АЭРО- ИЛИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ПЕРЕМЕННОЙ КРИВИЗНЫ Российский патент 2001 года по МПК B64C3/48 F03D1/00 B63B1/28 

Изобретение относится к аэро- или гидродинамическим поверхностям переменной кривизны, взаимодействующим со встречным потоком окружающей среды. Это могут быть несущие, рулевые или стабилизирующие поверхности транспортных средств, лопасти винтов транспортных средств или ветросиловых установок и другие поверхности, кривизну которых нужно изменять в зависимости от скорости и направления потока либо скорости и направления движения транспортного средства.

Преимущественной областью применения изобретения являются крылья сверхзвуковых самолетов.

Известно крыло изменяемой кривизны по патенту США N 4312486, содержащее неподвижную и подвижную части, соединенные между собой посредством звеньев четырехзвенника и гибкой верхней обшивки, нижнюю обшивку, закрепленную на подвижные части одним концом, а другим концом свободно опирающуюся на неподвижную часть, в которой расположены силовые элементы крепления четырехзвенника и серьги привода подвижной части.

Недостатком такого крыла является ограниченный диапазон изменения кривизны.

Наиболее близким по технической сущности является поверхность изменяемой кривизны по патенту США N 4312486, содержащая отклоняемую часть, которая снабжена приводом, расположена вдоль несущей части и скреплена с ней посредством гибкого участка выпуклой или плоской обшивки, и по меньшей мере двух разнесенных по размаху поверхности узлов навески в виде шарнирных четырехзвенников, каждый из которых включает опорную и несущую части поверхности, шарнирно соединенные промежуточными звеньями.

Недостатком поверхности-прототипа является низкая эффективность аэродинамики крыла из-за недостаточной плавности изгибов верхних и нижних обшивок. Кроме того, привод для изменения кривизны требует значительных высот для его размещения внутри крыла.

В основу изобретения положенa задачa создать поверхность переменной кривизны, взаимодействующую с потоком воздушной или водяной среды и характеризующуюся улучшенным обтеканием при различных скоростях и направлениях потока окружающей среды с минимизацией напряжений в гибком участке обшивки.

Для решения этой задачи аэро- или гидродинамическая поверхность переменной кривизны, содержащая отклоняемую часть, которая снабжена приводом, расположена вдоль несущей части и скреплена с ней посредством гибкого участка выпуклой или плоской обшивки, и по меньшей мере двух разнесенных по размаху поверхности узлов навески в виде шарнирных четырехзвенников, каждый из которых включает опорную и несущую части поверхности, шарнирно соединенные промежуточными звеньями, согласно изобретению характеризуется в шарнирном четырехзвеннике каждого узла навески отклоняемой части поверхности прямолинейные оси промежуточных звеньев, соединяющие центры соответствующих шарниров в ее несущей и отклоняемой частях, расположены относительно друг друга под острым углом, вершина которого во всем диапазоне эксплуатационных перемещений отклоняемой части поверхности совпадает с гибким участком ее обшивки при том, что соотношение линейных размеров звеньев четырехзвенников и расположение их шарниров определены из условия постоянства в интервале эксплуатационных углов поворота отклоняемой части поверхности длины линии изгиба участка обшивки в каждом поперечном сечении между узлами навески от места заделки гибкого участка обшивки в несущей части поверхности до места заделки этого участка в отклоняемой части поверхности.

В каждый момент поворота отклоняемой части поверхности мгновенный центр ее вращения расположен на пересечении осей промежуточных звеньев шарнирного четырехзвенника. Поскольку точка пересечения осей промежуточных звеньев совпадает с гибким участком обшивки, в этом месте происходит мгновенный поворот гибкого участка обшивки на бесконечно малый угол. Перемещение мгновенного центра вращения вследствие перемещения точки пересечения осей промежуточных звеньев сопровождается перемещением и места мгновенного поворота гибкого участка обшивки. Поэтому гибкий участок обшивки располагается вдоль линии изгиба без растяжения или потери устойчивости от сжатия, поскольку длина линии изгиба между местами его заделки постоянна.

При ограниченности пространства под привод предпочтительно, если привод отклоняемой части поверхности установлен с возможностью перемещения его подвижного элемента вдоль несущей и отклоняемой частей и снабжен кинематическим преобразователем в виде кулисного механизма, включающего продольное звено с наклонным кулисным пазом, которое скреплено с подвижным элементом привода и снабжено направляющим устройством, скрепленным с отклоняемой частью поверхности, и ползун, скрепленный при помощи промежуточной серьги с несущей частью поверхности посредством шарнира, расположенного при исходном положении отклоняемой части поверхности вблизи другого гибкого участка ее обшивки, который скреплен с отклоняемой частью поверхности со стороны, противолежащей гибкому участку выпуклой обшивки, и выполнен на противоположной кромке с законцовкой, прижатой при всех положениях отклоняемой части, к несущей части поверхности за счет упругости этого гибкого участка обшивки, при том, что промежуточная серьга установлена с возможностью поворота в плоскости, приблизительно, параллельной плоскости шарнирного четырехзвенника соответствующего узла, навески вблизи нее.

Продольное перемещение звена с кулисным пазом преобразуется в поперечное перемещение ползуна. Перемещение же ползуна приводит к соответствующему смещению направляющего устройства и скрепленной с ним отклоняемой части поверхности. Наибольшая величина момента, обеспечивающего поворот отклоняемой части поверхности, определена усилием привода и расстоянием от мгновенных центров вращения в гибком участке обшивки до ползуна кулисного механизма.

При пониженной жесткости гибких участков обшивок поверхности она может быть снабжена жесткими перемычками, скрепленными посредством шарниров с участками выпуклой и противолежащей ей гибких обшивок на участках между узлами навески отклоняемой части поверхности.

В каждом поперечном сечении между узлами навески отклоняемой части поверхности на противолежащих гибких участках обшивок есть по крайней мере одна пара мест, расстояние между которыми во всем интервале положений отклоняемой части поверхности практически не меняется. Перемычки снимают ограничения по жесткости гибких участков обшивок, объединяя их в общую систему.

Для ряда транспортных средств с патентуемой поверхностью предпочтительно, если кулисные пазы продольного звена кулисного механизма кинематического преобразователя привода отклоняемой части поверхности выполнены с разным наклоном, увеличивающимся или уменьшающимся в соседних по размаху поверхности пазах. Разный наклон пазов в соседних элементах продольного звена приводит к различию в повороте отклоняемой части поверхности, накапливаемому по размаху поверхности. Это может быть целесообразным в связи с изменением, например, величины хорды по размаху крыла и с возможностью крутки отклоняемой части поверхности.

При значительных эксплуатационных деформациях поверхности по размаху целесообразно, если продольное звено кулисного механизма кинематического преобразователя привода отклоняемой части поверхности выполнено в виде цепи элементов, которые расположены последовательно по размаху поверхности и скреплены между собой посредством трехстепенных шарниров.

Продольное перемещение в цепи элементов продольного звена, определяемое приводом отклоняемой части поверхности, постоянно. Каждый из элементов обеспечивает работу кулисного механизма в соответствующей навеске независимо от характера эксплуатационных деформаций поверхности.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
фиг. 1 - патентуемая поверхность согласно изобретению в виде части крыла самолета в плане;
фиг. 2 - вид по стрелке А фиг.1 в увеличенном масштабе;
фиг. 3 - узел Б фиг. 1 в увеличенном масштабе, повернуто;
фиг. 4 - разрез В-В фиг. 3 с исходным положением отклоняемой части поверхности;
фиг. 5 - разрез В-В фиг. 3 с отклоненной частью поверхности;
фиг. 6 - разрез Г-Г фиг. 3 с исходным положением отклоняемой частью поверхности;
фиг. 7 - разрез Г-Г фиг. 3 с отклоненной частью поверхности;
фиг. 8 - схема шарнирного четырехзвенника с гибкой частью выпуклой обшивки.

Патентуемая аэро- или гидродинамическая поверхность переменной кривизны содержит отклоняемую часть 1, которая снабжена приводом 2. Отклоняемая часть 1 расположена вдоль несущей части 3 и скреплена с ней посредством гибкого участка 4 выпуклой обшивки. Части 1 и 3 скреплены также посредством разнесенных по размаху поверхности узлов 5 навески в виде шарнирных четырехзвенников. Каждый из них включает звено 6 отклоняемой и звено 7 несущей частей поверхности, шарнирно соединенные промежуточными звеньями 8 и 9.

В шарнирном четырехзвеннике каждого узла навески отклоняемой части поверхности промежуточные звенья 8 и 9 соединяют соответствующие шарниры 10-11 и 12-13 в ее несущей и отклоняемой частях. Прямолинейные оси звеньев 8 и 9 расположены относительно друг друга под острым углом. Вершина этого угла во всем диапазоне эксплуатационных перемещений отклоняемой части 1 поверхности совпадает с гибким участком 4 ее обшивки. Соотношение линейных размеров звеньев 6, 7, 8, 9 четырехзвенников и расположение их шарниров определены из следующего условия постоянства в интервале эксплуатационных углов поворота отклоняемой части 1 поверхности: длина линии изгиба участка 4 обшивки в каждом поперечном сечении между узлами 5 навески от места заделки гибкого участка 1 обшивки в несущей части поверхности до места заделки этого же участка в отклоняемой части поверхности постоянна.

Привод 2 установлен с возможностью перемещения его подвижного элемента 14 вдоль несущей 3 и отклоняемой 1 частей поверхности. Привод 2 снабжен кинематическим преобразователем в виде кулисного механизма, включающего продольное звено 15 с наклонным кулисным пазом 16, которое скреплено с подвижным элементом 14 привода. Направляющее устройство 17 выполнено в виде кронштейна, скреплено с отклоняемой частью 1 поверхности и снабжено роликами 32. Ползун 18 кулисного механизма скреплен при помощи промежуточной серьги 19 с несущей частью 3 поверхности посредством шарнира 20. Шарнир 20 расположен при исходном положении отклоняемой части 1 поверхности вблизи другого гибкого участка 21 ее обшивки. Гибкий участок 21 обшивки скреплен с отклоняемой частью 1 поверхности со стороны, противолежащей гибкому участку 4 выпуклой обшивки, и выполнен на противоположной кромке с законцовкой 22. Законцовка 22 прижата при всех положениях отклоняемой части 1 к несущей части 3 поверхности за счет упругости гибкого участка 21 обшивки. Промежуточная серьга 19 установлена с возможностью поворота в плоскости, приблизительно параллельной плоскости шарнирного четырехзвенника соответствующего узла навески вблизи нее.

Поверхность снабжена жесткими перемычками 23. Каждая перемычка 23 скреплена посредством шарниров 24, 25 с участками 4 выпуклой и противолежащей ей 21 гибких обшивок. Перемычки 23 установлены между узлами навески отклоняемой части 1 поверхности.

Кулисные пазы 16 продольного звена 15 кулисного механизма кинематического преобразователя привода 2 отклоняемой части 1 поверхности выполнены с наклоном, увеличивающимся или уменьшающимся в соседних по размаху поверхности пазах.

Продольное звено 15 кулисного механизма кинематического преобразователя привода 2 отклоняемой части 1 поверхности выполнено в виде цепи элементов 26, которые расположены последовательно по размаху поверхности и скреплены между собой посредством трехстепенных шарниров 27.

Шарниры 10 и 12 встроены в кронштейн 28, жестко скрепленный с несущей частью 3 поверхности.

Шарнир 20 встроен в кронштейн 29, также жестко скрепленный с несущей частью 3 поверхности.

Направляющее устройство 17 жестко скреплено с отклоняемой частью 1 поверхности и взаимодействует с упорными роликами 30, которые установлены соосно с роликом ползуна 18.

Ролики 30 упираются в контактные поверхности устройства 17 и предотвращают перемещение серьги вдоль звена 15. В каждый момент изменения кривизны поверхности происходит поворот отклоняемой части 1 поверхности относительно одного из мгновенных центров вращения Ц_i, расположенного в гибком участке 4 выпуклой обшивки. При этом место изгиба этого участка непрерывно перемещается вдоль него.

Продольное перемещение звена 15 в роликах 32 направляющего устройства преобразуется в поперечное перемещение ползуна 18, который выполнен в виде ролика, вращающегося на той стороне кулисного паза, к которой он прижат. Перемещение же ползуна 18 приводит к соответствующему смещению направляющего устройства и скрепленной с ним отклоняемой части 1 поверхности. Наибольшая величина момента, обеспечивающего поворот отклоняемой части поверхности, определена усилием привода и расстоянием от мгновенных центров вращения в гибком участке 1 обшивки до ползуна 18 кулисного механизма.

В каждом поперечном сечении между узлами навески отклоняемой части 1 поверхности на противолежащих гибких участках 4 и 21 обшивок есть по крайней мере одна пара мест, расстояние между которыми во всем интервале положений отклоняемой части 1 поверхности практически не меняется. Перемычки 23 снимают ограничения по жесткости гибких участков 4 и 21 обшивок, объединяя их в общую систему.

Разный наклон пазов 16 в соседних элементах звеньев приводит к различию в повороте отклоняемой части поверхности, накапливаемому по размаху поверхности. Наклон определен из условия заданной крутки отклоняемого носка с учетом изменения величины хорды крыла по его размаху.

Продольное перемещение в цепи элементов 26 продольного эвена 15, определяемое приводом 2 отклоняемой части 1 поверхности, постоянно. Каждый из элементов 26 обеспечивает работу кулисного механизма в соответствующей подвеске независимо от характера эксплуатационных деформаций поверхности.

Таким образом, достигается повышение эффективности аэродинамики крыла путем плавных изгибов верхних и нижних обшивок подвижной части крыла и возможности обеспечения переменной кривизны крыла по размаху.

Решается задача по размещению привода подвижной части в малых строительных высотах крыла.

Упрощается технология навески подвижной части крыла, а следовательно, обеспечивается снижение веса крыла в целом.

Такая конструкция и работа крыла позволяет изменить его кривизну в весьма широких пределах при обеспечении незначительной высоты профиля крыла, что дает возможность применять его на скоростных летательных аппаратах, т.е. расширяет и улучшает эксплуатационные характеристики крыла.

Изобретение может быть использовано в авиации, на водном транспорте, в ветросиловых установках. Поверхность переменной кривизны содержит отклоняемую часть с приводом и несущую часть. Отклоняемая часть расположена вдоль несущей части и скреплена с ней посредством гибкого участка обшивки и по меньшей мере двух разнесенных по размаху поверхности узлов навески в виде шарнирных четырехзвенников. Каждый из последних включает звено отклоняемой части поверхности и звено несущей части поверхности, шарнирно соединенные промежуточными звеньями. Оси промежуточных звеньев, соединяющие центры соответствующих шарниров четырехзвенника в ее несущей и отклоняемой частях, расположены относительно друг друга под острым углом, вершина которого во всем диапазоне эксплуатационных перемещений отклоняемой части поверхности расположена на гибком участке ее обшивки. Соотношение линейных размеров звеньев четырехзвенников и расположение их шарниров определены из условия постоянства в интервале эксплуатационных углов поворота отклоняемой части поверхности длины линии изгиба участка обшивки в каждом поперечном сечении между узлами навески от места заделки гибкого участка обшивки в несущей части поверхности до места заделки этого участка в отклоняемой части поверхности. Предложение позволяет повысить эффективность аэродинамики крыла и обеспечить переменную кривизну по размаху крыла, снизить вес, использовать описанный привод при незначительной высоте профиля крыла. 4 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Аэро- или гидродинамическая поверхность переменной кривизны, содержащая отклоняемую часть с приводом, расположенную вдоль несущей части и скрепленную с ней посредством гибкого участка обшивки и по меньшей мере двух разнесенных по размаху поверхности узлов навески в виде шарнирных четырехзвенников, каждый из которых включает звено отклоняемой части поверхности и звено несущей части поверхности, шарнирно соединенные промежуточными звеньями, отличающаяся тем, что в шарнирном четырехзвеннике каждого узла навески отклоняемой части поверхности оси промежуточных звеньев, соединяющие центры соответствующих шарниров в ее несущей и отклоняемой частях, расположены относительно друг друга под острым углом, вершина которого во всем диапазоне эксплуатационных перемещений отклоняемой части поверхности расположена на гибком участке ее обшивки, при этом соотношение линейных размеров звеньев четырехзвенников и расположение их шарниров определены из условия постоянства в интервале эксплуатационных углов поворота отклоняемой части поверхности длины линии изгиба участка обшивки в каждом поперечном сечении между узлами навески от места заделки гибкого участка обшивки в несущей части поверхности до места заделки этого участка в отклоняемой части поверхности. 2. Аэро- или гидродинамическая поверхность по п.1, отличающаяся тем, что привод ее отклоняемой части выполнен с подвижным элементом, установленным с возможностью перемещения вдоль несущей и отклоняемой частей, а также снабжен кинематическим преобразователем, включающим продольное звено с наклонным кулисным пазом, скрепленное с подвижным элементом привода и снабженное направляющим устройством, скрепленным с отклоняемой частью поверхности, и ползун, скрепленный при помощи промежуточной серьги с несущей частью поверхности посредством шарнира, расположенного при исходном положении отклоняемой части поверхности вблизи гибкого участка обшивки указанной части поверхности, противолежащего ее гибкому участку обшивки, скрепленной с несущей частью поверхности, и выполнен на противоположной кромке с законцовкой, прижатой при всех положениях отклоняемой части к несущей части поверхности за счет упругости этого гибкого участка обшивки, при этом промежуточная серьга установлена с возможностью поворота в плоскости, приблизительно параллельной плоскости шарнирного четырехзвенника соответствующего узла навески. 3. Аэро- или гидродинамическая поверхность по п.2, отличающаяся тем, что она снабжена жесткими перемычками, шарнирно соединенными с участками гибких общивок: скрепленной с несущей частью поверхности и противолежащей ей на участках между узлами навески отклоняемой части поверхности. 4. Аэро- или гидродинамическая поверхность по п.2, отличающаяся тем, что продольное звено кинематического преобразователя привода отклоняемой части поверхности выполнено в виде цепи элементов, которые расположены последовательно по размаху поверхности и скреплены между собой посредством трехстепенных шарниров. 5. Аэро- или гидродинамическая поверхность по п.4, отличающаяся тем, что кулисные пазы продольного звена кинематического преобразователя привода отклоняемой части поверхности выполнены с наклоном, увеличивающимся или уменьшающимся в соседних элементах.