Особенности проектирования крыла изменяемой геометрии

Лекция №11

Применение крыльев с изменяемой стрело­видностью дает возможность расширить техниче­ские и тактические возможности сверхзвукового самолета, улуч­шает его взлетно-посадочные характеристики, характеристики продолжительности и дальности полета на дозвуковых скоростях, повышает характеристики полета на сверхзвуковых скоростях. Все это позволяет использовать самолет на многих режимах, дает возможность экономии горючего. При этом масса самолета увели­чивается за счет механизма поворота на 4... 6 %. Из соображений обеспечения потребных характеристик устойчивости и управля­емости самолета, зависящих в сильной степени от соотношения положения центра масс самолета и фокуса, доказано, что опти­мальным является применение неподвижного центроплана, со­ставляющего 20... 25 % площади крыла, обладающего значитель­ным передним наплывом большой стреловидности.

Одной из основных проблем, возникающих при конструирова­нии крыла с изменяемой стреловидностью, является выбор раци­ональной конструктивно-силовой схемы крыла и конструкции узла, обеспечивающего поворот крыла. При этом узел должен передавать нагрузки с поворотной части крыла на центроплан во всем диапазоне изменения углов стреловидности и при этом иметь малые габариты для установки его внутри крыла.

Было разработано большое число схем крыла изменяемой стреловидности. С точки зрения выбора конструктивно-силовой схемы крыла большинство имеющихся проектов можно привести к двум схемам. Первая схема — крыло с одной точкой подвески, через которую передаются все виды нагрузок, действующих на консоль. В крыле, выполненном по этой схеме, установлен до­полнительный привод, позволяющий осуществлять поворот.

Эта схема позволяет использовать кессонное крыло, у ко­торого все силы постепенно стекаются к одному передающему их узлу.

Конструкция данной схемы достаточно проста и позволяет обеспечить требуемую жесткость. Для размещения механизма поворота требуется сравнительно небольшой объем. Поэтому эта схема нашла более широкое распространение. На рис.1,а представлена одна из возможных конструкций этой схемы. Поворачивающаяся часть крыла вы­полнена в виде кессона 3 с двумя лонжеронами. Стенки лонжеронов заканчиваются у бортовой нервюры 2. В этой зоне происходит перестыковка (рис.1,в) бортовой нервюры 11 и стенок 14 лонжерона со стыковым узлом 16 замкнутого коробча­того сечения. Выбранное замкнутое сечение узла способно вос­принять с бортовой нервюры действующий по ее контуру поток от крутящего момента для передачи и трансформирования его в зоне шарнира узла в пару боковых сил (рис.1,г). Пере­стык стенки лонжерона должен обеспечить передачу на стенки коробчатого стыкового узла перерезывающих сил .

Пояса лонжеронов 13 и панель 12 перестыковываются с Гори­зонтальными стенками стыкового узла вплоть до самого шарнира. Болты крепления панели и пояса лонжерона должны обеспечить передачу на узел шарнира осевых сил от изгибающего консоль момента, равных где — сила по проушине кон­соли; — расстояние между проушинами; М — изгибающий момент.

На узле предусмотрены четыре бобышки 15, предназначенные для крепления рычага поворота

консоли 1. При повороте консоли шарнирный момент трансформируется в пару сил, одна из которых действует по приводу 1, а вторая воспринимается шарниром узла. Рассмотрим подробнее конструкцию шарнирного узла и нагрузки, передаваемые им на центроплан. Шарнирный узел (рис.1,б) выполнен в виде двух замкнутых проушин 6 консолей, связанных валом 7 с проушинами центроплана. Чтобы соединение проушин консоли с валом было неподвижным, они контрятся с ним штиф­том 10. Подвижное соединение с валом обеспечивается в проуши­нах центроплана 4, в которых вал вращается вместе с проушинами консоли на подшипниках скольжения. Такое конструктивное решение обоснованно, так как подвижным выполнено соединение с меньшими нагрузками. Нагрузки на проушины центроплана меньше из-за их большого разноса (плечо ) Этим обеспе­чивается некоторая экономия массы конструкции.

В плоскости проушин консоли будут действовать силы от изгибающего () и крутящего () моментов, реакция от момента в плоскости управления, а также незначительные силы от поперечных лобовых сил (при проектировочных расчетах ими пренебрегают). Под действием этих сил проушины, являясь не­подвижными, работают на смятие (), нижняя проушина — на разрыв и частично на срез. Вал работает на смятие, изгиб и срез, передавая действующие силы через подшипники скольже­ния на проушины центроплана. Так как консоль за счет измене­ния угла стреловидности может подходить к центроплану под разными углами, то и действующие на проушины центроплана силы, приходящие от консоли, могут вызывать в них разного вида деформации. Так, например, изгибающий момент консоли при ее большой стреловидности вызовет значительное кручение в про­ушинах центроплана и т. д. Эго надо учитывать при расчете центроплана на прочность.

Рис. 1

Восприятие поперечной силы происходит следующим спо­собом. Сила , действующая по проушинам консоли, давлением на сухарь 8 передается на одну из проушин центроплана (в зави­симости от режима полета и соответствующего направления силы).

Для выравнивания усилий между проушинами центроплана пред­усмотрена стягивающая их неподвижная ось с фланцем 5. Растя­жением этой оси сила распределяется между обеими проуши­нами.

Для более благоприятного восприятия изгибающего момента на центроплане сразу за проушинами установлены подряд две нервюры, являющиеся как бы опорами для проушин. Момент передается на эти нервюры в виде пары сил и с них переходит на стенки центроплана. Реакции от нагрузок, приложенных в пло­скости проушин, воспринимаются осевыми и поперечными уси­лиями в панелях и поясах центроплана.

Вто­рая схема — крыло с двумя точками крепления (рис.2). Поворотный узел передает изгибающий момент и поперечные силы, а вторая - в месте пересечения бортовой нервюры с задней стенкой крыла, скользит по направляющему рельсу в центроплане.

Для второй схемы целесообразно использовать крыло с одним мощным лонжероном, передающим весь изгибающий момент на шарнирный узел, и с задней стенкой, к которой кре­пится второй, скользящий по направляющему рельсу, узел. В этой схеме должна быть предусмотрена мощная бортовая нер­вюра.

В этом случае изгибающий момент М передается на силовые элементы 4 шарнирным узлом, установленным на основ­ном лонжероне, а поперечная сила и крутящий момент М_к передаются не только шарнирным узлом, но и с помощью дополнительного скользящего по рельсам 1 ползуна 2, установленного на задней стенке.

Рис. 2

Применение второй схемы широкого распространения не получило, так как существенные ее недостатки сводят на нет преимущества от некоторой разгрузки шарнирного узла. К недостат­кам этой схемы относятся: понижение жесткости узла, потребность в очень мощном центроплане, наличие значительного трения между направляющими и вторым узлом, ограничение возмож­ности полного использования внутреннего объема центро­плана.

Преимущества и недостатки крыльев изменяемой стреловидности.

при изменении угла от 60 до 30°:

значение с_уамах увеличивается примерно в два раза, что очень важно на взлетно-поса­дочных режимах;

максимальное качество К_мах становится выше почти на 1/3 в диапазоне (0,3...0,7) М, что повышает экономические характеристики самолета.

увеличивается несущая способность крыла, что положительно сказывается не только на взлетно-посадочных характеристиках самолета, но и на его маневренности — почти в два раза уменьшается радиус виража.

Полет при позволяет уменьшить болтаночные перегрузки.

Все это приводит к тому, что применение крыла изменяемой стреловидности расширяет возможности сверхзвуковых самолетов, делая их многорежимными. Происходит это за счет улучшения несущих свойств крыла на малых скоростях по­лета (при малом значении ) при уменьшении его сопротивления на сверхзвуковых скоростях полета (при больших значениях ). В результате самолет получает хорошие взлетно-посадочные характеристики, высокую ма­невренность и высокое аэродинамическое качество на крейсерском режиме для обеспечения большей дальности полета при сохранении высокого значения максимальной скорости.

Какой же ценой «покупается» изменяемая стреловидность?

1. Увеличивается относительная масса конструкции на 3...6 % в основном за счет меха­низма поворота крыла, усиления корневой поворотной части крыла (проушин, отсеков вблизи проушин), усиле­ния корневой части крыла и прилегающих к ней участков фюзеляжа.

2. Усложняется конструкция крыла — нужны дополнительная система управления по­воротом крыла, привод.

3. Поворот крыла усложняет коммуникации различных систем самолета, размещае­мых в крыле.

4. Для подвески топливных баков и грузов на поворотной части крыла требуются поворотные пилоны бо­лее сложной конструкции и большей массы.

5. Снижается жесткость конструкции крыла (особенно при полете на малых значениях угла ), отсюда ограничения самолета по перегрузкам на малых значениях углов .

6. Снижаются сопротивления усталости крыла, ресурс и безопасность полета.

Все эти обстоятельства («за» и «против») учитывают при принятии решения о выборе типа крыла, исходя прежде всего из назначения самолета и условий его использования.