Конструкции гибких крыльев с высокой продольной устойчивостью

Формообразование гибких крыльев

Профиль гибкого крыла формируется в результате взаимодействия набегающего потока и упругих свойств каркаса крыла и несущей оболочки - паруса. В связи с этим обеспечение требуемых аэродинамических форм каждого участка крыла представляет комплекс работ, направленных на поиск удовлетворительного варианта. ПРи этом взаимодействия на элементы, обеспечивающие аэродинамику крыла в целом могут осуществляться за счет:

• действия скоростного напора от набегающего потока
• действия статического давления заторможенного потока в специальных полостях в несущей оболочке
• создания предварительной формы профилей сечения крыла с помощью упругих элементов - лат
• подбора материалов и рабочих сечений по упругим свойствам

Создание эффективного результата для гибкого крыла связано с перебором вариантов конструктивных решений.

Гибкое крыло с надувным профилем

Создание аэродинамического профиля путем наддува специальных полостей, размещаемых внутри двухслойной оболочки паруса на спортивных мотодельтапланах впервые было применено в Красноярском СКБ "Поиск" в 1979 году. Это техническое решение было настолько удачным, что перекочевало в последующие серии , разрабатываемые в последующие десять лет. В крыле "Гриф-5" для повышения продольной устойчивости предусматривалось использование трех оболочек, размещаемых по нижней и верхней поверхностям и между ними.



В результате образуются камеры - расходная и безрасходная - соединенные дренажными каналами и отверстиями. Безрасходная камера служит для формирования лобовой части профиля под действием статического дщавления, созданного путем забора потока через заборник в носке аппарата.

Крыло имеет жесткий каркас. На нем закреплена и натянута нижняя оболочка 13, к которой по передней кромке и по линии 0,7 хорды 5 присоединена верхняя оболочка 10, имеющая дренажные отверстия 12. МЕжду верхней и нижней оболочками помещена третья оболочка 9, прикрепленная к верхней оболочке по линии 0,1 хорды 7, а к нижней оболочке - по линии 0,4 хорды 6, и расположенная, главным образом впереди центра тяжести аппарата 14. На передней кромке имеются воздухозаборники 8 и 11, связанные с внутренней полостью крыла и размещенные как в носовой части крыла 8, так и симметрично на концевых частях эластичной оболочки (как например 11).

Профиль гибкого крыла содержит лонжерон 4, образующий переднюю кромку, нижнюю оболочку 13, выполненную из прочной ткани, на ней закреплена верхняя оболочка 10, сделанная также из ткани, с возможностью раздувания под воздействием внутреннего давления. Между этими расположена третья оболочка 9, выполненная из герметичного эластичного материала, разделяющая профиль на две камеры 18 и 19 и имеющая ширину 0,35 хорды. Она обеспечивает ограничение толщины профиля в пределах 16% хорды. На расстоянии 0,1 - 0,15 хорды от передней кромки крыла до указанной эластичной оболочки 9 располагаются перепускные отверстия 17, что обеспечивает перекрывание их верхней оболочкой 10 при углах атаки менее 8 градусов. На верхней оболочке 10, вдоль задней кромки крыла, расположены дренажные отверстия 12, представляющие собой пробелы в шве, соединяющем верхнюю 10 и нижнюю 13 оболочки. Входное сечение воздухозаборника 8 сориентировано по углом 75 - 90 градусов к корневой хорде крыла, а выходное сечение воздухозаборников 11 - под углом 75 - 90 вдоль передней кромки к базовой плоскости крыла, что обеспечивает гарантированный забор воздуха во всем летном диапазоне углов атаки и при наличии бокового скольжения.

При больших углах атаки 16 (например более 15 градусов) профиль работает следующим образом: ВСтречный поток 20 через воздухозаборник 8 направляется в первую камеру 18, раздувая ее, и далее через перепускные отверстия 17 попадает во вторую камеру 19, которая также раздувается. Эластичная оболочка 9 при этом ограничивает раздувание профиля в толщину, что снижает лобовое сопротивление крыла. Воздушный поток, выходящий из дренажных отверстий 12, уменьшает отрывную зону на крыле, что также снижает лобовое сопротивление и повышает подьемную силу.

При малых углах атаки 25 (например менее 8 градусов) встречный поток 20, обтекая профиль сверху, прижимает верхнюю оболочку 10 к эластичной оболочке 9 и перекрывает перепускные отверстия 17. При этом прекращается поступление воздуха во вторую камеру 19, эластичная оболочка 9 раздувается, увеличивается толщина профиля в носовой части и встречный поток 20 окончательно прижимает верхнюю оболочку 10 к оболочке 9. Полученный профиль сохраняет хорошую обтекаемость, т. е. малое лобовое сопротивление и высокую подьемную силу, вместе с этим центр давления 21 перемещается вперед, аэродинамическая сила 22 и сила тяжести 24 создают восстанавливающий продольный момент 23 относительно центра тяжести 14, который и возвращает аппарат в нормальный режим полета.

В связи с применением эластичной оболочки гибкое крыло приобретает адаптивные свойства и при изменении режимов полета. Обьемный профиль сохраняется при углах атаки, не превышающих 8 градусов, что расширяет пилотажные возможности трехслойного гибкого крыла и повышает верхнюю границу скорости планирования. Величина продольного момента при этом достаточно велика, чтобы противодействовать управляющему моменту при балансирном управлении с полетным весом порядка 120 кг.

Упругая податливость нижней оболочки предотвращает ранний срыв, вследствие образования выпукло-вогнутого профиля. Это повышает продольную устойчивость на малых скоростях планирования.

Испытания предложенного гибкого крыла с трехслойной оболочкой показали, что продольный момент при планировании на малых углах атаки (меньше 8 градусов) вдвое превышает эту величину по сравнению с известным крылом. Аэродинамическое качество при этом в 1,5 раза выше, чем при полете на двухслойных крыльях.

Формообразование крыла с применением лат переменной жесткости

Рассмотренный выше способ формообразования можно улучшить введением в конструкцию гибкого крыла упругих лат с переменной жесткостью, что позволит исключить полоскание куплоа на переходных режимах в области малых углов атаки.

Гибкое крыло содержит снабженные упругими латами верхнюю и нижнюю гибкие оболочки, закрепленные и натянутые на жестком каркасе. Полость образована гибкими оболочками и снабжена воздухозаборником, расположенным в передней части крыла, а также дренажными отверстиями, размещенными вдоль задней кромки крыла. Упругие латы у этого крыла выполнены с переменной жесткостью по длине, причем на нижней оболочке от линии 0,4 хорды до задней кромки они имеют максимальное значение жесткости, а в передней части на обеих оболочках - не более 0,8 ее максимального значения, кроме того, верхняя оболочка имеет ширину 0,6 - 0,8 хорды крыла.

При переходе гибкого крыла на режим полета с малыми углами атаки под воздействием динамического напора раздувается, и более жесткая часть лат на нижней оболочке поворачивается вокруг линии ее соединения с верхней оболочкой. ОБразованный таким образом S-образный профиль гибкого крыла создает восстанавливающий продольный момент, возвращая аппарат в нормальный режим полета.

С целью формирования утолщенной передней части профиля гибкое крыло снабжено дополнительной внутренней гибкой оболочкой с шириной не менее полутора максимальных толщин профиля, прикрепленной к верхней и нижней оболочкам на расстоянии 0,2 - 0,4 хорды крыла от передней кромки и разделяющей внутреннюю полость крыла на две надувные камеры, которые связаны с воздухозаборником, причем передняя камера выполнена безрасходной.

Кроме того, в гибком крыле верхняя оболочка связана с нижней перекинутыми через задний лонжерон гибкими лентами, длина которых равняется 2 -3 его диаметрам, а упругие латы в задней части крыла на верхней оболочке выполнены с жесткостью не более 0,8 ее максимального значения.

Введение дополнительной связи между оболочками обусловливает поворот более жесткой части лат на нижней оболочке вокруг заднего лонжерона, что вызывает образование на малых углах атаки еще большей S-образности крыла.



Гибкое крыло имеет жесткий каркас. На жестком каркасе закреплена и натянута нижняя оболочка 15, к которой по передней кромке и по линии 0,8 хорды швом 6 прикреплена верхняя оболочка 12, имеющая дренажные отверстия 7, представляющие собой пробелы в шве 6. Верхняя и нижняя оболочки снабжены упругими латами 2, выполненными с переменной жесткостью по их длине. Жесткость лат распределяется следующим образом: на нижней оболочке от 0,4 хорды до задней кромки (участок 19) они имеют 100% жесткости, остальная часть на нижней оболочке (участок 20) - 50%, на верхней оболочке 12 в передней части крыла (участок 17) - 40%, остальная часть (участок 18) - 20% от максимального значения жесткости. В центральной части гибкого крыла на передней кромке имеется воздухозаборник 9, входное сечение которого сориентировано перпендикулярно килевой балке 3. МЕжду верхней 12 и нижней 15 оболочками по линиям 0,2 хорды к ним прикреплена третья дополнительная оболочка 10, имеющая ширину 0,25 хорды крыла. Образованные гибкими оболочками передняя 16 и задняя 11 камеры соединяются с воздухозаборником 9 через отверстия в гибких оболочках, расположенные в центральной части крыла. Кроме этого, верхняя оболочка 12 связана с нижней оболочкой 15 посредством гибкой ленты 14, перекинутой сзади через задний лонжерон 5 и прикрепленной к ним по линии 0,5 хорды. Гибкие ленты имеют длину, также равную 2-3 диаметрам заднего лонжерона и располагаются равномерно по всему размаху крыла.

Гибкие оболочки 15, 12 и 10 выполнены из прочной плотной ткани. Латы 2 представляют собой упругие изогнутые стержни с переменным сечением из стеклопластика. На гибком крыле латы вставляются в равномерно распределенные по размаху специальные карманы и закрепляются на передней и задней кромках. Изгиб лат определяется видом выбранного аэродинамического профиля.

При малых углах атаки 22 под воздействием динамического напора встречного потока 8 передняя камера 16 раздувается, а прилегающие к ней части упругих лат (участки 20 и 17) изгибаются, вызывая изгиб остальных частей. ПРи этом более жесткая часть лат на нижней оболочке (участок 19) поворачивается вокруг точки крепления гибких лент 14 и перемещает заднюю кромку вверх. Гибкие ленты 14 при этом ограничивают кривизну оболочек и толщину профиля. Деформированный таким образом профиль имеет утолщенную переднюю часть и S-образную форму, что создает продольный восстанавливающий момент, возвращающий аппарат в нормальный режим полета.

Крыло с повышенной упругостью верхней оболочки

Летная эксплуатация представленных выше схем показала, что при наличии упругих формообразующих элементов на верхней оболочке в гибком крыле и широкой дренажной щели эффект повышения продольной устойчивости сохраняется без применения заборников и надуваемых камер. Это упрощает конструкцию. Включение широкой щели вызывает необходимость рассматривать кромку верхней оболочки как самостоятельный силовой элемент.

Применение изменяемого зазора между задней кромкой верхней более жесткой оболочки, снабженной жесткими профилированными латами и поверхностью нижней оболочки с гибкими латами в совокупности с введением упругой связи задней кромки верхней оболочки с консолями лонжеронов, в гибком крыле сохраняется продольная устойчивость вплоть до углов атаки 45 градусов. Величина продольного восстанавливающего момента при этом достаточно велика. Выравнивание давлений на верхней поверхности правой и левой плоскостей крыла сохраняет боковую устойчивость при полетах в турбулентной атмосфере и на режимах, близких к критическим (при больших уголах атаки). Сохранение и увеличение продольной и боковой устойчивости в широком диапазоне углов атаки и скоростей повышает безопасность полетов.

Испытания гибкого крыла с указанными признаками показало, что продольный восстанавливающий момент сохраняется до углов атаки 45 градусов, что на 25 градусов превышает величину, характеризующую обычное двухслойное крыло. Потеря боковой устойчивости на всех режимах полета отсутствует. Все вышеперечисленные признаки "Гриф-25" позволили добиться увеличения качества аппарата до 13, по сравнению с качеством у "Гриф-14". УСтойчивость аппарата при это существенно не изменилась.





Свободная оболочка гибкого крыла, по результатам визуализации генерирует присоединенный вихрь, который в процессе диссипации распадается на ряд мелких вихрей, связанных индуктивностью, причем при больших величинах подьема свободной кромки верхней оболочки повышается неустойчивость присоединенного вихря с оттеснением его к задней кромке крыла. Установлено, что наибольшая зона неустойчивости характерна для скоростей обтекания, не превышающих 8 м/с. Это связано с более слабой интенсивностью присоединенного вихря от свободной верхней кромки, чем у вихря, формирующегося на кромке нижней оболочки. Возникающий пик двух вихревых систем предотвращается введением щитка между задними кромками верхней и нижней оболочек. Именно в этом случае проявляется наибольшая несущая способность (C_{y max} = 2) при устойчивом полете аппарата.

Введение неприсоединенной верхней оболочки позволяет увеличить коэффициент подьемной силы на 10%, существенно увеличить критический угол атаки с 22 до 26 градусов. Это происходит вследствие уменьшения местных углов атаки на неприсоединенной части оболочки, что приводит к затягиванию срывных режимов в корневом сечении крыла на большие углы атаки.

Введение неприсоединенной оболочки вызывает некоторое увеличение коэффициента лобового сопротивления, что приводит к снижению аэродинамического качества на 0,5.

Влияние неприсоединенной оболочки увеличивает диапазон и величины продольной и боковой устойчивости как при зажатой, так и при брошенной ручке управления.

Для крыла с неприсоединенной оболочкой расширяется диапазон углов, соответствующих максимальному значению аэродинамического качества - 14-19 градусов, вместо 16-17 градусов у крыла с закрепленной оболочкой, что упрощает управление аппаратом.





Источник: Г.Д. Коваленко Л.Г. Глухова А.В. Кацура "Основы проектирования летательных аппаратов с гибким крылом"