КРЫЛО Российский патент 2003 года по МПК B64C23/06 B64C3/14 

Изобретение относится к области авиационной техники, авиамоделизму, может быть использовано в самолетах, планерах или их моделях в виде несущих или стабилизирующих крыльев.

Известно крыло, содержащее нижнюю и верхнюю поверхности, переднюю кромку, нижнюю заднюю кромку, где передняя кромка является общей для поверхностей, а нижняя поверхность расположена между передней и нижней задней кромками (см. А. Пьецух. Крылья молодежи (практика планеризма). - М.: ГИОП. 1954 -с. 66, рис. 47).

Передняя и задняя кромки - общие для нижней и верхней поверхностей крыла. Кроме того, известные крылья специально профилируются так, чтобы вихревая зона при полете крыла образовывалась за пределами плоскостей крыла, а именно за нижней задней кромкой. Например, с образованием так называемой "дорожки Кармана" или ей подобной. При этом известные крылья имеют повышенную свободу перемещения в воздушном пространстве, что придает дополнительную маневренность крылу, но одновременно негативно сказывается на боковую динамическую устойчивость крыла.

Известные крылья имеют недостаточную динамическую устойчивость, склонны к сильному влиянию возмущающих факторов, например порывов ветра. Недостаток, по мнению автора изобретения, традиционно заложен в профиле крыла.

Например, в режиме колебательной неустойчивости крыло начинает совершать колебания вокруг центра тяжести, попеременно то увеличивая, то уменьшая угол атаки, и с движением волнообразной траектории, при этом из-за повышенной маневренности в вертикальной плоскости кромок крыла амплитуда колебаний может возрастать до критической, при которой модель теряет скорость полета и разбивается.

Чтобы при помощи известных крыльев развернуть, например, планер в сторону, необходимо создать крен крыла в нужную сторону и этим наклонить аэродинамическую силу крыла в сторону разворота. Смена положения планера под действием руля поворотов создает скольжение и планер начинает лететь боком (см. там же, с.188-195). Появление крена на развороте может привести к скольжению планера на крыло (боковое скольжение), что очень опасно, можно и не выйти из бокового скольжения и разбиться. Примеров тому множество.

Известное профилирование крыла имеет слабую боковую динамическую устойчивость крыла.

В основу изобретения поставлена задача - крыло, подлежащее усовершенствованию, содержащее нижнюю и верхнюю поверхности, переднюю кромку, нижнюю заднюю кромку, где передняя кромка является общей для поверхностей, а нижняя поверхность расположена между передней и нижней задней кромками, согласно изобретению отличается тем, что содержит дополнительную верхнюю заднюю кромку, расположенную над нижней задней кромкой, заднюю поверхность между нижней и верхней задними кромками, где верхняя поверхность размещена между передней кромкой и дополнительной верхней задней кромкой, где нижняя задняя кромка является общей для нижней и задней поверхностей, а дополнительная верхняя задняя кромка является общей для верхней и задней поверхностей, позволяет обеспечить повышенную боковую динамическую устойчивость крыла.

Повышенная боковая устойчивость крыла достигается тем, что с введением дополнительной верхней задней кромки и задней поверхности в полете крыла непосредственно за задней поверхностью между верхней и нижней кромками крыла постоянно генерируется воздушный парный вихрь, который формируется кромками, задней поверхностью и который состоит из парных замкнутых кольцевых вихревых трубок, которые совершают автоколебания в вертикальной плоскости. При полете крыла вихревые трубки являются динамическим продолжением верхней и нижней поверхностей крыла, создают за крылом своеобразный воздушный динамический коридор с множеством воздушных вихревых трубок, которые после пролета крыла некоторое время существуют сами по себе в воздушном пространстве, а затем затухают и прекращают свое существование. Динамическое продолжение поверхностей крыла автоматически управляет полетом крыла, может устойчиво существовать только при прямолинейной траектории полета крыла. Все остальные отклонения кромок вокруг поперечной оси крыла, которая проходит через центр тяжести, вносят асимметрию в динамическое продолжение крыла и автоматически сдуваются воздушным потоком вдоль верхней и нижней поверхностей. Воздушные вихревые трубки легко перемещаются в вертикальной и горизонтальной плоскостях без разрушения структуры вихрей.

Некоторое подобие вихревых трубок могут продемонстрировать мастера курения сигарет, выпуская кольца изо рта, и даже в виде последовательности торообразных дымовых вихревых колец (трубок).

Однако вихревые кольца за задней поверхностью крыла гораздо сильнее и с большой скоростью вращения вихрей в трубках. Вихревые трубки обладают гироскопическим эффектом и для наклона оси вращения вихрей в вихревых трубках необходимо дополнительное внешнее воздействие на крыло для преодоления динамического момента сил вихрей, которые вращаются. Для иллюстрации можно вспомнить из курса физики, как трудно наклонить велосипедное колесо, которое вращается, на некоторый угол относительно оси вращения колеса и как легко его перемещать в любую сторону без крена относительно его оси вращения.

Аналогично велосипедному колесу ведут себя воздушные вихри в вихревых трубках за крылом, которые являются динамическим продолжением крыла, крыло также трудно наклонить вокруг продольной оси крыла, то есть вокруг траектории полета, но легко переместить в любую сторону в вертикальной или горизонтальной плоскостях.

При неуправляемом полете после запуска после непродолжительных визуально наблюдаемых затухающих колебаний, которые наблюдаются невооруженным глазом, вокруг центра тяжести, крыло поворачивается к устойчивой траектории полета.

При управляемом полете разворот крыла осуществляется без крена в одной плоскости с поворотом по кольцевой траектории, а не по спиральной траектории, как у известных крыльев.

Фиг.1 - Крыло. Вид сверху.

Фиг.2 - Крыло. Сечение 1-1 на фиг.1. Профиль крыла.

Фиг. 3 - Крыло. Положение профиля крыла при увеличении угла атаки в полете относительно траектории полета.

Фиг.4 - Крыло. Положение профиля крыла при динамическом равновесии в полете относительно траектории полета.

Фиг. 5 - Крыло. Положение профиля крыла при уменьшении угла атаки относительно траектории полета.

Во всех рисунках стрелкой перед крылом указано направление полета.

Крыло (см. фиг.1-5) содержит нижнюю поверхность 1, верхнюю поверхность 2, переднюю кромку 3, нижнюю заднюю кромку 4. Передняя кромка 3 является общей для поверхностей 1, 2. Нижняя поверхность 1 размещена между передней кромкой 3 и нижней задней кромкой 4.

Крыло содержит дополнительную верхнюю заднюю кромку 5. Кромка 5 размещена над нижней задней кромкой 4.

Крыло содержит заднюю поверхность 6 между нижней задней кромкой 4 и дополнительной верхней задней кромкой 5.

Верхняя поверхность 2 размещена между передней кромкой 3 и дополнительной верхней задней кромкой 5.

Нижняя задняя кромка 4 является общей для нижней поверхности 1 задней поверхности 6.

Дополнительная верхняя задняя кромка 5 является общей для верхней поверхности 2 и задней поверхности 6.

Крыло выполнено или закреплено в летательном аппарате с возможностью совершать в полете свободные автоколебательные знакопеременные перемещения передней кромки относительно траектории полета крыла в пределах угла β с началом угла β в центре автоколебательного вращения крыла, размещенного на продольной оси крыла, что проходит через центр тяжести крыла. Диапазон угла β составляет от 0 до 5 градусов.

Крыло имеет профиль в виде клина или равнобедренного треугольника (см. фиг. 2). Толщина h крыла составляет от 5 до 20% длины хорды b, центр тяжести находится на расстоянии х от передней кромки 3 крыла и составляет от 30 до 40% длины хорды b крыла. Передняя кромка 3 проходит через вершину равнобедренного треугольника, задняя поверхность 6 лежит в одной плоскости с основанием равнобедренного треугольника, нижняя и верхняя задние кромки 4, 5 проходят через концы основания равнобедренного треугольника. Нижняя и верхняя поверхности 1, 2 крыла лежат в одной плоскости с боковыми сторонами равнобедренного треугольника.

Устройство работает следующим образом. Работу устройства продемонстрируем на примере модели крыла планера. При запуске модели планера, например, с помощью леера модель испытывает толчок в момент отцепления от леера. При этом крыло выходит из положения равновесия и начинает осуществлять продольные затухающие колебания вокруг центра тяжести (см. фиг.3-5) с отклонением передней кромки в пределах угла β относительно траектории полета, но через несколько секунд крыло снова входит в положение равновесия (см. фиг.4) с плавным стабилизированным полетом. В период выхода из колебательного режима крыло заметно прибавляет в скорости полета. При этом набирается с заметным ускорением.

Характерной особенностью заявляемого крыла является его поведение во время разворота. Разворот осуществляется без внутреннего или внешнего скольжения на крыло, без крена и без вхождения в спираль. Разворот осуществляется в плоскости траектории полета крыла без полета боком. Крыло в полете имеет повышенную боковую устойчивость.

Повышенная боковая устойчивость достигается благодаря наличию дополнительной верхней задней кромки 5 задней поверхности 6, которые размещены над нижней задней кромкой. Непосредственно за задней поверхностью 6 между кромками 4, 5 в полете образуется полость с некоторым разряжением воздуха, в полость засасывается часть воздуха с кромок 4, 5, при этом в этой полости создаются парные вихревые трубки 8, где трубка 8 верхняя, а трубка 7 нижняя.

В полете крыла непосредственно за задней поверхностью между верхней и нижней кромками крыла постоянно генерируется парный вихрь, который формируется кромками 4, 5 задней поверхностью 6 и который состоит из парных замкнутых кольцевых вихревых трубок 7, 8, которые совершают автоколебания в вертикальной плоскости. При полете крыла вихревые трубки 7, 8 являются динамическим продолжением верхней и нижней поверхностей 1, 2 крыла, создают в воздушном пространстве за крылом своеобразный воздушный динамический коридор с множеством вихревых трубок, которые после пролета крыла некоторое время существуют сами по себе в воздушном пространстве, а затем затухают и прекращают свое существование. Динамическое продолжение поверхностей крыла автоматически управляет полетом крыла. Динамическое продолжение может устойчиво существовать при прямолинейной траектории полета крыла. Все иные отклонения кромок вокруг поперечной оси крыла, которая проходи через центр тяжести, вносят асимметрию в динамическое продолжение крыла и, выступая над кромками 4, 5, вихревые трубки 7, 8 поочередно автоматически сдуваются воздушным потоком вдоль верхней и нижней поверхностей крыла, автоматически возвращая крыло в устойчивое состояние полета.

Вихревые трубки имеют особенность легко перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях без разрушения структуры вихрей.

Некоторое подобие вихревых трубок или колец могут продемонстрировать курильщики, выпуская дымовые кольца изо рта, и даже в виде последовательности автономных торообразных вихревых колец, которые автономно существуют в воздушном пространстве и их возможно наблюдать.

Однако вихревые кольца за задней поверхностью 6 крыла гораздо сильнее и с большой скоростью вращения вихрей в трубках. Задняя поверхность 6 непрерывно создает зону генерации вихрей. Отрыв вихрей от крыла осуществляется в автоколебательном режиме. Вихревые трубки обладают гироскопическим эффектом и для наклона вращения вихрей в вихревых трубках необходимо дополнительное внешнее воздействие на крыло для преодоления динамического момента сил вихря, который вращается.

Для иллюстрации гироскопического эффекта можно вспомнить из курса физики, как трудно наклонить велосипедное колесо, которое вращается, под углом относительно оси вращения колеса и как легко перемещать его в любую сторону без крена относительно его оси вращения.

Аналогично велосипедному колесу ведут себя вихри в вихревых трубках за крылом. Являясь динамическим продолжением крыла, крыло также трудно наклонить вокруг продольной оси крыла, то есть вокруг траектории полета, но легко переместить в любую сторону в вертикальной или горизонтальной плоскостях. При неуправляемом полете после запуска крыла, после непродолжительных визуально наблюдаемых затухающих колебаний, которые видны невооруженным глазом, вокруг центра тяжести, крыло возвращается к устойчивой траектории полета.

При управляемом полете разворот крыла осуществляется без крена в одной плоскости вокруг вертикальной оси крыла и с полетом крыла по кольцевой траектории, лежащей в одной плоскости с крылом, а не по спиральной траектории, как у известных крыльев.

Технический результат: крыло имеет повышенную боковую устойчивость.

Изобретение относится к области авиации. Крыло имеет профиль в виде равнобедренного треугольника. Нижняя и верхняя образующие поверхностей (1, 2) крыла лежат в одной плоскости с боковыми сторонами равнобедренного треугольника профиля крыла. Крыло дополнительно имеет заднюю поверхность (6), которая лежит в плоскости с основанием равнобедренного треугольника профиля крыла, и верхнюю и нижнюю кромки (5, 4) крыла, которые проходят через углы при основании равнобедренного треугольника профиля крыла. Передняя кромка образована вершинами равнобедренного треугольника профиля крыла. Крыло выполнено или закреплено в летательном аппарате с возможностью совершения в полете свободных автоколебательных знакопеременных колебаний. Изобретение направлено на повышение боковой динамической устойчивости. 5 ил.

Крыло, содержащее клиновой профиль с вершиной клина на его передней кромке, отличающееся тем, что выполнено или закреплено в летательном аппарате с возможностью совершать в полете свободные автоколебательные знакопеременные перемещения передней кромки относительно траектории полета в пределах угла от 0 до 5^o, с началом угла в центре автоколебательного вращения крыла, размещенного на продольной оси крыла, проходящей через центр тяжести крыла, причем клиновой профиль выполнен в виде равнобедренного треугольника.