Wingtip -enhet - Wingtip device

Den Airbus A350 wingtip
Linjetegning av vingespissvirvler bak en konvensjonell vingespiss (til venstre) og en blandet vingespiss (til høyre)

Wingtip-enheter er ment å forbedre effektiviteten til fastvingede fly ved å redusere motstand . Selv om det er flere typer vingespissanordninger som fungerer på forskjellige måter, er den tiltenkte effekten alltid å redusere flyets drag ved delvis gjenvinning av spissvirvelenergien. Wingtip -enheter kan også forbedre flyhåndteringsegenskapene og øke sikkerheten for følgende fly. Slike enheter øker det effektive sideforholdet til en vinge uten å øke vingespennet sterkt . Forlengelse av spennet vil redusere løfteindusert drag , men ville øke parasittmotstanden og ville kreve styrking og vekt av vingen. På et tidspunkt er det ingen netto fordel av ytterligere økt spennvidde. Det kan også være operasjonelle hensyn som begrenser det tillatte vingespennet (f.eks. Tilgjengelig bredde ved flyplassportene ).

Wingtip-enheter øker løftet som genereres ved vingespissen (ved å jevne ut luftstrømmen over den øvre vingen nær tuppen) og reduserer den løftinduserte drag forårsaket av vingespissvirvler , og forbedrer løft-til-dra-forholdet . Dette øker drivstoffeffektiviteten i drevne fly og øker langrennshastigheten i seilfly , i begge tilfeller øker rekkevidden . Undersøkelser fra det amerikanske luftvåpenet indikerer at en gitt forbedring i drivstoffeffektivitet korrelerer direkte med årsaksøkningen i flyets løft-til-drag-forhold.

Tidlig historie

Ving endeplater

Den Ha 137 prototype fly, utstyrt med vertikale vinge extensions, c.1935-1937

Det opprinnelige konseptet dateres tilbake til 1897, da den engelske ingeniøren Frederick W. Lanchester patenterte vingendeplater som en metode for å kontrollere vingespissvirvler. I USA patenterte den skotskfødte ingeniøren William E. Somerville de første funksjonelle vingene i 1910. Somerville installerte enhetene på sine tidlige biplan- og monoplan-design. Vincent Burnelli mottok amerikansk patent nr. 1 774 474 for sine "Airfoil Control Means" 26. august 1930.

Hoerner vingetips

Heinkel He 162A med Lippisch-Ohren vingespissutstyr

Etter slutten av andre verdenskrig var Dr. Sighard F. Hoerner en pionerforsker innen feltet, etter å ha skrevet et teknisk papir publisert i 1952 som ba om hengende vingespisser hvis spisse bakspisser fokuserte den resulterende vingespissvirvelen vekk fra den øvre vingeflaten . Nedhengte vingespisser kalles ofte "Hoerner tips" til ære for ham. Seilfly og lette fly har gjort bruk av Hoerner -tips i mange år.

Den tidligste kjente implementeringen av en nedadrettet "vingetuppenhet" i Hoerner-stil på et jetfly var under andre verdenskrig. Dette var den såkalte "Lippisch-Ohren" (Lippisch-ører), angivelig tilskrevet Messerschmitt Me 163s designer Alexander Lippisch , og først lagt til M3 og M4 tredje og fjerde prototyper av Heinkel He 162 A Spatz jet light fighter for evaluering. Dette tillegget ble gjort for å motvirke den nederlandske rullekarakteristikken som er tilstede i det originale He 162 -designet, relatert til at vingene har en markert dihedral vinkel . Dette ble en standardfunksjon i de omtrent 320 ferdigstilte He 162A jetflyene som ble bygget, med hundrevis av flere He 162A flyrammer som var uferdige av VE Day .

Winglet

Winglet på KC-135 Stratotanker med vedlagte tuer som viser luftstrøm under NASA- tester i 1979–1980

Begrepet "winglet" ble tidligere brukt for å beskrive en ekstra løfteflate på et fly, som en kort seksjon mellom hjul på fast understell. Richard Whitcombs forskning på 1970-tallet ved NASA brukte først winglet med sin moderne betydning som refererte til nær-vertikal forlengelse av vingespissene . Den oppadgående vinkel (eller kan ikke ) av den Winglet, dens innover eller utover vinkel (eller ), så vel som dens størrelse og form er kritisk for korrekt ytelse og er unike i hver applikasjon. Vingespissvirvelen, som roterer rundt under vingen, rammer vingens overflate og genererer en kraft som vinkler innover og litt fremover, analog med en seilbåt som seiler nært . Winglet konverterer noe av den ellers bortkastede energien i vingespissvirvelen til et tilsynelatende skyvekraft . Dette lille bidraget kan være verdt i løpet av flyets levetid, forutsatt at fordelen oppveier kostnadene ved å installere og vedlikeholde winglets.

En annen potensiell fordel med winglets er at de reduserer intensiteten av vekkevirvler . De går bak flyet og utgjør en fare for andre fly. Minimumskrav til avstand mellom flyoperasjoner på flyplasser er i stor grad diktert av disse faktorene. Fly er klassifisert etter vekt (f.eks. "Lett", "tungt", etc.) fordi virvelstyrken vokser med flyets løftekoeffisient , og dermed er den tilhørende turbulensen størst ved lav hastighet og høy vekt, noe som ga en høy vinkel på angrep .

Winglets og vingespissgjerder øker også effektiviteten ved å redusere virvelinterferens med laminær luftstrøm nær vingespissene, ved å 'flytte' samløpet av lavtrykk (over vinge) og høytrykks (under vinge) luft bort fra overflaten av vinge. Wingtip -virvler skaper turbulens, som stammer fra forkanten av vingespissen og forplanter seg bakover og innenbord. Denne turbulensen 'delaminerer' luftstrømmen over en liten trekantet del av påhengsmotoren, som ødelegger heis i dette området. Gjerdet/vingelen driver området der virvelen dannes oppover vekk fra vingens overflate, siden midten av den resulterende virvelen nå er på spissen av vingelen.

Fly som Airbus A340 og Boeing 747-400 bruker winglets, mens andre design som senere versjoner av Boeing 777 og Boeing 747-8 har rake vingespisser . Den drivstofføkonomi forbedring fra fløydeler øker med oppdrag lengde. Blended winglets tillater en brattere angrepsvinkel som reduserer startavstanden .

Tidlig utvikling

Richard T. Whitcomb , ingeniør ved NASA 's Langley Research Center , videreutviklet Hoerner konsept som svar på den kraftige økningen i kostnadene for drivstoff etter 1973 oljekrisen . Med forsiktig luftfartsdesign viste han at riktig vinklede og formede vingeflater kunne opprettholde samme eller lavere bøyemoment med et mindre vingespenn og større flystabilitet enn spissforlengelser. Whitcombs design ble flytestet i 1979–80 av et felles NASA/Air Force-team, ved bruk av en KC-135 Stratotanker basert på Dryden Flight Research Center . En Lockheed L-1011 og McDonnell Douglas DC-10 ble også brukt til testing, og sistnevnte design ble direkte implementert av McDonnell Douglas på derivatet MD-11 , som ble rullet ut i 1990.

I mai 1983 vant en videregående skoleelev ved Bowie High School i Maryland en hovedpris på den 34. internasjonale vitenskaps- og ingeniørmessen i Albuquerque, New Mexico for resultatet av forskningen hans på vingespissutstyr for å redusere motstand. Samme måned inngav han et amerikansk patent på "wingtip airfoils", utgitt i 1986.

applikasjoner

NASA

NASAs mest bemerkelsesverdige anvendelse av vingespissene er på Boeing 747 Shuttle Carrier Aircraft . Plassert på 747s horisontale stabilisatorer, øker enhetene bakplanets effektivitet under vekten av romfergen , selv om disse var mer for retningsstabilitet enn for dragreduksjon.

Forretningsfly

En Learjet 28/29 , det første kommersielle flyet med winglets

Learjet stilte ut prototypen Learjet 28 på konferansen National Business Aviation Association i 1977 . Den brukte de første vingene som noen gang er brukt på et produksjonsfly, enten sivile eller militære. Learjet utviklet winglet -designen uten hjelp fra NASA. Selv om modell 28 var ment å være en prototype eksperimentelle fly, var ytelsen slik at den resulterte i en produksjonsforpliktelse fra Learjet. Flytester viste at winglets økte rekkevidden med omtrent 6,5 prosent og forbedret retningsstabilitet. Learjets anvendelse av winglets på produksjonsfly fortsatte med nyere modeller, inkludert Learjet 55 , 31 , 60 , 45 og Learjet 40 .

Gulfstream Aerospace utforsket fløydelene i slutten av 1970 og innlemmet fløydeler i Gulfstream III , Gulfstream IV og Gulfstream V . Gulfstream V -rekkevidden på 6.500 nmi (12.000 km) tillater direkte ruter som New York - Tokyo, den har over 70 verdens- og nasjonale flyrekorder. Rutan kombinerte winglets-vertikal stabilisator dukket opp på hans Beechcraft Starship forretningsflydesign som først fløy i 1986.

Winglets brukes også på andre forretningsfly, noe som reduserer startavstanden for å operere fra mindre flyplasser, og tillater høyere cruisehøyder. Sammen med winglets på nye design utviklet ettermarkedsleverandører ettermonteringer. Winglet Technology, LLC i Wichita, Kansas burde ha testet sin elliptiske winglets for å øke nyttelast-rangevarme og høy avganger til ettermontere Citation X .

Eksperimentell

Konvensjonelle winglets ble montert på Rutan's Rutan Voyager , det første flyet som omkom verden uten å fylle drivstoff i 1986. Flyets vingespisser ble imidlertid skadet da de dro langs rullebanen under start, og fjernet omtrent 30 cm fra hver vingespiss, så flyet ble gjort uten fordel av winglets.

Flyselskaper

Wingtip gjerde

Et vingespissgjerde refererer til vingene inkludert overflater som strekker seg både over og under vingespissen, som beskrevet i Whitcombs tidlige forskning. Begge overflater er kortere enn eller tilsvarende en winglet som har lignende aerodynamiske fordeler. Den Airbus A310-300 ble den første flyet med wingtip gjerder i 1985. Det ble etterfulgt av A300-600 , den A320ceo , og A380 . Den A320 Enhanced , A320neo , A350 og A330neo har blandede winglets stedet wingtip gjerder. De An-148 bruker wingtip gjerder.

Kantede vingler

Boeing kunngjorde en ny versjon av 747 , 747-400 , i 1985, med utvidet rekkevidde og kapasitet, ved bruk av en kombinasjon av winglets og økt spennvidde for å bære tilleggsbelastningen. Winglets økte rekkevidden på 747-400 med 3,5% i forhold til 747-300, som ellers er aerodynamisk identisk, men har ingen winglets. Winglets er foretrukket for Boeing-derivater, basert på eksisterende plattformer, fordi de tillater maksimal gjenbruk av eksisterende komponenter. Nyere design favoriserer økt spennvidde, andre vingetip -enheter eller en kombinasjon av begge deler, når det er mulig.

Den ILJUSJIN IL-96 var den første russisk og moderne jetfly til funksjonsfløydelene i 1988. Bombardier CRJ-100 /200 ble den første regionale flyet til funksjonsfløydelene i 1992. A340 / A330- fulgt med skråstilt fløydelene i 1993/1994. Den Tupolev Tu-204 var den første narrowbody flyet til funksjonsfløydelene i 1994. Airbus A220 (née CSeries), fra 2016, er skråstilt fløydeler.

Blandede vingler

En blandet winglet er festet til vingen med en jevn kurve i stedet for en skarp vinkel og er ment å redusere interferensmotstanden ved ving/winglet -krysset. En skarp indre vinkel i denne regionen kan samhandle med grenselagsstrømmen og forårsake en draginduserende virvel, noe som negerer noen av fordelene med winglet. Seattle -baserte Aviation Partners utvikler blended winglets som ettermontering for Gulfstream II , Hawker 800 og Falcon 2000 .

18. februar 2000 ble blended winglets kunngjort som et alternativ for Boeing 737-800 ; det første skipsettet ble installert 14. februar 2001 og gikk inn i inntektstjeneste med Hapag-Lloyd Flug 8. mai 2001. Aviation Partners/Boeing 8 fot (2,4 m) forlengelser reduserer drivstofforbruket med 4% for langdistansefly og øker rekkevidden med 130 eller 200 nmi (240 eller 370 km) for 737-800 eller den avledede Boeing Business Jet som standard. Mange operatører tilbys også for 737 Classic , og mange operatører har ettermontert sine flåter med disse for å spare drivstoff. Aviation Partners Boeing tilbyr også blended winglets for 757 og 767-200/300 . I 2006 testet Airbus to kandidatblended winglets, designet av Winglet Technology og Airbus for Airbus A320 -familien . I 2009 lanserte Airbus sin "Sharklet" blandede winglet, designet for å forbedre nyttelastområdet til A320-familien og redusere drivstoffforbruket med opptil 4% over lengre sektorer. Dette tilsvarer en årlig CO 2 -reduksjon på 700 tonn per fly. A320 -ene utstyrt med Sharklets ble levert fra og med 2012. De brukes på A320neo , A330neo og A350 . De tilbys også som et ettermonteringsalternativ.

Raked vingespiss

Raked wingtips, der spissen har en større vingesvep enn resten av vingen, er omtalt på noen Boeing kommersielle fly for å forbedre drivstoffeffektivitet , start og klatreytelse. Som winglets øker de det effektive vingeforholdet og reduserer vingespissvirvler , og reduserer løftindusert drag. Ved testing av Boeing og NASA reduserer de motstanden med hele 5,5%, sammenlignet med 3,5% til 4,5% for konvensjonelle winglets. Selv om en økning i spennvidde ville være mer effektiv enn en winglet med samme lengde, er bøyemomentet større. En winglet på 3 fot (91 cm) gir ytelsesøkning ved en spennviddeøkning på 2 fot (61 cm), men har en bøyekraft på 30 cm (1 fot).

Boeing 787-3 med kort rekkevidde ville ha hatt et 51,7 m langt vingespenn for å passe inn i ICAO Aerodrome-referansekode D. Dets vingespenn ble redusert ved å bruke blandede vingler i stedet for rakede vingespisser.

Raked wingtips er installert på Boeing 767 -400ER (første flyvning 9. oktober 1999), Boeing 777 -200LR/300ER/Freighter (24. februar 2003), den 737 -avledede Boeing P -8 Poseidon (25. april 2009) , Boeing 787 (15. desember 2009), Boeing 747-8 (8. februar 2010) og Boeing 777X . Embraer E-jet E2- vingen har en raket vingespiss.

Delt spiss
737 MAX split-tip winglet

Den McDonnell Douglas MD-11 var den første flyet med split-tip fløydelene i 1990.

For 737 Next Generation har Aviation Partners Boeing introdusert et lignende design som 737 MAX vingetip -enheten kjent som Split Scimitar Winglet, med United Airlines som lanseringskunde.

The Boeing 737 MAX benytter en ny type winglet. Boeing, som ligner en treveis hybrid mellom en winglet, vingespissgjerde og raket vingespiss, hevder at denne nye designen bør levere en forbedring på 1,5% i drivstofføkonomien i forhold til 10-12% forbedringen som allerede er forventet fra 737 MAX.

Seilfly

I 1987 oppfordret maskiningeniør Peter Masak til aerodynamikeren Mark D. Maughmer , førsteamanuensis i luftfartsteknikk ved Pennsylvania State University , om å designe winglets for å forbedre ytelsen på hans 15 meter (49 fot) vingespennende seilfly . Andre hadde prøvd å bruke Whitcombs winglets på seilfly tidligere, og de forbedret klatreytelsen, men dette kompenserte ikke den parasittiske dragstraffen i høyhastighets cruise. Masak var overbevist om at det var mulig å overvinne denne hindringen. Ved prøving og feiling, de til slutt utviklet vellykkede fløy design for gliding konkurranser , ved hjelp av en ny PSU-90-125 flyvinge , designet av Maughmer spesielt for Winglet søknaden. På 1991 verdensGlidemesterskap i Uvalde, Texas , trofeet for den høyeste hastigheten gikk til en Winglet utstyrt 15-meterklassen begrenset vingespenn glider, overstiger den høyeste hastigheten i ubegrenset span Åpen klasse , et eksepsjonelt resultat. Masak vant vinnerkonkurransen US 15 Meter Nationals i 1993 ved å bruke winglets på prototypen Masak Scimitar .

PSU-90-125 Winglet airfoil profil

Masak-vingene ble opprinnelig ettermontert på produksjonsseilfly, men i løpet av 10 år etter introduksjonen ble de fleste høytytende seilfly utstyrt fra fabrikken med winglets eller andre vingetip-enheter. Det tok over et tiår før winglets først dukket opp på et produksjonsfly, den opprinnelige applikasjonen som var i fokus for NASA -utviklingen. Men når fordelene med winglets ble bevist i konkurranse, var adopsjonen rask med seilfly. Poengforskjellen mellom vinneren og toeren i stigende konkurranse er ofte mindre enn en prosent, så selv en liten forbedring av effektiviteten er et betydelig konkurransefortrinn. Mange ikke-konkurransepiloter montert winglets for håndtering av fordeler som økt krengning og rull autoritet og redusert tendens til vingespiss stall . Fordelene er bemerkelsesverdige, fordi seilflyvinger må være avtagbare for at glideren skal kunne lagres i en tilhenger , så de installeres vanligvis bare etter pilotens preferanse.

Den Glaser-Dirks DG-303 , en tidlig glider derivat design, som omfatter winglets som fabrikken standard utstyr.

Ikke-plan vingespiss

En Falcon 50 med spiroidvinge

Aviation Partners utviklet og flight testet en Spiroid winglet med lukket overflate på en Falcon 50 i 2010.

Non-plane vingetippene er normalt vinklet oppover i en polyhedrale vinge konfigurasjon, øke den lokale dihedral nær vingespiss, med polyhedrale vinge design seg å ha vært populære på free-flight modellfly design i flere tiår. Ikke-plane vingetupper gir vekkekontrollfordelen med winglets, med mindre parasittisk dragstraff, hvis den er designet nøye. Den ikke-plane vingespissen blir ofte feid tilbake som en raket vingespiss og kan også kombineres med en ving . En winglet er også et spesielt tilfelle av en ikke-plan vingespiss.

Flydesignere brukte for det meste plane vingedesign med enkel dihedral etter andre verdenskrig , før introduksjonen av winglets. Med bred aksept for winglets i nye seilflydesign på 1990 -tallet, ønsket designere å ytterligere optimalisere den aerodynamiske ytelsen til vingespissdesignene. Glidervinger ble opprinnelig ettermontert direkte på plane vinger, med bare et lite, nesten rettvinklet overgangsområde. Når ytelsen til selve vingen var optimalisert, ble oppmerksomheten rettet mot overgangen mellom vingen og vingen. En vanlig anvendelse er avsmalnende overgangsområdet fra vingespissen akkord til Winglet akkord og raking overgangsområdet tilbake, for å plassere den Winglet i den optimale stilling. Hvis den koniske delen ble kantet oppover, kan vingeleddets høyde også reduseres. Til slutt brukte designere flere ikke-plane seksjoner, som hver skråner opp i en større vinkel, og dispenserer helt fra vingene.

Den Schempp-Hirth diskos-2 og Schempp-Hirth Duo diskos bruke ikke-plane vingetippene.

Aktiv vingespiss

Tamarack Aerospace sin aktive vingespiss -enhet

Tamarack Aerospace Group, et selskap som ble grunnlagt i 2010 av luftfartsstrukturingeniør Nicholas Guida, har patentert et Active Technology Load Alleviation System (ATLAS), en modifisert versjon av en vingetip -enhet. Systemet bruker Tamarack Active Camber Surfaces (TACS) for å aerodynamisk "slå av" effekten av vingetip-enheten når flyet opplever høye hendelser som store vindkast eller alvorlige pull-ups. TACS er bevegelige paneler, som ligner klaffer eller ailerons , på bakkant av vingeforlengelsen. Systemet styres av flyets elektriske system og en høyhastighets servo som aktiveres når flyet registrerer en møtende stresshendelse, som i hovedsak simulerer en aktiverende vingespiss. Selve vingespissen er imidlertid fast og TACS er den eneste bevegelige delen av vingespisssystemet. Tamarack introduserte først ATLAS for Cessna Citation -familieflyet , og det er sertifisert for bruk av Federal Aviation Administration og European Union Aviation Safety Agency .

Aktivering av vingespiss

Det har blitt forsket på å aktivere vingetuppenheter, inkludert en arkivert patentsøknad, selv om ingen fly for øyeblikket bruker denne funksjonen som beskrevet. Den XB-70 Valkyrie 's vingetippene var i stand til å henge ned nedover i flukten, for å lette Mach 3 uren ved hjelp av waveriding .

Brukes på roterende kniver

Wingtip -enheter brukes også på roterende propell , helikopterrotor og vindturbinblad for å redusere motstand, redusere diameter, redusere støy og/eller forbedre effektiviteten. Ved å redusere hvirvler med vingespiss som samhandler med bakken under drosje , start og sveising , kan disse enhetene redusere skade fra smuss og små steiner som samles opp i virvlene.

Rotorcraft applikasjoner

Wingtip -enhet på en NHIndustries NH90

Hovedrotorbladene til AgustaWestland AW101 (tidligere EH101) har en særegen spissform; piloter har funnet ut at denne rotordesignet endrer nedvaskfeltet og reduserer brunfarge som begrenser sikten i støvete områder og fører til ulykker.

Propell applikasjoner

Hartzell Propeller utviklet sin "Q-tip" propell som ble brukt på Piper PA-42 Cheyenne og flere andre fastvingede flytyper ved å bøye bladspissene tilbake i en 90 graders vinkel for å få samme skyvekraft fra en propellskive med redusert diameter; redusert propellspisshastighet reduserer støy, ifølge produsenten. Moderne propeller med scimitar har økt sveipback ved spissene, som ligner en raket spiss på en flyvinge.

Andre applikasjoner

Noen takvifter har vingespiss. Fanprodusenten Big Ass Fans har hevdet at deres Isis -vifte, utstyrt med vingetip -enheter, har overlegen effektivitet. For visse design med høy volum og lav hastighet kan det imidlertid hende at vingespissene ikke forbedrer effektiviteten. En annen anvendelse av det samme prinsippet ble introdusert for kjølen til "America's Cup"- vinnende australske yacht Australia II fra 1982, designet av Ben Lexcen .

Referanser

Eksterne linker