Aripă închisă

O aripă închisă este o aripă care are două planuri principale care se unesc la capetele lor, astfel încât îi lipsesc efectiv vârfurile de aripă convenționale. Configurațiile de aripi închise includ aripa inelară , cunoscută în mod obișnuit și sub denumirea de " aripi cilindrice", aripă îmbinată , aripă de cutie și avioane cu vârf de aripă . ^[1]

• 

  O aripă închisă inelară

• 

  O aripă în cutie

• 

  O aripă închisă comună

La fel ca clapetele de capăt , o aripă închisă este proiectată pentru a reduce vârtejurile vârfului aripii și pericolele asociate . La fel ca și alte configurații de aripi, multe dintre configurațiile de aripi închise oferă avantaje structurale față de un monoplan de aripă consolă convențional.

Caracteristici

Vârfurile spirale ale aripilor sunt suprafețe închise ale aripilor conectate la vârful unei aripi comune

Vâltoarele vârfurilor de aripă sunt unul dintre factorii majori în turbulența trezirii și sunt asociate cu rezistența indusă , o componentă foarte semnificativă a rezistenței totale la fluid în majoritatea turațiilor. O configurație aripă închisă evită necesitatea aripilor de capăt și, prin urmare, se crede că scade efectele de tracțiune dinamică a fluidelor datorate unor astfel de aripioare.

În plus față de potențialele avantaje structurale față de profilul aripii în consolă, suprafețele închise ale aripilor au unele proprietăți aerodinamice unice:

• Pentru un sistem portant care, văzut din direcția fluxului incident, apare închis într-o cutie cu înălțime și lățime fixe, configurația care asigură rezistența minimă indusă pentru o anumită ridicare verticală dată este cea a unui sistem cu aripi închise , adică o aripă cu cadru dreptunghiular cu suprafețe portante care ocupă în totalitate toate cele patru margini ale suprafeței dreptunghiulare disponibile. ^[2]
• Pentru fiecare sistem purtător (sau porțiune a unui sistem purtător) care, văzut din direcția fluxului incident, formează o buclă închisă, distribuția optimă de ridicare (sau circulație) care duce la rezistența minimă indusă pentru o anumită ridicare verticală totală nu este dar, din moment ce este definit până la o constantă aditivă, există infinit de multe. ^{[3] [4]} Acest lucru se datorează faptului că, neavând pante, se poate adăuga un vortex constant la circulația optimă fără a modifica ridicarea totală a sistemului sau tracțiunea indusă. ^{[1] [4]}

Cu toate acestea, trebuie spus că rezultatele de tracțiune induse care pot fi obținute dintr-o aripă ideală complet închisă pot fi abordate de anumite configurații aripi deschise, cum ar fi aripa C ^[1], iar cheia explicării motivului acestui fapt este tocmai faptul că distribuția optimă a debitului nu este unică. Rezultatul este că, deși sistemele închise pot produce reduceri mari ale tracțiunii induse comparativ cu o aripă plană convențională, nu există un avantaj aerodinamic semnificativ care să provină exclusiv din faptul că sunt închise, mai degrabă decât deschise. ^[1]

Configurări

De-a lungul anilor au fost descrise diferite tipuri de aripi închise:

• Aripă în cutie
• Aripa romboidală
• Aripă inelară plată
• Aripă concentrică și fuselaj

Istorie

Anii pionierilor

Blériot IV , în care aripa frontală inelară a lui Blériot III fusese înlocuită de o aripă dublă convențională

Un exemplu timpuriu de aripă închisă a fost cel adoptat în avionul numit Blériot III și construit în 1906 de Louis Blériot și Gabriel Voisin . Aici existau două suprafețe portante în formă de inel închis dispuse în tandem, în timp ce în Blériot IV ulterior, aripa inelară din față a fost înlocuită cu o aripă dublă și au fost adăugate aripioare de canard , făcându-l un avion cu trei suprafețe .

Pe baza experimentelor GJA Kitchen, Cedric Lee și George Tilghman Richards au construit și au zburat câteva aeronave cu aripi inelare, în care segmentele de prova și popa erau la același nivel. Primul dintre acestea a fost un biplan , urmat de o serie de monoplan, al cărui ultim model a rămas în uz până în 1914. ^[5]

Al doilea razboi mondial

În 1944, designerul german Ernst Heinkel a început să lucreze la o aeronavă cu decolare verticală cu mai multe roluri, cu un singur loc, cu inel, numită Lerche , dar proiectul a fost abandonat în martie 1945. ^[6]

Perioada postbelică

În timpul anilor 1950, compania franceză SNECMA a dezvoltat Coléoptère , o decolare verticală - off, inelar aripa coadă - de stabilire a aeronavei. Cu toate acestea, aeronava s-a dovedit a fi periculos de instabilă, în ciuda dezvoltării și testării mai multor prototipuri și, prin urmare, proiectul a fost abandonat. ^[7] Alte propuneri ulterioare de proiectare cu aripi închise includ Convair Model 49's Advanced Aerial Fire Support System și prototipul Lockheed numit "Flying Bog Seat" și dezvoltat în anii 1980, când configurația cu aripi închise a văzut printre susținătorii săi majori de asemenea faimosul inginer aeronautic Julian Wolkovitch care a realizat dezvoltarea acestuia. ^[8]

Aripioarele spiralate, un proiect în curs de dezvoltare de către Aviation Partners , sunt o suprafață aripă închisă montată la capătul unei aripi consolă convenționale. Într-o notă, compania a anunțat că aripioarele de acest tip montate pe un Gulfstream II au dus la o reducere de 10% a combustibilului utilizat în faza de croazieră. ^[9]

AOK Spacejet a expus la Paris în 2013

În anii 2000, mai multe companii aeriene au apelat din nou la acest tip de configurație în plus față de partenerii de aviație menționați anterior. La 11 iunie 2012, de exemplu, FlyNano finlandez a zburat un prototip de aeronavă ultraligeră cu aripi închise numit FlyNano Nano . ^{[10] [11]}

Proiecte pentru avioane cu aripi închise mai mari au urmat de-a lungul anilor, de asemenea, datorită inițiativelor precum Proiectul de Aviație Ecologic Responsabil lansat de NASA în 2011, care a invitat să propună studii menite să reducă emisiile avioanelor viitoare cu 50% comparativ cu cele ale 1998. Cu ocazia acestei inițiative, de exemplu, Lockheed Martin a propus proiectarea unui avion cu aripi închise. ^{[12] [13]}

Aripa închisă a lui Prandtl

În 1924, fizicianul și inginerul german Ludwig Prandtl a declarat că, în anumite condiții, cu anvergură aripilor și ridicare egale, o aripă în cutie ar fi putut garanta o rezistență mai puțin indusă. ^[14] În proiectarea sa, două perechi de aripi orizontale sunt unite la capete de două aripi verticale pentru a asigura o distribuție liniară a forțelor laterale. Potrivit lui Prandtl, o astfel de configurație ar fi trebuit să crească eficiența unei game largi de aeronave.

Pe baza acestor studii, în anii optzeci, australianul Charles Ligeti a proiectat și a construit prototipul Ligeti Stratos , ^[15] în timp ce în anii 90 termenul „prandtlplano” (în engleză : „prandtlplane”) a ieșit la iveală de către Italienii Aldo Frediani și Alberto Longhi, de la Universitatea din Pisa . ^{[16] [17] [18]}

Prototipul pe scară largă al unui prandtlplan amfibiu ultraliger dezvoltat ca parte a proiectului IDINTOS și prezentat la Creactivity 2013 în Pontedera

În 2011, regiunea Toscanei și unii investitori privați au cofinanțat proiectul de cercetare IDINTOS ^[19] (hidroavion INnovativo TOScano) care vizează proiectarea și construcția unui hidroavion ultraliger bazat pe o configurație prandtlplane. Proiectul, plasat sub controlul secției aeronautice a departamentului de inginerie civilă și industrială al Universității din Pisa, a avut ca rezultat construirea prototipului unui hidroavion inovator cu două locuri în 2013. ^[20]

Ca parte a celui mai recent proiect PARSIFAL, născut în cadrul programului de cercetare Orizont 2020, finanțat de Comisia Europeană și cu scopul dezvoltării prandtplanului ^[21] , grupul de cercetători menționat mai sus de la universitatea pisană a afirmat din nou într-un studiu că configurația ar fi validă și eficientă chiar și pentru avioanele mai mari. Cel mai încăpător dintre acestea, Airbus A380 , trebuie să sufere astăzi compromisuri de eficiență pentru a-și menține anvergura aripilor sub 80 de metri și astfel să poată ateriza doar în unele dintre marile aeroporturi internaționale, dar o aripă închisă cu o anvergură optimă ar putea fi mai scurt decât o aripă convențională, permițând potențial chiar și celor mai mari aeronave să utilizeze cea mai mare parte a infrastructurii existente. ^{[22] [23]}

Aripa C

Aripa C este o configurație teoretică a aripii în care cea mai mare parte a secțiunii centrale superioare a unei aripi boxate a fost îndepărtată, creând o aripă care, văzută din față, capătă aspectul unui C și unde apoi capetele fac nu atinge. Conform studiilor recente, o aripă C se poate apropia de reducerea rezistenței induse realizată de o aripă închisă. ^[24]

Fiecare dintre primele trei rânduri ale ilustrației de mai jos prezintă o configurație C diferită în care vârfurile aripilor sunt apropiate din ce în ce mai mult până când distanța lor, în ultima coloană, ajunge la zero (numele coloanei este „Aripa C aproape închisă” deoarece s-au efectuat calcule cu privire la limita distanței înclinate la zero).

Aripi neplanare: rezultate pentru raportul optim de eficiență aerodinamică ε

Parametrul ε este raportul optim de eficiență aerodinamică și reprezintă raportul dintre eficiența aerodinamică a unei aripi neplane date și eficiența unei perechi convenționale de aripi în consolă cu aceeași întindere și o ridicare totală echivalentă. Ambele eficiențe sunt evaluate pe baza distribuției lor optime a ridicării respective. Valorile ε mai mari de 1 indică o rezistență indusă mai mică decât cea a sistemului de aripi convențional menționat anterior, având ε = 1. ^[24]

Din figură este evident că toate configurațiile în formă de C au o ε mai mare de 1 și că există doar o mică diferență între o configurație având o distanță chiar semnificativă între vârfurile aripilor și configurația închisă corespunzătoare. Acest lucru se datorează faptului că sarcina de ridicare calculată în cazul unei aripi aproape închise este mică în secțiunea centrală superioară, care poate fi apoi îndepărtată provocând un efect mic asupra ridicării sau a tracțiunii.

Distribuțiile de ridicare prezentate aici pentru configurații aproape închise diferă de cele prezentate de obicei în literatura de specialitate pentru aripi în cutie; ^[2] soluția clasică din literatură a fost, de fapt, obținută pornind de la o analiză formulată în așa fel încât să conducă la considerarea sarcinilor de ridicare pe partea inferioară și superioară a cutiei ca fiind egale, dar, așa cum am spus anterior, optimul distribuția ascensorului nu este unică. ^[1] O sarcină constantă către interior (corespunzătoare unui vortex constant particular) poate fi de fapt adăugată la o sarcină precum cea definită de Durand pentru a obține o sarcină precum configurațiile aproape închise prezentate mai sus. Cele două metode de analiză oferă două versiuni ale sarcinii optime care, deși par diferite, nu sunt în principiu. Cu excepția unor mici diferențe datorate metodei numerice utilizate în cazul configurațiilor aproape închise, de fapt, cele două tipuri de încărcări sunt, în principiu, doar versiunea tradusă una a celeilalte.

Notă

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre aripa închisă

Portalul aviației : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă de aviație