Влияние арочности крыла параплана на его характеристики

Введем вначале некоторые определения и понятия в соответствии с работой [1].

Линия максимального размаха крыла (ЛМР) – линия, лежащая в плоскости хорд (срединной плоскости), перпендикулярная к плоскости симметрии параплана и соединяющая наиболее удаленные точки крыла.

Геометрия ЛМР во фронтальной проекции может быть различной: дуга окружности, арка полуэллипса, комбинация окружностей различного радиуса и т.д.

Арочность– это отношение максимальной высоты арки (длины стрелы прогиба) ЛМР к половине длины проекции ЛМР на линию, соединяющую концевые точки ЛМР. Иногда арочность определяется как отношение максимальной высоты арки ЛМР к полной длине проекции ЛМР на линию, соединяющую концевые точки ЛМР. В каждом случае это нужно обязательно  отдельно оговаривать.

У современных аппаратов конструктивно допустимой, по условию безопасности, является арочность в пределах 0,25–0,6 (отношение к половине длины проекции ЛМР). 

Если арка ЛМР представляет собой дугу окружности, то арочность можно измерять величиной центрального угла дуги окружности арки.

Что происходит с характеристиками системы пилот–параплан с увеличением арочности?

1. Увеличивается устойчивость по крену и рысканию за счет увеличения профильной (боковой) проекции крыла, а значит, и увеличения его момента демпфирования.

2. Увеличивается сопротивляемость крыла к фронтальному складыванию (за счет увеличения положительной кривизны центральной части крыла) при полетах в атмосферной турбулентности. Кроме того, за счет увеличения горизонтально растягивающего крыло усилия, что является следствием увеличения боковой  проекции крыла, повышается сопротивляемость центральной части крыла не только к фронтальному, но и к различного рода другим видам складывания.

3. Уменьшается индуктивное сопротивление за счет снижения интенсивности вихревых жгутов, сходящих с концов арочного крыла, а также за счет увеличения удлинения крыла.

4. Уменьшается величина подъемной силы за счет уменьшения площади горизонтальной проекции крыла.

5. У ряда аппаратов ухудшается управляемость по курсу.

Это связано с тем, что, во-первых:

– уменьшаются углы атаки профилей к концам изогнутого аркой крыла [1], а, следовательно, и эффективность силового воздействия набегающего потока на отклоненную часть задней кромки со стороны затянутой стропы управления;

во-вторых:

– за счет большой арочности уменьшается плечо момента рыскания (расстояние от плоскости симметрии параплана до центра давления отклоненной части задней кромки), что заставляет увеличивать хода и  усилия в стропах управления и приводит к быстрой утомляемости физически слабо  подготовленного пилота.

 Ухудшение управляемости, в свою очередь, приводит к ухудшению характеристик маневренности системы (уменьшению угловой скорости и углового ускорения в развороте).

Улучшить управляемость и маневренность аппарата, в некоторых случаях, конструктору удается путем увеличения площади отклонения задней кромки при одном и том же ходе стропы управления так, чтобы при этом положение  центра давления отклоненной части задней кромки не слишком уменьшало плечо момента рыскания и при этом центр давления не попадал в зону концевых вертикалей арки.

Обычно у аппаратов с большой арочностью крыла пилоту для повышения эффективности управления приходится интенсивно использовать смещение веса в подвесной системе. 

6. У ряда аппаратов, при правильно выбранном положении центра давления отклоняемой задней кромки и траектории его движения при отклонении стропы управления может улучшаться эффективность управления по крену.

7. У ряда аппаратов уменьшаются демпфирующие свойства параплана по тангажу за счет ухудшения эффективности органов управления.

8. За счет уменьшения углов атаки профилей к концам изогнутого аркой крыла  увеличивается вероятность подскладывания его консольных частей при выполнении ряда маневров и при полетах в турбулентности. 

9. У ряда пилотов и конструкторов существует мнение, что чем больше арочность, тем больше растягивающее крыло усилие (перпендикулярное плоскости симметрии параплана) и за счет этого меньше складок и выше качество поверхности крыла, что должно приводить к уменьшению его сопротивления и некоторому, незначительному, (за счет растяжения)  увеличению площади проекции крыла.   

Резюмируя написанное выше, можно сказать следующее.

Положительное свойство снижения величины индуктивного сопротивления (п.3) частично компенсирует отрицательное – уменьшение подъемной силы крыла за счет уменьшения площади его проекции (п.4). Если конструктору удается спроектировать аппарат так, что свойство п.3 будет превалировать над свойством п.4, то его аэродинамическое качество и горизонтальная составляющая скорости ("летучесть" на сленге пилотов) будут достаточно высокими. В противном случае – нет. 

Не нужно забывать, что удачная конструкция аппарата – это всегда удачно выбранный компромисс между его геометрическими параметрами, что автоматически приводит к удачному компромиссу между его летно-тактическими характеристиками.

Из последних теоретических работ, связанных с исследованием арочности, можно отметить работу [2].

В работе рассматривалась модель неплоского (арочного) крыла с удлинением равным единице, изогнутого по дуге окружности заданного радиуса с заданным центральным углом, который и определял количественно величину арочности.

Решение задачи обтекания крыла выполнялось методом дискретных вихрей.

Результаты исследований модели показали, что:

1. Коэффициент аэродинамической подъемной силы падает с увеличением арочности для одного и того же значения угла атаки.

2. Отрицательный коэффициент момента тангажа незначительно уменьшается по абсолютной величине с увеличением арочности для одного и того же угла атаки.

3. Производная коэффициента подъемной силы по углу атаки уменьшается  с увеличением арочности для одного и того же угла атаки.

4. Относительная координата положения центра давления крыла существенно изменяется при увеличении угла атаки и несущественно – при изменении арочности.

5. С ростом угла атаки увеличивается коэффициент индуктивного сопротивления арочного крыла.

Литература

1. Иванов П.И. Проектирование, изготовление и испытания парапланов (монография, ISBN 966-95903-0-2),- вып.4, Феодосия, 2007.– 280 с.

2. Еременко С.Н., Касьяненко А.Б., Кулешов В.И. «Результаты исследования аэродинамических характеристик неплоских крыльев». Журнал Авиационно-космическая техника и технология. №4 (91), ХАИ, Харьков. 2012, с.74-78.