Фото: Anna Zvereva / wikimedia.org
Если природе потребовались сотни миллионов лет эволюции, чтобы впервые поднять в небо живых существ, то человечество с этой задачей справилось гораздо быстрее. От создания мифа о Дедале и Икаре до первого контролируемого полета самолета братьев Райт прошло всего лишь около трех тысячелетий.
Важнейшей частью самолета, служащей для создания подъемной силы, является крыло. Без него самолет превращается в бесполезный набор элементов. Крыло самолета – это выдающееся изобретение и настоящее произведение инженерного искусства.
Исследования и эксперименты братьев Райт и их предшественников составили базу для дальнейшего развития авиационных технологий, а крылья стали неотъемлемой частью любого самолета, обеспечивая подъемную силу и возможность управления в полете.
Принцип работы крыла
Крыло нужно, чтобы удерживать самолет в воздухе, что происходит благодаря подъемной силе. Если птицам приходится махать крыльями, создавая тягу, то у самолета для этого есть двигатель, и махать уже не нужно. Когда самолет движется в воздухе, благодаря форме крыла создается различное давление воздуха сверху и снизу крыла. Поскольку верхняя поверхность крыла обычно имеет большую кривизну, воздух над ней проходит быстрее, что создает зону низкого давления. Снизу крыла давление выше. Эта разница в давлении генерирует подъемную силу, поддерживающую самолет в воздухе. Формулу этой подъемной силы в начале XX века вывели независимо друг от друга немецкий математик Мартин Вильгельм Кутта и русский ученый-механик Николай Егорович Жуковский.
Путем изменения угла атаки крыла (угол между направлением потока воздуха и продольной осью самолета) или с помощью закрылок пилоты могут контролировать подъемную силу и управлять полетом, включая такие маневры, как взлет, посадка, повороты и изменение высоты.
Устройство крыла
Ключевой элемент крыла − его профиль, форма поперечного сечения, которая определяет аэродинамические характеристики крыла. Как уже говорилось, профиль обычно имеет изгиб или кривизну, создающую различные потоки воздуха для генерации подъемной силы.
Крыло самолета обычно состоит из специальной металлической или композитной рамы, которая придает ему прочность и жесткость. Эта рама соединяется с фюзеляжем самолета. Продольные силовые элементы, называемые лонжеронами, а также параллельные им стрингеры и поперечные нервюры − своеобразные «кости» самолетного крыла. Кстати, говорить, что у типичного авиалайнера два крыла – не верно. Это одно крыло с двумя консолями, или полуплоскостями.
Фото: ОАК
Братья Райт обшивали свой каркас тканью, затем была фанера, а в современных самолетах металлическая или композитная обшивка крыла воспринимает нагрузку практически наравне с рамой. Гладкая поверхность обшивки снижает сопротивление воздуха.
Также крыло может быть оснащено предкрылками и закрылками − подвижными частями, которые изменяют размер и геометрию крыла для управления аэродинамикой во время различных фаз полета. Например, на взлете и посадке большая площадь крыла, получаемая с помощью выдвигающихся элементов, помогает создать нужную подъемную силу. А в полете на высоких скоростях большое крыло, наоборот, не нужно, и закрылки и предкрылки подтянуты и прижаты к крылу.
Фото: ОАК
За управление полетом отвечают элероны – небольшие панели на задней кромке крыла. Регулируя угол наклона элеронов, пилот совершает плавный разворот машины. При посадке используются щитки на верхней поверхности крыла − интерцепторы и спойлеры, в выдвинутом положении обеспечивающие снижение скорости за счет роста лобового сопротивления.
На крыльях в будущее
С увеличением требований к скорости, маневренности и эффективности самолетов возникла необходимость в более прочных материалах, чем дерево и ткань первых машин. В 1930-е годы на сцену выходит легкий, прочный и пластичный металл – алюминий, на долгое время ставший основным и в военной, и в гражданской авиации.
В современном самолете на алюминий приходится около 75-80% от общей массы, но постепенно конкуренцию ему начинают создавать более современные композитные материалы, разработка которых началась после Второй мировой войны. Композиты обеспечивают высокую прочность при низкой массе. Это позволяет создавать крылья, обладающие высокими аэродинамическими свойствами.
Фото: Alex Snow / wikimedia.org
Из-за цвета углеродной ткани, входящей в состав многослойных композитов, композитное крыло называют «черным». Первый в России, а также первый в мире в своем классе пассажирский «чернокрылый» самолет – это среднемагистральный авиалайнер МС-21. Композитные материалы позволили создать для нового российского самолета крыло, имеющее большее удлинение и тонкий профиль. Как следствие, улучшилась аэродинамика и снизился расход топлива по сравнению с аналогами. Композитное крыло для МС-21 разработано и производится компанией «АэроКомпозит» (входит в компанию «Яковлев» Объединенной авиастроительной корпорации Ростеха).
Фото: ОАК
Инженеры постоянно работают над улучшением дизайна крыла самолета, чтобы повысить его эффективность. Сегодня разработка крыльев, как и всего самолета, ведется в цифровой среде с использованием технологий предиктивной аналитики, виртуальной реальности и др. Изготавливаются авиационные крылья с применением передовых наработок, включая 3D-печать, лазерную резку и другие инновационные методы. Новые материалы позволяют создавать крылья, которые сочетают в себе легкость, прочность и высокие аэродинамические свойства.
