Устройство управления закрылками крыла самолёта
AIRPLANE WING FLAP CONTROL DEVICE

Область техники
Изобретение относится к авиации, а именно к конструкциям исполнительных механизмов систем управления закрылками самолета.
Современные требования, предъявляемые к коммерческой авиации, предполагают широкий скоростной диапазон профиля полета.  Возможность эксплуатации с небольших аэродромов зависит от разрешенных скоростей взлета и посадки, установленных для каждого самолета. Задача обеспечения малых взлетно-посадочных скоростей может быть решена применением зависающих закрылков с большим ходом.Предлагаемое устройство обеспечивает выдвижение и уборку закрылка по заданной траектории близкой к оптимальной, чем достигается надлежащее изменение кривизны профиля крыла и максимально возможное увеличение его площади при обеспечении расчетной величины зазора между носовой частью закрылка и задней кромкой крыла, необходимой для безотрывного обтекания воздушным потоком профиля крыла.
Уровень техники
Известно устройство для выдвижения закрылка самолета А300В (Белянин П.Н. Производство широкофюзеляжных самолетов, М., Машиностроение, 1979, стр. 108, рис. 53), содержащее балку, закрепленную на крыле, включающую в себя рельс, каретку, закрепленную на закрылке, причем рельс имеет прямой участок на большей длине, обеспечивающий необходимый выкат закрыла и изогнутую концевую часть, обеспечивающую отклонение закрылка на необходимые углы во взлетном и посадочном положении закрылка. Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечения оптимальной величины зазора между носовой частью закрылка и задней кромкой крыла так как переход от взлетного положения к посадочному происходит за счет дополнительного перемещения каретки закрылка по изогнутому участку рельса. Кроме того, весь механизм расположен за пределами сечения крыла, ниже теоретического контура крыла, что приводит к необходимости иметь аэродинамический обтекатель значительного размера, а также дополнительно механизм его отклонения вниз для возможности перемещения закрылка во взлетное и посадочное положения.
Известно устройство для выдвижения закрылка (патент РФ № 1804039), содержащее прямой рельс, каретку и дополнительную рычажную систему, включающую в себя систему рычагов и обтекатель закрылка, состоящий из неподвижной носовой части и поворотной задней силовой части, обеспечивающее необходимые аэродинамические зазоры между носовой частью закрылка и задней кромкой крыла и уменьшение габаритов обтекателя закрылка за счет дополнительного перемещения и поворота рельса, закрепленного на задней части обтекателя, с которым взаимодействует каретка закрылка в результате действия рычажной системы. Недостатком данной системы является значительное усложнение механизма за счет большого количества сильно нагруженных элементов (рычагов и силового обтекателя), увеличение веса и стоимости конструкции.
Наиболее близким к заявленному решению является устройство выдвижения закрылка (см. патент РФ № 2072944), содержащее неподвижно закреплённый на крыле рельс, на котором подвижно установлена траверса, соединенная с неподвижно закрепленным на закрылке кронштейном-кареткой с возможностью вращения относительно него, на передней части кронштейна-каретки установлен ролик, взаимодействующий с верхней поверхностью рельса. Данное устройство позволяет переместить закрылок из убранного в промежуточно-фиксированное (взлетное) положение за счет перемещения траверсы механизмом уборки-выпуска до упора траверсы в ограничитель хода и поворота закрылка за счет контакта ролика с верхней поверхностью рельса, контакт обеспечивается при этом только за счет аэродинамических сил, создающий момент на прижатие ролика к поверхности рельса. Дальнейшее перемещение закрылка в окончательное (посадочное) положение осуществляется за счет того, что траверса вместе с закрылком поворачивается вокруг соединительной шпильки механизмом уборки-выпуска, при этом ролик отрывается от верхней поверхности рельса.
Недостатками данного устройства являются недостаточная надежность работы механизма, так как на участке от убранного положения до положения взлетного ролик прижимается к верхней поверхности рельса аэродинамическими силами и при случайном изменении направления действия этих сил например в результате попадания в вертикальный порыв, закрылок может неожиданно для пилотов перейти в нерасчетное положение, значительно при этом изменив характер обтекания крыла и его подъемную силу и создать ситуацию, усложняющую полет или даже приводящую к более тяжелым последствиям.  Кроме того, расположение всех элементов несущих и управляющих элементов механизма ниже нижнего теоретического контура крыла приводит к необходимости иметь аэродинамический обтекатель значительного размера, а также дополнительно механизм его отклонения вниз для возможности перемещения закрылка во взлетное и посадочное положения. Кроме того, движение каретки и ролика на значительной части траектории движения каретки происходит по одной и той же верхней поверхности рельса, что значительно снижает возможность оптимизации движения закрылка.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение   аэродинамических характеристик крыла путем обеспечения оптимальной траектории перемещения и углового положения закрылка при большом выкате закрылка и минимальных размеров обтекателей механизма.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат, при использовании заявляемого устройства заключается в обеспечении оптимальной траектории перемещения и углового положения закрылка при большом ходе закрылка, обеспечении расчетного зазора между носовой частью закрылка и задней кромкой элемента конструкции крыла (интерцептора), установленного на верхней поверхности крыла в зоне за задним лонжероном крыла при обеспечении оптимального обтекания профиля крыла воздушным потоком.
Данный технический результат достигается за счёт выполнения механизма выдвижения закрылков в виде системы, включающей несущий прямолинейный и криволинейный направляющий рельсы жестко соединённые между собой и с крылом самолёта, установленные в пространстве между двумя закрылками, соединёнными сцепкой, размещённой в задней части закрылков, выполненной с возможностью перемещения по направлению размаха крыла и поворота относительно продольной оси самолёта, а также каретку, установленную на несущем рельсе и шарнирно соединённую с закрылками, оснащёнными роликами, закреплёнными на передней кромке закрылков и контактирующими с направляющим рельсом.
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемого устройства поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми схемами устройства, на которых показано:
на фиг. 1 – общая схема расположения элементов предлагаемого устройства управления закрылками, вид сверху;
на фиг. 2 – положение элементов предлагаемого устройства (разрез А-А) при убранном закрылке;
на фиг. 3 – положение элементов предлагаемого устройства при убранном закрылке (вид по К – сверху);
на фиг. 4 – положение элементов предлагаемого устройства (разрез А-А) при полностью выпущенном закрылке;
на фиг. 5 – положение элементов предлагаемого устройства при полностью выпущенном закрылке (вид по К – сверху);
на фиг. 6 – соединения закрылков с направляющим рельсом в сечении Ж1-Ж1;
на фиг. 7 -  соединения каретки с закрылками и опорным рельсом в сечении Ж2-Ж2;
на фиг. 8 – вид на сцепку секций закрылков, сечение И-И;
на фиг. 9 – положение элементов предлагаемого устройства (разрез Б-Б) при убранном закрылке;
на фиг. 10 - вид М сверху в положении элементов предлагаемого устройства при убранном закрылке;
на фиг. 11 - Вид М сверху в положении элементов предлагаемого устройства при полностью выпущенном закрылке;
на фиг. 12 – соединение закрылка с кареткой в сечении Л-Л;
на фиг. 13 – соединение направляющего рельса с элементом конструкции самолёта (разрез В-В) при убранном положении закрылка.
Где:
1. Закрылок секция 1;
2. Закрылок секция 2;
3. Крыло;
4. Несущий рельс;
5. Лонжерон крыла задний;
6. Каретка;
7. Центральный кронштейн крепления каретки к закрылку;
8. Боковой кронштейн крепления каретки к закрылку;
9. Переходной узел;
10. Шарнирный узел;
11. Трансмиссионный вал привода закрылков;
12. Редуктор привода закрылков;
13. Приводящий рычаг привода закрылков;
14. Управляющий рычаг привода закрылков;
15. Шарнир привода закрылков;
16. Карданный узел;
17. Кронштейн крепления привода к закрылку;
18. Неподвижная часть обтекателя;
19. Подвижная часть обтекателя;
20. Управляющая тяга;
21. Направляющий рельс;
22. Ролик;
23. Кронштейн;
24. Сцепка закрылков;
25. Кронштейн сцепки закрылка 1;
26. Кронштейн сцепки закрылка 2;
27. Соединительный элемент сцепки;
28. Лента перекрывная;
29. Элемент конструкции крыла;
30. Интерцептор.
На фиг.1 приведена общая схема расположения элементов предлагаемого устройства управления закрылками, включающего закрылки 1 и 2, соединённые с крылом 3, несущими рельсами 4, жёстко связанными с задним лонжероном 5.
На фиг.2 показан разрез по А-А в зоне соединения закрылков. Каретка 6, подвижно установленная на несущем рельсе 4, соединена с кронштейнами 7 и 8 закрылков с помощью переходного узла 9 через шарнирные узлы 10. Закрылок 2 (1) при этом находится относительно крыла 3 в убранном положении.
На фиг.3 приведён вид сверху (по стрелке К) при убранном закрылке. Трансмиссионный вал привода закрылков 11 соединён с редуктором 12 взаимодействующим с приводящим рычагом 13 и управляющим рычагом 14, соединёнными между собой шарнирным узлом 15. При этом управляющий рычаг 14 прикреплен к носовой части закрылка 2(1) посредством карданного узла 16 и кронштейна 17.
На фиг.4 показан закрылок 2 (1) в полностью выпущенном положении. При этом закрылок 2 (1), соединён с обтекателем, состоящим из неподвижной части 18 и подвижной – 19, при помощи тяги 20, а с направляющим рельсом 21 посредством ролика 22, установленного на передней кромке закрылка 2 (1). Несущий рельс 4 и направляющий рельс 21 неподвижно соединены между собой и с задним лонжероном 5 крыла 3 при помощи кронштейна 23.
На фиг.5 приведён вид сверху (по стрелке К) при полностью выпущенном закрылке 2 (1). Между собой закрылки 1 и 2 соединены сцепкой 24, размещённой в задней части закрылков.
На фиг.6 показано сечение Ж1-Ж1 в зоне соединения закрылков 1 и 2 с направляющим рельсом 21.
На фиг.7 приведено сечение Ж2-Ж2 в зоне соединения каретки 6 с опорным рельсом 4 с помощью переходного узла 9 через шарнирные узлы 10.
На фиг.8 показано сечение И-И по сцепке 24 секций закрылков 1 и 2, состоящей из кронштейнов 25 и 26, установленных соответственно на закрылках 1 и 2 и соединенных соединительным элементом 27. Стык закрылков закрыт сверху перекрывной лентой 28, неподвижно прикрепленной к закрылку 2 относительно закрылка 1 с возможностью перемещения в направлении размаха крыла.
На фиг.9 показан разрез по Б-Б в зоне крепления закрылка 2 к опорному рельсу 4 в положении элементов предлагаемого устройства при полностью убранном закрылке.
На фиг. 10 представлен вид М сверху в положении элементов предлагаемого устройства при убранном закрылке.
На фиг. 11 представлен вид М сверху в положении элементов предлагаемого устройства при полностью выпущенном закрылке.
На фиг. 12 приведено сечение Л-Л плоскостью, проходящей через шарнир 10 соединения каретки 6 с кронштейном 7 закрылка 2 (1).
На фиг. 13 показан разрез по В-В, в месте соединения направляющего рельса 21 с элементом 29 конструкции самолёта при убранном положении закрылка.
Осуществление изобретения.
Устройство работает следующим образом.
В убранном положении закрылки 1 и 2, содержащие кронштейн 7, присоединенный к каретке 6 при помощи переходного узла 9 через шарнирные узлы 10 и кронштейн 8, присоединенный к каретке 6 непосредственно через шарнирные узлы 10, установлены на несущем прямолинейном рельсе 4, взаимодействуют посредством роликов 22 с направляющими рельсами 21, фиксируются в этом положении с помощью управляющего рычага 14, присоединенного к приводящему рычагу 13 редуктора 12, посредством карданного узла 16 и кронштейна 17, обеспечивая положение внутри теоретического профиля крыла. При подаче на редуктор управляющего действия в виде крутящего момента с помощью трансмиссионного вала 11 управления закрылками, рычаги 13 и 14 воздействуют на закрылок через карданный узел 16 и кронштейн 17 закрепленный на носовой части закрылка, преобразуя вращательное движение редуктора в поступательное движение закрылков 1 и 2, и происходит линейное перемещение каретки 6, шарнирно соединенной с кронштейнами закрылка 7 и 8, по несущему рельсу 4. При этом направляющий ролик 22, закрепленный в носовой части закрылка, взаимодействует с направляющим рельсом 21, имеющим криволинейную форму, позволяющую осуществлять поворот закрылка по заданному закону, обеспечивающему оптимальное угловое положение закрылка на всех участках, включая положение убрано, взлет и посадка, при сохранении расчетного зазора между носовой частью закрылка и задней кромкой интерцептора 30, установленного на верхней поверхности крыла в зоне за задним лонжероном крыла 5, и обеспечении оптимального обтекания профиля крыла воздушным потоком. Карданный узел 16 при этом обеспечивает передачу нагрузки с управляющего рычага 14 на кронштейн 17 при значительном изменении углового положения закрылка в процессе выпуска закрылка. При воздействии воздушной нагрузки на закрылок основная часть нагрузки передается через кронштейны закрылка 7 и 8 на каретку 6, несущий рельс 4 и далее на жесткое закрепление на конструкцию крыла 3. Меньшая часть нагрузки, передаваемая роликом 22 на направляющий рельс 21, передается на жесткое закрепление на конструкции крыла, включающее кронштейн 23, соединяющий несущий 4 и направляющий 21 рельсы между собой.  Шарнирные узлы 10, установленные в узлах соединения кронштейнов закрылков 7 и 8, компенсируют деформации, возникающие при повороте закрылков 1 и 2 под действием аэродинамических сил, а промежуточный узел 9, соединяющий кронштейны 7 с кареткой 6, обеспечивает перемещение закрылков 1 и 2 относительно друг друга в направлении размаха крыла при деформации конструкции от действующих нагрузок.  Кроме того, сечение направляющих рельсов 21 имеет в ширину размеры, превышающие ширину направляющих роликов 22, обеспечивая возможность свободного перемещения концов закрылков 1 и 2, а ролики 22 выполнены в виде шариковых сферических подшипников, допускающих угловые повороты концов закрылков в результате деформации под действием действующих сил при сохранении возможности передачи нагрузки с ролика на направляющий рельс.
В варианте, в котором несущий 4 и направляющий рельс 21 соединены между собой в зоне между передней кромкой закрылка и задним лонжероном крыла, механизм выдвижения закрылков установлен на стыке двух секций закрылка 1 и 2 в зазоре между ними. При этом несущий 4 и направляющий рельс 21, образуют жесткую конструкцию, передающую нагрузки на конструкцию крыла. Для обеспечения хорошего обтекания профиля крыла для перекрытия щели в месте стыка закрылков 1 и 2 на верхнюю поверхность закрылка 2 неподвижно установлена перекрывная лента 28, имеющая возможность перемещения относительно закрылка 1 при деформациях закрылков под действием аэродинамических нагрузок. Кроме того, в хвостовой части закрылков установлена сцепка 24,  состоящая из двух кронштейнов 25 и 26, закрепленных на секциях 1 и 2 закрылка, в одном из которых выполнен продольный паз в направлении размаха крыла, а в  другом установлен соединительный элемент 27, что позволяет закрылкам поворачиваться относительно друг друга с осью вращения по полету и перемещаться в направлении размаха крыла, но препятствует смещению закрылков по осям Х и Y, ухудшающему обтекание потоком воздуха, а также связь секций закрылков, позволяющую улучшить их работу при некоторых видах отказов в работе элементов системы привода закрылков.
В другом варианте, для обеспечения оптимального распределения нагрузок по конструкции закрылка и минимальных размеров обтекателя, несущий 4 и направляющий 21  рельсы размещены на различных дистанциях по размаху закрылков, при этом несущие рельсы 4 закреплены на основную конструкцию крыла, а  криволинейные направляющие рельсы  21 закреплены неподвижно в концевой части закрылков 1 и 2, на элементе 29 конструкции  крыла или самолета , например, аэродинамическом ребре на стыке двух агрегатов - закрылка и элерона, обтекателе мотогондолы двигателя, обтекателе соединения крыла и фюзеляжа и т.п. При этом направляющие ролики 22 закреплены в носовой части по краям закрылков.
При выдвижении закрылков из исходного положения (закрылок убран) в конечное положение (закрылок выпущен) происходит поворот подвижной части 19 обтекателя относительно неподвижной части 18 обтекателя, закрепленной на конструкции крыла 3 при помощи управляющих тяг 20, шарнирно закрепленных одним концом на подвижной части 19 обтекателя и другим концом на закрылке, обеспечивая необходимые зазоры для беспрепятственного перемещения закрылка.
Привод закрылка в одном варианте может представлять собой редуктор 12 планетарного или червячного типа, закрепленный неподвижно на конструкции крыла, с приводящим рычагом 13, соединенным с управляющим рычагом 14 посредством шарнирного подшипника 15, при этом другой конец управляющего рычага 14 прикреплен к кронштейну 17 на носовой части закрылка через шарнир карданного типа 16 для компенсации значительных угловых перемещений закрылка в процессе его перемещения по рабочей траектории.
При этом при любом варианте расположения несущего 4 и направляющего 21 рельсов приводы размещены попарно на каждой секции закрылков 1 и 2 так, что боковые составляющие сил от действия рычагов приложены к закрылкам в плоскости закрылков и направлены напротив друг друга, уравновешивая нагрузки на систему навески закрылков.
В другом варианте, привод закрылка может быть выполнен в виде винтового механизма, закрепленного на конструкции крыла. Другой конец винта привода закрепляется на носовой части закрылка с помощью специального кронштейна, включающего в себя закрепленную на нем ходовую гайку, с обеспечением возможности поворота носка закрылка при движении закрылка по рабочей траектории.
Благодаря указанным отличительным признакам достигается заявленный технический результат, а именно обеспечивается оптимальная траектория перемещения закрылка при большом ходе закрылка, обеспечении расчетного зазора между носовой частью закрылка и задней кромкой интерцептора, установленного на верхней поверхности крыла в зоне за задним лонжероном крыла при обеспечении оптимального обтекания профиля крыла воздушным потоком.
Предлагаемое устройство позволяет улучшить   аэродинамические характеристики  крыла на режимах взлет и посадка за счёт обеспечения оптимальной траектории перемещения закрылка при большом выкате закрылка, а также обеспечить расчетные размеры щели между задней кромкой  интерцептора, установленного на верхней поверхности крыла в зоне за задним лонжероном крыла и поверхностью закрылка при изменении угла отклонения в диапазоне рабочих положений закрылка, и минимальных размерах обтекателей механизма, тем самым позволяет решить задачу расширения эксплуатационных возможностей самолета за счет обеспечения технического результата.
При реализации устройства заявленная совокупность существенных признаков позволяет решить задачу расширения эксплуатационных возможностей самолета за счет уменьшения взлетно-посадочных скоростей самолёта.