Адаптивное крыло с гибкой бесщелевой механизацией
ADAPTIVE WING WITH FLEXIBLE GAPLESS MECHANIZATION

Изобретение относится к области летательных аппаратов (самолетов, крылатых и оперенных ракет, вертолетов), в частности адаптивных, «умных» элементов их конструкций. Оно связано с совершенствованием методов и средств управления аэродинамическими нагрузками, управления летательным аппаратом, подавления вибраций, снижения шума за счет целесообразного изменения (адаптации) формы летательных аппаратов в полете на разных режимах.
Современные транспортные самолеты близки к аэродинамическому совершенству как с точки зрения выбора их формы в плане, так и используемых аэродинамических профилей. Однако, если не предпринимать специальных мер, это совершенство достигается только на основном заданном (крейсерском) режиме полета. Особое значение приобретает режим взлета-посадки, на котором требуется предельно возможно поднять аэродинамическое качество самолета и минимизировать уровень его шума. Но не менее важно достижение высокой весовой отдачи конструкции, надежности и безопасности полета, в частности, по условиям аэроупругости (реверса органов управления, флаттера) при крейсерской и предельных скоростях полета летательных аппаратов, обеспечиваемое на основе использования концепции активной аэроупругости.
Известен способ управления аэродинамическими характеристиками самолета путем изменения в полете профилей несущей поверхности. Известны также конструкции бесщелевых средств механизации, предназначенных для решения этой задачи и реализации концепции ламинарного крыла. В частности, в европейском проекте SADE 7-й рамочной европейской программы - «Умные» элементы механизации крыла следующего поколения - исследованы возможности способа управления с использованием оригинальных конструкций «умных» элементов механизации, предложенных в ряде стран.
Основной исследованный вариант «локального» управления профилем крыла с помощью показанного на фиг. 1 бесщелевого «умного» носка, предложенного специалистами DLR (Германия), базировался на использовании подкрепленной гибкой обшивки (Monner Н.Р. and Riemcnschneider J. "Morphing high lift structures: Smart leading edge device and smart single slotted flap", Aerodays 2011, 30th March - 1-st April 2011. Madrid, Spain).
В числе исследованных способов «локального» управления профилем на участке носка крыла и закрылка, и устройств для их реализации, в этом проекте были рассмотрены также устройства, базирующиеся на так называемых SDS-конструкциях, или целесообразно деформируемых конструкциях. Каркас соответствующих элементов механизации, например, «умного» носка, состоит из цепочки легко растяжимых, но относительно жестких на изгиб и сдвиг «умных» ячеек, заполняемых эластомером (фиг. 2). Существо этого способа, рассматриваемого в качестве аналога предлагаемому изобретению, представлено в работах: Амирьянц Г.А. "Эластомерная армированная панель". Патент РФ №2070137, 1993; Amiryants G. "Adaptive Selectively Deformable SDS-Structures". Proceedings of 21-th ICAS Congress, Melbourne, 1998.
Характерная особенность способа управления аэродинамическими характеристиками с помощью предложенных «умных» конструкций носка или закрылка состоит в возможности плавного бесщелевого отклонения носка крыла на большие углы. Однако при этом обнаруживается сложность обеспечения формы профиля из-за ограниченных возможностей достижения требуемой жесткости на изгиб цепочки SDS-ячеек. Другой сложностью представляется малые внутренние объемы, затрудняющие размещение силового привода конструкции.
Более близким по конструктивному решению к предлагаемому, рассматриваемому в качестве прототипа, является адаптивное крыло: Г.А. Амирьянц. «Адаптивное крыло». Авторское свидетельство №1762488 от 30 января 1990 г.
Предложенное в этом изобретении адаптивное крыло содержит центральный кессон, деформируемые с помощью силовых приводов секционированные по размаху и образованные отдельными звеньями носовую и хвостовую части, включающие жесткий подвижный каркас с гибкой обшивкой, состыкованной с кессоном и образующей совместно с каркасом аэродинамическую поверхность крыла.
Предложенное в прототипе адаптивное крыло характеризуется тем, что, с целью повышения аэродинамического качества крыла и степени демпфирования колебаний деформируемых частей оно снабжено армированными эластомерными панелями, жестко связанными с каркасом, гибкой обшивкой и кессоном, и размещенными соответственно на участках стыка звеньев и секций носовой и хвостовой частей крыла и участках стыка гибкой обшивки с кессоном.
При этом эластомерные панели, гибкая обшивка и поверхность кессона покрыты монолитно с ними связанной предварительно растянутой эластичной пленкой, а стенки армировки эластомерных панелей расположены по нормали к контуру профиля крыла.
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 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.
Цель изобретения: повышение уровня аэродинамического, весового и экологического совершенства летательных аппаратов.
Техническая задача: целесообразное плавное бесщелевое изменение формы профиля крыла на участках механизации - носовой и хвостовой частях крыла.
Технический результат: улучшение аэродинамических характеристик самолета, минимизация уровня его шума, достижение высокой весовой отдачи конструкции.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что адаптивное крыло с гибкой бесщелевой механизацией, содержит центральный кессон, располагаемые по потоку жесткие поворотные звенья каркасов носовой и хвостовой частей крыла и связанные с ними эластомерные панели, образующие совместно с каркасом и предварительно натянутой эластичной пленкой или растяжимой тканью и кессоном плавно изменяемые обводы аэродинамической поверхности крыла. Каждое из поворотных звеньев каркаса носовой части и хвостовой части крыла состоит из жестких на изгиб и кручение стрингеров, высотой равной местной толщине профиля, опирающихся на шарнирно закрепленные, отклоняемые участки жестких криволинейных силовых нервюр изменяемой геометрии, при этом оси поворота примыкающих друг к другу шарнирно соединенных отклоняемых участков силовых нервюр ориентированы параллельно направлению по размаху соответствующих опорных стрингеров соседнего звена, на которых закреплены шарнирные узлы поворота звеньев. Между опорными стрингерами соседних звеньев расположены эластомерные панели, состоящие из заполненных эластомерным заполнителем SDS-ячеек, центральные элементы которых ориентированы по нормали к оси поворота своего звена и моментно связаны с опорными стрингерами соседних звеньев, образуя единую криволинейную цепочку SDS-ячеек, в которой конец одной SDS-ячейки совпадает с началом другой. Плоскости всех элементов SDS-ячеек: центральных, опорных и периферийных ориентированы нормально к срединной поверхности гибкой бесщелевой механизации. SDS-ячейки имеют разную высоту как вдоль хорды, так и вдоль размаха крыла, воспроизводя тем самым совместно с эластомерным заполнителем аэродинамический профиль крыла на участке гибкой бесщелевой механизации, заниженный на толщину натянутой на каркас эластичной пленки или растяжимой ткани.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также тем, что у этого адаптивного крыла лобовик каркаса носовой части и хвостовик каркаса хвостовой части крыла образованы спрофилированными сообразно профилю крыла опорными стрингерами сплошного сечения, размером по хорде, составляющим не менее 5-10% местной хорды крыла. На участках профиля с местной высотой профиля меньше 5-10% местной хорды, в области лобовика носовой части и хвостовика хвостовой части крыла, эластомерные панели примыкающие к лобовику носовой части и хвостовику хвостовой части крыла имеют высоту, равную местной толщине профиля, а на участках профиля с местной высотой профиля более 5-10% местной хорды, в области кессона крыла, эластомерные панели примыкающие к кессону крыла, выполнены состоящими из двух половин верхней и нижней, с высотой каждой из них не менее 40% местной толщины профиля. Для поворота каждого из звеньев каркаса служит свой силовой привод. Каркас носовой части и каркас хвостовой части крыла жестко связаны с кессоном крыла посредством моментного соединения с передним и задним лонжеронами кессона опорных стрингеров звеньев каркаса носовой части и каркаса хвостовой части крыла, примыкающих к кессону.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируются следующими фигурами.
На фиг. 3 представлена форма адаптивного крыла в плане и сечение А-А этого крыла.
На фиг. 4 показано место Б адаптивного крыла, отмеченное на фиг. 3.
Позиции на фигурах:
1 - кессон;
2 - поворотные звенья каркасов носовой части и хвостовой части крыла;
3 - носовая часть крыла;
4 - хвостовая часть крыла;
5 - эластомерные панели;
6 - SDS-ячейка;
7 - эластичная пленка или растяжимая ткань;
8 - стрингеры;
9 - отклоняемые участки силовых нервюр;
10 - шарнирные узлы поворота звеньев;
11 - центральные элементы SDS-ячеек;
12 - опорные элементы SDS-ячеек;
13 - периферийные элементы SDS-ячеек;
14 - эластомерный заполнитель;
15 - лобовик;
16 - хвостовик;
17 - силовой привод;
18 - передний лонжерон кессона;
19 - задний лонжерон кессона;
Адаптивное крыло с гибкой бесщелевой механизацией (фиг. 3, 4) устроено следующим образом. Оно содержит центральный кессон 1, располагаемые по потоку относительно жесткие поворотные звенья 2 каркаса носовой части крыла 3 и аналогичные звенья 2 каркаса хвостовой части крыла 4. Количество звеньев выбирается в зависимости от размеров крыла, например, в носовой части крыла может быть 2-3 звена, а в хвостовой части крыла может быть 3-4 звена. Для поворота каждого из звеньев каркаса служит свой силовой привод 17. В результате изменяется форма срединной поверхности области механизации крыла.
Каждое из поворотных звеньев 2 состоит из относительно жестких на изгиб и кручение стрингеров 8. Высота каждого стрингера 8 равна местной толщине профиля. А в области лобовика 15 каркаса носовой части и хвостовика 16 каркаса хвостовой части крыла расположены стрингеры 8 сплошного сечения, спрофилированные соответствующим образом, чтобы соответствовать профилю крыла в указанных областях. При этом лобовик крыла занимает обычно от 3 до 10% местной хорды крыла, а хвостовик от 5 до 10% местной хорды крыла. Стрингеры 8 опираются на концы шарнирно закрепленных, отклоняемых участков жестких криволинейных силовых нервюр 9 изменяемой геометрии, которые имеют возможность поворачиваться относительно заданной оси за счет своих конструктивных особенностей. Причем оси поворота примыкающих друг к другу шарнирно соединенных, отклоняемых участков силовых нервюр 9 ориентированы параллельно направлению по размаху соответствующих опорных стрингеров 8 соседнего звена, на которых закреплены шарнирные узлы 10 поворота звеньев 2.
Между опорными стрингерами 8 соседних звеньев расположены эластомерные панели 5, состоящие из SDS-ячеек 6, залитых самовспенивающимся эластомерным заполнителем 14. В качестве эластомерного заполнителя могут быть использованы, например, резиноподобные эластомеры. Центральные элементы SDS-ячеек 11 ориентированы по нормали к оси поворота своего звена и моментно связаны с опорными стрингерами 8 соседних звеньев. Причем место соединения центрального элемента одной ячейки одного звена с опорным стрингером с одной стороны, совпадает с местом соединения центрального элемента другой ячейки соседнего звена с тем же опорным стрингером с другой стороны. Таким образом образуется единая криволинейная цепочка ячеек, в которой конец одной ячейки совпадает с началом другой.
Плоскости таких элементов ячеек как центральные 11, опорные 12 и периферийные 13 ориентированы нормально к срединной поверхности гибкой бесщелевой механизации.
SDS-ячейки 6 имеют разную высоту как вдоль хорды, так и вдоль размаха крыла, воспроизводя совместно с эластомерным заполнителем 14 аэродинамический профиль крыла на участке гибкой бесщелевой механизации, заниженный на толщину предварительно натянутой на каркас эластичной пленки или растяжимой ткани 7. На участках профиля с относительно малой местной высотой профиля (меньше 5-10% местной хорды), вблизи лобовика 15 носовой части крыла 3 и хвостовика 16 хвостовой части крыла 4, эластомерные панели имеют высоту, равную местной толщине профиля, а на участках профиля относительно большой местной высоты профиля (более 5-10% местной хорды), например, примыкающих к кессону крыла, эластомерные панели выполнены состоящими из двух половин верхней и нижней, с высотой каждой из них не менее 40% местной толщины профиля.
Таким образом каркас, состоящий из нервюр и стрингеров, а также связанные с ним эластомерные панели, обтянутый эластичной пленкой или растяжимой тканью 7, образует плавно изменяемые обводы аэродинамической поверхности крыла на участках механизации, носовой и хвостовой частях крыла. При этом каркас носовой части 3 и каркас хвостовой части 4 крыла жестко связаны с кессоном 1 крыла посредством моментного соединения с передним 18 и задним 19 лонжеронами кессона опорных стрингеров звеньев каркаса носовой части 3 и каркаса хвостовой части 4 крыла, примыкающих к кессону.
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 заданной 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 адаптивном крыле, за счет конструктивных особенностей области механизации и использования SDS-структуры, обеспечивается не только бесщелевая конструкция и плавное отклонение поворотных звеньев с изменением кривизны области механизации, что обеспечивает улучшение аэродинамических характеристик самолета и минимизацию уровня его шума, но и достижение высокой весовой отдачи конструкции за счет возможности использования легких композитных материалов при изготовлении ячеек.
Крыло работает следующим образом.
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, передачу их на звенья 2, а также на кессон 1. Размеры панели (длина, ширина, толщина), плотность заполнителя - губчатой резины или иного эластомера, параметры стрингеров, нервюр, всех элементов ячеек выбираются, исходя из следующих основных требований: обеспечения заданной плавности перехода, обеспечения заданной изгибной и сдвиговой жесткости, обеспечения заданной свободы упругих деформаций растяжения-сжатия в плоскости панели, обеспечения заданного демпфирования, достигаемого при трении заполнителя и элементов ячейки и каркаса. Степень предварительного натяжения пленки в исходном состоянии крыла выбирают из следующих условий: сохранения требуемых запасов прочности при дополнительном растяжении пленки, обусловленном деформацией несущей поверхности и сохранения растянутого состояния пленки при сжатии панели. Такой гладкой пленкой целесообразно покрывать по крайней мере всю деформирующуюся часть крыла.
Предлагаемые эластомерные панели, 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.