RU2819456C1 - Адаптивное крыло - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области проектирования летательных аппаратов и связано с конструкцией трансформируемой несущей поверхности адаптивных крыльев, обеспечивающих заданное плавное изменение формы поверхности на участках сопряжения подвижных элементов каркаса летательных аппаратов, имеющих лучшие аэродинамические характеристики. Адаптивное крыло воздушного судна состоит из аэродинамической конструкции. При этом аэродинамическая конструкция включает в себя опорную конструкцию и внешнее покрытие. При этом опорная конструкция имеет неподвижную балку в продольном направлении, которая проходит от центральной зоны к внешней концевой зоне. При этом опорная конструкция имеет несколько адаптивных сегментов рамы в поперечном направлении, которые состоят из расположенных рядом треугольных отсеков, образованных неподвижными стержневыми элементами, причем регулируемыми по длине элементами регулировки. При этом сегменты рамы соединены с неподвижной балкой, а по меньшей мере часть треугольных отсеков имеет по меньшей мере одну сторону регулируемых элементов с одной стороны, так что сегменты рамы регулируются по форме. При этом наружное покрытие закреплено в сегментах рамы и где, регулируя форму рам, внешний контур аэродинамической конструкции можно изменять по меньшей мере в поперечном направлении. Задачей, на которую направлено изобретение, является повышение эффективности и расширение диапазона регулирования аэродинамических характеристик крыла при упрощении систем регулирования. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области проектирования летательных аппаратов и связано с конструкцией трансформируемой несущей поверхности адаптивных крыльев, обеспечивающих заданное плавное изменение формы поверхности на участках сопряжения подвижных элементов каркаса летательных аппаратов, имеющих лучшие аэродинамические характеристики.

Механизация планера современного самолета позволяет менять скорость полета в широких пределах, от минимальной посадочной до форсированной. Тем не менее, существует настоятельная необходимость дальнейшего расширения диапазона скорости, что повысит экономичность и безопасность эксплуатации пассажирских и транспортных самолетов. Одним из направлений такой работы является попытка разработать конструкцию крыла с изменяемым профилем, увеличивающим подъемную силу крыльев, позволяющую повысить экономичность полета на крейсерской скорости и снизить посадочную скорость самолета. Особенностью адаптивного крыла является возможность заданного плавного изменения кривизны обтекаемой потоком поверхности крыла, позволяющая снизить аэродинамическое сопротивление (расход топлива) и повысить качество на различных режимах полета, снизить аэродинамические нагрузки, улучшить управление по крену и т.д. Одним из направлений повышения аэродинамического качества на крейсерском режиме полета и улучшения взлетно-посадочных характеристик летательного аппарата, например, самолета является управление обтеканием несущих и управляющих аэродинамических поверхностей.

Для повышения аэродинамического качества крыла классическим подходом является применение системы адаптивной «щелевой» механизации крыла, которая обеспечивает плавное (в пределах необходимой точности/или ступенчатое) изменение углов установки носков и закрылков в зависимости от угла атаки и числа Маха. Однако эта система допускает разрывное изменение аэродинамических производных во всем диапазоне параметров. Данный классический подход, применяемый при создании летательных аппаратов, позволяет лишь незначительно повысить аэродинамическое качество и улучшить взлетно-посадочные характеристики самолета. Механизация крыла в виде простых отклоняемых носков и хвостиков профилей или изменения стреловидности не позволяет достичь высоких значений максимального коэффициента подъемной силы при изменяющихся режимах работы. В последние годы, в связи с развитием технической базы и появлением новых авиационных материалов все большее внимание обращается на возможность улучшения аэродинамических характеристик самолета за счет изменения геометрии крыла в зависимости от режима полета - применения адаптивного крыла.

Профиль адаптивного управляемого крыла принимает форму, близкую к оптимальной на каждом заданном режиме полета. Конструкция такого крыла позволяет плавно (за счет гибкой обшивки) отклонять носовую и хвостовую часть крыла, изменяя, таким образом, кривизну вдоль размаха в зависимости от высоты, скорости полета и нагрузки. При этом не возникают процессы, приводящие к образованию ненужных турбулентностей и срыва потока. Перспективным направлением работ является реализация безотрывного обтекания поверхностей крыла путем изменения кривизны элементов. Адаптивная механизация крыла, благодаря упрощенной кинематике, привлекательна тем, что позволяет отказаться от применения сложных по конфигурации систем механизации крыла, кроме того, такое адаптивное крыло позволяет уменьшить потери несущих свойств на балансировку.

Известно устройство [1], позволяющее при необходимости увеличивать выпуклость крыла посредством герметично закрепленной на верхней панели крыла эластичной ленты, с применением пневмопривода. Однако значительная сложность предложенной автором конструкции изменения профиля крыла, и использование эластичного материала не позволяют применить эту конструкцию на современных самолетах.

Известна система изменения поверхностного контура крыла [2], содержащая аэродинамический профиль, выполненный из гибкой рамы с внутренними опорными элементами, передней и задней кромок, исполнительный механизм передней кромки крыла, механизмом приведения в действие задней кромки, снабженной линейным выходным звеном.

Известно адаптивное крыло [3], содержащее раму, которая имеет верхнюю эластично меняющуюся часть и нижнюю эластично меняющуюся часть, соединенных с внутренней стороны рычажными элементами, переходник, соединяющий верхнюю эластично меняющуюся часть с опорным элементом, к которому присоединен исполнительный механизм поступательного движения.

Недостатками указанных аналогов являются, применение полностью гибкой обшивки задней кромки крыла и связанную с этим необходимость применения большого числа внутренних опорных элементов. Одной из сложных задач при создании адаптивного крыла является обеспечение необходимой степени демпфирования колебаний деформируемых частей. В известных адаптивных конструкциях это может потребовать установки дополнительных демпферов. Известно адаптивное крыло [4], содержащее центральный кессон, деформируемые с помощью силовых приводов, разделенные на ряд секций (по размаху) носовые и хвостовые части, каркас которых разделен на ряд звеньев и по хорде. Звенья каждой из секций соединены шарнирно и образуют аэродинамические обводы крыла. На участках стыка звеньев установлены эластомерные, выполненные из материала типа пористой, губчатой резины панели. Панели жестко связаны своим кромками с соседними звеньями. Наружная обтекаемая потоком поверхность образована предварительно растянутой вдоль хорды (а на участках между секциями растянутой и вдоль размаха), эластомерной пленкой. Для изменения формы срединной поверхности элементы подвижного каркаса, в частности шарнирно соединенные звенья отдельных секций, отклоняются с помощью автономных приводов.

Недостатками прототипа являются избыточность автономных силовых приводов для отклонения звеньев аэродинамического профиля, что в целом увеличивает массу адаптивного крыла, кроме того, за счет применения эластомерных панелей возникают недемпфируемые механические нагрузки в силовом приводе, что снижает его ресурс и надежность.

Известно устройство аэродинамическое крыло летательного аппарата с адаптивно изменяющейся поверхность [5]. Устройство аэродинамическое крыло с адаптивно изменяющейся поверхностью для компенсации турбулентности содержит подвижные пластины, которые имеют две оси вращения, опирающиеся на элементы каркаса крыла. На поверхности каждой пластины расположен датчик, измеряющий внешнее давление. Вращение пластин осуществляется посредством двух исполнительных сервомеханизмов под управлением отдельного микрокомпьютера, в который поступает информация с датчика пластины и о текущем положении пластины. Все микрокомпьютеры связаны в сеть, в которой каждый микрокомпьютер связан только с микрокомпьютерами соседних пластин.

Недостатком такого аэродинамического крыла летательного аппарата являются ограниченные варианты изменения кривизны поверхности крыла, а также наличие деформаций, обусловленных структурой крыла. Наиболее близким по технической сущности является аэродинамическая конструкция с деформируемой внешней обшивкой, [6]. Изобретение относится к аэродинамическому элементу, в частности к крылу, посадочному закрылку, руля высоты тангажа, руля направления рыскания, киля или хвостового оперения. Аэродинамический компонент содержит внешнюю оболочку и по меньшей мере один поддерживающий элемент, поддерживающий указанную внешнюю оболочку. Привод вращает опорный элемент. Между опорным элементом и внешней оболочкой создается поддерживающая область. Опорная область передает деформационные силы от привода через опорный элемент к внешней оболочке. Опорный элемент разработан и сконфигурирован для изменения расстояния от опорной области от продольной плоскости аэродинамического элемента с вращением опорного элемента. На внешней оболочке имеется область упругой деформации. К недостаткам технического решения можно отнести возможность деформации (изменения профиля) только в одной плоскости - радиальной, что снижает возможности по повышению аэродинамических качеств крыла. Также к недостаткам данного аналога можно отнести сложность конструкции крыла и системы управления.

Задача, на которую направлено изобретение, является повышение эффективности, и расширение диапазона регулирования аэродинамических характеристик крыла при упрощении систем регулирования.

Поставленная задача решается за счет того, что в адаптивном крыле воздушного судна, содержащее из аэродинамической конструкции, согласно изобретению, дополнительно введена опорная конструкция, и внешнее покрытие, при этом опорная конструкция имеет неподвижную балку в продольном направлении, которая проходит от центральной зоны к внешней концевой зоне, при этом опорная конструкция имеет несколько адаптивных сегментов рамы в поперечном направлении, которые состоят из расположенных рядом треугольных отсеков, образованными неподвижными стержневыми элементами и регулируемыми по длине элементами регулировки, при этом сегменты рамы соединены с неподвижной балкой, при этом, по меньшей мере, часть треугольных отсеков имеет, по меньшей мере, одну сторону регулируемых элементов с одной стороны, так что сегменты рамы регулируются по форме, при этом наружное покрытие закреплено в сегментах рамы и где, регулируя форму рам, внешний контур аэродинамической конструкции можно изменять, по меньшей мере, в поперечном направлении.

Признаками, отличающими предлагаемое адаптивное крыло от известных является то, что аэродинамическая конструкция включает в себя опорную конструкцию и внешнее покрытие. При этом опорная конструкция имеет неподвижную балку в продольном направлении, которая проходит от центральной зоны к внешней концевой зоне. Опорная конструкция имеет несколько адаптивных сегментов рамы в поперечном направлении, которые образованы, соответственно, множеством расположенных рядом треугольных отсеков. Треугольные отсеки образованы неподвижными стержневыми элементами и регулируемыми по длине элементами регулировки. Сегменты рамы соединены с неподвижной балкой. Часть треугольных отсеков имеет одну сторону регулируемых элементов с одной стороны, так что сегменты рамы регулируются по форме. Наружное покрытие закреплено в сегментах рамы и где, регулируя форму рам, внешний контур аэродинамической конструкции можно изменять, по меньшей мере, в поперечном направлении.

На фиг. 1 схематично изображено механизм предлагаемого адаптивного крыла,

где:

1 - опорная конструкция,

2 - внешнее покрытие,

3 - неподвижная балка,

4 - адаптивные сегменты рамы.

5 - треугольный отсек,

6 - стержневые элементы,

7 - элемент регулировки,

8 - внешний контур,

9 - конструктивный элемент.

Адаптивное крыло содержит аэродинамическую конструкцию, состоящую из опорной конструкции 1, внешнего покрытия 2. Опорная конструкция имеет неподвижную балку 3 в продольном направлении, которая проходит от центральной зоны к внешней концевой зоне. Опорная конструкция имеет несколько адаптивных сегментов рамы 4 в поперечном направлении, которые образованы, соответственно, множеством расположенных рядом треугольных отсеков 5, которые являются образованными неподвижными стержневыми элементами 6, и регулируемыми по длине элементами регулировки 7. Элемент регулировки 7 может быть выполнен как в форме упругодеформируемых стержней, вдоль стержня, т.е. поступательного движения звеньев стержня или изгибных упругодеформируемых стержней. Также вместо элементов регулировки 7 может отсутствовать упругодеформируемые стержни. Тогда соседние стержни 6 могут свободно перемещаться в каждом своем адаптивном сегменте рамы 4, треугольного отсека 5. Сегменты рамы 4 соединены с неподвижной балкой 3. Часть треугольных отсеков 5 имеют, по меньшей мере, одну сторону регулируемых элементов 7 с одной стороны, так что сегменты рамы 4 регулируются по форме. При этом наружное покрытие 2 закреплено в сегментах рамы 4 где, регулируя форму рам 4. Опорная конструкция соединена 1 с внешним покрытием 2 через конструктивные элементы 9. Тем самым внешний контур 8 аэродинамической конструкции можно изменять, по меньшей мере, в поперечном направлении через передаваемую деформацию от опорной конструкции 1 к внешнему покрытию 2.

На фиг. 2 схематично изображено полученный профиль крыла в результате работы механизма предлагаемого адаптивного крыла. По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает достижение более высокого аэродинамического качества, более широкие возможности непосредственного управления подъемной силой, уменьшения нагрузок на крыло благодаря большей плавности обводов как верхней, так и нижней поверхностей механизации крыла, благодаря использованию деформаций не только срединной поверхности, но и профиля в направлении, нормальном к срединной поверхности крыла.

Источники информации:

1. Патент RU № 2072942.

2. Патент US № 5971328.

3. Патент US № 7384016.

4. Патент RU № 1762488.

5. Патент RU № 2660191.

6. Патент DE № 102009026457 - прототип.

Claims (1)

1. Адаптивное крыло воздушного судна, состоящее из аэродинамической конструкции, отличающееся тем, что аэродинамическая конструкция включает в себя опорную конструкцию и внешнее покрытие, при этом опорная конструкция имеет неподвижную балку в продольном направлении, которая проходит от центральной зоны к внешней концевой зоне, при этом опорная конструкция имеет несколько адаптивных сегментов рамы в поперечном направлении, которые состоят из расположенных рядом треугольных отсеков, образованных неподвижными стержневыми элементами, причем регулируемыми по длине элементами регулировки, при этом сегменты рамы соединены с неподвижной балкой, при этом по меньшей мере часть треугольных отсеков имеет по меньшей мере одну сторону регулируемых элементов с одной стороны, так что сегменты рамы регулируются по форме, при этом наружное покрытие закреплено в сегментах рамы и где, регулируя форму рам, внешний контур аэродинамической конструкции можно изменять по меньшей мере в поперечном направлении.

Images