FPVwing

Винглеты

Martin Hepperle.  Автор серии профилей MH, программы для разработки профилей JavaFoil.

Большинство современных высокоэффективных ЛК,  с близким к эллиптическому распределением подъемной силы имеют винглеты.

ЛК с колоколообразным распределением Хортена, обычно не нуждаются в винглетах.

Винглеты иногда используют на ЛА обычной схемы т.к. позволяют уменьшить индуктивное сопротивление, что аналогично увеличению размаха. В сравнении с увеличением размаха, винглеты создают меньший изгибающий момент в лонжероне, что делает их полезными для улучшения существующих ЛА («увеличение размаха» без необходимости увеличения прочности крыла).

Цель этой статьи не в поиске оптимальной формы винглетов и ее влиянии на индуктивное сопротивление, а в том, чтобы понять, что происходит в области где винглет соединяется с крылом и почему уменьшение индуктивного сопротивления, при неудачном варианте соединения, может быть ухудшено дополнительным сопротивлением в этой области. Поэтому мы сконцентрируемся на эффектах пограничного слоя.

В журнале «Competitor Achmer News» 1992года, я нашел детальный эскиз трех ЛК с винглетами. На этом эскизе были показаны углы образованные соединением крыла и винглета. Этот эскиз подтолкнул меня к исследованию этой области аэродинамики ЛК.

Объект исследования

Для исследования было выбрано, простое ЛК, в конфигурациях с:

- закругленной законцовкой без винглета;

- винглетом с закругленным плавным соединением;

- винглет с соединением углом;

- винглет сдвинутый назад на половину хорды крыла.

Слишком большой стресс.

Пограничный слой очень чувствителен к подъему давления, которое происходит позади точки максимальной толщины профиля. Если давление нарастает слишком быстро (что соответствует быстрому спаду скорости потока), возможен ранний отрыв пограничного слоя с образованием «пузыря». Ранний отрыв потока создает большое дополнительное сопротивление.

При сравнении потока обтекания при отсутствии и при наличии винглета, можно увидеть  большое различие в изменении распределения давления.

Там где свободное крыло «чувствует» подъем давления в одном направлении, при наличии винглета подъем давления происходит в двух направлениях одновременно и суммируясь производит увеличенный стресс на пограничный слой в месте соединения крыла и винглета.

Это подтверждается графиком распределения скорости потока в интересующей нас области. Так же можно заметить, что влияние формы законцовок распространяется на небольшую часть размаха (около 10% размаха).

Неровная  дорога.

График показывает распределение локальной скорости в месте соединения крыла и винглета. Линии в верхней части - относятся к верхней поверхности, линии в нижней части - относятся к нижней поверхности и нас  пока не интересуют.

Начнем с черной линии, она относится к крылу без винглетов. Мы видим, что остальные графики проходят выше – винглеты увеличивают скорость потока в месте соединения, но по разному.

- Винглет с загругленным соединением (красный цвет) сдвигает скорость потока вверх, равномерно без искажений формы графика, и не создает большого стресса для пограничного слоя Единственный недостаток в этом случае – сложность при строительстве модели.

- Винглет с угловым соединением (зеленый цвет) создает искаженную форму распределения с пиком на носке профиля. Далее почти до 60% хорды идет плоское рапределение, которое предпочтительно для пограничного слоя, но затем следует быстрое уменьшение скорости, что приводит к отделению пограничного слоя.

- Винглет со сдвигом назад (синий цвет) имеет распределение почти  не вносящее изменений в сравнении с крылом без винглетов, до 50% хорды. Далее идет область до 80% с более плоским и менее подверженным отрыву распределением. Общий результат будет аналогичен соединению с закругленным плавным переходом крыла к винглету.

Индуктивное сопротивление

Основная идея использования винглетов на ЛА обычной схемы, состоит в уменьшении индуктивного сопротивления, поэтому вопрос был бы не полно раскрыт без изучения индуктивного сопротивления винглетов.

С другой стороны использование винглетов на стреловидном ЛК заключается в получении устойчивости по курсу и уменьшение индуктивного сопротивления - это небольшой дополнительный бонус.

Поляры показывают, что все три варианта с винглетами дают очень близкий результат в уменьшении индуктивного сопротивления. Есть небольшое преимущество последнего варианта (со сдвигом), но оно почти в пределах погрешности расчетов (очень небольшое).

Все конфигурации с винглетами превосходят крыло без винглетов, и уменьшение индуктивного сопротивления становится больше на больших Cl (с ростом угла атаки).

Этот график, не включает профильного сопротивления, которое уменьшает выигрыш от винглетов, из за увеличенной площади поверхности.

С учетом профильного сопротивления, на малых углах атаки преимущество будет у крыла без винглетов, и наоборот на больших углах атаки преимущество у крыла с винглетами.

Кроме того наличие винглетов делает центральный киль (который так же создает дополнительное сопротивление) ненужным.

Большой брат

Если мы посмотрим на решения используемые в большой авиации, то увидим, что большинство используемых винглетов устанавливается со сдвигом назад и при возможности с плавным переходом в месте соединения с крылом.