Руль аэродинамической поверхности летательного аппарата
THE RUDDER OF THE AERODYNAMIC SURFACE OF THE AIRCRAFT

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности, к органам управления полетом летательных аппаратов.
Основными параметрами рулей, используемых для управления полетом летательных аппаратов, являются эффективность, определяемая приращением коэффициентов моментов при полном отклонении рулей от нейтрального положения, и шарнирный момент, то есть момент относительно оси вращения руля, возникающий из-за воздействия на руль воздушного потока (см. Микеладзе В.Г., Титов В.М. Основные геометрические и аэродинамические характеристики самолетов и ракет. Справочник. М., Машиностроение, 1982, с. 136 и 126). Увеличение эффективности рулей приводит к улучшению управляемости летательного аппарата, а уменьшение шарнирного момента к уменьшению веса конструкции и мощности бустеров (приводов) рулей (бустер и бустерное управление - см. Энциклопедия Авиация. М., Большая Российская Энциклопедия, 1994, с. 124). В системах управления полетом летательных аппаратов широко применяются рычажные передачи (см. Рощин Е.И., Самойлов Е.А., Алексеева Н.А. и др. Детали машин и основы конструирования. Учебник для вузов. М., Дрофа, 2006, с. 202-212), отличающиеся простотой конструкции и более высоким КПД по сравнению с зубчатыми передачами. Управляющие поверхности летательного аппарата, в частности рули, соединяются с другими частями конструкции летательного аппарата при помощи узлов навески (см. Войт Е.С., Ендогур А.И. и др. Проектирование конструкций самолетов. Учебник для вузов. М., Машиностроение, 1987, с. 71).
Известен руль управления полетом летательных аппаратов, состоящий из одной подвижной поверхности, установленной в хвостовой части аэродинамической поверхности (см. Энциклопедия Авиация. М., Большая Российская Энциклопедия, 1994, с. 490), для уменьшения шарнирного момента которого может использоваться осевая компенсация, представляющая собой часть руля, расположенную впереди его оси вращения вдоль всего размаха руля (см. Энциклопедия Авиация. М., Большая Российская Энциклопедия, 1994, с. 76).
Недостатком такого руля является его небольшая эффективность.
Высокая эффективность особенно важна для рулей направления самолетов с двигателями, расположенными на консолях крыла, при несимметричном отказе двигателей. В этом случае для безопасного завершения полета высокая эффективность руля направления необходима для парирования большого момента рыскания.
Известен руль с двумя звеньями, имеющими общую ось вращения (патент РФ №2593178, МПК В64С, 2016 г.).
Недостатком данного руля является его небольшая эффективность.
Известен руль высокой эффективности при небольших шарнирных моментах с двумя звеньями, имеющими общую ось вращения (патент РФ №2637150, МПК В64С, 2017 г.).
Недостатком данного руля является ограничение на соосность звеньев руля и невозможность использования кинематических связей, в частности рычажных передач, основанных на разнице в положении осей вращения звеньев руля. Кроме того, из-за соосности звеньев руля невозможно использовать в кинематических связях простые одноступенчатые зубчатые передачи. Ограничение на соосность звеньев руля при использовании передач с зубчатыми колесами приводит к необходимости использования многоступенчатых цилиндрических зубчатых передач (см. Рощин Е.И., Самойлов Е.А., Алексеева Н.А. и др. Детали машин и основы конструирования. Учебник для вузов. М., Дрофа, 2006, с. 107-146), либо конструктивно сложных планетарных редукторов с большим числом зацеплений зубчатых колес (см. Рощин Е.И., Самойлов Е.А., Алексеева Н.А. и др. Детали машин и основы конструирования. Учебник для вузов. М., Дрофа, 2006, с. 156-166).
По техническим признакам прототипом предлагаемого руля является руль высокой эффективности, состоящий из переднего и заднего звеньев с несовпадающими осями вращения, с кинематической связью для синхронизации однонаправленного поворота звеньев (см. патент РФ №2492109, фиг. 7, МПК В64С, 2008 г.).
Недостатком данного руля является большой шарнирный момент.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка аэродинамического руля высокой эффективности при небольшой мощности привода руля или при безбустерном управлении, с возможностью использования кинематических связей, основанных на разнице в положении осей вращения звеньев руля.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что аэродинамический руль, состоящий из переднего и заднего звеньев с несовпадающими осями вращения, с кинематической связью для синхронизации однонаправленного поворота звеньев, выполнен с осями вращения обоих звеньев, расположенными на аэродинамической поверхности, с задним звеном с осевой компенсацией, с профилированной щелью между передним и задним звеньями руля, с осью вращения переднего звена, расположенной позади указанной щели.
На фиг. 1 представлен профиль сечения предлагаемого руля в нейтральном (неотклоненном) положении.
В предлагаемом руле ось вращения заднего звена может быть расположена не только позади оси вращения переднего звена.
На фиг. 2 представлен профиль сечения предлагаемого руля в отклоненном положении в варианте, когда ось вращения переднего звена расположена перед осью вращения заднего звена.
На фиг. 3 представлен профиль сечения предлагаемого руля в отклоненном положении в варианте, когда ось вращения переднего звена расположена за осью вращения заднего звена.
На фиг. 4 и 5 схематически показаны возможные кинематические связи перемещений звеньев предлагаемого руля на основе рычажных передач.
На фиг. 6 схематически показана одноступенчатая зубчатая передача, связывающая перемещения звеньев руля.
Руль (фиг. 1, 2, 3), состоящий из переднего 1 и заднего 2 звеньев, установлен в хвостовой части аэродинамической поверхности 3. Переднее звено руля 1 имеет ось вращения 4, а заднее звено руля 2 имеет ось вращения 5. Через оси вращения звеньев руля проходит условная прямая линия 6 - линия нейтральных положений. Примеры схем кинематических связей в виде рычажных передач включают тягу 7, шарнирно соединяющую звенья руля (фиг. 4 и 5). Звенья руля 1 и 2 соединены с аэродинамической поверхностью, а также с тягой 7, посредством узлов навески (на фигурах не показано).
Руль функционирует следующим образом.
При отклонении заднего звена 2 относительно оси вращения 5 переднее звено 1 отклоняется относительно своей оси 4.
Между перемещением 8 переднего звена 1 из нейтрального положения 6 в положение 9 и перемещением 10 заднего звена 2 из нейтрального положения 6 в положение 11 могут вводиться кинематические связи, примеры которых в виде рычажных передач схематически показаны на фиг. 4 и 5. Тяга 7 напрямую связывает перемещение переднего звена 1, к которому она присоединена шарниром 12, с перемещением заднего звена 2, к которому она присоединена шарниром 13.
При использовании одноступенчатой зубчатой передачи (фиг. 6) перемещение 8 переднего звена в положение 9 связано с перемещением 10 заднего звена в положение 11 посредством закрепленного на переднем звене зубчатого колеса с внутренним зацеплением 14 и закрепленного на заднем звене зубчатого колеса с внешним зацеплением 15.
Таким образом, самый простой вариант кинематической связи состоит из одной тяги, соединяющей звенья руля, а при использовании зубчатых передач достаточно ограничиться одной ступенью простой зубчатой передачи.
Рассмотренные варианты кинематических связей согласно расчетам способствуют уменьшению шарнирного момента на оснащенном приводом звене руля в несколько раз, по сравнению с шарнирным моментом, подсчитанным отдельно для оснащенного приводом звена без учета кинематических связей с другим звеном руля, тогда как для прототипа кинематическая связь звеньев руля приводит к росту шарнирного момента на оснащенном приводом звене.