СКЛАДЫВАЕМАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ПОВЕРХНОСТЬ
FOLDED AERODYNAMIC SURFACE

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике и может быть использовано для установки складывающихся аэродинамических поверхностей в летательных аппаратах, стартующих из ограниченного объема носителя при высоких аэродинамических нагрузках, где минимальные габариты и масса имеют приоритетное значение.
Известна конструкция складываемой аэродинамической поверхности [патент RU №2338663, В64С 3/56, В64С 9/34, F42B 10/20, 20.11.2008 г.], которая содержит основание (неподвижную часть) и шарнирно соединенную с ним лопасть (поворотную часть), толкатель, и винтовой преобразователь поступательного движения толкателя во вращательное движение лопасти, включающий два цилиндра с винтовыми поверхностями и взаимодействующий с ними рабочий элемент. Цилиндры расположены последовательно соосно, при этом один из цилиндров соединен с основанием, а другой - с лопастью, причем второй цилиндр имеет винтовые поверхности другого направления, чем винтовые поверхности первого цилиндра. Винтовые поверхности каждого цилиндра образованы боковыми поверхностями винтовых пазов, выполненных на диаметрально противоположных сторонах обечаек цилиндров. Рабочим элементом в данном устройстве являются пальцы, установленные на толкателе и взаимодействующие с винтовыми поверхностями цилиндров через сферические втулки.
Данное устройство имеет простое конструктивное исполнение.
Однако недостатком является недостаточная надежность эксплуатации устройства. В процессе эксплуатации на опорных участках крепления пальцев на толкателе (в связи с их малым диаметром и тем, что контакт пальцев с поверхностью толкателя происходит по линии), возникают критические напряжения, которые могут вызвать разрушение пальцев (срез их с поверхности толкателя), что особенно вероятно при больших аэродинамических нагрузках и больших углах раскладывания. Тем самым снижается конструктивная надежность механизма раскрытия, что может привести к нестабильному раскрытию аэродинамической поверхности, особенно под воздействием сильных аэродинамических возмущений. Площадь контакта пальцев с винтовыми прорезями цилиндров невелика, что значительно снижает несущую способность передачи. Кроме того, пазы на внутренних поверхностях обечаек цилиндров по прототипу могут быть выполнены сквозными (на всю толщину обечаек), что при необходимости создания большого угла раскладывания (135°) снижает жесткость конструкции.
Известна складываемая аэродинамическая поверхность [патент RU 2492412, МПК F42B 10/14, В64С 3/56, В64С 5/12, В64С 9/34, опуб. 10.09.2013 г], принятая за прототип, содержащая основание и шарнирно соединенную с ним поворотную лопасть, два соосных цилиндра, один из которых соединен с основанием, а второй - с лопастью, расположенные соосно оси складывания и с возможностью контакта скользящий внутри первого цилиндра поршень-толкатель и винтовой шток, концами входящий во внутренние полости цилиндров. При этом второй цилиндр имеет винтовые пазы другого направления, чем винтовые пазы первого цилиндра, а шлицы винтового штока, взаимодействующие с пазами цилиндров, меняют в средней части штока свое направление с одного на другое, ответное винтовым пазам цилиндров. В известном устройстве шток одним концом жестко соединен с толкателем (при помощи резьбы), а другим - введен во второй цилиндр.
Данное устройство компактно и может использоваться в условиях больших углов раскладывания.
Однако недостатком прототипа является недостаточная надежность эксплуатации устройства в условиях больших аэродинамических нагрузок. При жестком соединении толкателя со штоком в условиях больших аэродинамических нагрузок, больших углах раскладывания и высокого давления в полости первого цилиндра может произойти «проворот» поршня-толкателя относительно зеркала цилиндра, в результате чего возможно разрушение уплотнения, что приведет к разгерметизации полости цилиндра и лопасти не раскроются. Кроме того, в данном устройстве не предусмотрена фиксация аэродинамической поверхности после раскрытия, что отрицательно сказывается на надежности эксплуатации аэродинамической поверхности.
Задачей изобретения является повышение надежности эксплуатации и безотказности работы складываемой аэродинамической поверхности в условиях сильных аэродинамических возмущений при достижении оптимальных габаритно-массовых характеристик.
Техническим результатом, который может быть получен от реализации предлагаемого изобретения, является обеспечение надежного, плавного, без заклинивания раскрытия аэродинамической поверхности, а также ее надежной фиксации в разложенном положении в условиях сильных аэродинамических возмущений при достижении оптимальных габаритно-массовых характеристик.
Технический результат достигается тем, что складываемая аэродинамическая поверхность, содержащая основание и шарнирно соединенную с ним поворотную лопасть, расположенные соосно оси складывания два цилиндра и взаимодействующие между собой поршень-толкатель, скользящий внутри первого цилиндра, и винтовой шток, концами входящий во внутренние полости цилиндров, один из которых соединен с основанием, а второй - с лопастью, при этом второй цилиндр имеет винтовые пазы другого направления, чем винтовые пазы первого цилиндра, а шлицы винтового штока, взаимодействующие с пазами цилиндров, меняют в средней части штока свое направление с одного на другое, ответное винтовым пазам цилиндров, согласно изобретения во второй цилиндр введен соосно штоку и взаимодействующий с ним дополнительный поршень с дросселем, причем взаимодействующие поверхности концов штока с поршнями выполнены в виде плоскосферического сопряжения, при этом сферическая поверхность выполнена на концах штока или на торцах поршней, между винтовыми поверхностями штока и охватывающими их винтовыми поверхностями цилиндров имеется зазор, причем первый цилиндр снаружи снабжен кольцевым выступом, образующая поверхность которого имеет форму спирали Архимеда, при этом в лопасти перпендикулярно оси складывания выполнено глухое отверстие, в котором установлен подпружиненный клиновой фиксатор, входящий при полном раскладывании лопасти в выполненный в кольцевом выступе клиновой паз.
Введение во второй цилиндр соосно штоку и взаимодействующего с ним дополнительного поршня с дросселем, позволяет создать гидравлический демпфер, оказывающий сопротивление поршню-толкателю и противодействие движению штока при раскрытии лопасти, создавая условия плавного раскрытия лопасти.
Выполнение взаимодействующих поверхностей концов штока, с поршнями в виде плоско-сферического сопряжения, при этом сферическая поверхность выполнена на концах штока или на торцах поршней дает возможность осуществить взаимодействие штока с поршнями через «подпятник» - «упорный подшипник» (сфера-плоскость), используемый для восприятия преобладающих осевых нагрузок и для фиксации осевого положения движущихся узлов. При этом осуществляется передача линейного перемещения штоку при снижении трения в месте контакта, так как площадка контакта очень мала, то скорость относительного движения в пятне контакта незначительна. Исключается «проворот» поршней относительно зеркала цилиндров и повреждение уплотнения в них, а также исключается перекос и заклинивание поршней, что положительно сказывается на надежности механизма раскрытия устройства.
Наличие зазора между винтовыми поверхностями штока и охватывающими их винтовыми поверхностями цилиндров обеспечивает центрирование штока и равномерное распределение нагрузки на каждую контактирующую поверхность винтового соединения штока с цилиндрами, компенсируя погрешность изготовления элементов конструкции и исключая заклинивание штока в условиях сильных аэродинамических возмущений.
Наличие снаружи первого цилиндра кольцевого выступа (кулачка), образующая поверхность которого имеет форму спирали Архимеда, при этом в лопасти перпендикулярно оси складывания выполнено глухое отверстие, в котором установлен подпружиненный клиновой фиксатор, входящий при полном раскладывании лопасти в выполненный в кольцевом выступе клиновой паз, дает возможность осуществить равномерно-поступательное движение клинового фиксатора по равномерно-вращающемуся кулачку. Указанная форма выполнения кулачка позволяет осуществить равномерность сжатия пружины и плавное вхождение фиксатора в клиновой паз в конце подъема спирали. А имеющийся гидравлический демпфер при большой угловой скорости раскрытия обеспечивает ее погашение при постановке лопасти на фиксатор, снижает ударную нагрузку и повышает надежность фиксации аэродинамической поверхности после раскрытия. В итоге достигается плавное раскрытие лопасти и надежная фиксация аэродинамической поверхности в разложенном положении в условиях сильных аэродинамических возмущений при достижении оптимальных габаритно-массовых характеристик, что дает возможность летательному аппарату сразу стабилизироваться после отделения его от носителя.
Для уменьшения продольных габаритов механизма раскрытия поршни могут иметь в месте контакта со штоком продольные выступы со сферическими поверхностями на конце, входящие в выполненные на концах штока соответствующие указанным выступам осевые углубления с плоским дном.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия создания складываемой аэродинамической поверхности с надежной эксплуатацией (надежностью раскрытия аэродинамической поверхности и обеспечением надежной фиксации аэродинамической поверхности в разложенном положении) и безотказности работы в условиях мощного набегающего потока при достижении оптимальных габаритно-массовых характеристик.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 представлен общий вид складываемой аэродинамической поверхности с осевым разрезом в сложенном положении лопасти;
на фиг. 2 представлен разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 представлен общий вид складываемой аэродинамической поверхности с осевым разрезом в раскрытом положении лопасти;
на фиг. 4 представлено сечение Б-Б на фиг. 3;
на фиг. 5 представлен разрез В-В на фиг. 3.
Устройство выполнено следующим образом.
Предлагаемая складываемая аэродинамическая поверхность (фиг. 1-5) содержит основание 1 и шарнирно соединенную с ним поворотную лопасть 2, два соосных цилиндра 3, 4: один - рабочий цилиндр 3 соединен с основанием 1, а второй цилиндр 4 - с лопастью 2, и винтовой шток 5, входящий концами в полости цилиндров 3, 4. При этом в полости рабочего цилиндра 3 скользит поршень-толкатель 6, а в цилиндр 4 встроен гидравлический демпфер с поршнем 7 и дросселем 8. Поршни 6, 7 установлены соосно штоку 5 и контактируют с его концами 9. Взаимодействующие поверхности концов штока 5 с поршнями 6, 7 выполнены в виде плоско-сферического сопряжения: при выполнении на концах 9 штока 5 контактной выпуклой сферической поверхности, контактная поверхность поршней 6, 7 выполняется плоской. И наоборот, возможен вариант выполнения контактной выпуклой сферической поверхности на торцах поршней 6, 7 при, соответственно, выполнении концов 9 - плоскими. Т.е. осуществляется взаимодействие контактирующих элементов через подпятник (сфера-плоскость). Наличие такого взаимодействия обеспечивает передачу линейного перемещения (осевых нагрузок) без «проворота», при минимальных потерях на трение, сохраняя целость уплотнений в цилиндрах 3, 4. Цилиндры 3, 4 имеют винтовые пазы 10, 11 левого и правого направления соответственно. Шток 5 имеет три захода 12 левой и правой нарезки, в средней части штока 5 меняющие свое направление с одного на другое, ответное винтовым пазам 10, 11, образуя подвижные винтовые шлицевые соединения. Между винтовыми поверхностями штока 5 и охватывающими их винтовыми поверхностями цилиндров 3, 4 имеется зазор Δ. Величина зазора Δ=0,2-0,3 мм определяется условием исключения контакта штока 5 с любыми другими поверхностями цилиндров 3, 4, кроме шести контактирующих боковых винтовых (рабочих) поверхностей. Таким образом, обеспечивается равномерное распределение нагрузки на каждую контактирующую винтовую поверхность соединения штока 5 с цилиндрами 3, 4. В результате этого повышается нагрузочная способность механизма раскрытия. Рабочий цилиндр 3 снаружи снабжен кольцевым выступом 13 (кулачком), образующая поверхность которого имеет форму спирали Архимеда. При этом в лопасти 2 перпендикулярно оси складывания выполнено глухое отверстие 14, в котором установлен приводимый в действие пружиной 15 клиновой фиксатор 16, входящий при полном раскладывании лопасти 2 в выполненный в кольцевом выступе 13 ответный клину фиксатора 16 клиновой паз 17.
Для уменьшения продольных габаритов механизма раскрытия поршни 6, 7 могут иметь в месте контакта со штоком 5 продольные выступы со сферическими поверхностями на конце, входящие в выполненные на концах штока 5 соответствующие указанным выступам осевые углубления с плоским дном. Возможен обратный вариант, когда выступы выполнены на штоке 5, а ответные осевые отверстия - на торцах поршней 6, 7.
Устройство работает следующим образом
С целью исключения ослабления при длительном хранении в сложенном состоянии лопасти 2 пружина 15, находящаяся в отверстии 14, разжата. При срабатывании силового привода (не показано) создается давление (газа или жидкости) в полости рабочего цилиндра 3, под действием которого поршень 6 давит на конец штока 5, выдвигая его из цилиндра 3. И за счет взаимодействия контактирующих поверхностей («сфера-плоскость») поршня 6 и конца 9 штока 5 обеспечивается передача линейного перемещения (осевых нагрузок) без «проворота» относительно цилиндра 3 при минимальных потерях на трение, сохраняя целость уплотнений в нем. Шток 5 поворачивается относительно цилиндра 3 за счет подвижного винтового соединения. При этом другой конец штока 5, перемещаясь в цилиндре 4, поворачивает его вместе с лопастью 2 в том же направлении и на такой же угол за счет подвижного винтового соединения противоположного направления. Таким образом, происходит раскрытие аэродинамической поверхности. В процессе раскрытия в указанных винтовых соединениях контактируют по три боковых поверхности, которые лишают шток 5 шести степеней свободы, обеспечивая центрирование штока 5 в пазах 10, 11 цилиндров 3, 4 по трем боковым поверхностям. В результате обеспечивается равномерное распределение нагрузки на все контактирующие поверхности винтового соединения, компенсируется погрешность изготовления элементов конструкции, и исключается заклинивание. Этим обеспечивается надежное раскрытие механизма в условиях сильных аэродинамических возмущений и повышается его нагрузочная способность. Во время раскрытия лопасти 2 фиксатор 16 скользит по поверхности кулачка 13, а пружина 15 в отверстии 14 сжимается (взводится). В тоже время шток 5 толкает поршень 7 через контактирующие поверхности «сфера-плоскость», обеспечивая передачу линейного перемещения (осевых нагрузок) без «проворота» относительно цилиндра 4 при минимальных потерях на трение, сохраняя целость уплотнений в нем. При этом поршень 7, перемещаясь, выдавливает жидкость через отверстие малого диаметра дросселя 8 гидравлического демпфера. Скорость раскрытия регулируется изменением диаметра дроссельного отверстия. Сопротивление при истечении жидкости через малое отверстие создает противодействующее давление в полости В цилиндра 4, тем самым снижая скорость движения штока 5. В результате, снижается ударная нагрузка на фиксатор 16 при остановке лопасти 2 в раскрытом положении. Причем учитывается, что время раскрытия должно быть минимальным, чтобы обеспечить стабилизацию летательного аппарата сразу после отделения его от носителя. С другой стороны, время нахождения фиксатора 16 над клиновым пазом 17 должно быть достаточным для его вхождения под действием пружины 15 в клиновой паз 17. Движение фиксатора 16 при этом происходит по кулачку 13, имеющему по образующей поверхности форму спирали Архимеда, что обеспечивает равномерность сжатия пружины 15 и плавность работы фиксатора 16. В момент прохождения фиксатора 16 над клиновым пазом 17 под действием пружины 15 фиксатор 16 плавно входит в паз 17. Лопасть 2 надежно фиксируется в раскрытом положении. Фиксатор 16 имеет ограничитель 18, определяющий угловое положение его клина относительно клинового паза 17. Процесс раскрытия и фиксации лопасти 2 завершен.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при ее осуществлении, предназначено для установки складывающихся аэродинамических поверхностей в летательных аппаратах, стартующих из ограниченного объема носителя при высоких аэродинамических нагрузках;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно повысить надежность эксплуатации и безотказности работы в условиях сильных аэродинамических возмущений при сохранении оптимальных габаритно-массовых характеристик;
- для заявленного устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленная складываемая аэродинамическая поверхность соответствует условию «промышленная применимость».