Виды механизации

Лекция 12

Проектирование конструкции механизации крыла

Виды механизации

Существующее разнообразие видов механизации объясняется не только формами их конструктивного воплощения, но и технической реализацией заложенных в самой механизации принципов. Это прежде всего относится к устройствам, использу­ющим в основном активное управление пограничным слоем с по­мощью выдува воздуха на нижнюю или верхнюю поверхность. Поскольку этот тип механизации затрагивает главным образом проблемы аэродинамики, теплозащиты и энергообеспечения, то специфические особенности их разработок выходят за рамки конструирования обычных механических систем. Поэтому в даль­нейшем будут рассматриваться типовые средства механизации передней и задней кромок крыла, их кинематические схемы и конструктивные особенности, у которых изменение аэродинами­ческих характеристик достигается в основном за счет механиче­ских действий (отклонение, выдвижение и др.).

Как известно, механизация служит для изменения аэродина­мических характеристик крыла на взлетно-посадочных режимах полета самолета с целью уменьшения скорости посадки, длины пробега и разбега и при маневрировании самолета.

Компоновка крыла современного самолета представляет собой сложную систему средств механизации, режимы работы, пара­метры и взаимодействие которых определяются в процессе проек­тирования. Конструктор-разработчик обычно получает всю необходимую информацию уже в завершенном виде. После этого, опираясь на готовую конструктивно-силовую схему крыла, он может проектировать заданный тип механизации.

Общепринятая схема механизированного крыла предполагает обычно размещение средств вдоль передней или задней кромок крыла. Наиболее распространенными вариантами устройств яв­ляются предкрылки, закрылки и щитки (рис.1). Разновид­ностью щитков являются интерцепторы — гасители подъемной силы.

Рис. 1

Очевидно, что указанная схема расположения средств опре­деляет и принципы разработки силовой схемы их установки. Для обеспечения силовой увязки любого типа механизации могут быть использованы передние или задние продольные элементы конструкции крыла (стенки, лонжероны, специальные балки) и в дополнение к ним усиленные нервюры.

Приступая к разработке общей схемы установки данного вида механизации, конструктор, помимо общих требований, должен учитывать и ряд специфических. Прежде всего это имеет отношение к закрылкам. Для них требуется в посадочной конфи­гурации построить схему и определить действительные расстояния от задних кромок отклоненных поверхностей до поверхности земли. Минимальное расстояние не должно быть меньше 450 мм. Особенно это важно для трехщелевых закрылков, угол отклонения которых достигает 60°.

Одним из сложнейших вопросов для выдвижных закрылков является выбор вида перемещения. Если оно совершается по ци­линдрической поверхности при стреловидных задних кромках, то максимальный ход выдвижения закрылков определяется внеш­ними его хордами (для секционированных закрылков). Выдвиже­ние закрылков по конической поверхности, более выгодное с точки зрения аэродинамики, всегда конструктивно более сложно. Кроме того, большую роль играет выбор направления выдвижения за­крылка — перпендикулярно задней кромке (точнее, перпендику­лярно к мгновенной оси вращения) или по потоку.

В первом случае для стреловидных крыльев конструктор должен учитывать и подсчитать неизбежные потери эффектив­ности закрылка, эквивалентные потери площади около бортов фюзеляжа, гондол двигате­лей (если они расположены на крыле), в местах излома кромки, около зон стыков частей крыла и торцов эле­ронов.

Габаритными огра­ничениями в этом случае служат минимально допу­стимые эксплуатационные зазоры

80... 100 мм до смежных конструктивных элементов.

Выдвижение закрылков по потоку в конструктивном отношении более просто и позволяет использоватьвсюотведенную на крыле площадь для механизации.

Разработка схемы и конструкции должна вестись обязательно с учетом требований эксплуатации. Поэтому конструктор обязан предусмотреть легкий доступ ко всем узлам навески и управле­ния для выполнения регламентных работ с определенной пери­одичностью, например, через 2000 посадок для самолетов, лета­ющих на ближние и короткие расстояния.

Большое значение имеет удовлетворение требований обеспе­чения надежной фиксации средств механизации в убранном положении. С этой целью предусматриваются специальные замки, тормозящие устройства или самотормозящие приводные меха­низмы.

Кроме того, в системе управления и подвески должны быть предусмотрены компенсаторные звенья, позволяющие выбирать эксплуатационный люфт. Максимальная величина этого люфта не должна превышать по задней кромке устройства в убранном положении 6... 8 мм.

Роль фиксаторов, кроме того, усиливается еще и тем обсто­ятельством, что незакрепленная или плохо закрепленная поверх­ность всегда является источником вибраций, которые передаются в конструкцию крыла и могут стать причиной серьезных кон­структивных повреждений.

К перечисленным требованиям (далеко не исчерпывающим конструктивные и эксплуатационные проблемы) следует добавить еще одно — эксплуатационное. Это — необходимость постоянного контроля (и, если надо, регулирования) синхронной работы всех секций механизации и обеспечения плавного, без заеданий, их перемещения. Несоблюдение, хотя бы частичное, этого требования может привести к серьезным последствиям, связанным с возникновением несимметричного обтекания, особенно опасного на скользких, мокрых, покрытых снегом взлетно-посадочных по­лосах.

Средства механизации передней кромки крыла

Проектирование средств механизации любого типа предусматривает одновременное решение ряда задач разработки: кинематической схемы, системы установки и управления, кон­струкции опор и собственно устройства. В большинстве случаев разрабатываются также и механизмы привода. Эта особенность проектирования объясняется необходимостью выявления ха­рактерных положений механизмов и устройства для определения расчетных условий и нагрузок. Кроме того, для проведения анализа возможных искажений обтекания крыла из-за появления щелей, уступов, обтекателей и т. п., а также для оценки влияния установки механизации на конструктивно-силовую схему крыла и его компоновку.

Средства механизации передней кромки крыла обладают отно­сительно меньшим конструктивным разнообразием и более стерео­типным характером нагружения, чем механизация задней кромки. Все виды можно свести к трем группам: предкрылки, щитки (бесщелевые и щелевые) и отклоняемые носки. Характерным признаком такого группирования является конструктивное оформ­ление самого устройства. Предкрылки и отклоняющиеся носки сохраняют конструктивное подобие крыльевой конструкции, пред­ставляя собой профилированный в сечении замкнутый контур из обшивки, опертой на поперечные жесткости. При малых отно­сительных толщинах и хордах может быть использована толстая обшивка с очень малым числом поперечных элементов (за исклю­чением мест расположения опорных узлов и привода). Продольные балки и лонжероны в предкрылках встречаются довольно редко, особенно для тонких крыльев, чаще они устанавливаются в кон­струкции отклоняющихся носков.

Прежде чем приступить к проектированию всего устройства в целом, следует уточнить геометрические параметры и увязку с конструктивно-силовой схемой крыла. Это необходимо для определения величины воздушной нагрузки и размещения опор. Обычно размеры хорд механизации берутся в следующих пре­делах: для отклоняющихся носков 10... 15 % хорды крыла, для предкрылков 12... 17 %, для носовых щитков 15... 20 %.

Наличие сильного контура, часто подкрепленного нервюрами обеспечивает достаточ­ную изгибную жесткость пред­крылку. Задача проектировщика в этом случае состоит в пра­вильном выборе числа секций, расположения опор и длины про­летов между ними.

Именно здесь проявляется особенность проектирования средств механизации, выражающаяся в обязательной совместной про­работке конструкции устройства и его опор, в согласовании жесткостей с расчетно-конструктивной схемой.

Принимая во внимание наклонное положение равнодейству­ющей аэродинамических сил к хордовой плоскости крыла и от­клоненного предкрылка, очевидно, следует добиваться равной величины изгибных жесткостей предкрылка относительно гори­зонтальной и вертикальной осей.

Немаловажное значение имеет плотное, без щелей и выступов, прилегание кромок предкрылка к контуру крыла.

Системы установки средств механизации передней кромки обычно прорабатываются совместно с кинематической схемой, поскольку между ними существует конструктивная взаимосвязь.

Наиболее распространенными схемами установки предкрылков являются закрепление их на кулисном (рис.2,а), многозвенном механизме (рис.2,6) или на рельсовых направляющих (рис.2,в).

Навеска носовых щитков и отклоняющихся носков часто выполняется на соединениях шомпольного типа, имеющих определенные эксплуатационные (аэродинамические и прочност­ные) преимущества.

Рис. 2

Средства механизации задней кромки крыла

Средства механизации задней кромки крыла пред­ставляют собой значительно более разнообразную группу уст­ройств по сравнению с передней кромкой крыла и в конструк­тивном, и, особенно, в кинематическом отношениях. Это разно­образие объясняется желанием достичь максимальной эффектив­ности в широком диапазоне режимов. Прежде всего это отражается на существенном усложнении кинематики.

Конструктивные формы этих средств обладают аналогичными, сходными с предкрылками и носовыми щитками, особенностями. Закрылки (предкрылки) имеют обычно сходную с рулями и эле­ронами конструкцию, содержащую типовой набор конструктивных элементов — продольные, стенки, стрингеры, нервюры, законцовочные стрингеры и обшивку. Конструктивное разно­образие схем увеличивается благодаря широкому применению сотовых и других заполнителей и созданию многослойных кон­струкций с использованием композиционных материалов.

Способы подвески закрылков опять же тесно связаны с раз­работкой кинематической схемы. Наиболее распространенными способами стали установки закрылков на кронштейнах (отклоня­ющиеся закрылки) и на рельсах (выдвижные за­крылки).

Конструкция щитков, по сравнению с закрылками, более проста в кинематическом и конструктивном отношениях. Большинство из них «зашивается» обшивкой только снизу и подвеши­вается к крылу на шомпольном соединении.

Отклоняющиеся закрылки. Рассматривая отклоняющийся за­крылок в конструктивном и эксплуатационном смыслах подобным элерону, можно при проектировании упростить подход к опре­делению расчетных нагрузок и разработке схемы навески.

Рис. 3

Наиболее распространенной схемой навески стала двухопорная (реже трехопорная) для единичной секции закрылка (рис.3). В первом случае (рис.3,а) целесообразно конструировать закрылок, стремясь обеспечить путем выбора расстояния между опорами, равенство изгибающих моментов в пролете и над опо­рами. Конечно, при наличии сужения закрылка и необходимости соединения с приводным механизмом (тягой), положение которого зависит от компоновки крыла и систем управления, затрудни­тельно полностью удовлетворить это условие. Однако его можно рассматривать как рекомендацию, позволяющую получить равно- жесткий закрылок наименьшей массы.

Во втором случае (рис.3,б) задача существенно услож­няется вследствие присущих схеме технологических и экс­плуатационных трудностей. Несмотря на то что в обоих случаях для одной из опор следует предусматривать возможность ком­пенсирования при сборке производственных неточностей, в трехопорной схеме это достигается с большим трудом, особенно для стреловидных закрылков. К этому следует добавить и сложность проектирования самих опор, в которых необходимо соблюдать ограничения по допустимым углам перекоса (не более 7°) внут­ренних колец подшипников относительно наружных. Определенные трудности представляет определение расчетной на­грузки на закрылок, так как входящие в формулы коэффициенты обычно выражают зависимость от аэродинамических характе­ристик крыла и углов отклонения закрылков.

Выдвижные закрылки. Наибольшее распростра­нение из средств механизации задней кромки крыла получили выдвижные (откатные) закрылки — однощелевые, двухщелевые и даже трехщелевые. Кинемати­ческие схемы этих закрылков достаточно сложны и по существу представляют самостоятельную проектировочную задачу, но орга­нически решаемую только в совокупности с разработкой кон­струкции самого закрылка и схемы навески.

Основу системы этого средства механизации составляет соб­ственно закрылок. Поэтому на примере типовых конструкций щелевых закрылков можно наметить последовательность проекти­ровочных разработок.

Конструкция однощелевого закрылка (рис.4,а) подобна конструкции отклоняющегося закрылка. Отличие составляют узлы навески, представляющие собой комбинацию рельсов (на­правляющих) и кареток (роликовых механизмов).

а) – однощелевой (1-продольные стенки; 2-обшивка; 3-нервюра; 4-узлы навески);

б) – двухщелевой (1-дефлектор; 2-закрылок; 3-опоры дефлектора).

Рис. 4

Двухщелевой закрылок (рис.4,б) состоит из закрылка, по конструкции аналогичного однощелевому закрылку, и дефлек­тора. Дефлектор в миниатюре повторяет конструкцию закрылка. Он выполняется фиксированным с жесткими опорами на закрылке в передней его части или подвижным относительно закрылка.

Кинематические схемы закрылков чрезвычайно разнообразны. Но в отношении щелевых закрылков следует заметить, что они могут быть разделены на две большие группы по принципу образования щели (щелей). Независимо от кинематической связи с дефлектором (для двухщелевых закрыл­ков) образование щелей может достигаться либо поступательным движением закрылка (выдвижение,), либо поворотом закрылка относительно крыла с выходом за его заднюю кромку (рис.5).

Рис. 5

Из рис.5 видно, что все четыре схемы имеют конструктив­ную общность и отличаются в основном типом соединения с кры­лом. Каждый из приведенных типов — поворотный (многозвен­ный), кулисный и выдвижной — достаточно распространены и применяются на различных самолетах. Конструирование опор поворотных и кулисных схем содержит в себе много элементов хорошо известных подшипниковых и рычажных узлов, тогда как в выдвижных схемах разработка рельсов-направляющих вместе с каретками представляет собой всегда сложную конструкторско- технологическую задачу.