САМОЛЕТ С ВЫСОКИМ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ КАЧЕСТВОМ

Область техники
Полезная модель относится к авиации, более конкретно, к конструктивным и аэродинамическим элементам летательных аппаратов тяжелее воздуха, и может быть использована в конструкции пассажирских, транспортных самолетов для повышения их аэродинамического качества и, как следствие, - повышение транспортной эффективности.
Уровень техники
Известны самолеты схемы «утка», содержащие фюзеляж, крыло, силовую установку, вертикальное оперение, систему управления, шасси и несущее переднее горизонтальное оперение (ПГО), позволяющее улучшить аэродинамические характеристики.
Первым реактивным самолетом схемы «утка», производящимся серийно, стал шведский сверхзвуковой истребитель SAAB AJ-37 «Вигген» (1967 г.). Самолет оснащен ПГО большой площади, создающим значительную подъемную силу. При этом, крыло выполнено с элевонами (для продольного и поперечного управления), а ПГО установлено в непосредственной близости от передней кромки крыла и снабжено закрылками для увеличения подъемной силы при взлете и посадке.
Такое выполнение самолета позволило получить хорошие взлетно-посадочные характеристики - эксплуатацию его с
предельно коротких площадок, а также взлета с автострад. (См. Д.А.Соболев. Самолеты особых схем, М., «Машиностроение», 1989 г. стр.133, 134.)
Дальнейшим развитием схемы «утка» явились самолеты: JAS-39 «Грипен» (Швеция), «Рафаил» (Франция), ЕАР (Великобритания) - 1986-1987 гг. и др., реализовавшие преимущества использования ПГО на маневренных статически неустойчивых самолетах. При этом использование ПГО характеризовалось следующими особенностями:
- «Рафаил» - снабжен поворотным ПГО и оборудован цифровой системой активного управления, обеспечивающей эксплуатацию статически неустойчивого аппарата [1]; ПГО и др. рули (предкрылки, элевоны и руль направления) управляются от четырехканальной электрической системы дистанционного управления (ЭДСУ), работающей в автоматическом и директорном режимах и позволяющей реализовать автоматическое отклонение рулевых поверхностей при выполнении эволюции с целью повышения маневренности самолета, а также обеспечить непосредственное управление подъемной силой [2];
- «Грипен» - снабжен системой искусственной устойчивости, а ПГО - цельноповоротное [1];
- ЕАР - управление осуществляется с помощью четырехканальной цифровой системой ЭДСУ, обеспечивающей автоматическое отклонение ПГО, носков и флаперонов в зависимости от скорости полета и угла атаки с целью достижения максимального аэродинамического качества при маневрировании и минимального аэродинамического сопротивления при прямолинейном полете [2].
(См. [1] - Д.А.Соболев. Самолеты особых схем. М., «Машиностроение», 1989 г. стр.134-136;
[2]. П.Бауэрс. Летательные аппараты нетрадиционных схем. М., «Мир», 1991 г., стр.29-31.)
Вышеназванные самолеты - это высокоманевренные военные самолеты. Их опыт постройки и эксплуатации свидетельствует, что использование ПГО с новыми системами управления позволяет значительно улучшить характеристики самолета: аэродинамическое качество, взлетно-посадочные и др. характеристики. К их недостаткам можно отнести то, что выполненные с крыльями малого удлинения, они теряют в аэродинамическом качестве из-за потерь, вызванных крыльевыми концевыми вихрями.
В настоящее время отсутствуют пассажирские самолеты с ПГО, хотя существует потребность улучшения и их характеристик для повышения транспортной эффективности.
Известен «Самолет с фиксированным крылом и тандемными стабилизирующими поверхностями» фирмы Эрбас (Франция), содержащий фюзеляж, крыло, силовую установку, несущее переднее горизонтальное оперение (ПГО), хвостовое горизонтальное оперение (ГО), вертикальное оперение, систему управления и шасси. При этом система управления обеспечивает установление рулей ПГО и ГО в оптимальное положение в соответствии с режимом полета. (См. патент США №4598888, В64С 13/16, 1986 г.).
Однако, фирма Эрбас, проведя исследования, установила, что «...третья несущая поверхность (т.е. ПГО) позволила бы создать статически неустойчивый пассажирский самолет. Тем не менее, работы над этой компоновкой в последнее время замедлились, так как не было выявлено какого-либо
значительного ее преимущества....» (Т.И.ЦАГИ. Выпуск 1-2, 2001 г., стр.64.)
Более того, существует нормативное требование, устанавливающее наличие запаса продольной статической устойчивости у пассажирских самолетов при отказе автоматических систем обеспечения устойчивости.
Сущность полезной модели.
Задачей полезной модели является разработка аэродинамической схемы такого пассажирского (транспортного) самолета, который имел бы высокое аэродинамическое качество при обеспечении статической продольной устойчивости, позволяющее значительно повысить транспортную эффективность самолета обычной конструкции.
Кроме того, самолет должен быть оснащен системой управления обеспечивающей его безопасную эксплуатацию.
Поставленная задача достигается тем, что в самолете, содержащем фюзеляж, крыло, силовую установку, несущее переднее горизонтальное оперение, вертикальное оперение, систему управления и шасси, крыло по своим концам снабжено цилиндрическими законцовками, вырабатывающими из набегающего потока вихревые потоки противоположные по направлению вращения, возникающим концевым крыльевым вихрям.
Кроме того, в самолете ПГО шарнирно установлено вокруг оси, направленной вдоль его размаха и выполнено самоустанавливающимся на заданный угол атаки.
Возможно выполнение ПГО с системой управления, снабженной демпфером продольных колебаний самолета, работающим параллельно и независимо от летчика, или с
приводом переднего горизонтального оперения выполненным электрогидравлическим с электрической системой дистанционного управления (ЭДСУ), выполненной с автоматом балансировки и устойчивости.
Благодаря такому выполнению обеспечиваются хорошие взлетно-посадочные характеристики заявляемого самолета при высоком аэродинамическом качестве.
Перечень фигур на чертежах.
3
4
Полезная модель поясняется чертежом, на котором показан общий вид самолета, выполненного в соответствии с полезной моделью, при виде / спереди.
Осуществление полезной модели.
Самолет, выполненный в соответствии с полезной моделью, включает в себя (см. фиг.1) крыло 1, фюзеляж 2, переднее горизонтальное оперение (ПГО) 3, вертикальное хвостовое оперение 4, силовую установку 5, шасси (на черт. не показано).
Самолет выполнен по схеме «низкоплан» и содержит другие известные системы и оборудования, необходимые для выполнения безопасного полета.
Крыло 1 (см. фиг.2) выполнено состоящим из центроплана, скрытого на чертеже зализами крыла 8, правой и левой стреловидных консолей крыла 9, 10, связанных с центропланом.
Правая и левая консоли крыла 9, 10 снабжены элеронами 11, 12 и закрылками 13, 14. Элероны могут быть выполнены «зависающими», выполняющими роль закрылков на этапе
взлета и посадки. Закрылки 13,14 выполнены щелевыми, выдвигающимися на взлете и посадке.
Фюзеляж 2 выполнен герметичным и снабжен кабиной пилотов, пассажирским салоном на верхней палубе и грузовым помещением на нижней палубе.
Вертикальное хвостовое оперение 4 выполнено однокилевым, установлено в хвостовой части фюзеляжа и снабжено рулем направления.
ПГО 3 выполнено в виде двух цельноповоротных правой и левой поверхностей 15, 16, установленных в передней части фюзеляжа 2. Поверхности 15, 16 ПГО выполнены с единым рулевым приводом.
Рулевой привод ПГО может быть выполнен с механической системой управления от штурвала летчика. При этом, ПГО шарнирно установлено вокруг оси, направленной вдоль его размаха и выполнено самоустанавливающимся на заданный угол атаки за счет того, что поверхности 15, 16 снабжены серворулями и выполнены с трубчатыми лонжеронами, концы которых закреплены шарнирно в подшипниковых узлах, установленных в носовой части фюзеляжа, и связаны между собой, а шарнирные тяги серворулей связаны с системой управления.
Поверхности 15, 16 ПГО могут быть выполнены и без серворулей. В этом случае управление цельноповоротных поверхностей ПГО может выполняться с системой управления, снабженной демпфером продольных колебаний, работающего параллельно и независимо от летчика. Принцип работы демпфера колебаний основан на замере угловой скорости вращения самолета в продольной плоскости и отклонении поверхностей ПГО против этого вращения.
Привод поверхностей 15, 16 может быть электрогидравлическим с электрической системой дистанционного управления (ЭДСУ), выполненной с автоматом балансировки и устойчивости, обеспечивающими автоматическую установку ПГО на заданный угол атаки и улучшение продольной устойчивости самолета.
В простейшем варианте (для легких самолетов) поверхности ПГО могут быть выполнены с S-образным профилем, рассчитанным на определенную нагрузку, обеспечивающим балансировку на крейсерском режиме, а сам самолет выполнен с задним горизонтальным оперением, обеспечивающим продольное управление самолетом.
Силовая установка 5 выполнена в виде турбореактивных двигателей, установленных на пилонах в хвостовой части фюзеляжа.
Крыло 1 по своим концам снабжено правой и левой цилиндрическими законцовками 17, 18, установленными на консолях 9,10 и вырабатывающими из набегающего потока вихревые потоки противоположные по направлению вращения, возникающим концевым крыльевым вихрям. Цилиндрические законцовки 17, 18 выполнены в виде пустотелых гондол и совмещенных с ними кожухов, простирающихся вдоль концевой части крыла. Гондола включает воздухозаборник, диффузор с направляющими лопатками на своей поверхности, отклоняющими воздушный поток по его периферии у поверхности диффузора в одном направлении, вызывая закручивание потока и превращение его в вихревой. Направление отклонения направляющих лопаток в правой и левой законцовках выбрано таким, чтобы направление вращения вихревого потока было бы противоположным
направлению вращения возникающих концевых крыльевых вихрей на каждой консоли крыла. На выходе вихревой поток взаимодействует с возникающим концевым вихрем крыла, ослабляя его и улучшая обтекание концевых частей крыла, и повышая аэродинамическое качество крыла и самолета в целом.
Самолет функционирует следующим образом.
При взлете механизация крыла (закрылки, элероны на консолях крыла и закрылки на центроплане), устанавливается во взлетное положение и самолет производит разбег, отрыв и разгон да малой высоте до достижения необходимой скорости полета, после чего производится набор высоты.
Посадка производится следующим образом: самолет производит последовательно снижение, выравнивание и выдерживание, уменьшая скорость, после чего происходит приземление и пробег по ВПП до полной остановки. Снижение, выравнивание и выдерживание производится с механизацией, выпущенной в посадочное положение. При пробеге включается реверс двигателей для уменьшения дистанции пробега.
Применение несущего ПГО вносит существенную добавку в повышение аэродинамического качества самолета на крейсерском режиме полета, создавая необходимую подъемную силу, обусловленную балансировкой. Более того, устраняются балансировочные потери на взлете-посадке.
Использование цилиндрических законцовок на крыле также компенсируют потери качества от невысокого удлинения крыла за счет ослабления концевых вихрей.
Кроме того, за счет системы управления исключаются дестабилизирующие моменты от ПГО и носовой части
фюзеляжа, обеспечивается продольная устойчивость самолета и повышение безопасности в течение всего полета.
Таким образом, обеспечиваются хорошие взлетно-посадочные характеристики заявляемого самолета при его высоком аэродинамическом качестве.