Каковы последствия очень гибких крыльев Boeing 787?

Отсюда:

Количество гибкого трубопровода действительно продукт материала. Крыло требует определенной предельной прочности; с металлом, который переводит в, Котор дали количество гибкого трубопровода. Это можно варьировать в пределах, но на самом деле именно материал, его жесткость и коэффициент предела текучести и его усталостные свойства контролируют, сколько изгиба вы собираетесь в конечном итоге. CFRP очень различный материал, и имеет очень меньше жесткости для такого же пункта выхода, и не имеет существенно никакие проблемы усталости. Это выгодно тем, что обеспечивает более плавную езду в условиях турбулентности; крыло действует по существу как гигантская листовая пружина. Однако есть некоторый лифт, потерянный из-за природы кривизны. Однако это относительно мало.

Крылья Boeing 787 настолько гибки, потому что его материал из углеродного волокна может быть растянут больше, и высокое соотношение сторон 11 увеличит этот эффект. В полете все, что вы почувствуете, будет меньше тряски из-за порывов, потому что крыло будет демпфировать изменения нагрузки более эффективно. На земле крыло может иметь меньший зазор наконечника, потому что требуется меньше встроенного двугранного-остальное обеспечивается эластичностью крыла в полете.

Влияние на производительность немного отрицательное, но это очень слабый эффект. Его можно сравнить с сопротивлением качению жесткого велосипеда против велосипеда с подпружиненной рамой.

Величина изгиба для данного изгибающего момента зависит от трех факторов:

1. Размах крыла: данная кривизна крыла из-за изгиба в корне крыла вызовет смещение наконечника, которое пропорционально расстоянию этого наконечника от корня.
2. Spar heigt: эта кривизна растет с обратным квадратом высоты лонжерона. Более низкая относительная толщина крыла приведет к большему изгибу.
3. Материал лонжерона: модуль Юнга материала описывает, насколько он растягивается для данного напряжения. Однако более важным является упругое удлинение при пределе текучести. Углеродное волокно имеет более высокий модуль Юнга чем алюминий, но эластично до повреждения, поэтому его можно протянуть больше и произвести больше гнуть на пределе текучести.

Числа: модуль Юнга алюминия довольно постоянен для широкого диапазона сплавов и обычно 70,000 MPa или N/mm2. Модуль графитовых волокон зависит от их производственного процесса и варьируется между 200,000 и 700,000 MPa или N/mm2. Однако это значение нельзя сравнивать непосредственно с алюминиевым. Конечный модуль упругости композита зависит от ориентации волокон и содержания смолы.

Можно с уверенностью предположить, что Boeing (или, точнее, Mitsubishi Heavy Industries) использует современное высокопрочное волокно, такое как IM7 (pdf) (IM означает промежуточный модуль), который имеет модуль 276,000 MPa. Также можно с уверенностью предположить, что большинство волокон ориентированы в направлении пролета, поэтому они могут в полной мере способствовать принятию изгибающих нагрузок. Если предположить консервативное содержание волокна 60%, то результирующий модуль материала лонжерона должен составлять 164 000 МПа. Однако лонжерон является не дискретным компонентом, а частью коробки крыла, которая также должна воспринимать торсионные нагрузки. Пока алюминий изотропный материал (он имеет такие же свойства во всех направлениях), CFRP сильно анизотропен, и добавлять прочность на кручение потребует дополнительных волокон в других направлениях. Следствие: эффективный модуль коробки крыла в направлении изгиба может составлять всего 110 000 МПа.

В конце концов, важно то, сколько материала там, чтобы нести изгибающие нагрузки. Здесь в игру вступает предел текучести материала: чем больше напряжения может выдержать материал, прежде чем он проявит пластическую деформацию, тем меньше его необходимо для переноса данного изгибающего момента. Чтобы прийти непосредственно к максимальной деформации, достаточно посмотреть на максимальную упругую деформацию. С IM7, это 1.9%, и с высокопрочным алюминием 7068 (pdf), оно чем 1% Прежде чем материал терпит постоянную удлиненность. Это означает, что, хотя углепластик жестче алюминия, его можно загружать больше и растягивать больше, прежде чем он достигнет своих пределов.

Не только 787 с CFRP имеет это, все крылья много сгибаются, как показано в нижней части этого изображения.Источник: введение в Трансзвуковую аэродинамику Р. Воса и С. Фарохи

В эти дни дизайнеры включают изгиб в дизайн, убедившись, что форма в круизе именно так, как они этого хотят.Но два графика выше показывают некоторые интересные факты. На het слева вы можете видеть распределение давления на разных местах на гибком крыле, а справа то же самое, но тогда для жесткого крыла (таким образом, не деформированного)

Вы можете видеть, что на правом изображении (около x/c=0.3) на графиках есть резкие скачки, которые указывают на удары и приводят к волновому сопротивлению. На гибкой стороне градиенты менее крутые, то есть ударная волна менее сильная. Как следствие, волновое сопротивление будет меньше.

Таким образом, на основе этих графиков можно сделать вывод, что гибкое крыло будет иметь меньшее волновое сопротивление, чем то же крыло, которое не будет деформироваться.