МЕХАНИЗАЦИЯ КРЫЛА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Область техники.
Полезная модель относится к авиационной и космической технике и касается механизации крыла летательного аппарата, например интерцептора, который служит для уменьшения подъемной силы крыла летательного аппарата, а также является органом поперечной управляемости самолета. Полезная модель может быть использована в пассажирских и транспортных самолетах, в многоразовых космических системах при выполнении узла механизации крыла из полимерного композиционного материала (ПКМ).
Уровень техники
За последние десятилетия значительно возросло использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе высокопрочного искусственно волокна для изготовления конструкций летательных аппаратов. Снижение массы, получаемое благодаря использованию ПКМ вместо металлических материалов, стало одним из основных факторов, обусловивших их использование. Полимерные композиционные материалы обладают высокими удельными статическими и динамическими характеристиками, сочетающимися с высокой коррозионной стойкостью. Низкая скорость распространения трещин (в том числе усталостных), высокая вязкость разрушения, ударо- и вибропрочность позволяют применить ПКМ, в том числе в конструкциях узлов механизации крыла летательных аппаратов.
При анализе уровня техники рассматривались конструкции узлов механизации крыла летательного аппарата, выполненные из полимерных композиционных материалов.
Известен узел механизации крыла летательного аппарата, в частности интерцептора, содержащий верхнюю и нижнюю обшивки с кронштейнами навески на проксимальной (ближайшей) по отношению к кронштейнам части узла механизации крыла. Обшивки расположены под острым углом друг к другу и соединены в дистальной (удаленной) части узла механизации одна с другой по кромке, проходящей через вершину острого угла. Пространство в растворе угла, образованного обшивками, разделено продольными по отношению к указанной кромке лонжеронными стенками на отсеки. Обшивки и лонжеронные стенки интерцептора выполнены из полимерного композиционного материала (см. http://www.mempct.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=39&Itemid=25). Основными и общими недостатками большинства известных конструкций (в том числе и конструкции, указанной выше) является отсутствие разработок, учитывающих наиболее слабые (т.е. наиболее уязвимые) с точки зрения прочности участки узла механизации крыла, находящиеся в зонах размещения кронштейнов навески. Эти зоны требуют значительного усиления в силу того, что именно на них приходится максимальная нагрузка, передаваемая на узел механизации крыла. Этот недостаток является существенным препятствием для широкого внедрения элементов механизации крыла из полимерных композиционных материалов.
Известна принятая в качестве ближайшего аналога к заявляемому техническому решению конструкция узла механизации крыла - интерцептора из ПКМ, в которой для устранения указанного недостатка и, как следствие, для повышения эффективности работы предусмотрено усиление тех участков, на которые передается основная нагрузка от кронштейнов навески. Узел механизации крыла содержит верхнюю и нижнюю обшивки, которые расположены под острым углом друг к другу, и кронштейны навески на проксимальной периферийной части элемента. Обшивки соединены в дистальной части узла механизации крыла одна с другой по кромке, проходящей через вершину острого угла. Пространство в растворе угла, образованного обшивками, разделено продольными по отношению к указанной кромке лонжеронными стенками на отсеки. Зона кронштейнов навески упрочнена элементами жесткости, каждый из которых проходит в поперечном направлении от кронштейна навески и через два прилегающих к нему отсека, пересекая лонжеронные стенки этих отсеков. Обшивки и лонжеронные стенки выполнены из полимерного композиционного материала (http://www.test.helirussia.ru/assets/files/ru/2013/delovaya_programma/knitu_kai.pdf). Конструктивное выполнение используемых в известном техническом решении средств упрочнения имеет следующие недостатки. Элементы жесткости охватывают, как в поперечном, так и в продольном направлениях, только небольшую область в зоне кронштейнов навески, что не позволяет обеспечить достаточно высокую прочность узла механизации крыла в целом. С точки зрения технологии изготовления конструкция средств упрочнения является сложной. Взаимное пересечение элементов жесткости и стенок отсеков узла механизации крыла отрицательно сказывается на прочностных характеристиках этого узла.
Сущность полезной модели
Задачей полезной модели является получение высокопрочной конструкции узла механизации крыла летательного аппарата из полимерного композиционного материала путем создания элементов жесткости без разрезания и перестыковки продольных лонжеронных стенок.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в повышении эксплуатационной надежности узла механизации крыла летательного аппарата за счет повышения его удельной прочности, жесткости и устойчивости при работе в условиях сложного нагружения путем упрочнения зоны размещения кронштейнов навески узла механизации, а также в снижении его массы с обеспечением при этом его технологичности с точки зрения конструктивного выполнения и технологии производства.
Для достижения указанного технического результата предлагается узел механизации крыла летательного аппарата, содержащий верхнюю и нижнюю обшивки из полимерного композиционного материала и кронштейны навески. Верхняя и нижняя обшивки расположены под острым углом друг к другу и соединены в дистальной (удаленной) относительно узлов крепления узла механизации крыла периферийной части одна с другой по кромке, проходящей через вершину острого угла. Кронштейны навески смонтированы на проксимальной (ближайшей) относительно узлов крепления периферийной части узла механизации. Пространство в растворе угла, образованного обшивками, разделено на отсеки продольными по отношению к указанной кромке лонжеронными стенками из полимерного композиционного материала. Согласно полезной модели верхняя и нижняя обшивки имеют с внутренней стороны в зоне установки кронштейнов навески, поперечные относительно указанной кромки местные утолщения, образованные за счет выкладки с внутренней стороны обшивок в этой зоне дополнительных слоев из полимерного композиционного материала.
Важной особенностью технического решения является то, что местные утолщения отформованы за один цикл формования с остальными элементами узла механизации с образованием единой монолитной конструкции.
Предпочтительно толщина каждого местного утолщения уменьшается от максимальной в проксимальной до минимальной в дистальной относительно кронштейнов навески части.
Предпочтительно также толщина лонжеронных стенок уменьшается от максимальной для стенки, ближайшей к кронштейну навески, до минимальной для стенки, ближайшей к соединительной кромке обшивок.
Используемый полимерный композиционный материал изготовлен на основе углеродного волокна, или стекловолокна, или базальтового волокна.
Предлагаемое технические решение предпочтительно может быть распространено на конструкции таких элементов механизации крыла летательного аппарата, как интерцепторы, элероны, спойлеры, тормозные щитки.
Далее описание узла механизации крыла летательного аппарата, использующего заявляемую полезную модель, показано на примере конструкции интерцептора.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен интерцептор в аксонометрии;
На фиг. 2 - вид снаружи на верхнюю обшивку интерцептора;
На фиг. 3 - вид снаружи на нижнюю обшивку интерцептора (повернуто);
На фиг. 4 - поперечное сечение интерцептора;
На фиг. 5 - поперечное сечение интерцептора с показом слоев углеткани, из которых сформированы элементы интерцептора;
На фиг. 6 - фрагмент поперечного сечения интерцептора с показом слоев углеткани, из которых сформированы элементы интерцептора;
На фиг. 7 - сечение по А-А на фиг. 4.
Осуществление полезной модели.
Узел механизации, например интерцептор, образован верхней 1 и нижней 2 обшивками, расположенными под острым углом а друг к другу. Крепление интерцептора на крыле летательного аппарата осуществляется посредством кронштейнов навески 3 и 4, смонтированных на проксимальной (ближайшей к узлу крепления интерцептора на крыле летательного аппарата) периферийной части 5 интерцептора. Кронштейны навески выполнены из металла или из полимерного композиционного материала.
Обшивки 1 и 2 соединены одна с другой в дистальной (удаленной от узла крепления интерцептора на крыле летательного аппарата) периферийной части 6 интерцептора по кромке 7, которая проходит через вершину острого угла а. Пространство 8 в растворе этого угла разделено лонжеронными стенками 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f на отсеки 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f. Стенки 9a-9f и соответственно отсеки 10a-10f ориентированы вдоль кромки 7, соединяющей обшивки 1 и 2.
Обшивки 1 и 2 и лонжеронные стенки 9a-9f выполнены из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, или стекловолокна, или базальтового волокна. Предпочтительным является выполнение обшивок 1, 2 и лонжеронных стенок 9a-9f из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна.
Особенностью предлагаемого узла механизации крыла летательного аппарата является оснащение его элементами жесткости - местными утолщениями (далее - усилительными поясами), количество которых соответствует числу кронштейнов навески. На конкретном примере интерцептора при наличии двух кронштейнов навески 3 и 4 предусмотрено два усилительных пояса 11 и 12 с внутренней стороны верхней обшивки 1 и два усилительных пояса 13 и 14 с внутренней стороны нижней обшивки 2.
1
2
Для верхней обшивки 1: площадь S (заштриховано на фиг. 2) усилительного пояса 11 охватывает зону, которая простирается от кронштейна навески 3 в поперечном направлении и до кромки 7. Площадь S (заштриховано на фиг. 2) усилительного пояса 12 охватывает зону, которая простирается от кронштейна навески 4 в поперечном направлении до кромки 7. Внешняя граница 15 усилительного пояса 11 и внешняя граница 16 усилительного пояса 12 находятся на определенном расстоянии соответственно от боковых кромок 17 и 18 верхней обшивки 1. Внутренние границы 19 и 20 соответственно усилительных поясов 11 и 12 отстоят друг от друга на определенном расстоянии.
3
4
Аналогично для нижней обшивки 2: площадь S (заштриховано на фиг. 3) усилительного пояса 13 охватывает зону, которая простирается от кронштейна навески 3 в поперечном направлении и до кромки 7. Площадь S (заштриховано на фиг. 3) усилительного пояса 14 охватывает зону, которая простирается от кронштейна навески 4 в поперечном направлении до кромки 7. Внешняя граница 21 усилительного пояса 13 и внешняя граница 22 усилительного пояса 14 находятся на определенном расстоянии соответственно от боковых кромок 23 и 24 нижней обшивки 2. Внутренние границы 25 и 26 соответственно усилительных поясов 13 и 14 отстоят друг от друга на определенном расстоянии.
1
2
3
4
Указанные площади S, S, S, S включают не только полосы поверхностей обшивок, находящиеся непосредственно за кронштейнами навески, но и области обшивок, прилегающие к ним с обеих сторон.
Наличие определенных расстояний (между внешними границами 15, 16, 21, 22 площадей и боковыми кромками 17, 18, 23, 24 и между внутренними границами 19, 20, 25, 26 площадей), определяющих размеры площадей усиления, указывает на то, что усилительные пояса охватывают не всю поверхность верхней и нижней обшивок, а наиболее уязвимые части (участки) обшивок, которые подвержены воздействию момента силы от кронштейнов навески, т.е. находятся в зонах максимальных нагрузок, создаваемых от кронштейнов навески. На участках обшивок интерцептора, не испытывающих большое воздействие нагрузок со стороны кронштейнов навески, усиления предлагается не предусматривать, что позволяет уменьшить массу узла механизации крыла летательного аппарата, в частности интерцептора. Таким образом, суммарно усилительные пояса покрывают не всю внутреннюю поверхность каждой из обшивок, а только ее часть.
1
2
3
4
Каждый усилительный пояс 11, 12, 13, 14 образован за счет утолщения обшивки в зоне, охватываемой усилением. Фактически, такое утолщение является частью тела обшивки и предусматривается при изготовлении обшивок интерцептора из полимерного композиционного материала в специальной оснастке для формования. Как видно на фиг. 4, 5, толщина участков интерцептора, имеющих усиление, непостоянна. Эта толщина плавно изменяется от максимального значения H в зоне непосредственной близости к кронштейнам навески 3, 4, где обшивки 1, 2 испытывают максимальные нагрузки, до минимального значения H в зоне отсека 10f, где действие нагрузок минимально. Толщина Н усилительных поясов в центральной части между парой лонжеронных стенок каждого отсека имеет меньшее значение по сравнению с толщиной H частей, которые прилегают к лонжеронным стенкам. Это обусловлено тем, что в зоне этих частей происходит формирование участков скрепления лонжеронных стенок 9a-9f с обшивками.
Толщина лонжеронных стенок 9a-9f изменяется от максимального значения для стенки 9а, находящейся в непосредственной близости к кронштейнам навески 3 и 4, и до минимального значения для стенки 9f, наиболее удаленной от кронштейнов навески.
При изготовлении узла механизации – интерцептора - предварительно осуществляют раскрой полотен ПКМ (предпочтительно, углеткани) с использованием шаблонов и механизированных раскройных инструментов. Для формирования интерцептора используют специальную формообразующую оснастку, выполненную из верхней и нижней полуформ. Подготавливают к установке в оснастку формообразующие дорны из жесткого материала (преимущественно, металла), форма поперечного сечения каждого их которых соответствует форме поперечного сечения соответствующего отсека 10a-10f интерцептора. Формируют на каждом дорне герметичную оболочку из эластичного материала, охватывающую дорн по всей наружной поверхности. В результате дорн оказывается герметично замкнутым внутри оболочки из эластичного материала. В качестве герметичной оболочки, в которую заключен дорн, используют гибкую тонкую пленку, обладающую свойствами эластичной мембраны. На внутреннюю поверхность нижней полуформы укладывают нижние слои ПКМ (углеткани), формируя нижнюю обшивку необходимой толщины. В зонах размещения усилительных поясов укладывают дополнительные слои ПКМ (углеткани). На выложенные слои устанавливают параллельно друг другу дорны с охватывающими их оболочками. Стыкуют соседние дорны друг с другом, формируя, таким образом, заготовки лонжеронных стенок 9a 9f интерцептора. При поднятой в нерабочее положение верхней полуформе оснастки выкладывают на поверхности дорнов необходимое количество верхних слоев ПКМ (углеткани), формируя верхнюю обшивку необходимой толщины. В зонах размещения усилительных поясов укладывают дополнительные слои ПКМ (углеткани). Опускают верхнюю полуформу в рабочее положение до упора ее в верхние слои углеткани. Замыкают верхнюю и нижнюю полуформы в герметичную форму. В оснастку подают связующее и помещают ее в термопечь. Формование изделия происходит при нагреве до температуры, обеспечивающей достижение требуемой при формовании величины вязкости полимерного связующего. Во время нагрева создают избыточное давление на формуемые слои через оболочки, охватывающие дорны. Под действием давления со стороны эластичных оболочек на слои углеткани происходит необходимое равномерное уплотнение слоев по всему объему. Очень важной особенностью является то, что поперечные местные утолщения (усилительные пояса 11, 12, 13, 14) отформованы за один цикл формования с остальными элементами интерцептора с образованием единой монолитной конструкции. Извлечение из оснастки полученного в результате формования отвержденного изделия-интерцептора производят после охлаждения оснастки до температуры не более 50°C. Для удаления дорнов из отвержденной заготовки используют специальные приспособления. На готовом изделии закрепляют кронштейны навески 3, 4.