Мехатронный узел и каркас адаптивного крыла

Механизация крыла в виде подвижных механических элементов не позволяет достичь больших значений максимального коэффициента подъемной силы при меняющихся режимах полета.

Рис. 1. Внешний вид цилиндрического шарнира двойного действия (D-CORE) в различных стадиях

В последние годы в связи с развитием технической базы и появлением новых авиационных материалов специалисты все большее внимание обращают на возможность улучшения летных характеристик самолета за счет изменения геометрии крыла, в зависимости от режима полета, без нарушения целостности его поверхности, т. е. ориентируются на использование адаптивного крыла [1]. То, что тенденция к созданию летательных аппаратов, в полете меняющих свои геометрические характеристики с сохранением гладкости поверхностей, находит свое практическое воплощение уже в наши дни, мы можем видеть на примере поисков практических решений данной проблемы со стороны NASA [2], Boeing, Airbus Industrie, FlexSys [3], Festo и др.

Рис. 2. Схема последовательного объединения цилиндрических шарниров (D-CORE) двойного действия, вписанных в контур крыла

Предметом данной статьи является знакомство читателей с принципом и устройством мехатронного узла, а также с конструкцией каркаса адаптивного крыла, реализованной с его применением.

Рис. 3. Конструктивная схема мехатронного узла адаптивного крыла:
1 — электромеханический привод;
2 — тяга;
3 — цилиндрический шарнир двойного действия

В основе предлагаемой нами конструкции каркаса адаптивного крыла лежит мехатронный узел, призванный обеспечить заданный угол между элементами в структуре адаптивного крыла, согласованное управление которыми позволяет изменять геометрию крыла с учетом аэродинамических и технологических требований.

Мехатронный узел представляет собой последовательное объединение цилиндрических шарниров двойного действия (compliant rolling-contact D-CORE) [4, 5] (рис. 1), вписанных в контур профиля крыла (рис. 2) с приводом (рис. 3, 4).

Рис. 4. Привод мехатронного узла адаптивного крыла:
1 — шкив;
2 — тяга;
3 — сервопривод

Для конструкции D-CORE как механического узла характерно наличие упругих взаимообратных связей и непрерывно изменяющаяся ось вращения.

Управление мехатронным узлом осуществляется путем натяжения и ослабления тяги, переброшенной через шкив, связанный с валом сервопривода (рис. 3, 4).

Предложенная на рис. 3 конструктивная схема может быть изменена на варианты с использованием электромеханических, пьезо-, пневматических и гидравлических актуаторов, а также «материалов с памятью» (с нитиноловой нитью [6]).

Как осуществляется управление кривизной профиля крыла можно видеть на рис. 5.

Рис. 5. Макет профиля адаптивного крыла в различных положениях

Расположение мехатронных узлов в структуре каркаса крыла должно наделять последнее свойствами, позволяющими плавно отклонять носовую и хвостовую части, изменяя, таким образом, кривизну вдоль размаха, в зависимости от высоты, скорости полета и перегрузки, а также полностью изменять форму всего крыла, в том числе с возможностью приобретения крылом винтовой формы.

Крыло состоит из не менее двух мехатронных узлов, объединенных в единую конструкцию с помощью упругих стержневых элементов из углепластика и элемента жесткого объединения мехатронных узлов. Управление приводами согласовано при помощи электронной системы (рис. 6, 7).

Рис. 6. Основные узлы и элементы конструкции каркаса адаптивного крыла:
1 — мехатронный узел адаптивного крыла;
2 — узел профиля компенсирующий (без элементов управления);
3 — стрингеры;
4 — лонжерон

Определенную техническую сложность представляет подбор материала обшивки крыла (рис. 8). В качестве оптимального варианта нам видится использование силиконовых эластомеров.

Рис. 7. Действующий макет конструкции каркаса адаптивного крыла

Положенный в основу предлагаемого решения принцип управления геометрией крыла является частным случаем и может быть распространен на управление геометрией всего корпуса летательного аппарата.

Рис. 8. Внешний вид фрагмента адаптивного крыла с обшивкой

Список литературы

1. Адаптивное крыло. URL: dir.md/wiki/Адаптивное_управляемое_крыло?host=ru.wikipedia.org [дата обращения 05.06.2018].
2. NASA’S MIGHTY MORPHING WINGS MAKE FOR MORE EFFICIENT FLYING. URL: https://www. wired.com/2016/11/nasas-mighty-morphing-wingsmake-efficient-flying [дата обращения 05.06.2018].
3. FlexSys Morphing Wing URL: https://www.liveleak. com/view?t=fb6_1478428583 [дата обращения 05.06.2018].
4. Nelson T. G., Lang R. J., Magleby S. P. and Howell L. L. Curved-folding-inspired deployable compliant rolling-contact element (D-CORE) // Mechanism and Machine Theory. 2016. Vol. 96. P. 225–238.
5. Howell Larry L., Nelson Todd. Patent US20160177605A1, 2015. Deployable joint.
6. Austin Taylor, Trent Slutzky, Leah Feuerman, Mable Fok, Zion Tsz Ho Tse. Origami Endoscope Design for MRI-Guided Therapy. Published: 10 April 2017 by ASME International in 2017 Design of Medical Devices Conference 2017 Design of Medical Devices Conference; doi:10.1115/dmd2017-3352.

Напоминаем Вам, что в нашем журнале "Наука и техника" Вы найдете много интересных оригинальных статей о развитии авиации, кораблестроения, бронетехники, средств связи, космонавтики, точных, естественных и социальных наук. На сайте Вы можете приобрести электронную версию журнала за символические 60 р/15 грн.

В нашем интернет-магазине Вы найдете также книги, постеры, магниты, календари с авиацией, кораблями, танками.