КОЛЕСО ШАССИ С АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ Российский патент 1998 года по МПК B64C25/40 

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к устройству колес шасси, способных в предпосадочном полете эффективно использовать скоростной напор среды для предварительной раскрутки, и может быть использовано на различных типах самолетов, в том числе с высокими посадочными скоростями.

Известны конструкции колес шасси, которые в предпосадочном полете имеют необходимую окружную скорость протектора, например с помощью электродвигателей. Но наиболее надежным и экономным является использование для этой цели энергии набегающего воздушного потока, который взаимодействует с дополнительными элементами на наружной поверхности колеса, имеющими различные аэродинамические характеристики в прямом и обратном направлениях относительно набегающей струи воздуха, что и обеспечивает постоянный крутящий момент. Но технические трудности и эксплуатационные неудобства, возникающие при реализации известных технических решений таковы, что невзирая на повышенную безопасность приземления самолетов и при этом значительный экономический эффект, решительно отдается предпочтение посадке самолетов всех типов без предварительной раскрутки колес шасси.

При посадке самолета с неподвижными колесами, имеющего определенную поступательную скорость, в момент его касания взлетной полосы генерируется максимальный модуль силы трения скольжения между резиной протектора и бетонной поверхностью, причем вектор силы направлен против вектора скорости. В этот экстремальный момент резина баллонов подвергается значительному износу (буквально горит), а сам баллон испытывает максимальные тангенциальные усилия на разрыв, в результате чего существенно сокращается срок его службы, а также увеличивается вероятность выхода из строя, что ведет к авариям. К тому же сила трения генерирует динамический удар по консоли шасси, завершающийся так называемым капотирующим моментом. Тенденция на увеличение скоростных режимов полета новых типов самолетов непременно увеличивает и посадочные скорости, что только усиливает вышеперечисленные негативные явления, приближая их к своему пределу. Выход из этого технического тупика известен: предварительная раскрутка колес шасси в предпосадочном полете.

Известно, что максимальный положительный эффект возникает при равенстве поступательной скорости посадки самолета и окружной скорости вращения протектора баллона колес. Только в этом случае относительная линейная скорость вращения к набегающей полосе равна нулю, а сила трения качения при их контакте минимальна. Также минимальны динамический удар и капотирующий момент, а безопасность приземления максимальна.

Известна конструкция аэроприводного колеса по патенту ФРГ 1946488, где на боковой наружной поверхности металлического корпуса расположены жесткие пустотелые аэродинамические выступы постоянной геометрии в форме четверти сферы, выступающие за его контуры и имеющие различные аэродинамические характеристики в прямом и обратном направлениях относительно набегающего потока воздуха, в результате чего возникает постоянный крутящий момент относительно оси колеса.

В известном техническом решении максимальный положительный эффект достигается за счет значительного увеличения объема колеса и его массы, что связано с конструктивными трудностями в устройстве его места в крыле самолета, а отсюда и в конструкции последнего.

Наиболее близким техническим решением является конструкция шины колеса шасси по патенту США N 2435801, кл. 244-103, 1948 г.

В этой шине, на ее боковых поверхностях расположены дополнительные элементы карманы изменяемой геометрии, ограниченные сверху жесткой плоской лопаткой (терминология взята из американского патента), шарнирно прикрепленного к шине, а с боков фальцами, имеющими гофры. Это техническое решение принято нами за прототип.

Данная известная шина не нашла практического применения, так как обладает рядом существенных недостатков:
сложность конструкции карманов и их крепления к шине;
сравнительно быстрый износ элементов карманов в поле центробежных сил;
"нечувствительность" карманов (как показывают расчеты) к скоростям свыше 50 км/ч (при диаметре колеса 0,5 м).

Это строго ограничивает применение данного решения на посадочных скоростях современных самолетов.

Заявленное устройство включает следующие существенные признаки:
все элементы пирамидального кармана, включая его верхнюю часть (лопатку) и боковые стенки (фальцы) выполнены из эластичного, упругого материала, например резины, в том числе и с предварительным напряжением;
боковые стенки карманов (фальцы) плоские, гладкие, при отсутствии вращения предварительным напряжением прижаты к поверхности шины;
боковые стенки карманы (фальцы) при вращении колеса под действием центробежной силы изменяют свое положение в пространстве до нормали к стенке баллона, что существенно увеличивает его площадь сечения. При уменьшении скорости вращения, фальцы под действием упругой силы прижимаются к поверхности баллона;
площадь сечения кармана, т.е. степень его раскрытия, является величиной переменной и зависит как от его положения в пространстве, так и от скорости вращения колеса;
изменение площади сечения кармана происходит и за счет изменения формы эластичной лопатки (выпуклая, вогнутая), которая выполняет роль упругой мембраны с определенной частотой и амплитудой колебания в зависимости от скорости вращения колес;
технология изготовления и крепления карманов включена непосредственно в технологию изготовления баллона: либо в процессе формовки последнего, либо скрепление методом вулканизации, а так же склеиванием.

Вышеуказанные существенные признаки обеспечивают достижение следующих технических результатов:
достижение эффекта раскрытия карманов в широком диапазоне посадочных скоростей до 400 км/ч и выше;
обеспечение безопасности посадки самолетов на этих скоростях;
увеличение срока службы резиновых баллонов колес;
уменьшение динамического воздействия на конструкции шасси в целом;
упрощение технологии изготовления карманов и удешевление промышленного производства колес.

Предлагаемое техническое решение поясняется прилагаемыми эскизными чертежами.

На фиг.1 показан общий вид компановки карманов на баллоне шасси.

На фиг. 2 изображен вертикальный разрез баллона по оси симметрии в статическом положении. Упругая сила держит карман в сложенном состоянии.

На фиг. 3 изображен вертикальный разрез баллона по оси симметрии в процессе вращения при максимальных оборотах, с изменением формы карманов под действием набегающего потока и центробежных сил.

Промышленная применимость заявленного устройства подтверждается описанием эскизного проекта опытного образца.

На баллоне 1, выполненном из армированной резины на его боковой при одностороннем расположении карманов 2, или боковых при двустороннем расположении карманов 2 поверхностях расположены упругие, эластичные карманы 2 изменяемой геометрии. Карманы 2 включают упругие, эластичные лопатки 3 и плоские упругие фальцы 4. При изготовлении и прикреплении к баллонам 1 элементы карманов 2 предварительно напрягаются так, что в статическом положении колеса лопатка 3 прижимается к поверхности баллона 1 и площадь сечения кармана 2 минимальна. Это защищает карман 2 от первоначального гидравлического удара среды, но создает при этом достаточный крутящий момент. В этом случае скорость потока среды максимальна и равна (условно) поступательной посадочной скорости самолета. В процессе вращения колеса и его ускорения относительная скорость среды падает, но за счет действия центробежных сил на карман 2 (против сил упругости) его площадь сечения увеличивается за счет поднятия фальцев 4 и при максимальных оборотах (см. фиг.3) она максимальна (в нижнем положении кармана 2), а фальцы 4 занимают положение близкое к нормали. Относительная скорость потока среды при этом минимальна.

Карманы 2 (а их на одной стороне баллона 1 не менее 8 штук) под действием потока воздуха, в процессе вращения вокруг оси колеса испытывают в пределах периода неадекватные силовые воздействия, как по модулю, так и по вектору. Так, например, находясь в верхней части колеса упругая лопатка 3 (см. фиг. 3) под действием набегающего потока среды прогибается внутрь кармана 2, т. е. становится вогнутой, уменьшая при этом его объем и поперечное сечение, а следовательно, и гидравлическое опротивление. Очевидно, что сила потока среды произвела работу против упругой силы материала лопатки 3, вызвав в нем упругое напряжение. Другими словами, работа силы пошла на изменение потенциальной энергии лопатки 3, выраженной в ее деформации, т.е. в верхнем положении кармана 2 произошла его зарядка энергией.

Из физики известно, что сила упругости, возникающая при деформации тела, стремиться вернуть его в первоначальное состояние тотчас после силового воздействия, имеет электростатическую природу и является потенциальной. Возврат упругого тела в первоначальное состояние после силового воздействия не подчиняется второму закону механики (закону импульса) и происходит практически мгновенно. Именно поэтому уже при пересечении карманов 2 горизонтальной оси колеса лопатка 3 "выстрелит" и примет форму, как показано на фиг.3 (положение кармана 2 внизу, лопатка выгнута), причем этот процесс произойдет в независимости от линейной скорости колеса. Только карман 2, выполненный из упругого материала (в том числе с предварительным напряжением) способен работать в режиме саморегуляции с практически мгновенной реакцией на изменяющиеся внешние воздействия, что в результате и обеспечит искомое достижение максимального положительного эффекта.

Именно этот существенный признак отсутствует во всех известных решениях.

Использование: изобретение относится к авиационной технике, а именно к устройству колес шасси, способных в предпосадочном полете эффективно использовать скоростной напор среды для предварительной раскрутки, и может быть использовано на различных типах самолетов, в том числе с высокими посадочными скоростями. Сущность изобретения: на боковой поверхности колес выполнены карманы изменяемой геометрии из эластичного упругого материала, например резины, который предварительно напряжен. Карманы имеют пирамидальную форму. Карманы в процессе изготовления прижаты к стенкам шины и имеют минимальную площадь поперечного сечения, а их раскрытие происходит в процессе углового ускорения вращения колеса под действием центробежных сил. 3 ил.

Колесо, имеющее на боковой поверхности карманы пирамидальной формы изменяемой геометрии, выполненные из эластичного упругого материала, отличающееся тем, что карманы в процессе изготовления прижаты к стенкам шины и имеют минимальную площадь поперечного сечения, а их раскрытие происходит в процессе углового ускорения вращения колеса под действием центробежных сил и выполнены, например, из резины, в том числе и с предварительным напряжением.