Седите на терминала, полетът ви леко закъснява и за да убиете времето, наблюдавате самолетите, паркирани зад стъклената стена.
Един Airbus A320 току-що се е подредил на изхода за качване. В краищата на крилата му две големи повърхности се издигат към небето.
Малко по-нататък друг самолет има много по-дискретни краища на крилата. При Boeing 737 те изглеждат почти като две остриета – едното насочено нагоре, другото надолу. А след това пристига още един самолет… който няма почти нищо от това.
На пръв поглед може да си помислите, че става въпрос просто за дизайн.
Своеобразен естетически подпис, по който се разпознава даден самолет.
В действителност тези странни форми в краищата на крилата решават един много конкретен аеродинамичен проблем.
Обикновено ги наричаме уинглети.
И въпреки че изглеждат миниатюрни в сравнение с размерите на пътнически самолет, тяхното влияние може да бъде достатъчно голямо, за да позволи на авиокомпанията да спести огромни количества гориво през целия експлоатационен живот на машината.
И така, за какво точно служат уинглетите? Защо намаляват разхода? Защо някои самолети имат огромни такива, докато други изглеждат така, сякаш перфектно се справят и без тях?
За да разберем това, трябва първо да погледнем нещо, което почти никога не виждаме: какво прави въздухът в края на крилото, когато самолетът лети.
Какво е уинглет?
Уинглетът е аеродинамична повърхност, поставена в края на крилото.
В най-лесно разпознаваемата си форма той прилича на малко, почти вертикално крило, което се издига към небето.
Но не всички уинглети си приличат.
Някои са практически вертикални. Други са наклонени навън. Някои се сливат много плавно с формата на крилото. Други дори включват част, насочена надолу.
А някои самолети използват напълно различна философия: вместо да добавят малка вертикална повърхност, инженерите просто удължават крилото навън с остър връх.
Именно поради тази причина думата „уинглет“ понякога се използва малко прибързано за обозначаване на всички устройства, които намираме в краищата на крилата.
Airbus например използва името Sharklet за някои от своите устройства в краищата на крилата, докато при Boeing срещаме blended winglets, Split Scimitar Winglets или дори Advanced Technology Winglets на 737 MAX.
Формата им варира изключително много.
Но зад всички тези устройства стои една и съща обща мания:
да направят крилото по-ефективно.
За да разберете уинглетите, първо трябва да разберете какво се случва в края на крилото
Когато един самолет лети, крилата му създават подемна сила.
Без да навлизаме в пълен курс по аеродинамика, нека просто запомним, че съществува разлика в налягането между двете страни на крилото.
И в средата на крилото всичко върви сравнително добре.
Проблемът се появява в края му.
Реалното крило не е безкрайно.
То свършва някъде.
И когато въздухът стигне близо до този край, потокът се нарушава. Въздухът заобикаля края на крилото и участва в създаването на вихрово движение.
Зад самолета се появяват мощни вихри, наречени крайни вихри.
Може би сте ги виждали, без дори да знаете какво гледате.
При определени условия на влажност е възможно да се забележи своеобразна вихрова следа зад краищата на крилата, особено по време на фазите на излитане или кацане.
Тези вихри не са само зрелищни.
Те представляват и загуба на ефективност.
NASA обяснява, че вихрите, създадени в краищата на крилата, допринасят за това, което се нарича индуцирано съпротивление или съпротивление, свързано с производството на подемна сила.
С други думи, летенето на самолета има аеродинамична цена.
И точно тази цена инженерите се стремят да намалят.
Истинският враг: индуцираното съпротивление
Когато самолетът се движи във въздуха, той трябва да преодолее различни форми на съпротивление.
Можем да си представим съпротивлението като сила, която постоянно се опитва да забави самолета.
За да поддържат скоростта си, двигателите трябва да произведат достатъчно тяга, за да я компенсират.
Колкото по-голямо е съпротивлението, толкова повече тяга трябва да се произведе.
И колкото повече тяга трябва да се произведе, толкова повече гориво обикновено консумират двигателите.
Точно тук онези няколко сантиметра или метра в края на крилото внезапно стават много важни.
Индуцираното съпротивление е пряко свързано с производството на подемна сила и триизмерните явления, които се появяват около краищата на крилата.
Ако опростим нещата максимално, можем да обобщим проблема така:
крилото произвежда подемна сила → появяват се вихри → тези вихри допринасят за индуцираното съпротивление → това съпротивление струва енергия.
Затова аеронавигационните инженери от много отдавна се стремят да ограничат тези загуби.
И едно от решенията се състои именно в това да се действа върху края на крилото.
И така, как всъщност работи един уинглет?
Уинглетът променя въздушния поток в края на крилото.
Целта му не е магически да накара вихрите да изчезнат. Самолет, оборудван с уинглети, очевидно продължава да създава крайни вихри.
Но той позволява да се намалят техните ефекти и да се подобри общата аеродинамична ефективност на крилото.
NASA обобщава принципа доста ясно: правилно проектираният уинглет намалява интензивността на вихъра в края на крилото и по този начин допринася за намаляване на индуцираното съпротивление.
И тук се появява един от най-интересните аспекти на системата.
Уинглетът може по някакъв начин да позволи на крилото да се възползва от по-голям ефективен аеродинамичен размах, без да изисква точно същото увеличаване на размаха като при обикновено хоризонтално удължаване.
Това е важно, защото по-дългото крило също е отличен начин за намаляване на индуцираното съпротивление.
Тогава веднага възниква въпросът.
Защо просто не направим гигантски крила?
Защо да не направим крилата много по-дълги?
От чисто аеродинамична гледна точка дългите и тънки крила са много интересни.
Достатъчно е да наблюдаваме планер.
Крилата му понякога изглеждат безкрайни.
Това очевидно не е случайно.
Колкото по-голямо е удължението на едно крило, толкова по-възможно става намаляването на индуцираното съпротивление. NASA напомня, че последното намалява, когато удължението се увеличава.
Тогава защо един Airbus A320 или Boeing 737 просто няма крила на планер?
Защото един самолет не живее само в небето.
Той трябва да функционира и… на летището.
Представете си за момент, че внезапно увеличим размаха на всички пътнически самолети с няколко метра.
Някои вече няма да се събират правилно на местата си за паркиране.
Разстоянията между самолетите би трябвало да се променят.
Някои пътеки за рулиране биха станали твърде тесни.
Инфраструктурата би трябвало да се адаптира.
И колкото по-дълго става едно крило, толкова повече могат да се променят и структурните натоварвания.
Крилото не е просто лека дъска, закрепена за фюзелажа. То понася значителни усилия и съдържа, при много пътнически самолети, голяма част от горивото.
Увеличаването на размаха му следователно предполага отчитане на теглото, структурата, натоварванията при огъване, аеродинамиката и ограниченията при наземна експлоатация.
Тогава уинглетът се превръща в своеобразен елегантен компромис.
Той се стреми да получи част от предимствата на по-ефективното крило, без да увеличава толкова хоризонталните му габарити.
Няколко процента гориво… наистина ли е важно?
Може би тук уинглетите стават най-впечатляващи.
Да приемем, че една модификация позволява да се спестят само няколко процента гориво.
В мащаба на личния ви автомобил това може да изглежда интересно, но не и революционно.
В мащаба на пътнически самолет изчислението няма нищо общо.
Търговският самолет може да лети няколко хиляди часа годишно.
След това да започне отново следващата година.
И следващата година.
Понякога в продължение на две десетилетия или повече.
След това умножете това по няколко десетки или дори няколко стотици самолета във флота.
Изведнъж спестяването на няколко процента става огромно.
Airbus например посочва, че неговите Sharklets могат да донесат 4% или повече икономия на гориво при определени приложения за фамилията A320.
От своя страна Aviation Partners Boeing обявява за своите Blended Winglets печалби, достигащи няколко процента в зависимост от мисиите, с подобряване на разхода на гориво при крайцерски полет, достигащо до около 6% при определени условия.
Очевидно тези цифри не могат да бъдат приложени безразборно за всички самолети, всички маршрути и всички видове уинглети.
Но те ясно показват защо авиокомпаниите се интересуват толкова много от тях.
За една авиокомпания уинглетът не е просто красива част в края на крилото.
Това е потенциално гориво, което не трябва да се купува по време на хиляди полети.
Защо уинглетите имат толкова различни форми?
Сега, когато знаем тяхната роля, възниква друг въпрос.
Ако принципът работи, защо инженерите не поставят абсолютно същия уинглет на всички самолети?
Защото в аеронавтиката едно решение, което работи перфектно на един самолет, може да бъде много по-малко интересно на друг.
Крилото на Boeing 737 не е проектирано като това на Airbus A350.
Скоростите, масите, структурата, размахът, стреловидността, профилът на крилото и предвидените мисии не са точно същите.
Устройството в края на крилото следователно трябва да бъде адаптирано към целия самолет.
Класически уинглети
Първите лесно разпознаваеми модели обикновено са доста вертикални повърхности.
Boeing 747-400 вероятно е един от най-известните примери.
Ако сравните 747-400 с някои по-стари 747, малките изправени повърхности в краищата на крилата веднага се набиват на очи.
Blended winglets
Принципът на blended winglet се състои по-специално в това преходът между крилото и уинглета да бъде много по-плавен.
Вместо да имате впечатлението, че малко вертикално крило просто е залепено в края, двете форми се съединяват с мека извивка.
Намираме ги по-специално при много Boeing 737 от предишни поколения.
Aviation Partners Boeing обяснява, че тази постепенна интеграция допринася за намаляване на съпротивлението и подобряване на характеристиките.
Sharklets на Airbus
Ако редовно пътувате със самолет, вероятно вече сте ги виждали.
Sharklets са големите извити краища на крилата, които намираме по-специално при много самолети от фамилията A320.
Те веднага придават по-модерен вид на самолета, но интересът към тях е преди всичко аеродинамичен.
Airbus посочва, че те увеличават ефективния размах на крилото и намаляват индуцираното съпротивление.
Split Scimitar и други двойни уинглети
И тогава съществуват уинглетите, които изглеждат така, сякаш са решили, че една повърхност вече не е достатъчна.
При някои Boeing 737 забелязваме голяма част, насочена нагоре, придружена от втора, по-малка част, насочена надолу.
Такъв е случаят по-специално със Split Scimitar Winglets.
Формата е зрелищна, почти агресивна, но тя отново отговаря на търсенето на оптимизация на потока.
737 MAX и неговите Advanced Technology Winglets
Boeing 737 MAX отива още по-далеч в тази логика с много разпознаваемо устройство, включващо две повърхности.
Boeing обяснява, че тази система увеличава подемната сила и ефективния размах, като същевременно намалява съпротивлението, с печалба в разхода, приписана на уинглета, достигаща около 2%.
А самолетите, които нямат вертикални уинглети?
Тук темата става особено интересна.
Защото след като прочетете всичко това, бихте могли да си помислите:
„Добре. Ако уинглетите са толкова ефективни, всички самолети трябва да имат такива.“
И все пак това не е така.
Погледнете например някои модерни самолети: краят на крилото им може да бъде много дълъг и остър, без да образува големия вертикален придатък, с който обикновено свързваме думата уинглет.
Това не е, защото техните инженери са забравили проблема.
Това е просто защото съществуват няколко начина за справяне с него.
Може да се използва уинглет.
Може да се увеличи удължението на крилото.
Може да се използва остър и удължен край, често наричан raked wingtip.
Може също така още от самото начало да се проектира крило, чиято цяла геометрия е оптимизирана за намаляване на загубите.
И това е съществен момент.
Уинглетът не е магическа част, която задължително трябва да добавим към всеки самолет.
Става въпрос за едно решение сред много други.
Уинглетът има и недостатъци
Ако уинглетите имаха само предимства, въпросът щеше да бъде бързо решен.
Щяхме да ги инсталираме навсякъде.
Но добавянето на повърхност в края на крилото добавя и тегло и променя натоварванията, поемани от структурата.
Нека вземем един особено показателен пример.
Aviation Partners Boeing посочва, че инсталирането на уинглети на Boeing 757-200 включва не само теглото на самите уинглети, но и това на свързаните структурни модификации.
Това ясно показва, че операцията не се състои в това да вземете парче въглерод, да го завиете в края на крилото и да излетите отново.
Когато един уинглет създава допълнителни аеродинамични сили в края на крилото, те трябва да бъдат предадени на цялата структура.
Следователно трябва да се изчислят натоварванията.
Да се подсилят определени части, когато е необходимо.
Да се тества.
Да се сертифицира.
И да се провери дали получената полза надвишава разходите за маса, сложност и поддръжка.
Лошо проектираният уинглет би могъл дори да действа в грешна посока, като добавя повече съпротивление, отколкото спестява.
Въпросът следователно никога не е:
„Можем ли да инсталираме възможно най-големия уинглет?“
А:
„Коя форма дава най-добрия компромис за този конкретен самолет?“
Можем ли да добавим уинглети на стар самолет?
Да, и именно това прави темата икономически интересна.
Някои самолети са получили уинглети, въпреки че не са имали такива, когато са излезли от завода.
Тогава говорим за ретрофит.
Представете си авиокомпания, експлоатираща самолет, който все още има десет или петнадесет години кариера пред себе си.
Модифицирането на няколко самолета очевидно представлява значителна инвестиция.
Но ако тази модификация намалява достатъчно разхода при всеки полет, изчислението може да стане интересно в дългосрочен план.
Еднократен разход днес може да позволи спестяване на гориво по време на хиляди часове полет.
Ето защо през годините видяхме много Boeing 737, 757 или 767 да получават различни системи от уинглети.
Но отново: не можем да инсталираме каквото и да е на какъвто и да е самолет.
Структурата трябва да може да понесе новите натоварвания и модификацията трябва да бъде проучена и сертифицирана.
Уинглетите премахват ли турбуленцията в следата?
Не.
И това е доста често срещано объркване.
Тъй като уинглетите намаляват ефектите, свързани с вихрите в края на крилото, бихме могли да си представим, че самолет, оборудван с уинглети, почти не създава турбуленция зад себе си.
Това би било силно преувеличено.
Самолет, произвеждащ подемна сила, продължава да генерира циркулация и вихри в следата си.
Airbus A380 следователно не става внезапно безобиден за малък самолет, който го следва, само защото краищата на крилата му са оптимизирани.
Процедурите за дистанция между самолетите остават незаменими.
Уинглетите са проектирани преди всичко за подобряване на аеродинамичната ефективност на самолета, който ги носи.
Уинглетите служат ли само за икономия на гориво?
Разходът обикновено е ползата, за която се говори най-много.
По очевидна причина: горивото представлява значителен разход за една компания.
Но намаляването на съпротивлението може да донесе и други предимства.
Ако самолетът консумира по-малко гориво, за да измине определено разстояние, това може да подобри неговия обсег или капацитета му да превозва определен товар.
Някои конфигурации могат също да предложат по-добри характеристики при специфични условия на излитане.
Aviation Partners Boeing цитира например възможни подобрения на характеристиките, радиуса на действие и капацитета на товара в зависимост от самолетите и мисиите.
И естествено, изгарянето на по-малко гориво означава също така произвеждане на по-малко CO₂ за изпълнение на еквивалентна мисия.
Отново, уинглетът не трансформира радикално самолета сам по себе си.
Но в търговската аеронавтика натрупването на малки подобрения е именно един от най-ефективните начини за подобряване на характеристиките.
Откъде идват модерните уинглети?
Идеята за подобряване на краищата на крилата не е нова.
Инженерите работят от много отдавна по проблема с индуцираното съпротивление.
Но развитието на модерния уинглет е особено свързано с американския инженер Ричард Уиткомб, който работеше в изследователския център „Лангли“ на NASA.
В средата на 70-те години Уиткомб изучава и тества различни конфигурации на почти вертикални повърхности, поставени в краищата на крилата.
NASA посочва, че неговите изследвания са били повлияни по-специално от наблюдението на аеродинамичното поведение на краищата на крилата при птиците, които се реят.
Извършват се изпитания в аеродинамичен тунел, след което концепцията се тества в полет.
В края на 70-те години модифициран KC-135 лети с впечатляващи експериментални уинглети.
Изпитанията показват измерими намаления на съпротивлението, потвърждавайки, че идеята не е била само елегантна на хартия.
Няколко десетилетия по-късно е достатъчно да се огледате на всяко голямо летище, за да измерите изминатия път.
Защо новите самолети нямат всички гигантски уинглети?
Защото бъдещето на крилото вероятно не се състои в добавянето на все по-големи вертикални повърхности.
Напредъкът в областта на композитните материали и аеродинамичните изчисления позволява днес да се проектират крила, които са много по-тънки, по-дълги и по-сложни.
Производителите се стремят да подобрят цялото крило, а не само една малка зона.
Модерните самолети показват всъщност няколко различни философии.
При някои уинглетът остава много видим.
При други краят изглежда почти така, сякаш се удължава естествено в изключително обработена крива.
А при бъдещи самолети крилата биха могли да станат още по-дълги.
Предизвикателството винаги ще бъде едно и също: да се получи максимум ефективност, без да се превърне самолетът в структурен кошмар или в самолет, невъзможен за паркиране на съществуващите летища.
Това в крайна сметка е цялата история на аеронавигационното инженерство.
Постоянен компромис.
Уинглет или по-дълго крило: кое решение е по-добро?
Не съществува универсален отговор.
По-дългото крило може да бъде изключително ефективно за намаляване на индуцираното съпротивление.
Уинглетът може да донесе част от това предимство, като същевременно ограничава увеличаването на размаха.
Острият край може да бъде за предпочитане при друг самолет.
А изцяло новото крило може да позволи комбинирането на няколко решения.
Всичко зависи от мисията на самолета.
Регионален самолет, извършващ няколко излитания и кацания всеки ден, няма точно същите ограничения като самолет за дълги разстояния, прекарващ четиринадесет часа в крайцерски полет.
Самолет, който трябва да използва малки летища, няма същите ограничения за размах като самолет, проектиран изключително за големи международни платформи.
Ето защо два самолета, построени по едно и също време, могат да имат напълно различни краища на крилата…
като същевременно и двата са перфектно оптимизирани за това, което се изисква от тях.
📖 Статии, които биха могли да ви заинтересуват
Искате да научите още малко за това как работят самолетите? Ето няколко допълнителни статии, за да продължите откриването на аеронавтиката:
-
Как може да лети толкова тежък самолет? — подемна сила, скорост, форма на крилата… просто обяснение, за да разберете как няколкостотин тона могат да напуснат земята.
-
Защо самолетите летят толкова високо? — разход, време, характеристики на двигателите: открийте защо пътническите самолети обикновено се движат на около 10 000 метра надморска височина.
-
Защо самолетите оставят бели следи? — разберете как се образуват кондензационните следи, видими зад някои самолети.
✈️ Препоръчани продукти
Харесвате света на авиацията до най-малкия детайл? Ето няколко колекции, които да откриете, за да продължите страстта си отвъд четенето:
-
Макет на пътнически самолет — открийте селекция от умалени модели, вдъхновени от най-емблематичните пътнически самолети.
-
Ключодържател самолет — малка аеронавигационна нотка, която да носите със себе си всеки ден, идеална за феновете на кокпита и пътуванията.
-
Авиаторски очила — голяма класика, вдъхновена от аеронавигационния свят, с този веднага разпознаваем стил.
Заключение: тези малки краища на крилата далеч не са декоративни
Следващия път, когато се настаните до илюминатора, погледнете края на крилото.
Тази малка повърхност, която се издига към небето, изглежда почти незначителна в сравнение с десетките метри размах на самолета.
И все пак тя разказва доста добре как работи модерната авиация.
Инженерите не търсят непременно зрелищна революция.
Понякога се стремят да спестят няколко процента тук.
Няколко килограма там.
Малко по-малко съпротивление.
Малко по-лека структура.
Малко по-ефективен двигател.
Взети поотделно, всеки от тези напредъци може да изглежда почти анекдотичен.
Но умножете няколко процента гориво по няколко полета всеки ден, няколко стотин самолета и двадесет години експлоатация…
и малкият аеродинамичен детайл, разположен в края на крилото, внезапно започва да тежи много.
Уинглетите следователно не са там, за да придадат модерен вид на самолетите.
Те са резултат от проблем, който инженерите се стремят да решат от началото на авиацията:
как да произведем подемната сила, от която се нуждаем, като същевременно хабим възможно най-малко енергия?
И това вероятно е, което ги прави толкова интересни.
Защото зад тази малка част, която мнозинството пътници дори не забелязват, се крият десетилетия изследвания, изчисления, изпитания в аеродинамичен тунел и компромиси.
Следващия път, когато наблюдавате няколко самолета, подредени пред терминала, се забавлявайте да сравнявате краищата на крилата им.
Ще видите уинглети.
Sharklets.
Двойни повърхности.
Остри краища на крилата.
И понякога почти нищо.
Много различни решения…
на аеродинамичен проблем, стар колкото самата авиация.
🎬 За да отидете по-далеч: за какво наистина служат уинглетите?
Вече разбрахте защо тези малки повърхности в краищата на крилата са много по-важни, отколкото изглеждат. За да визуализирате още по-добре тяхното функциониране и ролята им в намаляването на съпротивлението, ето видео, което обобщава принципа.
FAQ: всичко за уинглетите
За какво служат уинглетите на самолета?
Уинглетите подобряват аеродинамичната ефективност на крилото, като намаляват по-специално ефектите, свързани с вихрите в края на крилото и индуцираното съпротивление. Това може да позволи намаляване на разхода на гориво и подобряване на някои характеристики.
Защо уинглетите са насочени нагоре?
Тази ориентация позволява на устройството да действа върху въздушния поток в края на крилото, без да изисква същото увеличаване на размаха като при изцяло хоризонтално удължаване.
Уинглетите наистина ли позволяват икономия на гориво?
Да. Печалбата обаче зависи изключително много от вида на самолета, устройството и мисията. Airbus обявява например икономии, достигащи около 4% или повече с някои Sharklets от фамилията A320.
Каква е разликата между уинглет и Sharklet?
Sharklet е името, използвано от Airbus за някои от неговите устройства в краищата на крилата. Общият принцип остава близък до този на уинглета: подобряване на аеродинамичната ефективност и намаляване на съпротивлението.
Защо някои Boeing 737 имат две повърхности в края на крилото?
Някои използват Split Scimitar Winglets или, при 737 MAX, Advanced Technology Winglets. Тяхната геометрия позволява по-ефективно използване на потока около края на крилото.
Защо някои самолети нямат уинглети?
Защото уинглетът не е единственият начин за намаляване на индуцираното съпротивление. По-дългото крило, различната геометрия или острият край могат да постигнат подобен резултат или да бъдат по-адаптирани към ограниченията на самолета.
Можем ли да добавим уинглети на стар самолет?
Да, някои самолети разполагат с програми за ретрофит. Но модификацията изисква аеродинамично и структурно проучване, както и подходяща сертификация.
Уинглетите премахват ли турбуленцията в следата?
Не. Те могат да намалят някои ефекти на вихрите, но самолет, произвеждащ подемна сила, продължава да генерира турбулентна следа.
