Літальний апарат

Реферат: Літальний апарат з переднім кермом тангажа належить до літакобудування для використання в безпілотній, малій, великій авіації. Літальний апарат містить крило, фюзеляж, флюгерне переднє горизонтальне оперення, що складається з цільноповоротної несучої поверхні та задньої цільноповоротної керувальної поверхні і закріплене до фюзеляжу за допомогою поперечного шарніра, вісь обертання флюгерного переднього горизонтального оперення сполучається з центром ваги та центром тиску флюгерного переднього горизонтального оперення. Флюгерне переднє горизонтальне оперення (ФПГО) оснащено шарнірним переднім горизонтальним тримером, який містить несучу поверхню і задній стабілізуючий керувальний тример, що має площу більше 5 % від площі несучої поверхні шарнірного переднього горизонтального тримера і знаходиться на необхідній відстані від неї. Несуча поверхня шарнірного переднього горизонтального тримера має площу більше 10 % від несучої поверхні ФПГО і знаходиться на необхідній відстані від неї. Вісь обертання і центр тиску шарнірного переднього горизонтального тримера співпадають, а центр ваги його співпадає або знаходиться попереду обертальної осі шарнірного переднього горизонтального тримера. Всі несучі поверхні або, як мінімум, крило і несуча поверхня флюгерного переднього горизонтального оперення знаходяться на однакових кутах атаки з допустимою різницею до 2 градусів на всіх режимах польоту. Винахід дозволяє максимально знизити балансирні втрати на всіх режимах польоту та знизити негативну підіймальну силу на цільноповоротній керувальній поверхні і підвищити несучу властивість ФПГО. UA 114165 C2 (12) UA 114165 C2 UA 114165 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід, що пропонується, стосується побудови крилатих літаків з флюгерним переднім горизонтальним оперенням, що мають аеродинамічне управління, і належить для використання в легкій, великій авіації, де найважливішим є досягнення максимальних несучих властивостей при злітно-посадкових режимах, в тому числі, при застосуванні механізації будь-якого рівня та максимальної удосконалості в крейсерському польоті. Відомий літальний апарат (ЛА) ″класичної″ схеми, який містить фюзеляж, несучу аеродинамічну поверхню (крило), горизонтальне оперення (ГО), що забезпечує стійкість по тангажа і прямовисне оперення, що забезпечує стійкість по курсу, органи управління по курсу, крену, тангажа [″Руководство для конструкторов летательных аппаратов самодеятельной постройки″. Том 1, Новосибирск 1989г., стр. 42, рис. 22, описание 2.1.]. Недоліком цієї схеми є те, що на крейсерських режимах польоту ГО не несе ніякого навантаження і створює лише втрати на балансування, а при зльотах та посадках і особливо при застосуванні механізації крила для компенсації пікірувального моменту ГО створює негативну підіймальну силу, тим більшу, чим більше рівень механізації, що надає небажаний опір. Інакше кажучи, ЛА ″класичної″ схеми з жорстко закріпленими двома поверхнями, до речі, як і всі останні (″тандем″, ″качка″, ″літаюче крило″) обов'язково підкорюються ″правилу продовжнього V″, де переднє крило завжди повинно мати більші кути атаки, що забезпечує балансування. Однак, це визначення призводить до неминучих втрат на балансування, і такі ЛА не можуть рахуватися ″ідеальними″. Якщо теоретично підійти до питання ″ідеальної балансирної схеми″ ЛА, то така схема повинна забезпечити балансування ЛА без будь-яких втрат на всіх режимах польоту і навіть при застосуванні будь-якої механізації, навіть реактивних закрилків, здатних підвищити несучі властивості крила в 10-12 раз. Це означає, що в таких ЛА всі поверхні (одна або більше) повинні знаходитись на однакових (близьких) кутах атаки до набігаючого потоку на всіх режимах польоту і при застосуванні механізації, що означає відсутність підкорювання ″правилу продовжнього V″. Потенційно до таких ЛА можна віднести апарати з шарнірним закріпленням їх передніх несучих поверхонь до фузеляжу з можливістю самостійного орієнтування цих поверхонь до набігаючого потоку. Відомий літальний апарат ″Skorpion″, виконаний по принципу ″Free Wing″, в якому консолі крила несуть 100 % навантаження літака, встановлені шарнірно і самостійно орієнтуються до набігаючого потоку під заданим кутом атаки завдяки S-образного профілю і керувальної поверхні по задній кромці крила. [Технічний опис можна знайти в Інтернет на сайтах www.freewing.com і www.scaled.com]. Недоліком цієї схеми є те, що ГО не несе ніякого навантаження і цим зберігає втрати на протязі всього польоту. Крім того, консолі крила виконані по схемі "літаюче крило" з 8образним профілем, яка в повній мірі підкорюється ″правилу продовжнього V″ і несе балансирні втрати. Крім того, такий профіль має невеликі несучи властивості і не надає можливості застосування механізації. Таким чином, ГО і крило призводять до великих втрат на балансування. Найбільш близьким за технічною суттю є літальний апарат ЮАН - 1, виконаний по схемі ″качка″ з флюгерним переднім горизонтальним оперенням (ФПГО), в якому цільноповоротна несуча поверхня (ЦНП) ФПГО закріплена к фюзеляжу за допомогою шарніра і керується за допомогою цільноповоротної керувальної поверхні (ЦКП). При певних параметрах ФПГО можливе застосування механізації крила високого рівня. [Журнал ″Авиация общего назначения″ № 2, 2010г., стр. 20 рис.2]. До недоліків даного літального апарата треба віднести: 1. Для парирування механізації крила потрібне застосування ФПГО з великими несучими властивостями, що в данному випадку досягається зростанням площі ФПГО. При прибиранні механізації крила на протязі всього крейсерського польоту зайва площа несучої поверхні ФПГО створює шкідливий опір та зайву вагу. Таким чином, літальний апарат, який не підкорюється "правилу продовжнього V", має втрати на протязі самого довгого режиму польоту. При цьому такі втрати зростають з ростом рівня механізації. 2. Цільноповоротна керувальна поверхня ФПГО має балансирні втрати, як і будь-які літальні апарати "класичної" схеми. 3. Цільноповоротна керувальна поверхня, площа якої не більше 7 % від площі ЦНП, навіть при симетричному профілі ЦНП не забезпечує достатньої усталеності ФГО для надійного орієнтування ЦНП під заданим кутом до набігаючого потоку, що викликає неконтрольовані коливання в польоті і особливо під час посадки, що говорить о недостатній усталеності всього літального апарату і його небезпечності. В основу винаходу поставлена задача удосконалити літальний апарат з флюгерним переднім горизонтальним оперенням за допомогою використання шарнірного переднього 1 UA 114165 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 горизонтального тримера з певними параметрами для ФПГО, встановлення всіх несучих поверхонь або, як мінімум, крила і несучої поверхні ФПГО під однаковими (близькими) кутами атаки до набігаючого потоку в крейсерському режимі польоту, забезпечення максимальних кутів атаки при злітно-посадкових режимах польоту, певним рівнем механізації кожної несучої поверхні, що забезпечує максимальну знижку втрат на балансування на всіх режимах польоту і при застосуванні будь-якої механізації, знижку негативної підіймальної сили на цільноповоротній керувальній поверхні і підвищення несучих властивостей ФПГО, підвищення аеродинамічної досконалості. Поставлена задача вирішується тим, що в літальному апараті, що містить у собі крило, фюзеляж, ФПГО з задньою керувальною поверхнею передбачено такі конструктивні відміни: 1. Несуча поверхня ФПГО має шарнірний передній горизонтальний тример (ШПГТ). 2. ШПГТ складається з передньої несучої поверхні і заднього стабілізуючого керувального тримера (ЗСКТ), який керується з кабіни пілота. 3. ЗСКТ може бути виконаний цільноповоротним, фіксованим з кермом тангажа, переставним з кермом тангажа, але не залежно від конструкції для надійного орієнтування (забезпечення достатнього стабілізуючого момента) несучої поверхні ШПГТ на всіх режимах польоту ЗСКТ знаходиться на будь-якій відстані від передньої несучої поверхні ШПГТ, і його загальна площа має бути більше 5 % від площі передньої несучої поверхні ШПГТ. 4. Передня несуча поверхня ШПГТ і несуча поверхня ФПГО мають будь-яку механізацію, що дистанційно регулюється з кабіни пілота; 5. Положення центра ваги літального апарата забезпечує однакові обо близькі кути атаки крила і несучої поверхні ФПГО на крейсерських режимах польоту. 6. Положення шарніра ФПГО забезпечує однакові обо близькі кути атаки несучої поверхні ФПГО і несучої поверхні ШПГТ. 7. Центр ваги ШПГТ співпадає або знаходиться попереду осі обертання ШПГТ. 8. Вісь обертання ШПГТ співпадає з центром тиску ШПГТ. 9. Рівень механізації при максимальних кутах атаки несучої поверхні ФПГО забезпечує парирування пікіруючого момента при досягненні максимальних кутів атаки крила з механізацією. 10. Рівень механізації при максимальних кутах атаки несучої поверхні ШПГТ забезпечує парирування пікіруючого момента при досягненні максимальних кутів атаки несучої поверхні ФПГО з механізацією. Порівняння побудови, що заявляється як винахід з вже відомими у ційгалузі техніки, в тому числі і з прототипом, показує, що оснащення ФПГО шарнірним переднім горизонтальним тримером, який складається з несучої поверхні і заднього стабілізуючого керувального тримера (ЗСКТ), забезпечення площі ЗСКТ більше 5 % від площі несучої поверхні ШПГТ і положення ЗСКТ на будь-якій відстані від несучої поверхні ШПГТ, забезпечення площі несучої поверхні ШПГТ більше 10 % від несучої поверхні ФПГО і положення несучої поверхні ШПГТ на будь-якій відстані від несучої поверхні ФПГО, співпадання осі обертання ШПГТ з центром тиску підіймальної сили ШПГТ, співпадання або знаходження попереду центра ваги ШПГТ з обертальною віссю ШПГТ, оснащення несучої поверхні ФПГО і несучої поверхні ШПГТ механізацією, забезпечення установки однакових (близьких) кутів атаки крила і несучої поверхні ФПГО і несучої поверхні ШПГТ на крейсерських режимах польоту, оснащення механізацією несучих поверхонь ФПГО і ШПГТ, рівень яких дозволяє забезпечити парирування механізації крила при досягненні максимальних кутів атаки на всіх несучих поверхнях забезпечує суттєву знижку втрат на балансування на всіх режимах польоту і при застосуванні будь-якої механізації, знижку негативної підіймальної сили на цільноповоротній керувальній поверхні і підвищення несучих властивостей ФПГО, більш високу стійкість по швидкості і перевантаженню, підвищення аеродинамічної досконалості, що вказує на відміни запропонованої побудови від вже відомих в цій галузі технічних конструкцій. Конструкція, що пропонується, пояснюється кресленням, де подано вигляд побудови збоку. Літальний апарат містить фюзеляж - 1, крило - 2, ФПГО - 3, яке закріплене к фюзеляжу - 1 за допомогою поперечного шарніра - 4. ФПГО - 3 містить несучу поверхню - 5, яка жорстко кріпиться до корпусу - 6 і шарнірний передній горизонтальний тример (ШПГТ) - 7, який кріпиться к корпусу - 6 за допомогою поперечного шарніра - 8. ШПГТ - 7 містить передню несучу поверхню - 9 і задній стабілізуючий керувальний тример (ЗСКТ) - 10, який керується пілотом. ЗСКТ - 10 може бути цільноповоротним, фіксованим з кермом тангажа, переставним з кермом тангажа. Крило - 2, несуча поверхня - 5 і несуча поверхня - 9 мають механізацію - 11 будь-якого виду і рівня. Працює літальний апарат таким способом: 2 UA 114165 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Наприклад, при всіх рівних умовах, в крейсерському режимі польоту центр ваги розташовані так, що крило 2 і несуча поверхня 5 знаходяться на однакових кутах атаки до набігаючого потоку незалежно від конструкції ФПГО (передній тример чи задній), що забезпечує відсутність втрат на балансування між поверхнями 2 і 5. Це досягається однаковим розподілом навантаження на площу крила 2 і поверхні 5. Розташуванням шарніру 4 і співпаданням з ним центра ваги ФПГО забезпечується рівне навантаження між несучою поверхнею 5 і несучим тримером 9, що забезпечує однакові кути атаки та відсутність втрат на балансування між поверхнями 5 і 9. Таким чином при умові:  кр =  н.п.фпго,  кр =  н.п.фпго =  трим, де  кр - кут атаки крила 2,  н.п.фпго - кут атаки несучої поверхні 5,  .трим - кут атаки тримера 9, забезпечується відсутність втрат на балансування на всіх несучих поверхнях на крейсерських режимах польоту. Так як на ЗСКТ 10 залишаються балансирні втрати (несуча поверхня 9 і ЗКСТ підкорюються ″правилу продовжнього V″), для таких ЛА найбільш вигідною є конструкція з мінімальною площею ЗСКТ 10, що досягається мінімально допустимими розмірами несучих поверхонь ФПГО 5 і ШПГТ 9. Тому в реальних умовах, де всі несучі поверхні мають різну геометрію та різні умови роботи, розподіл навантаження має забезпечити вигідні кути атаки несучих поверхонь в кожному частковому випадку для крейсерського польоту. Різниця кутів на всіх несучих поверхнях може досягати до двох градусів, не враховуючи скосів потоку. Тому визначення має вигляд:  кр.виг. =  н.п.фпго.виг.  кр.виг. =  н.п.фпго.виг. =  трим.виг. Рівень механізації несучої поверхні 5 розраховується з метою парирування пікіруючого моменту при досягненні максимальних кутів атаки з механізацією крила 2 при визначенні:  кр.макс.мех =  н.п.фпго.макс.мех. Рівень механізації несучого тримера 9 розраховується з метою парирування пікіруючого момента при досягненні кутів атаки з механізацією несучої поверхні 5:  н.п.шпго.макс.мех. =  трим.макс.мех. При забезпеченні цих визначень на всіх несучих поверхнях досягається максимальне зменшення втрат на балансування на всіх режимах польоту і при застосуванні механізації будьякого рівня. Експерименти показали, що для забезпечення роботоздатності всієї системи необхідне надійне орієнтування несучого тримера 9 і несучої поверхні 5 під заданим кутом атаки. Це досягається достатнім стабілізуючим моментом ВКСТ 10, загальна площа якого повинна бути більше 5 % від площі несучої поверхні 9 і знаходитись на будь-якій відстані від несучої поверхні 9, а площа несучої поверхні 9 повинна бути більше 10 % несучої поверхні 5 і знаходитись на необхідній відстані від несучої поверхні 5. Експерименти показали, що для підвищення стійкості по швидкості та перевантаженню центр ваги ШПНТ 7 має співпадати або знаходитись попереду шарнира 8. Наприклад, ЛА, у якого площа поверхонь складає: ЗСКТ 10=25 % від поверхні 9, поверхня 9=20 % від поверхні 5, поверхня 5=20 % від поверхні крила 2, балансирні втрати відбуваються тільки на ЗСКТ 10, площа якого складає всього 0,8 % від загальної площі всіх поверхонь. Теоретично можливо ще знизити балансирні втрати многократним використанням передніх шарнірних тримерів, але навіть в представленому випадку ці втрати настільки малі, що від доцільності, наприклад, для ЛА з малим рівнем механізації можливе використання конструкції ШПГТ - 7 без механізації на поверхні - 9. При цьому недостатні несучі властивості мають компенсуватися збільшенням площі поверхні 9, забезпечуючи визначення на злітних режимах:  кр.макс мех, =  н.п.фпго.макс.мех. =  трим.макс На крейсерському режимі:  кр.виг. =  н.п.шпго.виг. =  трим.виг. При малій площі поверхні 9 невеликий зріст втрат на балансування компенсується спрощенням конструкції. Застосування запропонованого літального апарату дозволяє: 1. Максимально зменшити балансирні втрати на всіх режимах польоту і при застосуванні будь-якої механізації. 2. Знизити негативну підіймальну силу на цільноповоротній керувальній поверхні і підвищити несучи властивості ФПГО. 3. Забезпечити стійкість по швидкості та перевантаженню. 4. Підвищити аеродинамічну досконалість. 3 UA 114165 C2 5 10 15 20 25 Джерела інформації: 1. Руководство для конструкторов летательных аппаратов самодеятельной постройки. Том 1, Новосибирск 1989 г., стр. 42, рис. 22. описание 2.1. 2. Соболев А. Самолеты особых схем. - Москва: Машиностроение, 1989, стр. 122, рис. 215, описание стр. 122-124. 3. Бауэрс П. Летательные аппараты нетрадиционных схем. - Москва: Мир, 1991, стр. 9. 4. //Крылья Родины. - № 2. - 1989, стр. 20. 5. //Авиация общего назначения. - 2010 - № 2, стр. 20, рис. 2 (прототип). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Літальний апарат, який містить крило, фюзеляж, флюгерне переднє горизонтальне оперення, що складається з цільноповоротної несучої поверхні та задньої цільноповоротної керувальної поверхні і закріплене до фюзеляжу за допомогою поперечного шарніра, вісь обертання флюгерного переднього горизонтального оперення сполучається з центром ваги та центром тиску флюгерного переднього горизонтального оперення, який відрізняється тим, що флюгерне переднє горизонтальне оперення оснащено шарнірним переднім горизонтальним тримером, який містить несучу поверхню і задній стабілізуючий керувальний тример, що має площу більше 5 % від площі несучої поверхні шарнірного переднього горизонтального тримера і знаходиться на необхідній відстані від неї, несуча поверхня шарнірного переднього горизонтального тримера має площу більше 10 % від несучої поверхні флюгерного переднього горизонтального оперення і знаходиться на необхідній відстані від неї, вісь обертання і центр тиску шарнірного переднього горизонтального тримера співпадають, а центр ваги його співпадає або знаходиться попереду обертальної осі шарнірного переднього горизонтального тримера, всі несучі поверхні або, як мінімум, крило і несуча поверхня флюгерного переднього горизонтального оперення знаходяться на однакових кутах атаки з допустимою різницею до 2 градусів на всіх режимах польоту. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4