Реконфигурируемый каркас крыла

Настоящая полезная модель относится к области аэродинамики и может найти применение в авиационной технике, например в конструкциях трансформируемой несущей поверхности адаптивных крыльев, обеспечивающей заданное плавное изменение его геометрии.
Известно устройство аэродинамическое крыло летательного аппарата с адаптивно изменяющейся поверхностью [патент РФ на изобретение №2660191, МПК: B64C 23/06, G06F 19/00, G01P 5/14, опубл. 05.07.20218г.]. Устройство аэродинамическое крыло с адаптивно изменяющейся поверхностью для компенсации турбулентности содержит подвижные пластины, которые имеют две оси вращения, опирающиеся на элементы каркаса крыла. Каркас выполнен жестким и неподвижным, состоит из рядов несущих лонжеронов, на которые надеты ряды нервюр. К нервюрам с помощью поворотного соединения присоединены покрывные пластины имеющих форму правильных многоугольников. Вращение пластин осуществляется посредством двух исполнительных сервомеханизмов.
Недостатком такого аэродинамического крыла летательного аппарата является ограниченный лимит изменения кривизны поверхности крыла, что идет в ограничение характеристик крыла в процессе полета. Отсутствует единый неразрывный геометрический контур, что ухудшает устойчивость крыла.
Известно устройство аэродинамический элемент с деформируемой внешней обшивкой [патент Германии № DE102009026457, МПК: B64C3/44, опубл. 09.12.2010 г.]. Изобретение относится к аэродинамическому элементу, в частности к крылу, посадочному закрылку, руля высоты тангажа, руля направления рыскания, киля или хвостового оперения. Аэродинамический компонент содержит внешнюю оболочку и по меньшей мере один поддерживающий элемент, поддерживающий указанную внешнюю оболочку. Привод вращает опорный элемент. Между опорным элементом и внешней оболочкой создается поддерживающая область. Опорная область передает деформационные силы от привода через опорный элемент к внешней оболочке. Опорный элемент разработан и сконфигурирован для изменения расстояния от опорной области от продольной плоскости аэродинамического элемента с вращением опорного элемента. На внешней оболочке имеется область упругой деформации.
Недостатком известной упругой структуры адаптивного крыла летательного аппарата являются ограниченные варианты изменения кривизны поверхности крыла из-за используемой конструкции кривого вала, криволинейную форму которого повторяет гибкая обшивка. Также наличие деформаций, обусловленных упругой структурой обшивки крыла при изменении геометрии профиля.
Наиболее близким является упругодеформируемая панель адаптивной несущей поверхности [патент РФ №2749679, МПК: B64C 3/44, опубл. 16.06.2021 г.]. Деформируемая панель имеет единое эластичное подвижное сочленение и состоит из множества блоков, соединенных между собой последовательным объединением связей с переменным положением относительно поворотной оси, образующей собой каркас, при этом каркас служит несущей поверхностью крыла самолета. Каркас крыла состоит из трех модулей, соединенных между собой, а в центральной части крыла, между двумя модулями, расположен узел изменения геометрии крыла, состоящего из искривлённого в одной плоскости вала-рычага, проходящего через пазы в промежуточных элементах панели.
Недостатками такого технического решения являются малый угол изгиба в шарнирном механизме с взаимообратными связями, что идет в ограничение характеристик крыла в процессе полета. Так же стоит отметить, что данная конструкция склонна к частым поломкам, поскольку имеет ненадежное подвижное сочленение, а в случае поломки, невозможно заменить поврежденные элементы, только заменить всю панель целиком.
Задачей заявляемой полезной модели является создание новой адаптивной реконфигурируемой управляемой структуры крыла, обеспечивающей плавное изменение пространственной конфигурации и характеризующейся повышенной надежностью работы.
Технический результат заключается в повышении надежности конструкции каркаса и повышение устойчивости крыла.
Технический результат достигается в реконфигурируемом каркасе крыла, состоящем из последовательно соединенных узлов, выполненных в виде двутавров, с подвижным сочленением между собой, обшивки из сдвижных пластинчатых покрывных элементов, причем на каждой торцевой поверхности стенки каждого двутавра выполнено по два симметрично расположенных вала, на которых перекрестно с обеих сторон двутавров установлены связующие балки, с чередованием подвижных сочленений между двутаврами в рядах так, что в каждом нечетном ряду соединены соседние двутавры, а в каждом четном ряду двутавры соединены через один со смещение на один двутавр по обе стороны ряда.
Использование двутавра, в качестве несущих элементов каркаса, (двутаврового профиля) характеризуется повышенной жесткостью за счет равномерного распределения нагрузки по всей своей площади сечения. Выполнение соединительных блоков в форме двутавров позволяет повысить жесткость и прочность механизма. А установка соединительных балок на валах, выполненных на каждой торцевой поверхности стенки каждого двутавра, позволяет повысить простоту и надежность подвижного соединения, минимизировать повреждения элементов узла, тем самым увеличивая срок его службы.
Стоит отметить, что при неисправности одного из составных элементов реконфигурируемого узла в каркасе крыла можно заменить только неисправный элемент узла, что снизит материалоемкость и упростит техническое обслуживание, а также позволит увеличить срок эксплуатации узла в целом.
Соединительные пазы, выполненные в полках двутавров, позволяют объединять несколько рядов соединенных блоков, тем самым повышая жесткость их соединения.
Полки двутавров вместе с соединительными балками выполняют функцию стопора и ограничителя угла изгиба узла при достижении одного из крайних положений, что дополнительно облегчает управление, так как максимальный угол отклонения будет фиксированный.
Чередование подвижных сочленений в рядах, а именно длинных и коротких связующих балок, уменьшает необходимое прикладываемое усилие для осуществления отклонения всего каркаса, что дает возможность плавного изменения геометрии крыла на различных режимах взлета, полета и посадки, таким образом, повышая устойчивость крыла, снижая аэродинамическое сопротивление (расход топлива) и аэродинамические нагрузки.
На фиг. 1 показан реконфигурируемый узел.
На фиг. 2 показан реконфигурируемый узел в трех стадиях.
На фиг. 3 показан реконфигурируемый каркас крыла.
На фиг. 4 показан реконфигурируемый каркас крыла в трех положениях.
На фиг. 5 показана последовательность рядов реконфигурируемого каркаса крыла.
Реконфигурируемый каркас крыла состоит из последовательно соединенных узлов, выполненных в виде двутавров 1. На каждой торцевой поверхности стенки каждого двутавра 1 выполнено по два вала 2, расположенных симметрично относительно стенки двутавра 1. Двутавры 1 соединены между собой подвижным сочленением, выполненным посредством перекрестно установленных на валах 2 связующих балок 3. А на каждой полке каждого двутавра 1 выполнены соединительные пазы 4, расположенные параллельно валам 2, служащие для жесткой фиксации нескольких рядов соединенных блоков и установки в них обшивки из сдвижных пластинчатых покрывных элементов 5.
Подвижные сочленения в рядах чередуются так, что в каждом нечетном ряду (I) двутавры 1 соединены двумя перекрестно установленными на валах 2 связующими балками 3. В каждом четном ряду (II) двутавры 1 соединены связующими балками 3, перекрестно установленными на валах 2, через один двутавр 1, и смещены на один двутавр 1 по обе стороны ряда (если на одной стороне ряда связующие балки 3 установлены на первом и третьем двутаврах 1, то с другой стороны ряда они будут установлены на втором и четвертом двутаврах 1 и т. д.). Количество последовательно соединенных узлов (рядов и двутавров 1 в ряду) зависит от габаритов и ширины крыла.
Реконфигурируемый каркас крыла работает следующим образом.
Реконфигурируемый узел, входящий в состав каркаса, может пребывать в трех стадиях, с плавным переходом из одного состояния в другое. Для осуществления движения необходимо зафиксировать один из двутавров 1 и приложить механическое усилие ко второму двутавру 1 или к одной из соединительных балок 3. Вследствие приложенного усилия второй двутавр 1 изменяет свое положение, а соединительные балки 3 движутся по окружной траектории вслед за вторым двутавром 1, проворачиваясь на валах 2 обоих двутавров 1. Соединительные балки 3 при достижении одного из крайних положений выполняют функцию стопора и ограничителя угла изгиба узла.
Реконфигурируемый каркас крыла может пребывать в трех стадиях, с плавным переходом из одного состояния в другое. Для осуществления движения необходимо зафиксировать двутавры 1, находящиеся в первой линии всех рядов, по ширине и приложить механическое усилие к одной или нескольким длинным соединительным балкам 3 из нечетного ряда. Вследствие приложенного усилия последовательные ряды двутавров 1 в направлении длины рядов изменяют свое положение, а все соединительные балки 3 движутся по окружной траектории, проворачиваясь на валах 2 двутавров. Соединительные балки 3 при достижении одного из крайних положений выполняют функцию стопора и ограничителя угла изгиба узла. Длинные соединительные балки 3 ограничивают амплитуду движения коротких соединительных балок 3. Вследствие чего происходит плавное изменение геометрии крыла. А обшивка из сдвижных пластинчатых покрывных элементов 5, установленных в соединительных пазах 4 двутавров 1 обеспечивают непрерывность поверхности каркаса крыла.
Таким образом, использование реконфигурируемого каркаса крыла, состоящего из последовательно соединенных узлов, выполненных в виде двутавров, на каждой торцевой поверхности стенки каждого двутавра выполнено по два симметрично расположенных вала, на которых перекрестно с обеих сторон двутавров установлены связующие балки, с чередованием подвижных сочленений между двутаврами в рядах так, что в каждом нечетном ряду соединены соседние двутавры, а в каждом четном ряду двутавры соединены через один со смещение на один двутавр по обе стороны ряда, на каждой полке каждого двутавра  выполнены соединительные пазы, для размещения в них обшивки из сдвижных пластинчатых покрывных элементов, позволяет повысить надежность конструкции каркаса и повысить устойчивость крыла.