Этот жгут сам по себе является серьезным возмущением потока. За крылом большого, тяжелого самолета он может вытянуться на расстояние до 10-15 км и стать опасным для самолетов, попавших в такую вихревую струю.

Образование вихревых жгутов за крылом самолета.

Однако продолжим. Одно из свойств атмосферного воздуха – это вязкость. Благодаря ей, пограничный слой, вращаясь вокруг законцовки крыла, захватывает с собой соседние слои воздуха, а те, в свою очередь соседние с ними. Таким образом воздух в районе крыла приобретает вращательное движение вокруг оси проходящей через законцовку крыла (и направленной по полету) с наибольшей скоростью возле законцовки и постепенным затуханием по мере удаления от него (это понятно, воздух все же вязкий ).

При этом, как это видно на рисунке, воздух, вращаясь по окружности вокруг крыла, описывает возле него ту часть этой окружности, при которой он движется вниз. Получается, что воздух, обтекающий крыло (или его профиль) приобретает дополнительную вертикальную скорость Vy, направленную вниз. То есть возникает дополнительный скос потока ( к тому, который уже итак был из-за наличия угла атаки α).

То есть теперь воздух набегает на профиль с несколько меньшим углом атаки (на Δα). Но подъемная сила (Y), как известно всегда перпендикулярна набегающему потоку, поэтому, чтобы сохранить этот принцип она отклоняется несколько назад (Y1). В результате этого сразу появляется ее горизонтальная проекция. Это уже другая сила, совсем иного характера, нежели подъемная, потому что направлена она горизонтально в сторону противоположную полету (Xинд.). А все, что против полета — это сопротивление.

Образование индуктивного сопротивления за счет дополнительного скоса потока.

В итоге, что же мы получили… Крыло при движении индуцирует через вихревые жгуты дополнительный скос потока, в результате чего и образуется, как вы уже поняли, индуктивное сопротивление крыла. Чем больше подъемная сила, тем, как ни странно это звучит, больше сопротивление.

Иначе еще говорят, что для образования и раскрутки вихревых жгутов нужна энергия, которая и забирается от энергии движения самолета. Как результат летательный аппарат испытывает дополнительное сопротивление для движения вперед.

Плюс к этому еще считается, что около 5% несущей поверхности крыла вообще работает неэффективно из-за перетекания и выравнивания давлений. Эти проценты составляют как раз концевые части, на которых дела с образованием подъемной силы обстоят похуже, чем на других участках.

Вот так… Однако, летать все равно надо, поэтому со всяким сопротивлением так или иначе приходится бороться. Ведь чем меньше сопротивление, тем дальше при тех же ресурсах пролетит самолет. Особенно это важно для самолетов, летающих на большие расстояния, пассажирских и транспортных.

Бороться с сопротивлением можно по-разному. Можно противодействовать самому сопротивлению, а можно попытаться устранить причины его возникновения.
Раньше в основном использовался первый путь. То есть ставится на самолет движок по мощнее (есть такое умное слово «ре моторизация» ) и никакое сопротивление нипочем. Вот только какой при этом будет расход топлива…

Было время, когда такая стратегия была вполне приемлема. Ведь тогда еще не знали, что такое топливный кризис и высокие цены на нефть. В наше время приходится искать иной путь. Конструкторы взялись за причины возникновения вихревых жгутов.

Причина-то собственно одна — перетекание воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю. Сделать так, чтобы это перетекание стало невозможным или хотя бы свести возможность его образования к минимуму и, считай, задача решена. Для этого существуют разные приемы.

Если, например, уменьшить разность давлений между верхом и низом профиля крыла, то уменьшится подъемная сила и, соответственно, уменьшится индуктивное сопротивление, напрямую, как мы знаем уже , от нее зависящее. Это можно сделать, уменьшив угол атаки крыла на том его участке, где требуется понизить вредное индуктивное сопротивление. Такой прием применяется на практике и называется отрицательная крутка крыла.

Крыло в этом случае (обычно на его концевых частях, подверженных образованию вихревых жгутов) как бы слегка закручивается передней кромкой вниз (если бы вверх, была бы положительная крутка ), а задней вверх. При этом угол атаки становится меньше и, соответственно, уменьшается индуктивное сопротивление. Такая крутка применена, например, на Boeing-787 Dreamliner (левая консоль, фото помещено ниже). Крутка крыла в общем-то имеет несколько видов и применяется для различных целей. Но об этом в других статьях . А пока о следующем приеме.

Главный путь перетекания воздуха — это законцовка крыла. Поэтому понятно, что идеальным вариантом было бы, если бы ее не было, то есть крыло бы вообще не кончалось. Не было бы где перетекать . То есть в идеале крыло должно быть бесконечного размаха или, более правильно сказать, бесконечного удлинения.

Сделаю небольшое отступление, чтобы рассказать о термине «удлинение крыла».

А-В: размах крыла. Airbus A320

Размах — это скорее габаритный термин. Он может характеризовать аэродинамические свойства крыла только косвенно. Ведь два разных в плане крыла ( например, прямое и стреловидное) имеющие, вполне понятно, разную аэродинамику вполне могут иметь одинаковый размах.
Удлинение как раз и учитывает размах крыла в соответствии с его формой в плане. И выражается оно так: λ= L2/S , где λ – это удлинение, L – размах крыла ( А-В на рисунке), S – площадь крыла в плане.

Итак бесконечное удлинение… Это, конечно, из области фантастики. Но просто большое удлинение — вполне сложившийся факт. Для самолетов, предназначенных для полетов на дальние расстояния с не очень большой скоростью оно может быть равно 12-15. Очень характерный пример самолета такого плана — это знаменитый АНТ-25 Чкаловского экипажа. Он создавался специально для дальнего перелета.

Посмотрите на его крыло (сравните, для интереса , его с длинной фюзеляжа) и вам все станет ясно … Или, например, американский разведчик Lockheed U-2. Дальность для него очень важна . Прямая противоположность ему истребитель Lockheed F-104 Starfighter, можете сравнить…

Разведчик Lockheed U-2S. Обратите внимание на размах крыла

Истребитель F-104 Starfighter. Обратите внимание на очень короткое крыло.

Очень важен этот термин для спортивных планеров. У них ведь двигателя нет, бороться с индуктивным сопротивлением нечем , а дальность полета имеет важность первостепенную, поэтому все они имеют крыло большого удлинения. У них оно может достигать 25 едениц. Красивый аппарат, неправда ли?

Спортивный планер. Красивый аппарат . Винглеты ему тоже не помешают

Далее уже в 1991 году следующий шаг сделала фирма Aviation Partners Inc.(API). Ее главный специалист по аэродинамике Луи Гратцер (бывший, кстати, глава аэродинамического отдела Boeing) придумал blended winglet. Такая законцовка крыла представляет собой крылышко, в которое плавно переходит крыло, загибаясь вверх по дуге большого радиуса. Крылышко это имеет большое удлинение.

API сразу запатентовала это изобретение и правильно сделала, потому что когда такие винглеты установили на самолет Gulfstream II во время его модернизации, экономия топлива составила 7%. Такого эффекта, когда сравнительно незначительная переделка оказалась столь действенна в истории авиации еще не было.

Модернизированный Gulfstream II с blended winglet.

В конце 90-х Boeing применил технологию « blended winglet» на самолетах серии Boeing Business Jet (BBJ). Это серия специальных самолетов бизнесс-класса, первоначально создававшихся на базе В-737. Такие законцовки крыла были применены с целью увеличения дальности полета и повышения коммерческой привлекательности этих лайнеров.

Boeing Business Jet на базе 737-го. Boeing-737/BBJ.

И сразу после этого, основываясь на своем (и чужом, кстати) положительном опыте Boeing через свое совместное с API предприятие (оно называется Aviation Partners Boeing (APB)) стал предлагать фирмам, эксплуатирующим самолеты семейства Boeing 737NG установку blended winglet как на самолетах уже используемых (в плане модернизации), так и на вновь заказываемых. Боинги NG (New Generation) – это новое семейство самолетов серий -600/-700/-800/-900, которые последовали за классическими боингами серий -300/-400/-500. И экономия топлива для них в результате применения винглетов составила достаточно внушительные 4-5%.

Boeing-737-800 (серия NG)

Далее Boeing стал применять эту технологию на других своих самолетах (В-757-200), и на некоторых экономия топлива оказалась даже большей, чем на 737-х. По словам представителей АРВ blended winglet применим и может повысить эффективность абсолютно любого типа коммерческих самолетов.

Boeing-757-200

Однако интересно, что препятствия к такому широкому их применению все же есть, и к технике они отношения не имеют . Это конкуренция и коммерция. Известно, что Airbus — это сильнейший конкурент Boeing, к тому же в последнее время его ощутимо опережающий. Видимо поэтому АРВ (конечно же под давлением Боинга) так и не продала ему лицензию на использование blended winglet. Airbus использовал на своих самолетах крылышки Уиткомба.

"Крылышки" Уиткомба на самолетах AIRBUS

Однако такие законцовки крыла давали только около 1,5% экономии, поэтому Airbus занялся собственными разработками для семейства самолетов А320 и в конце 2011 года начал проводить испытания опытных образцов. Они были названы sharklets (акульи плавники) и призваны обеспечить экономию порядка 3,5-4% на маршрутах большой протяженности. Принято решение об установке sharklets на все самолеты семейства А320NEO (начало эксплуатации планируется с 2015 года), а также на машины, находящиеся в эксплуатации.

Самолет из новой серии A320NEO

Интересно, что фирма API после начала испытаний sharklets обвинила Airbus в нарушении прав интеллектуальной собственности и обратилась в суд. Тяжба в самом разгаре. Тяжела жизнь большого бизнеса …

В настоящее время список самолетов, на которых применяются винглеты того или иного вида для снижения индуктивного сопротивления крыла постоянно расширяется. Среди них, например, присутствуют региональные Embraer ERJ-190 и Bombardier CRJ-200, а также российские средне- и дальнемагистральные ТУ-204 и ИЛ-96.

На сегодняшний момент, конечно, первенство в разработке и внедрении различных типов законцовок крыла для коммерческих самолетов принадлежит фирме Boeing совместно с фирмами APB и API.

Винглет на крыле Боинга серии NG. Сборочный цех завода Boeing