Нагрузки, действующие на механизацию хвостовой части крыла

Щитки и закрылки нагружаются аэродинамическими силами как в нейтральном, так и в отклоненном положении. В нейтральном положении на щитки и закрылки действует нагрузка как на часть крыла. Распределение ее по размаху и хорде щитка или закрылка соответствует распределению нагрузки по занятой ими части крыла.

В отклоненном положении прочность щитка или закрылка проверяется на режимах взлета и посадки, а там, где они служат еще и для улучшения маневренных характеристик самолета, и на этих режимах.

Величина расчетной нагрузки в отклоненном положении закрылка (щитка) определяется по формуле

где – коэффициент полной аэродинамической силы; q – скоростной напор, соответствующий рассматриваемому случаю; Sз – площадь закрылка; f – коэффициент безопасности.

Распределение нагрузки по размаху и хорде определяется по результатам продувок моделей.

Кроме того щитки и закрылки, механизмы их открытия и замки следует также проверить на случаи нагружения, соответствующие убранному их положению.

Рис. 7.6. Конструкция простого щитка

Рис. 7.7. Навеска простого щитка на узлах вильчатого типа

Лонжерон представляет собой многоопорную балку, опорами которой являются тяги-тандеры. Построение эпюр изгибающих моментов и перерезывающих сил производится с использованием теоремы о трех моментах.

Составив уравнение трех моментов для каждой промежуточной опоры и решив затем эти уравнения совместно, получают значения опорных моментов. Затем подсчитываются опорные реакции.

Рис. 7.8. Нагрузки, действующие на лонжерон и шомпол простого щитка

Рис. 7.9. Эпюры Q и М для лонжерона простого щитка

После определения опорных моментов и реакций строятся эпюры перерезывающих сил и изгибающих моментов по лонжерону (рис. 7.9). По величине перерезывающих сил и изгибающих моментов определяются размеры поперечного сечения лонжерона.

Рис. 7.10. Петли передней кромки

Шомпол, на котором навешен щиток, работает на срез. Нагрузка на одну плоскость среза (рис. 7.10)

Тогда диаметр шомпола

где tв – разрушающее напряжение среза материала шомпола.

Тяги-тандеры работают на сжатие. Усилие в тяге определяется по найденным реакциям лонжерона щитка:

где – угол между тягой-тандером и нормалью к щитку.

Выдвижной щиток. Конструктивно выдвижной щиток (рис. 7.11) сложнее простого. Продольный набор его состоит из одного или двух лонжеронов, переднего и хвостового стрингеров. Поперечный набор состоит из серии разрезных нервюр.
С нижней стороны к каркасу крепится обшивка. У относительно больших по размерам щитков иногда для поддержания обшивки ставятся стрингеры. Выдвижные щитки имеют и верхнюю обшивку, с помощью которой образуются замкнутые контуры, способные воспринять крутящий момент. Сечение лонжеронов щитка может быть двутавровым, швеллерным или Z-образным. У небольших по размеру щитков лонжерон может быть выполнен из одного профиля. Нервюры выполняются штамповкой из листа. Крепление их к лонжеронам осуществляется так же, как и у простого щитка. Передний и хвостовой стрингеры щитка могут быть гнутыми или выполняться из специальных профилей.

Рис. 7.11. Конструкция выдвижного щитка

Воздушная нагрузка с нижней обшивки передается на нервюры, вызывая их изгиб.
С нервюр нагрузка передается на лонжероны. Лонжерон представляет собой балку, опертую на узлы навески щитка и загруженную распределенной нагрузкой под действием которой он изгибается. С лонжеронов нагрузка передается на узлы навески щитка к крылу. Изгибающий момент воспринимают пояса лонжеронов совместно с примыкающей к ним обшивкой. Перерезывающая сила воспринимается стенками лонжеронов, а крутящий момент – замкнутыми контурами, образованными обшивкой и стенками лонжеронов.

Существует несколько схем навески выдвижного щитка на крыле. Наибольшее распространение получила схема навески на монорельсах (рис. 7.12). На монорельсы, закрепленные к крылу, щиток устанавливается на каретках. Прикрепленные к щитку каретки имеют ролики, которые катятся по внутренним и наружным поверхностям одной из полок монорельса.
Во избежание бокового смещения этих роликов на крайних каретках устанавливаются боковые ролики или специальные ограничители. У небольших по размерам щитков вместо кареток с роликами могут устанавливаться ползуны, которые при сдвижении щитка скользят по монорельсам. Небольшие по размаху щитки навешиваются на двух монорельсах, большие – на нескольких. При выдвижении щитка назад он одновременно отклоняется вниз. Передвижение щитка может осуществляться при помощи одной тяги, но лучше передвигать щиток при помощи двух тяг управления, усилия которых прикладываются к кронштейнам, закрепленным на лонжероне щитка.

Рис. 7.12. Схема навески выдвижного щитка на монорельсах

Рис. 7.13. Схема навески выдвижного щитка на четырехзвенном механизме

Тяги управления следует размещать в сечениях крайних узлов навески или вблизи их, чтобы не нагружать щиток изгибом от усилий в тягах.

Встречаются и другие схемы навески выдвижного щитка на крыле. Так, на рис. 7.13 показана схема навески выдвижного щитка на четырехзвенном механизме. Каждый щиток подвешивается на двух или нескольких таких механизмах.

В убранном положении выдвижной щиток фиксируется на замках с целью предотвращения его отсоса в полете.

Для того чтобы построить эпюры перерезывающих сил, изгибающих и крутящих моментов для выдвижного щитка, необходимо вначале определить опорные реакции. Рассмотрим построение эпюр для выдвижного щитка с наиболее часто встречающейся схемой навески – навеска на монорельсах. Опорами щитка являются ролики кареток и тяги управления. Реакции роликов 1 и 2 (рис. 7.14) проходят через точку 3 пересечения нормалей к поверхности монорельса в точках касания роликов (силами трения в роликах можно пренебречь). Усилие в тяге управления определяется из уравнения моментов относительно точки 3:

Рис. 7.14. Определение сил реакций выдвижного щитка

Рассмотрим построение эпюр для щитка, имеющего одну тягу управления. По усилию Т и нагрузке щитка определяются его опорные реакции в точках 3 сечений навески. Сначала определяются реакции, нормальные плоскости щитка и от распределенной нагрузки tщ и силы Tsinb (рис. 7.15, а), а затем определяются реакции, параллельные плоскости щитка и от силы Тcosb (рис. 7.15, б). По реакциям Rn и Rt определяются cуммарные реакции в точках 3 (см. рис. 7.14): RA и RB.

По найденным реакциям определяются силы, действующие на ролики (рис. 7.14, б). Затем строятся эпюры в двух плоскостях (рис. 7.15, в и г).

Рис. 7.15. Эпюры Q, M и Мкр для выдвижного щитка

Чтобы построить эпюру крутящих моментов, необходимо определить положение оси жесткости. Если щиток выполнен по однолонжеронной схеме, то в проектировочном расчете принимают, что ось жесткости совпадает с осью лонжерона; если щиток выполнен
по двухлонжеронной схеме, положение оси жесткости определяют точно так же, как и в двухлонжеронном крыле. При подсчете
погонного крутящего момента погонная нагрузка tщ умножается на плечо d – расстояние от центра давления до центра жесткости. Сосредоточенные крутящие моменты на опорах и в сечении, где приложена сила Т, находятся как произведение сил реакций на плечи dR и силы Т на плечо dT (см. рис. 7.14, а). Затем строится эпюра крутящих моментов (см. рис. 7.15, д).

Если выдвижной щиток навешен на нескольких монорельсах и управляется при помощи двух тяг управления, то силу Т, определенную в сечении приложения результирующей силы Рщ, разносят по тягам по правилу рычага, а затем находят опорные моменты и реакции, используя теорему о трех моментах. В остальном расчет такого щитка ничем не отличается от приведенного выше расчета щитка навешенного на двух монорельсах.

По найденным значениям Q, М и Мкр производится подбор сечений силовых элементов выдвижного щитка.

Рис. 7.16. Схема навески выдвижного закрылка на рельсах, установленных вне обводов крыла

Закрылки. Конструкция поворотных и щелевых закрылков и их навеса на крыле аналогичны конструкции элерона и его навеске. Однощелевые выдвижные закрылки и последние звенья многощелевых выдвижных закрылков по конструкции также ничем не отличаются от элерона. Навеска выдвижных закрылков чаще всего осуществляется на монорельсах.

При большой величине и при малой строительной высоте разместить монорельсы в обводах крыла не удается. В этом случае рельсы располагаются вне обводов крыла в обтекателях на нижней его поверхности. Одна из таких схем показана на рис. 7.16. На балке 1 установлен прямой рельс 2, по которому перемещается каретка 3, шарнирно закрепленная на закрылке. Второй точкой крепления закрылка служит рычаг 4. При включении привода управления каретка 3 сдвигается назад, вызывая откат закрылка, а угол отклонения обеспечивается рычагом 3 и поворотом закрылка относительно каретки. Весь механизм навески закрывается обтекателем 5.

На стреловидных крыльях для обеспечения выдвижения закрылка по потоку необходимо либо делать монорельсы витыми, либо крепить каретки к закрылку на шкворнях. Для исключения возможности заклинивания закрылков витые рельсы необходимо выполнять с очень высокой точностью, что значительно усложняет их изготовление. Чаще применяется навеска с кареткой, установленной на закрылке с помощью шкворня. Схема такой каретки показана на рис. 7.17. Каретка 2, перемещающаяся по монорельсу 1, крепится на шкворне 5 вертикальным эксцентриновым валом 4. Эксцентриновый вал позволяет регулировать расстояние между каретками, что упрощает навеску закрылка. После навески закрылка эксцентриновый вал контрится стопорным винтом 3. Шкворень 5 устанавливается на роликовых подшипниках 7 на двух опорах. Передняя опора 6 расположена на лонжероне закрылка 6, задняя опора – на штампованном узле 8, установленном между двумя нервюрами закрылка 11. Шкворень соединен с задним узлом через упорный подшипник 9, закрытый резьбовой крышкой 10.

Рис. 7.17. Установка каретки на шкворне

Для упрощения навески закрылков и устранения перекоса крепление кареток
на шкворнях может применяться и тогда, когда закрылок навешивается на монорельсах, установленных в плоскостях, перпендикулярных оси цилиндра или конуса, по поверхности которых он перемещается при отклонении, т.е. и тогда, когда не нужны витые монорельсы.

Рис. 7.18. Схема навески выдвижного закрылка на выносных кронштейнах

Выдвижной закрылок можно навешивать и на выносных кронштейнах (рис. 7.18). В этом случае ось вращения закрылка находится вне обводов крыла. Такие выносные кронштейны, хотя и закрываются обтекателями, создают дополнительное сопротивление, но конструктивно эта схема навески проще навески на монорельсах.

На рис. 7.19 показана конструкция двухщелевого закрылка с дефлектором.

Рис. 7.19. Двухщелевой выдвижной закрылок

Нагрузки, действующие на закрылок, определяются аналогично нагрузкам щитка. У многощелевого закрылка нагрузка распределяется между его частями в соответствии с рекомендациями норм.

С учетом особенностей навески закрылка строятся эпюры Q, M и Мкр, а затем производится его проектировочный расчет. У многощелевого закрылка эпюры Q, M и Мкр строятся для каждой его части.
17. МЕХАНИЗАЦИЯ НОСОВОЙ ЧАСТИ КРЫЛА

Принцип действия

Предкрылки. Предкрылок представляет собой небольшое крылышко, расположенное в носовой части крыла и вписанное в нерабочем положении в его обводы (рис. 7.20).

Рис. 7.20. Схема предкрылка

При отклонении предкрылка между ним и крылом образуется профилированная щель. Воздух, проходящий через эту щель, сдувает пограничный слой с верхней поверхности крыла, затягивая срыв потока на большие углы атаки,
при этом увеличиваются критический угол атаки aкр и максимальное значение коэф­фициента подъемной силы . Кривая для крыла с предкрылком показана на рис. 7.21. Хорда предкрылка обычно составляет b_пр= (0, 12...0, 15)b, а угол отклонения – d_пр = 35...45°.

Рис. 7.21. График кривой для крыла с предкрылком:
1 – предкрылок не отклонен; 2 – предкрылок отклонен

Несмотря на то, что предкрылки имеют малую массу и дают большой прирост они все же не получили распространения в качестве единственного средства посадочной механизации крыла. Объясняется это тем, что получается на очень больших углах атаки, для обеспечения которых на посадке самолет должен был бы иметь очень высокое шасси. Большая же высота шасси затрудняет его уборку и приводит к увеличению массы.

Более широкое распространение предкрылки получили как средство, улучшающее поперечную устойчивость и управляемость самолета, а у самолета со стреловидным крылом – и продольную устойчивость при полете на больших углах атаки. В этом случае предкрылки устанавливаются на концах крыльев против элеронов. Отклонение таких концевых предкрылков на больших углах атаки затягивает срыв потока с концевых частей крыла, что обеспечивает эффективность элеронов и улучшает поперечную управляемость. При отсутствии предкрылка при полете на больших, близких к критическому, углах атаки отклонение элерона вниз привело бы к срыву потока на части крыла, где расположен элерон, и вместо требуемого увеличения подъемной силы получилось бы ее падение.

Как средство, уменьшающее посадочную скорость, предкрылки применяются в комбинации с теми типами механизации хвостовой части крыла, которые при отклонении уменьшают критический угол атаки. Чаще всего встречаются комбинация предкрылка с закрылком. При такой комбинации критический угол атаки получается обычно не меньше, а даже несколько больше критического угла немеханизированного крыла, но он оказывается приемлемым с точки зрения высоты шасси. При такой механизации обеспечивается получение более высоких значений .

Различают автоматические и управляемые предкрылки.

Автоматические предкрылки применяются как средство, улучшающее устойчивость и управляемость самолета при полете на больших углах атаки. Они располагаются на концевых участках крыла против элеронов. Отклонение такого предкрылка происходит автоматически на больших углах атаки под действием аэродинамических сил.

Рис. 7.22. Аэродинамические силы, действующие на предкрылок при различных углах атаки

Механизм навески автоматического предкрылка должен обеспечить его выдвижение, начиная с определенного угла атаки. Для этого мгновенный центр вращения механизма должен располагаться так, чтобы результирующая аэродинамических сил предкрылка начиная с этого угла атаки (угол a4 на рис. 7.22) создавала относительно мгновенного центра момент, вызывающий отклонение предкрылка.

Управляемые предкрылки выдвигаются при помощи специальных механизмов управления одновременно с отклонением закрылков.

Носовые щитки (щитки Крюгера). Носовой щиток (рис. 7.23) располагается в корневых сечениях крыла. В неотклоненном положении он образует нижнюю поверхность крыла у носка.

Рис. 7.23. Схема носового щитка

Отклонение носового щитка приводит к увеличению кривизны профиля и площади крыла в сечениях, занятых носовым щитком, благодаря чему происходит увеличение . Кривая для крыла с носовым щитком показана на рис. 7.24. Хорда носового щитка обычно составляет величину bн.щ.= (0, 15...0, 2)b. Носовой щиток нашел применение на стреловидных крыльях. Применяется он обычно в комбинации с предкрылком: в корневых сечениях крыла устанавливается носовой щиток, на остальной части крыла – предкрылок. Объясняется это тем, что предкрылок обеспечивает более высокое значение aкр, чем носовой щиток. Поэтому у стреловидного крыла, у которого aкр концевых сечений меньше aкр корневых сечений, постановка в концевых сечениях предкрылка, а в корневых носового щитка обеспечивает примерно одинаковые значения aкр по всему размаху.

Рис. 7.24. График кривой для крыла с носовым щитком:
1 – щиток не отклонен; 2 – щиток отклонен

Отклоняемый носок. Отклоняемый носок представляет собой подвижную переднюю часть крыла (рис. 7.25) и применяется на крыльях малой относительной толщины, имеющих острую кромку. Острый носок приводит к раннему срыву потока.

Рис. 7.25. Схема отклоняемого носка

Наибольший эффект отклоняемый носок дает тогда, когда при увеличении угла атаки крыла он остается установленным примерно по потоку. Следовательно, угол отклонения носка должен быть связан с углом атаки крыла зависимостью dн» – a. Отклонение носка увеличивает эффективную кривизну профиля и затягивает срыв потока на большие углы атаки, что ведет к увеличению . Кривая для крыла с отклоняемым носком показана на рис. 7.26. Следовательно, отклонение носка, как и отклонение предкрылка, приводит к росту вследствие увеличения aкр. Отличие между ними состоит в том, что действие отклоненного предкрылка проявляется лишь на больших углах атаки, в то время как действие отклоненного носка проявляется на всех углах атаки, при этом в зависимости от того, как влияет изменение кривизны на величину коэффициента подъемной силы, кривая 2 смещается либо вправо, либо влево от кривой 1. Наиболее эффективен отклоняемый носок, расположенный на концах крыла и занимающий не менее половины его размаха, хорда которого составляет 10...15 % хорды крыла.

Рис. 7.26. График кривой для крыла
с отклоняемым носком: 1 – носок не отклонен; 2 – носок отклонен

Отклоняемый носок, увеличивающий aкр, применяется обычно в комбинации с закрылком, уменьшающим aкр. Такая комбинация позволяет получить достаточно высокие значения при приемлемых значениях посадочного угла атаки.

Конструкция механизации носовой части крыла

Предкрылок. Поперечное сечение предкрылка показано на рис. 7.27. Продольный набор его состоит из одного или двух лонжеронов швеллерного или Z-образного сечений. Поперечный набор состоит из серии штампованных из листа нервюр. К каркасу крепятся наружный и внутренний листы обшивки.
У небольших по размерам предкрылков продольного набора может и не быть.

Рис. 7.27. Поперечное сечение предкрылка

Управляемый предкрылок состоит, как правило, из нескольких секций. Каждая секция навешивается на узлах, расположенных в двух сечениях. Узел навески может быть выполнен или в виде монорельса, закрепленного на предкрылке и перемещающегося по направляющим роликам, установленным на крыле (рис. 7.28), или в виде кулисного механизма (рис. 7.29).

Механизмы навески автоматических предкрылков выполняются по схемам, обеспечивающим возможно меньшее трение.

Рис. 7.30. Схема навески предкрылка на четырехзвенном механизме

На рис. 7.30 показан четырехзвенный механизм навески предкрылка. Конструктивно такой механизм прост, размещение его даже внутри тонкого крыла не вызывает затруднений. Навеска осуществляется в двух сечениях.

Широкое распространение получила навеска автоматических предкрылков на качалках (рис. 7.31). При такой схеме навески предкрылок одновременно с выдвижением вперед смещается несколько и вдоль размаха крыла.

Рис. 7.31. Схема навески предкрылка на качалках

С силовой точки зрения предкрылок представляет собой балку на двух опорах, нагруженную, распределенными силами. Проектировочный расчет предкрылка аналогичен расчету других средств механизации.

Носовые щитки. Принципиальная конструктивная схема носового щитка аналогична схеме простого щитка. Большой по размаху носовой щиток состоит из нескольких секций. Секция щитка может навешиваться на шомполе. Тогда конструкция его состоит из лонжерона и диафрагм, закрытых с нижней стороны обшивкой. Управление осуществляется двумя приводами, узлы крепления которых устанавливаются на лонжероне щитка. Навеска носового щитка может осуществляться и на двух кронштейнах вильчатого типа, в сечении которых устанавливаются и приводы управления. У такого щитка каркас закрывается обшивкой с обеих сторон. Проектировочный расчет носового щитка проводится так же как и проектировочный расчет простого щитка.

Отклоняемые носки. Поперечное сечение отклоняемого носка показано на рис. 7.32.

Рис. 7.32. Поперечное сечение отклоняемого носка

Продольный набор отклоняемого носка состоит из лонжерона и нескольких стрингеров, поперечный набор из штампованных из листа нервюр. Каркас закрывается обшивкой. Отклоняемый носок состоит из нескольких секций. Навеска каждой секции может осуществляться либо на шомполе, либо на двух узлах вильчатого типа. Отклонение носка осуществляется двумя приводами. Если носок навешен на двух узлах, то приводы целесообразно разместить в сечении этих узлов, так как в этом случае усилие от них будет передаваться на кронштейн крыла
и не будет нагружать сам носок. В проектировочном расчете принимают, что изгибающий момент и перерезывающая сила воспринимаются лонжероном, поэтому его ось является
и осью жесткости, относительно которой и подсчитывается крутящий момент. Крутящий момент воспринимается замкнутым контуром, образованным обшивкой и стенкой лонжерона.