Активная законцовка крыла
ACTIVE WING TIP

Изобретение относится к области летательных аппаратов (самолетов, крылатых ракет). Оно направлено на повышение аэродинамического качества, снижение расхода топлива и уровня шума, а также повышение эффективности управления летательных аппаратов и решение проблемы реверса органов управления, управления аэродинамическими нагрузками, подавления вибраций, обусловленных полетом в неспокойной атмосфере, подавления флаттера. Таким образом, изобретение имеет своими целями повышение надежности, безопасности, уровня экологического совершенства и как итог - повышение конкурентоспособности перспективных летательных аппаратов.
Известна полезная модель «Законцовка крыла самолета» RU 21578 U1, 27.01.2002. В указанном решении законцовка крыла самолета, содержит концевой участок в виде отклоняемых и шарнирно закрепленных перьев, при этом перьевая часть выполнена стреловидной, а, по крайней мере, одно перо установлено на шаровом шарнире.
Недостатком данной законцовки является наличие щели между основным крылом и отклоняемой законцовкой.
Известно изобретение, «Законцовка крыла (варианты)» патент RU 2655571 С1, 28.05.2018. В этом изобретении (фиг. 1а), рассматриваемом как прототип предлагаемого, достижение по крайней мере части тех же целей обеспечивается, в частности, тем, что используется известная наклонная законцовка крыла, представляющая собой продолжение основного крыла в виде горизонтального крылышка большого удлинения. Ее отличительная особенность заключается в том, что законцовка имеет угол положительной стреловидности, превышающий угол стреловидности основного крыла не менее, чем на 15 градусов. Эта законцовка, базирующаяся на использовании упругости конструкции и реализующая концепцию активной аэроупругости, выполнена в виде выносной рулевой цельноповоротной поверхности с возможностью изменения ее угла атаки в зависимости от потребного момента крена, распределения изгибающего момента по размаху крыла, уровня вибраций, числа М и скоростного напора.
В другом варианте (фиг. 1б) используется наклонная законцовка крыла, отличающаяся тем, что она имеет отрицательный угол стреловидности по абсолютной величине не более 60 градусов, при этом она выполнена в виде выносной рулевой цельноповоротной поверхности с возможностью изменения ее угла атаки в зависимости от числа М и скоростного напора.
Достоинством этой законцовки, эффективно реализующей концепцию активной аэроупругости, представляется высокая эффективность управления летательным аппаратом, управления аэродинамическими нагрузками, уровнем вибраций.
Недостатком известной активной законцовки крыла представляется наличие щели при ее отклонении. Как и наличие таких щелей у традиционных элеронов и рулей, это вызывает, в частности, нежелательное повышение уровня шума в кабине и на местности, а также снижение эффективности органов управления.
Известна разработанная фирмой FlexSys Inc. технология Flex Foil, устраняющая этого недостаток благодаря использованию бесщелевого соединения отклоняемой кромки крыла (фиг. 2), служащего переходным гибким элементом между отклоняемой кромкой и неподвижной частью крыла (www.flexsys.com).
По данным фирмы FlexSys Inc., главное достоинство такого бесщелевого гибкого соединения состоит в том, что оно позволяет снизить расход топлива на 3-12%, а уровень шума на 40%.
Недостатком технологии Flex Foil представляется отсутствие сведений о реализующей ее конструкции, но, как видно на фиг. 2, она предполагает сохранение прямолинейности задней кромки соединения при отклонении отклоняемой кромки крыла. Это ограничение, как усложняющее конструкцию гибкого бесщелевого соединения отклоняемой законцовки, нежелательно.
Известно изобретение А.с. №1762488, 30.01.1990, в котором рассматривается конструкция бесщелевого соединения деформируемых (отклоняемых) с помощью силовых приводов элементов многозвенного жесткого каркаса носовой и хвостовой частей крыла, а также гибкой обшивки.
Эластомерные панели, имея конечные и регулируемые значения изгибной жесткости, жесткости растяжения-сжатия, а также конечную и достаточно большую жесткость на сдвиг, обеспечивают восприятие местных аэродинамических и массово-инерционных нагрузок. Тем самым обеспечивается плавное изменение кривизны обтекаемой потоком поверхности на «переходных» участках между соседними зонами -соседними как по хорде, так и по размаху.
Недостатком данного аналога представляется сложность конструкции, обусловленная наличием гибкой обшивки, способной деформироваться только как цилиндрическая поверхность. Она обусловлена также малыми объемами крыла, что затрудняет возможность использования традиционных силовых приводов.
Перспективность предлагаемого технического решения состоит в том, что в отличие от прототипа оно может быть применено на гибком бесщелевом соединении отклоняемой законцовки с крылом весьма простой конструкции, деформируемом по произвольному закону.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения уровня экологического совершенства, надежности, безопасности и как итог -повышения конкурентоспособности перспективных летательных аппаратов.
Технический результат заключается в снижении уровня шума и повышении аэродинамического качества, повышении весовой отдачи конструкции и безопасности полета, в частности, за счет повышения эффективности органов управления на основе реализации концепции активной аэроупругости.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются благодаря следующему.
Предлагаемая активная законцовка крыла включает вал отклоняемой законцовки, заделанный в крыле и отклоняемый приводом, каркас из SDS-ячеек и силовых нервюр с эластомерным заполнителем и приклеенную к нему сверху и снизу ткань, образующие профиль крыла на участке гибкого бесщелевого соединения между торцами крыла и законцовки, расположенными параллельно вектору скорости набегающего потока. SDS-ячейка состоит из центральных, опорных и периферийных элементов. Каркас выполнен из двух частей, передней по набегающему потоку, располагаемой перед валом и задней по набегающему потоку, располагаемой позади вала, а силовые нервюры в месте стыковки в области вала связаны накладками сверху и снизу.
Каждая часть каркаса из SDS-ячеек и силовых нервюр представляет собой расположенные последовательно, вдоль набегающего потока, цепочки SDS-ячеек, оси которых ориентированы параллельно оси поворота вала отклоняемой законцовки, направление которой нормально вектору скорости набегающего потока, а крайние слева и справа центральные элементы в цепочке SDS-ячеек закреплены шарнирно-моментно с одной стороны на торцевой нервюре, жестко связанной с торцом концевой неподвижной части крыла, а с другой стороны так же закреплены шарнирно-моментно на торцевой нервюре, жестко связанной с торцом отклоняемой законцовки крыла.
Плоскости всех стенок элементов SDS-ячеек: центральных, опорных и периферийных расположены нормально к срединной поверхности участка гибкого бесщелевого соединения. SDS-ячейки с эластомерным заполнителем имеют разную высоту, воспроизводя вместе с нервюрами каркаса аэродинамический профиль крыла на участке гибкого бесщелевого соединения его с отклоняемой законцовкой, заниженный на толщину приклеиваемой к ним сверху и снизу ткани, причем лобовик на участке гибкого бесщелевого соединения образован первыми по набегающему потоку периферийными элементами SDS-ячеек каркаса, имеющими форму профиля лобовика крыла, а хвостовик на участке гибкого бесщелевого соединения образован последними по набегающему потоку периферийными элементами SDS-ячеек каркаса, имеющими форму профиля хвостовика крыла. Аэродинамический профиль на участке гибкого бесщелевого соединения в области расположения вала отклоняемой законцовки, образован периферийными элементами SDS-ячеек каркаса, прилегающими к валу и имеющими форму, охватывающую с минимальным зазором спереди и сзади, сверху и снизу вал отклоняемой законцовки.
В случае, если число SDS-ячеек в цепочках каркаса больше одной, между каждыми из двух соседних SDS-ячеек в цепочке, по нормали к оси поворота вала законцовки, расположена промежуточная силовая нервюра каркаса того же профиля, что и соседние SDS-ячейки и с тем же направлением стенки, что и у опорных плоскостей элементов SDS-ячеек, выполненная из двух частей, передней и задней, и охватывающая в месте стыковки в области вала, с минимальным зазором спереди и сзади, сверху и снизу вал, при этом передняя и задняя части промежуточной силовой нервюры связаны сверху и снизу разъемными накладками. А с центральными элементами SDS-ячеек нервюра связана моментно.
Жесткие лобовик и хвостовик торцевых и промежуточных силовых нервюр, примыкают к жестким лобовику и хвостовику соседних SDS-ячеек каркаса с зазором, равным не менее 5% местной толщины профиля.
Шарнирно-моментное закрепление центральных элементов SDS-ячеек с торцевыми нервюрами выполнено в виде пластинчатого крестообразного упругого шарнира, стенки которого подбираются из условия, что максимальный угол поворота центрального элемента SDS-ячейки не превышает 30% максимального угла отклонения законцовки.
Ткань, образующая внешнюю часть профиля на участке гибкого бесщелевого соединения, выполнена с минимальным модулем упругости в направлении, параллельном осям цепочек SDS-ячеек и максимальным модулем упругости в направлении, нормальном к ним.
Центральные элементы SDS-ячеек в зоне вне опорных элементов SDS-ячеек выполнены с уменьшенной в 2-3 раза по сравнению с зоной между опорными элементами SDS-ячеек крутильной жесткостью, обеспечивающей свободу поворота SDS-ячеек относительно их продольной оси.
Каркас из SDS-ячеек и силовых нервюр изготовлен с заданными геометрическими и жесткостными характеристиками методом быстрого 3-D прототипирования или методом объемного плетения, управляемого компьютером ткацкого производства.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется фиг. 3-8.
На фиг. 3 схематически показано гибкое бесщелевое соединение отклоняемой законцовки крыла с концевой частью крыла (каркас без эластомерного покрытия соединения).
На фиг. 4 представлено в увеличенном масштабе место А схемы на фиг. 3.
На фиг. 5 показано сечение Б-Б соединения.
На фиг. 6 показано сечение В-В соединения.
На фиг. 7 схематически показано в изометрии гибкое бесщелевое соединение отклоняемой законцовки крыла с концевой частью крыла без эластомерного покрытия.
На фиг. 8 схематически показано в изометрии гибкое бесщелевое соединение отклоняемой законцовки крыла с концевой частью крыла с эластомерным покрытием.
Позиции на фигурах:
1 - отклоняемая законцовка крыла;
2 - концевая неподвижная часть крыла;
3 - каркас гибкого бесщелевого соединения;
4 - SDS-ячейки;
5 - эластомерный заполнитель;
6 - ткань;
7 - цепочки SDS-ячеек;
8 - вал отклоняемой законцовки;
9 - центральные элементы SDS-ячеек;
10 - опорные элементы SDS-ячеек;
11 - периферийные элементы SDS-ячеек;
12 - торцевая нервюра, примыкающая к неподвижной части крыла;
13 - торцевая нервюра, примыкающая к отклоняемой законцовке крыла;
14 - лобовик профиля (носок гибкого бесщелевого соединения);
14.1 - периферийные элементы 11 SDS-ячеек 4 каркаса 3, образующие лобовик профиля;
14.2 - жесткий лобовик промежуточной силовой нервюры 17 каркаса 3;
15 - хвостовик профиля;
15.1 - периферийные элементы 11 SDS-ячеек 4 каркаса 3, образующие хвостовик профиля;
15.2 - жесткий хвостовик промежуточной силовой нервюры 17 каркаса 3;
16 - привод вала отклоняемой законцовки;
17 - промежуточная силовая нервюра;
18 -разъемные накладки;
19 - пластинчатый крестообразный упругий шарнир;
20 - стенки шарнира.
В предложенном устройстве последовательно, вдоль набегающего потока расположены цепочки 7 SDS-ячеек 4 каркаса 3, состоящие из по меньшей мере одной SDS-ячейки 4. Оси SDS-ячеек 4 ориентированы параллельно оси поворота вала 8 законцовки 1, направление которой примерно нормально вектору скорости набегающего потока. При этом осью SDS-ячейки 4 является прямая, проходящая по центральному элементу 9 SDS-ячейки. Плоскости всех стенок элементов SDS-ячеек 4: центральных 9, опорных 10 и периферийных 11 расположены нормально к срединной поверхности участка гибкого бесщелевого соединения.
Крайние в цепочке 7 (слева и справа) центральные элементы 9 SDS-ячеек 4 каркаса 3 закреплены шарнирно-моментно с одной стороны на торцевой нервюре 12 каркаса 3, примыкающей к торцу концевой неподвижной части крыла 2, а с другой так же закреплены шарнирно-моментно на торцевой нервюре 13, примыкающей к торцу отклоняемой законцовки 1 крыла. Торцы эти расположены примерно параллельно вектору скорости набегающего потока.
SDS-ячейки 4 с эластомерным заполнителем 5 имеют разную высоту, воспроизводя вместе с нервюрами 12 и 13 каркаса 3 аэродинамический профиль крыла на участке гибкого бесщелевого соединения его с отклоняемой законцовкой 1, заниженный на толщину приклеиваемой к ним сверху и снизу ткани 6.
Лобовик профиля 14 (носок гибкого бесщелевого соединения) образован имеющими форму профиля лобовика первыми (по набегающему потоку) периферийными элементами 11 SDS-ячеек 4 каркаса 3 (обозначены поз. 14.1), а хвостовик профиля 15 последними (по набегающему потоку) периферийными элементами 11 SDS-ячеек 4 каркаса 3 (обозначены поз. 15.1), имеющими форму профиля хвостовой части каркаса 3 участка гибкого бесщелевого соединения.
Аэродинамический профиль в районе расположения вала 8 отклоняемой законцовки 1, заделанного в крыле 2 и отклоняемого приводом 16, образован периферийными элементами 11 SDS-ячеек 4 каркаса 3, прилежащих к валу 8 и охватывающих с минимальным зазором спереди и сзади, сверху и снизу вал 8 отклоняемой законцовки 1.
Если число SDS-ячеек 4 в цепочках 7 каркаса 3 больше одной, между SDS-ячейками 4, примерно по нормали к оси поворота вала 8 отклоняемой законцовки 1, расположена промежуточная силовая нервюра 17 каркаса 3 того же профиля, что и соседние SDS-ячейки 4 и с тем же направлением стенки, что и у плоскостей опорных элементов 10 SDS-ячеек. Эта нервюра 17 охватывает с минимальным зазором спереди и сзади, сверху и снизу вал 8 и служит его опорой, а также имеет жесткие лобовик 14.2 и хвостовик 15.2, примыкающие с зазором, равным не менее 5% местной толщины профиля к жестким лобовику 14.1 и хвостовику 15.2 соседних SDS-ячеек 4 каркаса 3. Лобовик 14.1 и хвостовик 15.1 SDS-ячеек 4, примыкающих к торцевым нервюрам 12 и 13 имеют такой же зазор с торцевыми нервюрами 12 и 13.
Шарнирно-моментное закрепление центральных элементов 9 SDS-ячеек 4 с торцевыми 12 и 13 нервюрами выполнено в виде пластинчатого крестообразного упругого шарнира 19. Стенки 20 шарнира подбираются из условия, что максимальный угол поворота центрального элемента 9 не превышает 30% максимального угла отклонения законцовки 1.
Ткань 6, образующая внешнюю часть профиля выполнена с минимальным модулем упругости в направлении, параллельном осям цепочек 7 SDS-ячеек 4 и максимальным в направлении, нормальном к ним.
Центральные элементы 9 SDS-ячеек 4 в зоне вне опорных элементов 10 SDS-ячеек 4 выполнены тонкостенными, с уменьшенной в 2-3 раза по сравнению с зоной между опорными элементами 10 SDS-ячеек 4 крутильной жесткостью, что обеспечивает свободу поворота SDS-ячеек 4 относительно их продольной оси.
Изготавливают гибкое бесщелевое соединение из двух частей каркаса 3 - передней, располагаемой перед валом и задней, располагаемой позади вала. Передние и задние части торцевых нервюр 12 и 13 каркаса 3 жестко связаны с торцами крыла 2 и законцовки 1. Между собой передние и задние части торцевых 12 и 13, а также промежуточных 17 нервюр связаны в районе вала 8 накладками 18 сверху и снизу. Центральные элементы 9 SDS-ячеек 4 связаны с торцевыми нервюрами 12 и 13 шарнирно-моментно, а с промежуточными 17 нервюрами моментно. Внутреннее пространство передней и задней частей каркаса 3 гибкого бесщелевого соединения заполнено эластомерным заполнителем 5. К верхней и нижней поверхностям каркаса 3 гибкого бесщелевого соединения, включающего нервюры 12, 13, 17, лобовик 14, хвостовик 15, SDS-ячейки 4 и эластомерный заполнитель 5, приклеена ткань 6.
Каркас 3 из SDS-ячеек 4 и силовых нервюр 12, 13, 17 изготовлен с заданными геометрическими и жесткостными характеристиками методом быстрого 3-D прототипирования или методом объемного плетения, управляемого компьютером ткацкого производства.
Положенные в основу изобретения SDS-ячейки представляют собой селективно деформируемые структуры (selectively deformable structures -SDS), подробно описанные в работе Amiryants G. "Adaptive Selectively Deformable SDS-Structures". Proceedings of 21-th ICAS Congress, Melbourne, 1998. В основе этих структур - элементарная ячейка, которая имеет минимальную жесткость при растяжении и сжатии в одном направлении (вдоль оси ячейки) при заданных изгибной жесткости, жесткости на кручение и сдвиг, жесткости на растяжение-сжатие во всех остальных направлениях. Это свойство SDS-структуры обусловлено оригинальной конструкцией ячейки, рациональным выбором ее параметров, материалом (например, композитным) и технологией производства. Например, методом быстрого 3-D прототипирования или методом объемного плетения, управляемого компьютером ткацкого производства. Определенные соединения таких ячеек, распределенных по некоторым цепочкам хорды профиля и размаха крыла, позволяют создать гибкую конструкцию, способную принимать требуемую форму аэродинамического крыла с помощью силовых приводов и сохранять эту форму под действием аэродинамических и массово-инерционных сил. А заполнение ячеек эластомерным заполнителем позволяет воспринимать и передавать на каркас SDS-структуры аэродинамические и другие нагрузки.
В результате в предложенном варианте конструкции активной бесщелевой законцовки крыла, за счет конструктивных особенностей участка гибкого бесщелевого соединения законцовки с крылом и использования SDS-структуры, обеспечивается не только бесщелевая конструкция и плавное отклонение законцовки с изменением угла атаки, что обеспечивает снижение уровня шума и повышение аэродинамического качества и безопасности полета, в частности, за счет повышения эффективности органов управления, но и достижение высокой весовой отдачи конструкции за счет перераспределения аэродинамических нагрузок по размаху крыла и снижения изгибающих моментов. А также возможности использования легких композитных материалов при изготовлении ячеек.
Законцовка работает следующим образом.
Посредством силового привода вал вращается и отклоняет законцовку крыла, изменяя тем самым угол атаки закоцовки, что приводит к возможности изменения подъемной силы и, соответственно, индуктивного сопротивления, что является важным при различных режимах полета. Таким образом крыло обладает более широким диапазоном скоростей высокого аэродинамического качества.
Эластомерная конструкция участка гибкого бесщелевого соединения законцовки с крылом, имея конечные (и регулируемые) значения изгибной жесткости, жесткости растяжения-сжатия, а также конечную и достаточно большую жесткость на сдвиг - обеспечивают восприятие местных аэродинамических и массово-инерционных нагрузок и передачу их на законцовку и крыло. Размеры участка гибкого бесщелевого соединения законцовки с крылом (длина, ширина, толщина), плотность заполнителя, например губчатой резины или иного эластомера, параметры нервюр и всех элементов SDS-ячеек, а также количество SDS-ячеек в цепочке, выбираются в зависимости от размеров крыла самолета и исходя из следующих основных требований: обеспечения заданной плавности перехода от основного крыла к законцовке, обеспечения заданной изгибной и сдвиговой жесткости, обеспечения заданной свободы упругих деформаций растяжения-сжатия на участке гибкого бесщелевого соединения законцовки с крылом, обеспечения заданного демпфирования, достигаемого при трении заполнителя и элементов ячейки и каркаса. Степень предварительного натяжения ткани в исходном состоянии крыла выбирают из следующих условий: сохранения требуемых запасов прочности при дополнительном растяжении и сжатии ткани, обусловленном деформацией при отклонении законцовки.
Предлагаемые SDS-структуры, легко растяжимые и сжимаемые в своей плоскости, но имеющие конечную жесткость на сдвиг и изгиб, могут использоваться не только в области летательных аппаратов (самолетов, крылатых и оперенных ракет, вертолетов), в качестве адаптивных элементов их конструкций, но и в конструкциях, начиная от гладкого браслета часов, до универсального трансформируемого обтекателя трайлера, грузового автомобиля, от элементов антиобледенительных устройств до трансформируемых медицинских и иных кроватей, кресел, от гибких непрерывных и используемых переходов между жесткими вагонами поездов до складных надувных элементов космических станций.