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机翼增升装置

 挚昊555 2024-04-30 发布于广东

主要有以下4种:
1.增加机翼的弯度效应
增加机翼的弯度,会带来较大的低头力矩;在飞机着陆进场时,需要飞机的平尾或升降舵上偏来配平。
2.增加机翼的有效面积
大多数的增升装置是以增加机翼弦长的方式运作,提高最大升力系数。
3.改善缝道的流动品质
通过改善翼段间缝道的流动品质,改善翼面的边界层状况,增强翼面边界层承受逆压梯度的能力,延迟分离,增大失速迎角,提高最大升力系数。
4.增加外部流场能量
增升装置作为增加飞机升力的有效技术措施,在早期飞机设计中是一项具有突破性的关键技术。主要包括后缘襟翼、前缘襟翼、前缘缝翼、边界层控制装置等4种,常用的是前缘缝翼和后缘襟翼。

考虑以速度水平飞行的飞机,其升力和重力平衡,有

机翼面积,升力系数,空气密度ρ,升力的关系为

这样上式为

由上式解出

如果认为ρ或者飞行高度一定,上式就是为了维持重力为的飞机水平飞行所必需的飞行速度。

如果飞机重力也认为是一定的(一般设计时给定),那么称为翼面载荷也是定值。这个式子中可以变的量只有升力系数,也就是增升起作用的对象。


1917~1919年间,英国的汉德莱·佩季和德国的拉赫曼分别以不同的方式发现,采用机翼前缘开缝装置能起到增升作用。当时对机翼前缘沿展向开缝的设计进行的试验结果很令人受鼓舞。
试验表明,当气流通过在机翼前缘设计的缝隙中从机翼下表面流向上表面时,能降低机翼前缘的严重逆压梯度,使气流依附表面流动,从而将失速推迟到更大迎角,最大升力增加50%~60%。
在20世纪20年代,前缘缝翼虽然受到普遍赞扬,但并未投入使用。30年代,设计师才开始在双翼机的薄机翼上采用了前缘缝翼。由于在单翼机的厚机翼上通常是缓和的后缘失速,一般不应用前缘缝翼。


机翼增升装置的类型

前缘增升装置主要分为两种:前缘襟翼和前缘缝翼
1.前缘襟翼
这部分装置(通常在下表面)一般情况下绕轴旋转,例如:克鲁格襟翼、可变动拱形襟翼
以克鲁格襟翼为例:启动时,克鲁格襟翼会向前下方翻转展开,在机翼前缘下方形成一个很大的延展区,增加了机翼的弯度,增加机翼在低速时的升力。
克鲁格襟翼的最早发明者是德国工程师沃尔纳·克鲁格,他在1943年提出这种设计,并在德国哥廷根大学风洞内进行了测试。波音707是最早使用克鲁格襟翼的大型民用客机。
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2.前缘缝翼
通常从机翼脱落,然后向前滑动,例如:固定或可变缝翼、可变动拱形缝翼。
以可变缝翼为例:前缘缝翼是安装在固定翼飞机机翼前端的狭长小翼,通常在飞机起飞和降落时展开。前缘缝翼展开后,机翼之间有一道狭长的缝隙,可以让气流通过。
前缘缝翼的主要功能在于提高飞机的失速临界迎角,让飞机起飞时不至于机头拉得过高而造成突然失速。也能有效降低飞机的进场速度,让飞机的降落更加安全。同时缩短飞机起飞和降落的距离,降低对跑道长度的要求。有时在飞机接近失速状态时也会张开,并使产生的阻力降到最低。
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后缘增升装置主要分为开裂、简单、开缝(单缝、三缝)、富勒式、后退开裂式襟翼等形式。
1.开裂襟翼像一块薄板紧贴在机翼后缘下面,当放下时,因增加机翼弯度和使襟翼与机翼后缘之间形成低压区而增加升力,优点是在中等偏度时能产生较大的升力,而且产生的阻力较小,缺点是大偏度时产生的阻力大。
2.简单襟翼是机翼后缘的一部分,需要时通过偏转增加机翼弯度而增加升力。1913~1914年,英国国家物理实验室首先得出了后缘襟翼能达到30%的增升效果,但同时试验也表明它存在着偏转时产生相当大阻力的缺点(阻力增加的百分比通常比升力增加的百分比还要大)。
3.开缝襟翼的铰链轴略低于基本翼的弦线,利用襟翼的偏转增大机翼的弯度,襟翼上新生边界层,使得襟翼上的附着流能保持到很大的襟翼偏角,甚至达到δ f =40°才分离。这种带缝的襟翼比简单襟翼能产生大得多的最大升力。
4.富勒式襟翼是1931年由富勒提出的后退式襟翼,是在机翼后缘下半部分的活动翼面。使用时,襟翼沿下翼面安装的滑轨后退并下偏,由于其增加机翼弯度、增加机翼面积和产生缝隙而有显著的增升效果。缺点是增加滑轨阻力和产生较大的低头力矩。
5.后退开裂式襟翼是同时具有开裂式和后退式襟翼特征的一种襟翼,性能也介于两者之间。

在汉德莱·佩季发展的缝翼基础上形成的后缘开缝(单缝)襟翼,当其放下时,一方面增加机翼弯度,另一方面由于它与机翼间形成的缝隙使下表面气流吹向襟翼上表面,能推迟气流分离,因而增加了升力。其优点是在获得高升力时产生的阻力较小,当偏转到60°左右时仍有效。后来单缝襟翼发展到双缝和三缝襟翼。
各种类型的机翼增升装置对机翼升力特性的影响如图所示。

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前缘襟翼与后缘襟翼配合使用可进一步提高增升效果。
一般的后缘襟翼有一个缺点,就是当它向下偏转时,虽然能够增大上翼面气流的流速,从而增大升力系数,但同时也使得机翼前缘处气流的局部迎角增大,当飞机以大迎角飞行时,容易导致机翼前缘上部发生局部的气流分离,使飞机的性能变坏。
如果此时采用前缘襟翼,不但可以消除机翼前缘上部的局部气流分离,改善后缘襟翼的增升效果,而且其本身也具有增升作用。


增升装置的作用

由于增升装置可显著改善飞机的起落性能,使飞机可以按较高的翼载(较小的机翼面积)进行设计,以降低飞机阻力,提高飞行速度。从20世纪30年代开始普遍采用增升装置以来,螺旋桨客机(运输机)的翼载随年代迅速增加。
另外,由于飞机提高翼载(减小机翼面积)后,着陆下滑时要进入较平的下滑轨迹,驾驶员不易看清跑道,造成着陆困难。
当放下襟翼后,因增大飞机阻力而增加下滑角,飞机能保持这种姿态直到很低的高度,然后很快拉平接触地面,使飞机安全着陆。
升降舵的功能是控制机翼的迎角。而机翼自身也可能具有襟翼或可变弯度设计,可以帮助、阻碍甚至取代升降舵的功能。对于一架设计良好的飞机,当襟翼下偏时,增加了机翼弯度,同时相当于增加了安装角(从襟翼后缘测量)。
弯度增加导致一个低头力矩,但与此同时也使升力系数上升,增加了对水平尾翼的下洗,从而产生上仰的趋势。当飞机达到新的平衡时,它将处于较低的速度下,但可能只有很小的低头和抬头姿态变化,这取决于襟翼偏度、俯仰力矩和下洗之间的精确平衡。


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