Эдмунд Цихош - Сверхзвуковые самолеты
Рис. 1.52. Форма центропланов и подвижных консолей крыла самолетов изменяемой геометрии (кроме В-1, масштаб 1 :200).
Механизация имеет только два положения-убранное и выпущенное. Отклонение закрылков и предкрылков производится с помощью одного рычага, однако закрылки не могут отклоняться на угол, больший 15°, если предкрылки не отклонились на угол, равный 28°. Предкрылки не могут быть убраны, если закрылки отклонены на угол, превышающий 15°. Синхронизация отклонения элементов механизации на заданных углах стреловидности крыла связана с тем, что каждый угол соответствует определенным условиям полета: взлет-16°, подъем-26°, экономичный полет на дозвуковой скорости-26°, полет с большой дозвуковой скоростью-45°, полет с околозвуковой скоростью (до М = = 1,1)-от 55 до 60°, полет со сверхзвуковой скоростью-72,5°, посадка-16-26°.
В процессе проектирования самолета приходится решать важную задачу разработки простого метода увеличения продольной и поперечной управляемости при изменении угла стреловидности. Проблема состоит в том, что при увеличении угла стреловидности центр давления существенно смещается назад относительно центра тяжести. В результате этого перемещения, приводящего к резко выраженной передней центровке, возрастает продольная устойчивость, что приводит к ухудшению управляемости и увеличению балансировочного сопротивления.
Один из способов противодействия этому явлению состоит в размещении оси поворота крыла вне контура фюзеляжа (несколько сзади). Благодаря этому можно уменьшить величину поверхности подвижных частей крыла при сохранении того же размаха. Это в свою очередь уменьшает перемещение центра давления, а неподвижные, относительно большие околофюзеляжные части крыла сохраняют стреловидность, допустимую при полете на больших скоростях. Следует отметить, что увеличение подъемной силы неподвижной части крыла (относительно подвижной) при увеличении угла стреловидности противодействует перемещению центра давления назад. Это приводит к увеличению эффективного угла атаки, благодаря чему возвращается часть подъемной силы, утраченной при увеличении угла стреловидности. В этом случае продольная устойчивость самолета остается в допустимых пределах во всем диапазоне углов стреловидности и чисел Маха, а небольшие изменения в равновесии могут быть устранены с помощью оперения.
Другая проблема, возникающая при изменении стреловидности, связана со снижением эффективности работы элеронов, что ухудшает поперечную управляемость. Эти потери при увеличении угла стреловидности вызваны невыгодным направлением оси отклонения элеронов, уменьшением плеча возникающих на них сил и деформацией крыла (при отклонении элеронов), приводящей к изменению угла атаки элерона в направлении, обратном желаемому. Практически это означает, что достижение заданного угла атаки элерона на стреловидном крыле требует отклонения элерона на больший угол, нежели на прямом крыле. Эта проблема, несмотря на некоторые трудности, была решена почти для всех самолетов при помощи дифференциальных стабилизаторов, интерцепторов или элеронов, используемых при углах стреловидности до 45°. Однако такое решение вызывает усложнение конструкции и необходимость применения ряда элементов оборудования, работающего в автоматическом режиме.
Проблемы конструкции
Реализация конструкторских решений, связанных с изменением геометрии крыла в полете, требует разработки и изготовления легких, простых и надежных узлов, исполнительных устройств и т.п. Трудность создания таких устройств заключается в том, что узлы крепления крыла на фюзеляже испытывают значительные силы и моменты, передаваемые с крыла. У многоцелевых истребителей при полете подъемная сила может во много раз (до 8) превышать взлетный вес; поэтому механизмы, осуществляющие изменение геометрии крыла, являются наиболее нагруженными элементами самолета, а их установка связана с нарушением сплошности конструкции фюзеляжа и приводит к концентрации напряжений. Для обеспечения необходимой прочности конструкции приходится дополнительно усиливать некоторые узлы и элементы, что вызывает увеличение массы самолета.
Особые трудности конструирования узла крепления и поворота крыла связаны с тем, что:
– узел состоит из подвижных частей, перемещающихся одна относительно другой, что требует обеспечения минимального трения;
– узел должен занимать ограниченный объем конструкции, высота его должна быть меньше толщины неподвижной околофюзеляжной части крыла;
– конструкция узла должна обладать значительной прочностью и жесткостью во всех возможных положениях крыла относительно фюзеляжа и самолета относительно земли.
Крыло самолета-конструкция упругая, подвергающаяся в полете колебаниям, поэтому узел крепления и поворота крыла должен иметь минимальные зазоры для предохранения конструкции от динамического разрушения и одновременно выполнять определенные функциональные требования. Наконец, механизм изменения геометрии крыла должен обеспечивать абсолютную синхронность отклонения обеих подвижных консолей, поскольку даже малейшая несогласованность движений приводит к нежелательным боковым моментам. При этом необходима высокая надежность узла, поскольку поломка узла или его устройств практически неизбежно становится причиной гибели самолета. С этой точки зрения механизм изменения геометрии крыла должен иметь дублирующую систему, как, например, в двигательной установке.
В соответствии с общими принципами, принятыми в авиации, требованиям к механизму изменения геометрии крыла должна удовлетворять конструкция, достаточно легкая ( с тем чтобы добавочная масса не привела к утрате преимуществ применения изменяемой геометрии), а также простая в изготовлении и обслуживании. Для создания легкого, сильно нагруженного механизма изменения геометрии при ограничении на его объем целесообразно использовать материалы высокой прочности, а для обеспечения его работоспособности при минимальном коэффициенте трения в условиях низких и высоких температур-специальные смазочные средства или материалы, не требующие смазки при трении одной поверхности о другую.
Кроме того, конструкционные материалы должны обладать постоянной статической прочностью во время работы при разных температурах и атмосферных условиях, а также высокой динамической и усталостной прочностью под действием вибраций большой частоты и амплитуды при полете в неспокойной атмосфере или при выполнении маневров. При этом следует помнить, что внешние нагрузки подвижных частей крыла (возникающие в полете) складываются из аэродинамических сил, зависящих от условий полета, массовых сил (силы тяжести и инерции), обусловленных собственной массой конструкции крыла и массой расположенных в нем грузов и агрегатов (топливо, оборудование внутри крыла, подвесные грузы), и сил, возникающих при использовании оружия. Под действием таких нагрузок крыло подвергается изгибу и кручению. Эти нагрузки, передающиеся с подвижных элементов конструкции на неподвижные, вызывают реакции четырех видов. Ими являются: перерезывающая сила (вертикальная), действующая в плоскости, параллельной плоскости симметрии самолета; осевая сила (горизонтальная), действующая параллельно оси самолета; изгибающий момент; крутящий момент. Эти реакции определяют размеры узла, соединяющего крыло с фюзеляжем. Изгибающий момент можно заменить парой горизонтальных сил, а крутящий-парой вертикальных, поэтому ясно, что конструкция узла крепления должна иметь элементы, способные воспринимать равнодействующую горизонтальных сил и равнодействующую вертикальных сил.
В общем случае предполагается, что элементы узла, рассчитанные на перерезывающую силу и изгибающий момент, выдерживают осевую силу и крутящий момент. В самолетах с крылом постоянной геометрии силы и моменты передаются через несколько узлов, конструкция которых может соответствовать индивидуальному характеру приложенной нагрузки.
Рис. 1.53. Схема узла, соединяющего подвижные части крыла с центропланом, а-с отдельными вертикальным и горизонтальным шарнирами; б-с шарниром, имеющим косые поворотные пластины.
В самолетах изменяемой геометрии эту функцию, очевидно, может выполнять только один узел, обеспечивающий, кроме того, перемещение одних частей крыла относительно других. Это значительно усложняет задачу создания простого и работоспособного узла, поэтому при проектировании первых самолетов с изменяемой стреловидностью рассматривалось большое количество механизмов изменения геометрии по разным кинематическим схемам (принципам действия). По-видимому, наибольшее применение получили два относительно простых решения (рис. 1.53). Первое из них основано на выделении в узле специальных шарниров, воспринимающих по отдельности перерезывающие силы и изгибающий момент. Преимуществом этого решения является ограничение кинематики вращательным движением узла, а недостатком-необходимость применения дополнительного шарнира, воспринимающего перерезывающую силу. Такое решение использовано в самолетах F-111 и «Торнадо», а также предусмотрено в проекте сверхзвукового пассажирского самолета «Боинг» 2707. Второе решение основано на использовании одного шарнира с косыми поворотными пластинами, воспринимающими нагрузки обоих видов. Преимуществом этого решения является простота конструкции, а недостатком-одновременное появление вращательного и циклического поступательного перемещения. Конструкция такого типа использована в самолете F-14. Шарниры крыла должны свободно вращаться, поэтому в них обычно устанавливаются подшипники скольжения со слоем тефлона, существенно снижающего трение.
