НЕСУЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ВОЗДУШНОГО СУДНА И ВОЗДУШНОЕ СУДНО
LIFTING PLANE OF AIRCRAFT AND AIRCRAFT

Настоящее изобретение относится к несущей поверхности, такой как крыло, горизонтальное хвостовое оперение (HTP) или вертикальное хвостовое оперение (VTP), причем устройство передней кромки используют для содействия формированию безотрывного вихря при больших углах атаки, где всегда существует потребность в дополнительной подъемной силе.
Подъемную силу несущей поверхности воздушного судна (ВС) выбирают как компромисс между разными требованиями. Обычно, увеличение подъемной силы увеличивает лобовое сопротивление, что ухудшает летные качества во время крейсерского участка полета. Серийные воздушные суда оптимизируют в отношении скорости и эффективности во время крейсерского участка полета, поскольку именно на прохождение этого участка воздушного судна затрачивает очень большую часть своего времени полета.
Для обеспечения увеличения коэффициента подъемной силы аэродинамических поверхностей, в предшествующем уровне техники хорошо известны устройства повышения подъемной силы, и они традиционно используются в крыльях. Существуют многие разные типы устройств повышения подъемной силы, которые используются сами по себе или в комбинации с другими устройствами и, в общем, либо модифицируют внешнюю форму профиля, либо управляют пограничным слоем для задержки отделения и, следовательно, срыва потока.
Устройства повышения подъемной силы добавляют подъемную силу при взлете и посадке, уменьшая расстояние и скорость, требуемые для безопасного приземления воздушного судна, и позволяя использовать более эффективное крыло в полете.
Подъемная сила, развиваемая несущей поверхностью, увеличивается, когда увеличивается угол атаки, до тех пор, пока угол атаки не достигнет критического значения, за пределами которого создаются срывы потока. Срыв потока происходит, когда крыло достигает такого большого угла атаки, что на поверхности крыла развивается противоположный градиент давления. Этот противоположный градиент давления затем вынуждает воздушный поток отделиться от поверхности. Это отделение потока приводит к быстрой потере подъемной силы, и воздушное судно может стать неуправляемым.
Таким образом, устройства повышения подъемной силы обеспечивают при необходимости увеличение максимальной подъемной силы, главным образом, при взлете или посадке.
Конкретным типом устройства повышения подъемной силы является щель/выемка передней кромки. Она относительно широко стала применяться после появления сверхзвуковых боевых воздушных судов, особенно таких воздушных судов, которые характеризуются треугольной формой крыла в плане. Треугольные крылья являются логичным выбором для сверхзвукового полета, поскольку они объединяют преимущества низкого волнового сопротивления в крейсерском полете и высокую дозвуковую маневренность благодаря вихревой подъемной силе. Такие крылья, однако, испытывают нестабильное резкое изменение тангажа вследствие комбинации малого относительного удлинения и большого угла стреловидности.
Предыдущий опыт ранних сверхзвуковых боевых воздушных судов подтвердил эффективность выемок или щелей передней кромки как средства управления обтеканием по размаху крыла на формах крыла с большим углом стреловидности в плане. Гребни со щелями, в частности, являются относительно простым способом устранения таких продольных нестабильностей в очень тонких сверхзвуковых крыльях при низких скоростях. Существующая литература документирует размещение одной, двух, трех или более щелей при разных положениях по размаху и длинах щелей. Дополнительно к решению проблем продольной стабильности, потенциальное уменьшение лобового сопротивления наблюдается при больших углах атаки, но увеличиваются потери из-за лобового сопротивления при малых углах атаки. Это является более очевидным, когда используется более трех щелей. Это вероятно обусловлено давлениями на вертикальные поверхности щелей, обращенных к потоку. Пример такого устройства может быть найден на нескольких моделях сверхзвуковых боевых воздушных судов. Некоторые из этих воздушных судов имеют передние кромки, где такие выемки продолжаются, приблизительно, на 7% длины локальной хорды в положении полуразмаха.
Тем не менее, существует один недостаток. Несмотря на достижение более высоких значений момента тангажа, возникновение нестабильности тангажа является более резко выраженным.
Техническая задача, решаемая этим изобретением, состоит в обеспечении устройства для увеличения коэффициента подъемной силы, что, в свою очередь, обеспечивает улучшение управляемости
Настоящее изобретение предлагает выемку или выемки на передней кромке несущей поверхности в оптимальных местах по размаху. Выемка содержит две стенки, выполненные с возможностью быть параллельными направлению набегающего на несущую поверхность потока, и третью стенку, выполненную с возможностью быть обращенной к набегающему на несущую поверхность потоку, когда она находится в полете. Дополнительно, несущая поверхность также содержит втягиваемый покрывающий элемент, такой как кожух или рукав. Выемка и втягиваемый покрывающий элемент сконфигурированы таким образом, что, когда втягиваемый покрывающий элемент не покрывает выемку, упомянутая выемка подвергается воздействию набегающего потока, генерирующего вихрь, который увеличивает подъемную силу несущей поверхности, задерживая срыв потока.
Работа устройства, а именно, нахождение выемки под воздействием набегающего потока, требуется вблизи срыва потока несущей поверхности. В конкретном случае горизонтального стабилизатора, это, вероятно, случится, когда будет иметь место комбинация максимального установочного параметра хвостовой плоскости, угла атаки, и максимального отклонения руля высоты. В случае VTP, это, вероятно, случится, когда будет иметь место комбинация большого бокового скольжения и максимального отклонения руля направления. Во время крейсерского полета или в других условиях с малыми углами атаки, выемку покрывают втягиваемым кожухом, и работа несущей поверхности является идентичной работе общепринятой несущей поверхности, т.е. идентичной работе несущей поверхности без какой-либо выемки в ее передней кромке.
Таким образом, согласно настоящему изобретению, выемка или выемки могут быть покрыты или выставлены под воздействие набегающего потока, посредством втягиваемого кожуха.
Настоящее изобретение обеспечивает средство управления несущей поверхностью посредством активации выемки в ситуациях вблизи срыва потока несущей поверхности, в которых требуется дополнительная подъемная сила, но без каких-либо потерь в аэродинамической конструкции несущей поверхности, поскольку упомянутое устройство позволяет покрыть выемку без модификации профиля передней кромки во время не-работы. А именно, когда выемка покрыта, воздушный поток видит ту же самую обтекаемую форму стандартной несущей поверхности.
Активация втягиваемого кожуха может предписываться вручную посредством активации пилотом, или, в качестве альтернативы, она может быть выполнена автоматически, когда детектируется работа вблизи срыва потока.
Предлагаемое изобретение применяет характеристики упомянутых выемок передней кромки к стандартной работе современных гражданских пассажирских воздушных судов. Акцент делается на его реализации на хвостовом оперении, где устройства повышения подъемной силы являются довольно редкими.
Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создана несущая поверхность воздушного судна, содержащая переднюю кромку и выемку, расположенную в передней кромке, причем выемка содержит две стенки, выполненные с возможностью быть параллельными направлению набегающего на несущую поверхность потока, и третью стенку, выполненную с возможностью быть обращенной к набегающему на несущую поверхность потоку при нахождении в полете, при этом несущая поверхность также содержит втягиваемый покрывающий элемент, причем выемка и втягиваемый покрывающий элемент сконфигурированы таким образом, что, когда втягиваемый покрывающий элемент не покрывает выемку, эта выемка подвергается воздействию набегающего потока, генерирующего вихрь, который увеличивает подъемную силу несущей поверхности, задерживая срыв потока, при этом третья стенка выемки имеет обтекаемую форму, повторяющую вторичную переднюю кромку, подвергаемую воздействию только тогда, когда втягиваемый покрывающий элемент втянут/уложен, отличающаяся тем, что втягиваемый покрывающий элемент представляет собой втягиваемый кожух, который выполнен с возможностью перемещения вдоль передней кромки в направлении по размаху несущей поверхности и повторяет форму поперечного сечения передней кромки.
Предпочтительно, длина в направлении хорды выемки является меньшей, чем хорда передней кромки.
Предпочтительно, втягиваемый покрывающий элемент выполнен с возможностью втягивания по направлению к корневой части несущей поверхности, причем при втягивании он размещается внутри передней кромки несущей поверхности.
Предпочтительно, втягиваемый покрывающий элемент выполнен с возможностью втягивания по направлению к концу несущей поверхности, причем при втягивании он размещается поверх передней кромки несущей поверхности.
Предпочтительно, несущая поверхность также содержит механизм приведения в действие для втягивания втягиваемого покрывающего элемента.
Предпочтительно, отношение длины хорда/размах выемки превышает 1.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создано воздушное судно, содержащее вышеописанную несущую поверхность.
Для полноты описания и для обеспечения лучшего понимания настоящего изобретения, обеспечен набор чертежей. Упомянутые чертежи образуют неотъемлемую часть описания и иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. На чертежах:
Фиг. 1 - схематичное представление несущей поверхности воздушного судна, имеющей выемку в передней кромке, и набегающий на переднюю кромку поток;
Фиг. 2 - схематичное представление несущей поверхности воздушного судна, имеющей выемку в передней кромке;
Фиг. 3 - схематичное представление несущей поверхности воздушного судна, имеющей выемку в передней кромке;
Фиг. 4 - схематичное представление одного варианта осуществления объекта устройства передней кромки настоящего изобретения; и
Фиг. 5 - схематичное представление несущей поверхности воздушного судна, имеющей выемку в передней кромке, вместе с ее относительным удлинением.
Фиг. 1 и 2 раскрывают схематичное представление одного варианта осуществления объекта передней кромки (2) настоящего изобретения. Как показано, выемка (3) содержит три стенки, причем две стенки (6) параллельны набегающему потоку, а третья стенка (5) обращена к набегающему потоку. Втягиваемый кожух (4) является подвижным вдоль передней кромки (2) при необходимости дополнительной подъемной силы. Во время крейсерского полета втягиваемый кожух (4) покрывает выемку (3) в стандартной конфигурации для минимизации лобового сопротивления.
Характеристическими длинами упомянутой выемки (3) являются хорда (c) и размах (b). Размеры упомянутых характеристических длин должны обеспечивать относительное удлинение c/b, большее, чем 1, как можно увидеть на фиг. 5.
Более конкретно, сечение втягиваемого кожуха (4) повторяет форму сечения передней кромки (2) и, таким образом, позволяет покрывать выемку (3) без модификации профиля передней кромки (2), когда втягиваемый кожух (4) покрывает упомянутую выемку (3). А именно, аэродинамическая форма кожуха (4), который является элементом передней кромки, который скользит, не модифицируется относительно общепринятого аэродинамического профиля.
В раскрытом варианте осуществления, длина хорды упомянутой выемки (3) является меньшей, чем хорда передней кромки, и продолжается вплоть до расстояния, которое гарантирует структурную целостность переднего лонжерона несущей поверхности (1) в случае повреждения (при столкновении с птицей, с обслуживающими транспортными средствами, FOD,…).
В раскрытом варианте осуществления, втягиваемый кожух (4) является подвижным вдоль передней кромки (2) в направлении по размаху. Толщина несущей поверхности (1) увеличивается по направлению к ее корневой части (11), таким образом, если втягиваемый кожух (4) располагается между корневой частью (11) несущей поверхности (1) и выемкой (3), когда он не покрывает упомянутую выемку (3), то тогда он укладывается внутри передней кромки (2) несущей поверхности (1), т.е. под оболочкой передней кромки (2). Напротив, если втягиваемый кожух (4) располагается между выемкой (3) и концом (10) несущей поверхности (1), когда он не покрывает упомянутую выемку (3), то тогда он укладывается поверх передней кромки (2) несущей поверхности (1), т.е. покрывает оболочку передней кромки (2).
Несущая поверхность (1) также содержит механизм приведения в действие для втягивания втягиваемого кожуха (4) по команде, например, подпружиненный исполнительный механизм.
Внутренняя выставляемая третья стенка (5) выемки (3), обращенная к набегающему потоку, должна быть обтекаемой для минимизации потерь из-за лобового сопротивления при малых углах атаки. Это может быть достигнуто посредством обеспечения обтекаемости упомянутой третьей стенки (5) по направлению к форме, которая повторяет вторичную переднюю кромку, выставляемую только тогда, когда втягиваемый кожух (4) втянут/ уложен.