UA155906U

UA155906U - Kinematically active vortex generator with linear actuator

Info

Publication number: UA155906U
Application number: UAU202304437U
Authority: UA
Inventors: Богдан Глібович Комаров; Олександр Петрович Мариношенко
Original assignee: Національний Технічний Університет України "Київський Політехнічний Інститут Імені Ігоря Сікорського"
Priority date: 2023-09-20
Filing date: 2023-09-20
Publication date: 2024-04-17

Abstract

A kinematically active vortex generator with a linear actuator contains a fixed body, an aerodynamic panel extending transversely to the flow and generating vortices, and an actuator with a drive located inside the wing. A kinematic scheme with a linear actuator is introduced, in which the actuator in the form of a nitinol spring is made of smart material with shape memory, and a heater is inserted inside the spring. The spring is triggered when heated above 40 degrees Celsius, and the aerodynamic panel, which extends transversely to the flow, has a fin-like shape.

Description

Корисна модель належить до конструкцій літальних апаратів, зокрема, до деталей крила літаків і може бути використана для покращення аеродинамічних характеристик як крила безпосередньо, так і літального апарата в цілому.The utility model relates to aircraft structures, in particular, to aircraft wing details and can be used to improve the aerodynamic performance of both the wing itself and the aircraft as a whole.

В конструкції сучасних літальних апаратів досить поширеним є використання фіксовано закріплених генераторів вихорів на обшивці крила, які використовуються для більшої стабільності під час польоту літака на близьких до критичних кутів атаки. Однак таке рішення має суттєвий недолік, пов'язаний зі зростанням на 0,5-2 95 лобового опору під час крейсерського польоту.In the design of modern aircraft, the use of fixed vortex generators on the wing skin is quite common, which are used for greater stability during the flight of the aircraft at close to critical angles of attack. However, such a solution has a significant drawback associated with an increase in frontal resistance by 0.5-2 95 during cruise flight.

З іншого боку, для зниження витрати пального в сучасному літакобудуванні все частіше використовують композитні матеріали з метою полегшення самого літака і збільшення кількості корисного навантаження, а також досліджують властивості легких сплавів, зокрема починають використовувати смарт-матеріали для виготовлення деталей та механізмів літака.On the other hand, to reduce fuel consumption in modern aircraft construction, composite materials are increasingly used in order to lighten the aircraft itself and increase the amount of payload, as well as research the properties of light alloys, in particular, they are starting to use smart materials for the manufacture of aircraft parts and mechanisms.

Генератор вихорів є мініатюрним крильцем, що створює підіймальну силу, перпендикулярну своїй поверхні. Це призводить до генерації вихорів, які поширюються далі потоком повітря. Такі вихори мають подвійний вплив на навколишній потік: - по-перше, вони взаємодіють з прикордонним шаром, що обтікає поверхню за генератором вихорів. Вихор змішує прикордонний шар із зовнішнім потоком, який має більшу енергію. Таким чином, зменшується товщина та підвищується енергія прикордонного шару, що дозволяє затримати, контролювати, а іноді і запобігати зриву прикордонного шару з поверхні. З цією метою генератори вихорів встановлюють на верхній поверхні крила; - по-друге, вихор може змінювати напрямок навколишнього повітряного потоку, діючи як дефлектор потоку. Це дозволяє затримати шкідливу інтерференцію частин літака за крилом або запобігти їй. Також генератори вихорів використовуються для збільшення припустимої швидкості літака, затягують початок аеродинамічної тряски, зменшують вібрації конструкції, викликані відділенням прикордонного шару, та покращують керованість. На літаках концернуA vortex generator is a miniature airfoil that creates lift perpendicular to its surface. This leads to the generation of vortices, which are spread further by the air flow. Such vortices have a double effect on the surrounding flow: - first, they interact with the boundary layer flowing around the surface behind the vortex generator. The vortex mixes the boundary layer with the outer flow, which has more energy. Thus, the thickness decreases and the energy of the boundary layer increases, which makes it possible to delay, control, and sometimes prevent the detachment of the boundary layer from the surface. For this purpose, vortex generators are installed on the upper surface of the wing; - secondly, the vortex can change the direction of the surrounding air flow, acting as a flow deflector. This allows you to delay or prevent harmful interference from parts of the aircraft behind the wing. Also, vortex generators are used to increase the permissible speed of the aircraft, delay the onset of aerodynamic shaking, reduce structural vibrations caused by boundary layer separation, and improve controllability. On the planes of the concern

Боїнг вони сприяють поліпшенню поздовжньої стійкості на великих числах Маха і зменшують швидкість звалювання посадкової конфігурації. Призначення пристроїв - покращити льотні якості літака.Boeing, they contribute to the improvement of longitudinal stability at high Mach numbers and reduce the rate of stalling of the landing configuration. The purpose of the devices is to improve the flight quality of the aircraft.

Найближчим аналогом корисної моделі є об'єкт за патентом США на винахідThe closest analogue of a utility model is an object under a US patent for an invention

Зо "Автоматизовані складні гратки для крил літаків" ("Расепі Тог Ашотаїей аеріоуаріє Тепсев5 ог аігсгай м/іпд5", Раїепі Мо 11,059,564). Генератор вихорів за зазначеним патентом складається з аеродинамічної панелі, що висувається з крила під кутом вгору, поперечно до потоку, привідного лінійного актуатора та фіксатора, який утримує аеродинамічну панель. Актуатор, розташований всередині крила, працює за принципом сервоприводу, та складається з електромотору, та шестерней, які потребують регулярного змащування. Суттєвими недоліками цього генератора є незручність в обслуговуванні та низька надійність через велику кількість рухомих елементів.From "Automated Folding Grids for Aircraft Wings" ("Rasepi Tog Ashotaiei aeriouarie Tepsev5 og aigsgai m/ipd5", Raiepi Mo 11,059,564). The vortex generator according to the specified patent consists of an aerodynamic panel extending from the wing at an upward angle, transverse to the flow, a linear drive actuator and a latch that holds the aerodynamic panel. The actuator, located inside the wing, works on the principle of a servo drive, and consists of an electric motor and gears that require regular lubrication. The main disadvantages of this generator are the inconvenience of maintenance and low reliability due to the large number of moving elements.

В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення пристрою для покращення аеродинамічних характеристик крила під час польоту на низьких швидкостях при близьких до критичного кутах атаки, та підвищення енергоефективності на високих швидкостях, а також підвищення надійності роботи активного вихрогенератора.The basis of the useful model is the task of improving the device for improving the aerodynamic characteristics of the wing during flight at low speeds at close to critical angles of attack, and increasing energy efficiency at high speeds, as well as increasing the reliability of the active vortex generator.

Поставлена задача вирішується тим, що кінематично активний вихрогенератор з лінійним актуатором, що містить нерухомий корпус, аеродинамічна панель, що висувається поперечно до потоку і генерує вихори, та розташованого всередині крила актуатору, згідно з корисною моделлю, введено кінематичну схему з лінійним актуатором, в якому привод виконаний зі смарт-матеріалу з пам'яттю форми, а саме, має вигляд нітинолової пружини, всередину якої введений нагрівач і яка спрацьовує при нагріванні більше 40 градусів Цельсія, а аеродинамічна панель, що висувається поперечно до потоку, має плавниковоподібну форму.The task is solved by the fact that a kinematically active vortex generator with a linear actuator, containing a fixed body, an aerodynamic panel that extends transversely to the flow and generates vortices, and an actuator located inside the wing, according to a useful model, a kinematic scheme with a linear actuator is introduced, in which the actuator is made of a smart material with shape memory, namely, it has the appearance of a nitinol spring, inside which a heater is inserted and which is activated when heated above 40 degrees Celsius, and the aerodynamic panel, which extends transversely to the flow, has a fin-like shape.

Заміна актуатора з електромотором та фіксатором, як у найближчому аналогу, на кінематичну схему з лінійним актуатором зі смарт-матеріалу дозволяє підвищити надійність роботи вихрогенератора.Replacing the actuator with an electric motor and a latch, as in the closest analogue, with a kinematic scheme with a linear actuator made of smart material allows to increase the reliability of the vortex generator.

Суть корисної моделі пояснюють графічні матеріали, де зображені: - на фіг. 1 - схема кінематично активного вихрогенератора; - на фіг. 2 - кінематично активний вихрогенератор у закритому положенні, коли пружина охолоджена і генератор опущений; - на фіг. З - крило літака у поперечному перетині з кінематично активним вихрогенератором у відкритому положенні.The essence of a useful model is explained by graphic materials, which show: - in fig. 1 - scheme of a kinematically active vortex generator; - in fig. 2 - kinematically active vortex generator in the closed position, when the spring is cooled and the generator is lowered; - in fig. C - the wing of the aircraft in cross-section with the kinematically active vortex generator in the open position.

На фіг. 1 представлений механізм активного вихрогенератора. Він складається з нерухомого корпусу 1, нітинолової пружини з пам'яттю форми 2, всередині якої розміщено керамічний бо нагрівальний елемент 3, рухомої частини корпуса 4, та генератора вихорів плавниковоподібної форми 5. Вихрогенератор може бути розміщений всередині крила, і бути закріпленим до нервюри 6, або ж до конструктивних опор на частинах обшивки крила.In fig. 1 presents the mechanism of the active vortex generator. It consists of a fixed body 1, a nitinol spring with shape memory 2, inside which a ceramic heating element 3 is placed, a moving part of the body 4, and a fin-shaped vortex generator 5. The vortex generator can be placed inside the wing and be attached to the rib 6 , or to structural supports on parts of the wing skin.

На фіг. 2 представлений кінематично активний вихрогенератор у закритому положенні. Під час крейсерського польоту температура навколишнього середовища набагато нижча нуля градусів за Цельсієм, тому генератор вихорів перебуває у закритому положенні з досить сильною самофіксацією у зв'язку зі значним охолодженням пружини.In fig. 2 shows a kinematically active vortex generator in the closed position. During cruise flight, the ambient temperature is much below zero degrees Celsius, so the vortex generator is in a closed position with a fairly strong self-lock due to significant cooling of the spring.

На фіг. З представлено крило літака у поперечному перетині з кінематично активним вихрогенератором у відкритому положенні закріпленим на нервюрі.In fig. C shows an aircraft wing in cross-section with a kinematically active vortex generator in the open position attached to a rib.

Під час знаходження літака на стоянці, та безпосередньо перед польотом температура обшивки може змінюватись в залежності від сонячної активності та температури повітря. У країнах з помірним, субарктичним, та полярним кліматом перед польотом для приведення вихрогенератора в робочій стан потрібно витрачати додаткову енергію, та нагрівати нітинолову пружину, при субтропічному, та більш теплому кліматі генератор може змінювати свій стан з закритого у відкрите положення самостійно і споживатиме мінімум енергії при експлуатації.While the aircraft is in the parking lot and immediately before the flight, the skin temperature may change depending on solar activity and air temperature. In countries with a temperate, subarctic, and polar climate, before the flight, additional energy must be spent to bring the vortex generator into working condition, and the nitinol spring must be heated, in subtropical and warmer climates, the generator can change its state from the closed to the open position independently and will consume a minimum of energy during operation.

Генератор працює наступним чином. Перед зльотом літака, за необхідності, нітинолову пружину у актуаторі розігрівають за допомогою керамічного нагрівача до температури вище 40 градусів за Цельсієм. Пружина зі смарт-матеріалу приймає форму, що закладена у його пам'яті в процесі загартування, і актуатор виштовхує генератор назовні. Генератор потрапляє до потоку повітря, створює навколо себе керований вихор, який покращує обтікання крила на великих кутах атаки, коли підвищується ризик зриву потоку.The generator works as follows. Before the aircraft takes off, if necessary, the nitinol spring in the actuator is heated with the help of a ceramic heater to a temperature above 40 degrees Celsius. A spring made of smart material takes the form stored in its memory during the hardening process, and the actuator pushes the generator outward. The generator enters the air flow, creates a controlled vortex around itself, which improves the flow around the wing at high angles of attack, when the risk of stalling increases.

Подібні пристрої розмішують і на інших частинах обшивки літака і використовують на більшості сучасних комерційних літаків. Вони можуть бути встановлені як на верхній поверхні передньої кромки крила, так і на задній кромці перед керуючими поверхнями, на нижній поверхні стабілізатора, мотогондолах, носовій та задній частині фюзеляжу.Similar devices are also used on other parts of the aircraft skin and are used on most modern commercial aircraft. They can be installed both on the upper surface of the leading edge of the wing, and on the trailing edge in front of the control surfaces, on the lower surface of the stabilizer, nacelles, nose and rear of the fuselage.

Кінематично активний вихрогенератор дозволяє суттєво покращити аеродинамічні характеристики літальних апаратів, внаслідок чого збільшується практичний запас до звалювання і знижується вимога до мінімальної швидкості польоту, що є особливо важливим під час посадки літака. Механізм призначений для застосування в авіації.A kinematically active vortex generator allows you to significantly improve the aerodynamic characteristics of aircraft, as a result of which the practical margin before stalling increases and the requirement for the minimum flight speed is reduced, which is especially important during the landing of the aircraft. The mechanism is intended for use in aviation.

Claims

UTILITY MODEL FORMULA A kinematically active vortex generator with a linear actuator comprising a fixed body, an aerodynamic panel extending transversely to the flow and generating vortices, and an actuated actuator located inside the wing, which differs in that a kinematic scheme with a linear actuator is introduced, in which the drive in the form of a nitinol spring made of smart material with shape memory, a heater is inserted inside the spring and it activates when heated to more than 40 degrees Celsius, and the aerodynamic panel, which extends transversely to the flow, has a fin-like shape. ше ях х « Ши ше че нщ х и Кк

Fig. 1