В Институте теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН завершают исследования влияния специального рельефа поверхности крыла пассажирского самолета на пограничный воздушный слой. Ученые ожидают снижения потребления топлива, вредных выбросов и увеличения дальности полетов.
Ведущие мировые специалисты по аэродинамике уже десятилетия решают задачи безопасности, управляемости, скорости и энергоэффективности самолётов. Доктор физико-математических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник ИТПМ, член-корреспондент РАН Андрей Бойко и старший научный сотрудник ИТПМ СО РАН Андрей Иванов рассказали. Naked ScienceЭти характеристики позволяют регулировать, или точнее, сдерживать так называемый ламинарно-турбулентный переход, контролируя превращение гладкого, ламинарного встречного воздушного потока, обтекающего самолет, в вихревой, турбулентный.
Турбулентность в пограничном слое у поверхности летательного аппарата повышает силу трения и расход топлива. Научные группы стремятся уменьшить её и снизить силу трения, которую преодолевает пассажирский самолет. Неспециалисты под турбулентностью обычно понимают атмосферное явление — крупномасштабные вихревые потоки, сопоставимые с размером самолета или даже больше, например, внутри облаков.
Объектом интереса является турбулентность с вихрями меньшего масштаба — от нескольких сантиметров до долей миллиметра. Именно эта турбулентность в тонком слое воздуха, обтекающем самолет (пограничный слой), сдерживает его движение. На преодоление этого турбулентного трения самолет тратит около половины всего топлива.
Подобное устраняется подобным
Одним из перспективных способов снижения сопротивления в пограничном слое и, как следствие, уменьшения расхода топлива является его частичная ламинаризация. Это увеличение площади поверхностей самолета, на которых поток остается гладким, слоистым — ламинарным.
Для изучения поведения данного слоя проводят эксперименты со стреловидными крыльями в аэродинамических трубах. В экспериментах используют поверхности крыльев разной степени гладкости, изменяют угол атаки воздушного потока. Когда летите в самолете и смотрите на крыло, может показаться, что все частички воздуха движутся вдоль крыла параллельно. На самом деле это не так. Физика течения воздуха у поверхности стреловидного крыла такова, что воздух в нижних слоях пограничного слоя поворачивается к фюзеляжу самолета. Такое течение неустойчивое, и даже маленькая шероховатость провоцирует скручивание течения и разрушение ламинарного обтекания.
Переход пограничного слоя в турбулентный режим сопровождается почти десятикратным увеличением трения воздуха о поверхность самолёта. В начале XXI века многие исследователи обратили внимание на метод ламинаризации с помощью шероховатости. Некоторые формы и поверхности крыльев могут сделать пристенный поток практически полностью ламинарным, без завихрений и возмущений. Однако при полном отсутствии турбулентного потока значительно снижается управляемость самолёта, особенно в условиях реального полета, где атмосферные потоки зачастую неравномерны и могут быть разной силы и направления. Стреловидные крылья с высокой ламинарностью не смогут удержать самолет при неодинаковых параметрах воздушных масс по разные стороны корпуса — полет идеально обтекаемой формы на практике имеет крайне слабую устойчивость.
Исследователи стремятся не устранить турбулентность в пограничном слое, а смягчить ее, обеспечивая управление самолетом. Главная задача специалистов – формирование управляемого турбулентного потока воздуха в пристенном слое летательного аппарата.
Специалисты по аэродинамике после множества испытаний различных методов пришли к выводу, что самое перспективное направление — изучение влияния слегка измененной поверхности передней кромки крыла на обтекающий поток. Затем необходимо сделать ее немного шершавой для создания предсказуемой турбулентности в пристенном слое, которая защитит летящий самолет от большой и неуправляемой турбулентности.
Гигантская экономия топлива
С этого момента началась целая эпоха экспериментов в аэродинамических трубах с применением огромного количества всевозможных приемов для визуализации и видеофиксации поведения турбулентного потока вдоль крыльев. Пристенный «вихрь» у модели крыла в аэродинамической трубе занимает лишь несколько миллиметров, в отличие от крыльев настоящего самолета, поэтому ученые применили разнообразные передовые панорамные методы визуализации, чтобы наблюдать за тем, как в каждую тысячную долю секунды ведет себя вихревой поток у поверхности крыла.
Шероховатость варьировалась от почти гладкой до «наждачной». Впоследствии специалисты пришли к выводу, что шероховатость не должна иметь абстрактной формы — ее нужно структурировать. Для наблюдения за поведением воздушного потока решили использовать тепловизионное оборудование, предварительно слегка нагрев крыло для лучшей визуализации.
Эксперименты показали прямое влияние структуры шероховатости на поведение турбулентного слоя. Эти результаты могут привести к снижению расхода топлива на несколько процентов.
Андрей Иванов рассказал о двух действенных способах противодействия трению в пограничном слое. Первый заключается в изменении свойств турбулентности. Для уменьшения турбулентного трения на крылья и фюзеляж самолетов наносят специальный микрорельеф — микроскопические треугольные продольные бороздки. Такой метод уже используют на самолетах некоторых европейских авиакомпаний.
Минимизация трения даже на долю процента является значительным достижением. Для лайнера, выполняющего регулярные пассажирские рейсы, сокращение трения на 0,2% позволяет сэкономить сотни тонн топлива и уменьшить негативное воздействие на атмосферу. В XX веке ученые разными методами стремились устранить пристенный турбулентный слой, который у переднего края крыла обычно имеет толщину около одного сантиметра, а к хвосту может достигать метра.
Второй подход к уменьшению сопротивления — ламинаризация, то есть увеличение зон гладкого обтекания. Эти зоны на современных самолётах очень малы и расположены в районе передней кромки крыльев и хвостового оперения. Наименьшее их увеличение крайне эффективно, так как трение ламинарного пограничного слоя почти на порядок меньше, чем у турбулентного. Специалисты ИТПМ СО РАН полагают, что ламинаризация позволит снизить общее трение самолёта не на доли процентов, а на проценты.
Под контролем тепловизора
В начале XX века проводились эксперименты по уменьшению аэродинамического сопротивления на крыльях самолетов. Широкую известность получил эксперимент по отсосу пограничного турбулентного слоя, так называемый эксперимент Прандтля. Турбулентность удалось физически устранить. Однако позднее выяснилось, что мощный «пылесос», установленный внутри крыла, требует значительных дополнительных ресурсов. Кроме того, для изменения формы крыла требовалась пересертификация всей конструкции летательного аппарата.
Во время летных испытаний обнаружили, что маленькие отверстия на крыльях быстро забиваются инеем, пылью и другими твердыми частицами воздуха. От предложенной технологии отказались. Специалисты решили пойти другим путем: вместо пылесосов использовали микровдув. Вывести поток наружу проще, чем внутрь, а сдувать турбулентность оказалось не менее эффективно, чем засасывать ее. К сожалению, такие системы получались либо недостаточно мощными, либо чересчур громоздкими.
Исследования в области аэродинамики совершенствовались на протяжении многих десятилетий. С середины ХХ века до настоящего времени широко применяют термоанемометрию — измерение скорости потока воздуха с помощью микроскопической нагретой проволочки, в 10 раз тоньше волоса. Это высокоточная технология, однако позволяет измерить скорость в одной точке одновременно. Для трехмерной визуализации потока специалистам ИТПМ СО РАН этого недостаточно. Им требовались подробные трехмерные изображения в режиме реального времени.
По поводу визуализации потока традиционным способом — шелковинками на поверхности крыла и сажей для рисования узоров воздушного движения — сегодня эти подходы скорее похожи на высокотехнологичную астралогию.
Для получения полной картины движения исследователи решили заполнить аэродинамическую трубу и фиксировать перемещение частиц максимально часто. Ученые рассматривали метод панорамной трассерной визуализации (PIV) — анемометрию по изображениям частиц, при которой поток воздуха насыщают малыми частицами рапсового масла. Иногда ее называют велосиметрией.
Визуализация данным методом достаточно качественная, но для научных исследований требуется сотни подобных экспериментов. После таких «масляных шоу» в аэродинамических трубах замкнутого типа необходим капитальный ремонт. От масляного конденсата избавиться сложно даже в обычной кухне, а в научном оборудовании процесс занимает значительно больше времени.
Специалисты ИТПМ СО РАН при поддержке гранта Российского научного фонда решили использовать высокочувствительный тепловизор для визуализации потоков.
Умный рельеф
Рельеф на передней кромке крыла, нанесенный под небольшим углом, отклоняет воздушный поток от корпуса самолета. У этого рельефа четкая структура и последовательность неровностей. В чем-то он напоминает устройство махового пера птицы или плавника рыбы, состоящих из тончайших параллельно расположенных волокон, образующих слегка ребристую эластичную поверхность.
Человек черпает вдохновение в естественных изобретениях, появившихся у живых существ за миллионы лет эволюции. Многие крупные авиакомпании стремятся сделать переднюю кромку крыла максимально обтекаемой. Сибирские аэрофизик подходят к решению этой задачи по-новому.
Вообразите самолёт, который работает непрерывно двадцать часов в сутки, совершая коммерческие рейсы и расходуя топливо без перерыва. Любое даже незначительное снижение потребления ресурсов и выбросов окажется существенным при такой интенсивной эксплуатации.
Андрей Иванов — старший научный сотрудник Института тепло- и физико-механических проблем Сибирского отделения Российской академии наук.
Мы научились наблюдать переход ламинарного течения в турбулентное с помощью тепловизора и выявлять общие закономерности, позволяющие прогнозировать поведение потока и положение перехода на стреловидных крыльях. Расчетные модели позволяют ученым заменять большую часть сложных и трудоемких экспериментов, не опасаясь за точность результатов.
Андрей Иванов отметил, что исследования имеют особое значение для авиастроительных предприятий: поможет конструкторам и инженерам оценить эффективность любых запланированных модификаций крыльев самолётов. Данные позволят масштабировать полученные результаты до реального производства.