Адаптивная механизация крыла

 Обычно для повышения аэродинамического качества крыла применяется система адаптивной «щелевой» механизации крыла. Она обеспечивает плавное (в пределах необходимой точности, хотя может быть и ступенчатое) изменение углов установки носков и закрылков в зависимости от угла атаки и числа Маха. Однако эта система допускает разрывное изменение аэродинамических производных во всем диапазоне параметров.

 

Данный классический подход, применяемый при создании летательных аппаратов, позволяет лишь незначительно повысить аэродинамическое качество и улучшить взлетно-посадочные характеристики самолета. Механизация крыла в виде простых отклоняемых носков и хвостиков профилей или изменения стреловидности не позволяет достичь высоких значений максимального коэффициента подъемной силы при изменяющихся режимах работы.

 

 

Классическое управление летательным аппаратом осуществляется с помощью местного изменения кривизны несущей поверхности (крыла) с помощью элеронов, которые отклоняются на углы, противоположные по знакам, создавая момент крена. При изменении угла тангажа отклоняется руль высоты, меняя кривизну и, как следствие, меняя подъемную силу на горизонтальном оперении, которая, в свою очередь, создает момент тангажа. Аналогично происходит управление углом рысканья. Изменение подъемной силы основной несущей аэродинамической поверхности осуществляется отклонением предкрылков и закрылков.

 

Во всех указанных случаях для обеспечения отклонения элементов управления летательного аппарата необходима сложнейшая система приводов, направляющих, узлов крепления и усилений, что неизбежно ведет к усложнению конструкции и увеличению веса аппарата в целом.

 

Кроме того, при классической системе управления возникают негативные эффекты от щелевых элементов, например наличие щелей между крылом и элероном увеличивает сопротивление и стимулирует срыв потока, к тому же профиль получается с резкими изменениями кривизны (изломами), что негативно влияет на его аэродинамические характеристики.

 

В последние годы в связи с развитием технической базы и появлением новых авиационных материалов все большее внимание обращается на возможность улучшения аэродинамических характеристик самолета за счет изменения геометрии крыла в зависимости от режима полета — применения адаптивного крыла.

Профиль адаптивно управляемого крыла принимает форму, близкую к оптимальной на каждом заданном режиме полета. Конструкция такого крыла позволяет плавно (за счет гибкой обшивки) отклонять носовую и хвостовую части крыла, изменяя, таким образом, кривизну вдоль размаха в зависимости от высоты, скорости полета и нагрузки.

При этом не возникают процессы, приводящие к образованию ненужных турбулентностей и срыва потока. Перспективным направлением работ является реализация безотрывного обтекания поверхностей крыла путем изменения кривизны элементов. Адаптивная механизация крыла благодаря упрощенной кинематике привлекательна тем, что позволяет отказаться от применения сложных по конфигурации систем механизации крыла, кроме того, такое адаптивное крыло позволяет уменьшить потери несущих свойств на балансировку.

Целесообразно адаптивное крыло использовать для многоцелевых и высокоманевренных самолетов, у которых режимы полета могут в значительной степени варьировать в широких пределах.

 

 

Адаптация несущей системы самолета может осуществляться за счет изменения размаха и стреловидности крыла, а также формы, кривизны и толщины профиля. И если по первым двум направлениям имеется достаточно много наработок, созданы не только опытные образцы, но и серийные машины, то работы по изменению кривизны и толщины профиля получили широкое развитие сравнительно недавно. Это связано с появлением новых материалов и новых технологий.

 

В перспективных конструкциях предполагается использовать эластичную внешнюю обшивку, а силовые каркасы внутри этой обшивки будут приспособлены для плавного изменения заданной геометрии.

 

Важным отличительным свойством такого крыла является сохранение гладкости его профилей при деформации срединной поверхности. Уменьшение сопротивления может быть достигнуто по двум направлениям.

 

Во-первых, за счет оптимального изменения в зависимости от режима полета деформации срединной поверхности. Это позволяет на крейсерских режимах делать крыло практически плоским, что уменьшает сопротивление при нулевой подъемной силе, а при маневре — оптимально деформированным с распределением циркуляции по размаху крыла, близким к эллиптическому, что уменьшает индуктивное сопротивление.

 

Во-вторых, на больших углах атаки в местах излома верхней поверхности крыла при отклонении обычной механизации возникает местный отрыв потока. Применение на адаптивном крыле носков с большой относительной хордой и гибкой обивкой позволяет решить эту проблему.

 

Отклонение подвижных элементов с сохранением плавности его обводов по некоторому закону, подобранному на основании экспериментальных и расчетных исследований, позволяет перераспределить давление на поверхности крыла таким образом, чтобы предотвратить срыв потока или существенно ослабить его развитие на выбранном режиме полета. В результате граница возникновения тряски и бафтинга смещается на большие углы атаки, повышается эффективность поворотных поверхностей, работающих в режиме органов управления. Во время маневра, за счет предотвращения отрыва потока, адаптивное крыло дает ощутимый выигрыш аэродинамического качества.

Если изменение формы адаптивного крыла подчинить условиям, при выполнении которых критическая точка в каждом сечении крыла смещается в носок профиля, а распределение циркуляции скорости по размаху становится эллиптическим, то при выбранном значении коэффициента подъемной силы обеспечивается минимальный коэффициент сопротивления. В первом случае снижаются пики разрежения в окрестности передней кромки, которые на обычном крыле приводят по достижении некоторого угла атаки к отрыву потока и потерям подсасывающей силы, т. е. к увеличению сопротивления. При выполнении второго условия минимизируется индуктивное сопротивление.

Отклонение элементов адаптивного крыла, осуществляемое так, чтобы центр давления действующих на самолет аэродинамических сил не менял своего положения, дает возможность осуществить непосредственное управление аэродинамической подъемной силой.

 

Теоретически это правильно, но как реализовать на практике данную идею?

Ранее проведенные исследования установили, что дополнительная механизация и сложность системы управления кривизной, а также возрастание массы конструкции не всегда оправдываются некоторым улучшением топливной эффективности самолета и его взлетно-посадочных свойств. Но наука развивается стремительно. Современная технологическая база и развитие авиационных материалов позволяют обеспечить создание исполнительных механизмов адаптивной системы управления обтеканием несущей системы на более высоком уровне.

 

 

В данном направлении выполнены конструкторские работы по технической реализации идеи реконфигурируемой упругодеформируемой панели, обладающей непрерывной плавной формой покровных поверхностей при отклонении панели на определенный угол и одновременно способной воспринимать заданную по нормали нагрузку.

Данная панель представляет собой последовательное объединение узлов подвижного сочленения с переменной поворотной осью. Кроме того, она снабжена сдвижными пластинчатыми покровными элементами, которые обеспечивают непрерывность ее поверхностей, выступая в качестве обшивки.

 

Панель может быть использована в той области техники, где необходимо гибкое и плавное соединение элементов конструкции непрерывной поверхностью. Особенно актуально данное изобретение в области авиации при проектировании адаптивных частей несущих поверхностей летательных аппаратов.

 

 

Сдвижные пластинчатые покровные элементы обладают пружинящим свойством, что позволяет обеспечить непрерывность поверхностей панели и решить вопрос обшивки. Данный вид соединения двух парных деталей обеспечивает возможность их ограниченного смещения друг относительно друга.

 

Для возможности управления состояниями панели последняя может быть оснащена механизмом преобразования профиля. В качестве одного из вариантов может использоваться привод с эффектом памяти формы с возможностью изменения геометрии панели под действием управляющей команды.

 

Статья была опубликована в февральском номере журнала "Наука и техника" за  2020 год