Орган управления полетом летательного аппарата

Полезная модель относится к области авиационной техники, в частности к органам управления полетом летательных аппаратов.
Основными параметрами рулей, используемых для управления полетом летательных аппаратов, являются эффективность, определяемая приращением коэффициентов моментов при полном отклонении рулей от нейтрального положения (см. Микеладзе В.Г., Титов В.М. Основные геометрические и аэродинамические характеристики самолетов и ракет. Справочник. М., Машиностроение, 1982, с. 136), и шарнирный момент, то есть момент относительно оси вращения руля, возникающий из-за воздействия на руль воздушного потока (см. Микеладзе В.Г., Титов В.М. Основные геометрические и аэродинамические характеристики самолетов и ракет. Справочник. М., Машиностроение, 1982, с. 126). Увеличение эффективности рулей приводит к улучшению управляемости летательного аппарата, а уменьшение шарнирного момента – к уменьшению веса конструкции и мощности бустеров рулей (бустер и бустерное управление - см. Энциклопедия Авиация. М., Большая Российская Энциклопедия, 1994, с. 124).
Высокая эффективность особенно важна для рулей направления самолетов с двигателями, расположенными на консолях крыла, при несимметричном отказе двигателей. В этом случае для безопасного завершения полета высокая эффективность руля направления необходима для парирования большого момента рыскания.
Важным параметром аэродинамических поверхностей является их аэродинамическое сопротивление (см. Энциклопедия Авиация. М., Большая Российская Энциклопедия, 1994, с. 527). Нарушение плавности обтекания из-за наличия областей застойного течения в щели между аэродинамической поверхностью и рулем приводит к увеличению сопротивления. Для таких аэродинамических поверхностей, снабженных рулями, как стабилизатор с рулем высоты и киль с рулем направления, щель, как правило, занимает значительную долю размаха или весь размах этих поверхностей. Для многих самолетов характерны продолжительные режимы полета с неотклоненными рулями. Поэтому в первую очередь для увеличения экономичности полета необходимо уменьшать сопротивление аэродинамических поверхностей с неотклоненными рулями.
Известен орган управления полетом летательных аппаратов, включающий аэродинамическую поверхность с установленным в ее хвостовой части рулем управления, состоящим из одной подвижной поверхности, для уменьшения шарнирного момента которого используется осевая аэродинамическая компенсация, представляющая собой часть руля, расположенную впереди его оси вращения вдоль всего размаха руля (см. Энциклопедия Авиация. М., Большая Российская Энциклопедия, 1994, с. 490 и 76). При этом профиль поперечного сечения аэродинамической поверхности подрезан в хвостовой части для снижения сопротивления (патент РФ №2675304, МПК В64С, В23С, 2017 г.).
Недостатками такого органа управления являются его невысокая эффективность, обусловленная ограничением на углы отклонения, при превышении которых происходит срыв потока с осевой компенсации, в результате чего теряется эффективность руля и возрастает шарнирный момент.
За прототип принят орган управления полетом летательного аппарата, содержащий аэродинамическую поверхность, руль с осевой аэродинамической компенсацией и два дефлектора, установленные вдоль аэродинамической поверхности с двух сторон, при этом руль установлен с зазорами с аэродинамической поверхностью и с дефлекторами (патент РФ №2672153, МПК В64С, 2017 г.).
Недостатком данного органа управления является повышенное сопротивление, обусловленное наличием в потоке дефлекторов.
Задачей и техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение аэродинамического сопротивления органа управления с неотклоненным рулем управления при сохранении повышенной эффективности руля и небольших шарнирных моментов при отклонении руля.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в органе управления полетом летательного аппарата, содержащем аэродинамическую поверхность, руль с осевой аэродинамической компенсацией и дефлекторы, установленные вдоль аэродинамической поверхности с двух сторон, при этом руль установлен с зазорами с аэродинамической поверхностью и с дефлекторами, аэродинамическая поверхность на ее размахе выполнена с профилем поперечного сечения, подрезанным в хвостовой части с двух сторон этого профиля, а величина зазора между дефлектором и отклоненным в сторону этого дефлектора рулем превышает 60% величины зазора, образованного отклоненным рулем и аэродинамической поверхностью.
Все описываемые фигуры представлены в разрезе. При отклоненном положении руля принято, что дефлектором, в сторону которого отклонен руль, является дефлектор, к которому отклонена носовая часть руля.
На фиг. 1 представлен профиль сечения органа управления при нейтральном (неотклоненном) положении руля.
На фиг. 2 представлен профиль сечения органа управления при отклоненном положении руля.
На фиг. 3 представлен профиль сечения органа управления при отклоненном положении руля, и показан вариант протекания потока через зазоры между аэродинамической поверхностью и рулем и между рулем и дефлектором при относительно малой величине зазора между дефлектором, в сторону которого отклонен руль, и носовой частью руля.
На фиг. 4 представлен профиль сечения органа управления при отклоненном положении руля, и показан вариант протекания потока через зазоры между аэродинамической поверхностью и рулем и между рулем и дефлектором при относительно большой величине зазора между дефлектором, в сторону которого отклонен руль, и носовой частью руля.
Перечень позиций и обозначений к полезной модели «Орган управления полетом летательного аппарата»:
1 - руль;
2 - ось вращения руля;
3 - аэродинамическая поверхность;
4 - дефлектор;
5 - осевая аэродинамическая компенсация руля;
6 - часть аэродинамической поверхности, удаляемая при подрезке;
7 - зазор между исходной аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем;
8 - зазор между подрезанной аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем;
9 - зазор между дефлектором и отклоненным рулем;
10 - часть потока, протекающая сначала между аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем, а затем между отклоненным рулем и дефлектором;
11 - часть потока, протекающая сначала между аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем, а затем между аэродинамической поверхностью и дефлектором.
Профиль сечения органа управления представлен на фиг. 1, где изображен руль 1 с осью вращения 2, установленный на аэродинамической поверхности 3. По бокам аэродинамической поверхности 3 установлены дефлекторы 4. На фиг. 1 показана осевая аэродинамическая компенсация руля 5. На фиг. 1, 2 показаны части 6 аэродинамической поверхности, удаляемые с двух сторон профиля аэродинамической поверхности при подрезке. На фиг. 2 показаны зазор 7 между исходной аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем и зазор 8 между подрезанной аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем. На фиг. 3 и 4 показаны зазор 9 между дефлектором и отклоненным рулем и часть потока 10, протекающая сначала между аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем, а затем между отклоненным рулем и дефлектором. На фиг. 3 показана часть потока 11, протекающая сначала между аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем, а затем между аэродинамической поверхностью и дефлектором.
Зазор 8 между подрезанной аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем больше, чем зазор 7 между исходной аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем (фиг. 2). В результате может увеличиться перетекание потока через зазор 8 с одной стороны аэродинамической поверхности 3 на другую. При этом зазора 9 между дефлектором и отклоненным рулем может не хватить для того, чтобы пропустить весь перетекающий поток, и часть потока 11 протечет сначала между аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем, а затем между аэродинамической поверхностью и дефлектором, как показано на фиг. 3. Это требует установки дефлектора 4 таким образом, чтобы зазор 9 между дефлектором и отклоненным рулем стал больше и позволил пропустить весь поток, протекающий между аэродинамической поверхностью и отклоненным рулем через зазор 9 между дефлектором и отклоненным рулем, как показано на фиг. 4.
Положительный эффект полезной модели достигается следующим образом. Дефлекторы увеличивают аэродинамическое сопротивление органа управления с неотклоненным рулем. При подрезке аэродинамической поверхности перед рулем, приводящей к уменьшению областей застойного течения в зазоре между аэродинамической поверхностью и рулем, сопротивление органа управления уменьшается.
Расчетные исследования показали уменьшение в несколько раз прироста сопротивления из-за наличия в потоке дефлекторов для органа управления с неотклоненным рулем с осевой аэродинамической компенсацией за счет подрезки аэродинамической поверхности перед рулем. В результате сопротивление органа управления падает на 10-15%.
Однако, согласно расчетам, при отклонении руля до угла 25-35°, когда на органе управления с дефлекторами без подрезки аэродинамической поверхности достигается максимальная эффективность руля, возможен поворот во встречном к набегающему потоку направлении части потока, протекающего через увеличившийся в результате подрезки зазор между аэродинамической поверхностью и рулем. Частичное выраженное движение потока под дефлектором во встречном к набегающему потоку направлении снижает положительное влияние дефлектора на эффективность и шарнирный момент руля. Расчеты показывают, что в полной мере положительное влияние дефлектора на эффективность и шарнирный момент руля может быть восстановлено за счет дополнительного увеличения зазора между дефлектором и носовой частью отклоненного в сторону дефлектора руля. Такой зазор должен составлять как минимум 60% зазора в щели между отклоненным рулем и подрезанной аэродинамической поверхностью. При этом эффективность руля и уровень шарнирного момента соответствуют этим параметрам для органа управления без подрезки аэродинамической поверхности.
В результате достигнут технический результат по уменьшению аэродинамического сопротивления органа управления с неотклоненным рулем управления при сохранении повышенной эффективности руля и небольших шарнирных моментов при отклонении руля.