Изобретение относится к профильной структуре несущей поверхности самолета согласно ограничительной части п.1 формулы. Ее применение связано с улучшением аэродинамических свойств несущей поверхности самолета, которые в зоне задней кромки крыла или средства увеличения подъемной силы (посадочный закрылок и/или элерон) в значительной степени предотвращают возникновение вынужденных усилий в профильной структуре несущей поверхности из-за изгиба крыла и/или изгиба управляемого средства увеличения подъемной силы. Деформационная характеристика крыла или средства увеличения подъемной силы должна быть стабилизирована посредством зоны задней кромки крыла без принятия дополнительных конструктивно-механических мер.
Для управления летящим самолетом используют аэродинамические исполнительные поверхности (поверхности управления, рули), которые, как известно, зачастую интегрированы в зону задней кромки обоих крыльев. Для поперечного управления предусмотрен элерон, который обычно посредством двух шарниров привязан к соответствующему крылу и поворачивается на задней кромке крыла (в зависимости от желаемого воздействия на полетную ситуацию) вверх или вниз. Общим для всех поверхностей управления является то, что они по сравнению с размахом крыла имеют небольшую длину, а по сравнению с хордой крыла - большую хорду. Эти поверхности управления привязаны к крылу обычно двумя шарнирами, как показано на фиг.5, и, таким образом, оперты статически определенно. Из-за относительно небольшой длины руля отличие деформации к линии изгиба крыла также невелико. При подобной опоре рулю не передается изгиб крыла (отсутствие деформации в направлении z крыла), поэтому в конструкции руля не возникает вынужденных усилий, которые возникают, например, при опоре руля на посадочном закрылке с тремя шарнирами. Этот недостаток приходится учитывать, если, как показано на фиг.6, требуется использовать узкие поверхности управления с непрерывным шарнирным соединением (через шарнирную привязку тремя или более шарнирами). При этом рассматривается поверхность управления, имеющая длину около 4 м и хорду около 0,4 м. Эта поверхность управления руля (называемого среди специалистов также "Tab") для обеспечения аэродинамически безупречной привязки к крылу или посадочному закрылку должна быть привязана несколькими (более чем двумя) шарнирами, причем достигается равенство обеих линий изгиба и шарнирной линии (называемой среди специалистов также "Hingeline").
Аэродинамическая точная привязка возможна, следовательно, как показано на фиг.6, только за счет опоры этих элементов несущей поверхности в трех точках, причем эта опора уже в нулевом положении руля создает соответствующие вынужденные усилия в профильной структуре соединенного шарнирами руля (Tab). Эти вынужденные усилия в поверхности управления являются результатом не только изгиба крыла, но изгиба поверхности управления вокруг ее жесткой оси на "высокой кромке" (ось с большим моментом инерции), когда она отклонится при изогнутой шарнирной линии (Hingeline).Фиг.7 дает наблюдателю представление о том, какие вынужденные усилия действуют при отклонении руля (Tab) вокруг прогнутой шарнирной линии. На этой фиг.7 показано, например, возникновение сжимающих вынужденных усилий в профильной структуре руля при отрицательном отклонении руля. В зависимости от направления поворота в профильной структуре соединенного шарнирами руля возникают, следовательно, высокие сжимающие и растягивающие напряжения, которые могут привести к отказу ее устойчивости, и, тем самым, потребовать дополнительных мер по стабилизации структуры за счет монтажа дополнительных стрингеров и/или ребер или ее усилению, которое вызвало бы увеличение веса. Кроме того, потребуются высокие приводные усилия, опорные усилия в шарнирах повысятся, и жесткость руля отрицательно скажется на деформационной характеристике крыла или посадочного закрылка. Если желательно избежать названных проблем, которые возникают в результате описанной выше привязки руля управления к крылу или посадочному закрылку тремя шарнирами (при опоре этих элементов несущей поверхности в трех точках), то было бы целесообразно привязать упомянутый руль несколькими шарнирами и придать рулю (Tab) определенную гибкость вокруг оси z руля; это должно означать, что руль (Tab), как показано на фиг.8, в нулевом положении и в отклоненном состоянии будет приспосабливаться к заданной крылом шарнирной линии (Hingeline) без возникновения вынужденных усилий. Представленные конфигурации известны специалистам и частично реализуются в пассажирских самолетах типа "аэробус", за исключением аэробусов типа А300.
Для реализации привязки находящегося в задней части крыла (легкого) средства увеличения подъемной силы (из материала-сэндвича CFK), которое, например (у тяжелого самолета), проходит по всей длине задней кромки крыла, и с помощью которого во время полета должно быть в значительной степени предотвращено возникновение вынужденных усилий (сжимающие и растягивающие напряжения) в (CFK)-профильной структуре средства увеличения подъемной силы, которые первоначально объясняются изгибом крыла и/или изгибом управляемого средства увеличения подъемной силы во время движения его закрылка или руля (в зависимости от направления поворота), специалист вынужден искать более приемлемые решения, которые, однако, не содержатся в уровне техники. Существует потребность в более оптимальных, по сравнению с известными из уровня техники, аэродинамических решениях, позволяющих уменьшить опорные и приводные усилия на посадочном закрылке и/или элероне (в целом, на средстве увеличения подъемной силы, например в выполнении CFK), позволяющих достичь снижение веса в зонах ввода усилий шарнирно-подвижно соединенных элементов несущей поверхности.
В соответствии с изложенным, в основу изобретения поставлена задача создания профильной структуры несущей поверхности самолета с аэродинамическими усовершенствованиями, с помощью которой в зоне задней кромки крыла или одного или нескольких средств увеличения подъемной силы (посадочный закрылок и/или элерон) в самой значительной степени предотвращалось бы возникновение вынужденных усилий в профильной структуре несущей поверхности за счет изгиба крыла и/или изгиба управляемого средства увеличения подъемной силы. Должно быть достигнуто уменьшение опорных и приводных усилий, с уменьшением веса в зонах ввода усилий шарнирно-подвижно соединенных элементов несущей поверхности.
Данная задача решается посредством признаков, приведенных в п.1 формулы. В последующих пунктах приведены целесообразные варианты реализации указанных признаков.
Изобретение более подробно поясняется ниже на примере его осуществления со ссылками на чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает принципиальную конструкцию руля с желобчатым возвышением, выполненным в верхней и нижней обшивках;
Фиг.2 - вид расположенных друг на друге с точной пригонкой желобчатых возвышений с изображением ширины поверхностей соединения;
Фиг.3 - вид по фиг.2 в направлении хорды профиля;
Фиг.4 - видимую внутреннюю конструкцию руля по фиг.1 в сечении;
Фиг.5 - выполненную с двумя шарнирами подвижную опору руля (Tab) на посадочном закрылке или крыле;
Фиг.6 - выполненную с тремя шарнирами подвижную опору руля (Tab) на посадочном закрылке или крыле;
Фиг.7 - вид по фиг.5 при отрицательном отклонении руля с изображением направления действия нагружающих структуру вынужденных усилий;
Фиг.8 - отдельное изображение руля, шарнирно-подвижно опертого посредством нескольких шарниров на крыло или посадочный закрылок (согласно фиг.5 и 7) с изображением направления действия нагружающих структуру вынужденных усилий (в трех направлениях);
Фиг.9 - вид руля (CFK-FINTAB), шарнирно-подвижно опертого по всей задней кромке крыла или посадочного закрылка на крыло или посадочный закрылок.
Варианты осуществления согласно фиг.5-8 выше уже были раскрыты. Следует лишь добавить, что в случае варианта согласно фиг.5 снова возникают известные аэродинамические проблемы при искомой опоре длинного руля (Tab) с двухшарнирной привязкой. На фиг.6 показана аэродинамическая (выполненная с шарнирами) привязка руля (Tab) к посадочному закрылку или крылу посредством шарнирно-подвижной опоры в трех точках, причем эта опора уже в нулевом положении руля создает в структуре вынужденные усилия. На фиг. 7 показано отклонение руля (Tab) вокруг прогнутой шарнирной линии, когда при отрицательном отклонении руля в его структуре возникают вынужденные сжимающие усилия. На фиг.8 изображен отдельный руль (Tab) с требуемыми оптимизированными свойствами жесткости во избежание, тем самым, возникновения вынужденных усилий, если аэродинамическая (точно выполненная) привязка руля (Tab) к посадочному закрылку или к крылу реализована за счет опоры в нескольких точках. Представленные решения преследуют своей целью устранение присущих известному уровню техники недостатков.
Прежде всего следует отметить, что благодаря аэродинамическим усовершенствованиям профильной структуры несущей поверхности самолета, расположенной в зоне задней кромки крыла или одного или нескольких средств увеличения подъемной силы (посадочный закрылок и/или элерон), в значительной степени предотвращается возникновение вынужденных усилий в профильной структуре несущей поверхности за счет изгиба крыла и/или изгиба управляемого средства увеличения подъемной силы. В соответствии с этим предусмотрено использование профильной структуры несущей поверхности, реализованной, как показано на фиг.1. Эта профильная структура несущей поверхности (например, для руля или его задней кромки, посадочного закрылка или крыла) реализована с несущей аэродинамической поверхностью, уложенной на внутреннюю конструкцию крыла или средства увеличения подъемной силы вверху и внизу.
Здесь следует упомянуть, что под средством увеличения подъемной силы (здесь в качестве примера) понимается посадочный закрылок или руль, преимущественно элерон, с аэродинамической исполнительной поверхностью. Кроме того, названная "внутренняя конструкция" на фиг.1-4 относится, в целом, к (на фиг.1 в качестве примера) рулю или посадочному закрылку, который помимо дополнительных элементов (не показанных) состоит, главным образом, из коробчатого лонжерона 15 и концевой кромочной рейки 16, которые в направлении размаха посадочного закрылка или руля расположены параллельно и отстоят друг от друга в направлении хорды t профиля. В зоне коробчатого лонжерона и концевой кромочной рейки сверху и снизу закрепляют упомянутые обшивки 4, 5, с тем, чтобы реализовать упомянутую управляемую аэродинамическую поверхность (структура поверхности управления). Последняя реализована с верхней 4 и нижней 5 обшивками, заканчивающимися на передней 1 и задней 2 кромках крыла или средства увеличения подъемной силы, причем средство увеличения подъемной силы расположено в задней части крыла. В верхней 4 и нижней 5 обшивках выполнено (например, на фиг.9) несколько желобчатых возвышений 6, 7, расположенных на расстоянии друг от друга в направлении 3 размаха крыла и, в первую очередь, средства увеличения подъемной силы посадочного закрылка и/или руля (лонжерона). Желобчатый контур возвышений 6, 7 (например, как показано фиг.1) должен начинаться на задней кромке 2 (обшивок 4, 5) и проходить в направлении воображаемой средней линии 8 профиля (линия каркаса) внутренней конструкции.
Следует упомянуть, что названные возвышения 6, 7, выполняемые как в верхней 4, так и в нижней 5 обшивке с одинаковым контуром и одинаковой формы в одном направлении, имеют открытую к средней линии 8 профиля параболообразную V-образную форму, выполненные в данном средстве увеличения подъемной силы, в частности, в посадочном закрылке и/или руле или, возможно, в крыле. При этом следует предусмотреть, например, выполняемые в виде возвышений 6, 7 конические аэродинамические элементы параболообразной формы, которая хорошо отражена на фиг.1, 3, 4. Возвышения 6, 7, при условии прерывания расположенной в направлении размаха концевой кромочной рейки 16, расположены внутри образованного прерыванием рейки свободного пространства.
Возвышения 6, 7, предусмотренные над поверхностями верхней обшивки 4 и нижней обшивки 5 и имеющие форму параболы, переходящей в конус, выполнены над участками попарных прерываний обшивок 4, 5, причем концевая кромочная рейка 16 может иметь прерывания в нескольких местах. Вдоль описанного ниже контура возвышений 6, 7 в направлении хорды профиля можно обнаружить почти идентичный контур указанной параболообразно вертикально направленной выпуклости, высота которой постепенно уменьшается по мере уменьшения расстояния до передней кромки 1 (верхней или нижней обшивки) (с непрерывно убывающей и открытой вверх параболической формой).
Упомянутые возвышения 6, 7 по мере уменьшения расстояния до передней кромки 1 (обшивок 4,5) выполнены формоубывающими и переменными. Выполнение возвышений 6, 7 переменными связано с тем, что у крыла, с одной стороны, контур возвышений 6, 7, выполненных на верхней 4 и нижней 5 обшивках соответствующего крыла, заканчивается либо вблизи задней кромки 2 обшивок 4, 5, либо посередине хорды t профиля (крыла) (в целом: не выходя за середину хорды t профиля крыла). С другой стороны, у соответствующего средства увеличения подъемной силы (посадочного закрылка или руля) предусмотрено, что контур возвышений 6, 7, выполненных на верхней 4 и нижней 5 обшивках соответствующего средства увеличения подъемной силы в целом, выходит, по меньшей мере, за середину хорды t профиля соответствующего средства увеличения подъемной силы. При этом контур возвышений 6, 7 заканчивается на воображаемых первой и второй линиях 10а, 10 профиля, проходящих вблизи передней кромки 1 верхней 4 и нижней 5 обшивок и параллельно в направлении 3 размаха соответствующего средства увеличения подъемной силы.
Расположенные попарно в направлении средней линии 8 профиля возвышения 6, 7 заканчиваются со стороны концевой кромки, сходящейся наподобие острия концевой кромкой 13, 14, которая, согласно фиг.1, лежит на проходящей в направлении размаха посадочного закрылка или руля так называемой первой и второй воображаемой линии 10а, 10 профиля, например, вблизи коробчатого лонжерона 15 или непосредственно касается не видимой снаружи внутренней конструкции и не покрытой обшивкой обратной поверхности зоны лонжерона. В соответствии с этим контур первого возвышения 6 заканчивается приблизительно на продолжении воображаемой оси L концевой кромки, которая перпендикулярна средней линии 8 профиля и касается лежащего вблизи коробчатого лонжерона 15 или касающегося его острия 13а, в которое вырождается зона концевой кромки 13 суженного второго возвышения.
Из фиг.1 также видно, что в верхней обшивке 4 выполнено первое возвышение 6, а в нижней обшивке 5 - второе возвышение 7.
Оба попарно выполненных возвышения 6, 7, прилагающие друг к другу и точно подогнанные друг к другу вдоль оси z руля, соединены в расположенной над поверхностью прилегания обшивки задней кромочной рейки 16 концевой зоне 9 задней кромки крыла или соответствующего средства увеличения подъемной силы, которая ограничена задней кромкой 2 и проходящей вблизи нее и параллельно ей так называемой воображаемой третьей линией 11 профиля и проходит в направлении 3 его размаха в направлении х оси руля.
Из фиг.9 видно, что для улучшения устойчивости и аэродинамических характеристик в соответствующих средствах увеличения подъемной силы или в крыле, по аналогии с фиг.1, выполнено несколько попарно расположенных возвышений 6, 7, придающих жесткость обшивкам 4,5 в направлении z оси руля, которые по аналогии с первым возвышением 6 выполнены в верхней обшивке 4 и по аналогии со вторым возвышением 7 выполнены в нижней обшивке 5.
Соединение обоих возвышений 6,7 должно быть реализовано, например, если выполнение средств увеличения подъемной силы (например, посадочного закрылка или руля или крыла - тяжелого самолета) осуществлено по аналогии с фиг.9 в реализации CFK, с помощью подходящего клея (клея холодного или горячего отверждения, соответственно одно- или многокомпонентного клея) или другого подходящего клеющего средства, который обе выполненные с точной пригонкой и прилегающие друг к другу поверхности соединения первого 6 и второго 7 возвышений, как показано на фиг.1, соединяет, начиная с концевой зоны 9 задней кромки крыла с материальным замыканием и неразъемно. При этом соединение обоих возвышений 6, 7 осуществляется с подводом или без подвода тепла и с приложением или без приложения усилия (нагружение поверхностей соединения сжатием). Соединяемые возвышения 6, 7 образуют в месте соединения монолитную конструкцию.
Фрагмент фиг.1 изображен на фиг.2. На фиг.2 хорошо видна зона соединения лежащих друг на друге возвышений 6, 7, которые в самолетостроении называются также "плавниками". При этом возвышения 6, 7, открытые параболообразно (относительно не показанной средней линии 8 профиля в направлении z (оси) руля), имеют заданное в направлении у (оси) руля отклонение ширины поверхностей соединения, согласованное с геометрической формой, с тем чтобы получить (в сухом состоянии) почти освобожденное от полостей соединение склеиваемых поверхностей соединения.
Положение отдельной пары возвышений 6, 7 (плавников) дополнено сечением на фиг.3.
На фиг.4 показан продольный разрез посадочного закрылка или руля (элерона), а также контур возвышений 6,7 в направлении хорды профиля [в направлении у (оси) руля].
В заключение следует сослаться на фиг.9, изображающую практический пример осуществления изобретения, описанного выше со ссылками на фиг.1-4. На фиг.9 показан посадочный закрылок (Flap) с шарнирно-подвижно привязанным посредством нескольких шарниров 17 рулем 18 (Tab) в варианте CFK, с техническим названием "CFK-FINTAB". На фиг.9, в частности, показана привязка руля 18 по всей длине задней кромки посадочного закрылка. Несмотря на дополнительное изображение приводных механизмов и Flap-Track-Fairings, о которых подробно не говорится, здесь изображен типичный пример применения, который также за счет реализуемого снижения веса может быть применен в тяжелом самолете.
Вышеизложенное позволяет сделать следующие выводы. Исходя из решений согласно фиг.5-8, направленных на устранение описанных выше недостатков, представляются целесообразными, в отношении средств увеличения подъемной силы привязка приведенного в качестве примера посадочного закрылка или руля (называемого "Tab") несколькими шарнирами и частичное встраивание в руль гибкости вокруг оси z руля, в результате чего руль в нулевом положении, а также в отклоненном состоянии должен приспосабливаться к заданной крылом шарнирной линии без возникновения вынужденных усилий (фиг.8). Данная концепция позволяет реализовать легкую и аэродинамически точно привязанную поверхность управления, которая проходит, например, по всей длине задней кромки крыла. Также должны быть уменьшены возникающие опорные и приводные усилия, с возможностью снижения веса в указанных зонах приложения усилий. Соответствующее решение проиллюстрировано на фиг.1-4, 8. На фиг.1 изображена конструкция структуры поверхности управления, отвечающей этим требованиям. Такая структура поверхности управления состоит, главным образом, из следующих основных компонентов - коробчатый лонжерон 15, верхняя обшивка 4, нижняя обшивка 5, концевая кромочная рейка 16, причем внутренняя конструкция этой части структуры поверхности управления, помимо коробчатого лонжерона 15 и концевой кромочной рейки 16, дополнена другими (не показанными) конструктивными элементами (элементами жесткости и соединительными элементами). Для обеспечения гибкости вокруг вертикальной оси руля [ось z (оси) руля] в обшивках 4, 5 выполнены конически сходящиеся к коробчатому лонжерону 15 желобчатые возвышения 6, 7 (плавники). Первое возвышение 6 (верхний плавник) проходит внутрь структуры руля и заканчивается на оси L задней кромки, которая перпендикулярна средней линии 8 профиля и которая касается зоны задней кромки (проходящего под первым возвышением 6) второго возвышения 7 (нижнего плавника), причем второе возвышение 7 выходит за пределы конструкции руля. В свободном пространстве зоны, прерванной на отдельных отрезках концевой кромочной рейки 16 возвышения 6, 7 (плавники), изготовлены с точной подгонкой друг к другу и соединены путем склеивания (фиг.1).
Желобчатые возвышения 6, 7 (плавники) служат пружинящими элементами или растягивающимися складками и обеспечивают необходимую гибкость вокруг вертикальной оси руля [ось z (оси) руля]. В направлении коробчатого лонжерона 15 высота возвышений 6, 7 (плавников) вдоль вертикальной оси руля уменьшается, поскольку здесь находится нейтральное волокно отдельного руля и, тем самым, происходит меньшая деформация. Возвышения 6, 7 (плавники) придают жесткость обшивкам 4, 5 в направлении z (оси) руля, а также за счет соединения между собой они придают жесткость всему телу конструкции. Они выполняют, тем самым, функцию ребер (передача поперечных усилий). За счет вхождения возвышений 6, 7 (плавников) друг в друга отпадает необходимость уплотнения расширяющейся зоны. Коробчатый лонжерон 15 воспринимает кручение в большей степени и потому выполнен с высокой торсионной жесткостью, причем идеальным является замкнутый профиль с ±45-градусной волокнисто-композитной конструкцией.
Перечень ссылочных позиций
1 - передняя кромка
2 - задняя кромка
3 - направление размаха
4 - верхняя обшивка
5 - нижняя обшивка
6 - первое возвышение, желобчатое
7 - второе возвышение, желобчатое
8 - средняя линия профиля
9 - концевая зона задней кромки
10а - первая воображаемая линия профиля
10 - вторая воображаемая линия профиля
11 - третья воображаемая линия профиля
12 - посадочный закрылок
13 - концевая кромка (второго возвышения 7)
13а - острие
14 - концевая кромка (первого возвышения 6)
15 - коробчатый лонжерон
16 - концевая кромочная рейка
17 - шарнир
18 - руль (Tab)
t - хорда профиля
L - ось концевой кромки.
Изобретение относится к области авиации. Несущая поверхность самолета с профильной структурой содержит крыло, имеющее средство увеличения подъемной силы, а также несущую аэродинамическую поверхность, расположенную на внутренней конструкции средства увеличения подъемной силы над и под упомянутым средством. Несущая аэродинамическая поверхность выполнена в виде верхней и нижней обшивок, заканчивающихся на передней и задней кромках средства увеличения подъемной силы и проходящих в направлении его размаха. Средство увеличения подъемной силы расположено в задней части крыла и закреплено посредством шарнирно-подвижной опоры в трех точках. В верхней и нижней обшивках выполнено несколько желобчатых возвышений, расположенных на расстоянии друг от друга в направлении размаха крыла, контур которых, начиная с задней кромки, определен в направлении средней линии профиля внутренней конструкции, а их высота является убывающей по мере уменьшения расстояния до передней кромки. Изобретение направлено на улучшение аэродинамики самолета. 12 з.п. ф-лы, 9 ил.
РУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ С ОСЕВОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ | 1997 |
|
RU2116222C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 2-МЕТИЛПЕНТЕНА-2 | 0 |
|
SU244334A1 |
DE 19964114 A, 19.07.2001 | |||
US 4466586 A, 21.08.1984. |
Авторы
Даты
2009-03-20—Публикация
2003-12-09—Подача