись лишь для изготовления элементов механизации крыла, обтекателей и лючков.
В российском проекте среднемагистрального самолета МС-21 конструкторы решили показать, что сейчас на дворе уже иное время. И использование композита для изготовления, например, крыла МС-21 даст существенный выигрыш сразу по нескольким параметрам, включая и суммарную стоимость лайнера. «Это был комплексный подход, просчитывался эффект сразу по многим параметрам, - говорит технический директор - директор департамента развития производственной системы и управления качеством ОАК Юрий Тарасов. - После изучения всего спектра существующих технологий, этапов математического моделирования и натурных испытаний элементов конструкции, получения экспертных оценок институтов, экономических расчетов был сделан окончательный выбор в пользу углепластикового крыла, изготавливаемого методом вакуумной инфузии, без использования автоклавов».
Вес - не самое главное
Композиционные материалы обладают лучшими удельными характеристиками по сравнению с алюминием. Теоретически использование композитов вместо металлов ведет к сокращению массы на 15 %. «Композитные» лайнеры имеют также и эксплуатационные преимущества. Металлические самолеты подвержены усталости, поэтому их проектируют на определенное количество циклов. Композиционные материалы гораздо более устойчивы к знакопеременным нагрузкам, коррозия им не опасна, поэтому они долговечнее металлов.
Однако не весом единым. Использование углепластика позволило изготовить для МС-21 крыло, имеющее большее удлинение и тонкий профиль. С толщиной все просто: чем крыло тоньше, тем меньше аэродинамическое сопротивление. А вот удлинение крыла - отношение размаха крыла к его ширине - влияет на другую составляющую лобового сопротивления - индуктивное сопротивление, создаваемое срывающимся с конца крыла вихрем. Этот тип сопротивления вносит существенный вклад при полете на малой скорости. Если бы крыло самолета было бесконечным, то индуктивное сопротивление отсутствовало бы. Но это идеальный случай. В жизни с индуктивным сопротивлением борются, либо устанавливая вертикальные законцовки крыла (всевозможные винглеты, шарклеты и «сабли»), либо увеличивая длину крыла.
Удлинение у крыла из алюминия на лайнерах прежних поколений было в районе 8-9. «Сделать крыло длиннее не получалось, ведь алюминий - мягкий металл. Чтобы крыло из него не выгибалось под действием полетных нагрузок, прошлось бы увеличивать толщину, - поясняет Юрий Тарасов. - Такое алюминиевое крыло получилось бы настолько толстым, что его аэродинамическое сопротивление съело бы весь выигрыш от большого удлинения. А вот углепластик - более жесткий материал. Поэтому крылья из него могут иметь удлинение и 10, и 11, и даже больше».
Для углепластикового крыла МС-21 удалось достичь удлинения 11,5. Только за счет этого аэродинамическое качество выросло на 5-6 %. В целом же композитное крыло большого удлинения с тонким профилем позволит МС-21 добиться снижения расхода топлива до 8 % по сравнению с существующими аналогами. За свой жизненный цикл (около 20 тыс. часов) среднемагистральный самолет с «классическим» алюминиевым крылом сжигает 140 тыс. т горючего. Только за счет «черного крыла» на каждом МС-21 можно будет сэкономить за тот же налет более 11 тыс. т горючего! Эта цифра станет серьезным аргументом при сравнении МС-21 с его металлическими «одноклассниками».
«Будущее - за “черными” крыльями», - уверены российские авиаконструкторы. Поэтому компания «Аэрокомпозит», занимающаяся в ОАК этой тематикой, не только вышла на серийный выпуск крыла для МС-21. В 2023 году был изготовлен и поставлен на испытания в ЦАГИ прототип нового композитного крыла для перспективного широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета.