劉錦濤

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部高升力系統(tǒng)室,上海 200125)

襟縫翼控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)分析

劉錦濤

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部高升力系統(tǒng)室,上海 200125)

本文介紹了前緣縫翼和后緣襟翼的運(yùn)動(dòng)型式，及多種傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)及性能分析，為民用飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)提供了襟縫翼控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型思路。

前緣縫翼 后緣襟翼 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 作動(dòng)器

現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中，增升裝置(前緣縫翼及后緣襟翼)的運(yùn)動(dòng)及其傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)備受關(guān)注。它不僅有效提高飛機(jī)起飛、著陸時(shí)的氣動(dòng)、飛行性能，而且也大大改善飛機(jī)爬升率、進(jìn)場(chǎng)速率及控制進(jìn)場(chǎng)最佳飛行姿態(tài)，還與巡航時(shí)的飛行阻力密切相關(guān)。本文介紹了前緣縫翼和后緣襟翼的運(yùn)動(dòng)型式，及多種傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)及性能分析，可供飛機(jī)方案設(shè)計(jì)時(shí)選擇。

1 縫翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

齒輪-齒條機(jī)構(gòu)是縫翼廣為采用的作動(dòng)方式。齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器通過其輸出軸上的小齒輪與鑲嵌在縫翼滑軌上的扇形齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)縫翼的偏轉(zhuǎn)(圖1)。

空客公司A-319/320和A-3330/340的外側(cè)縫翼采用齒輪-齒條機(jī)構(gòu)作動(dòng)，而內(nèi)側(cè)縫翼采用連桿機(jī)構(gòu)作動(dòng)(圖2)，取消了扇形齒條，改善了維護(hù)性。

1.2 作動(dòng)器的選擇

齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、功率重量比大，對(duì)狹窄的縫翼作動(dòng)空間而言，齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器是最為理想的選擇。波音公司從B-747開始，空客公司自A-319/320開始，均選用齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器作動(dòng)縫翼(表1)。

圖1 齒輪-齒條驅(qū)動(dòng)縫翼

圖2 連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)縫翼

圖3 B-747SP飛機(jī)的襟翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)

表1 波音和空客系列飛機(jī)高升力系統(tǒng)選用的作動(dòng)器

表2 后緣襟翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用情況

2 襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

運(yùn)輸機(jī)采用的襟翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)通常有4類：固定鉸鏈?zhǔn)?、軌道式、四連桿機(jī)構(gòu)式和連桿/軌道混合式(表2)。

2.1.1 固定鉸鏈?zhǔn)?/p>

固定鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)需要較高的整流罩，并且也不太符合富勒運(yùn)動(dòng)，但其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的軌道和托架，也不需要復(fù)雜且構(gòu)件較多的四連桿機(jī)構(gòu)，因此可靠性高，壽命長(zhǎng)，重量輕，維護(hù)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。固定鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)在早期的飛機(jī)中應(yīng)用較多，如DC-9/10、MD-10/11、MD-80/87，因?yàn)檫@種形式結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，因此現(xiàn)代飛機(jī)不惜犧牲一點(diǎn)氣動(dòng)性能，而盡量采用它。

2.1.2 彎曲軌道式

軌道式結(jié)構(gòu)使用較多，早期的飛機(jī)通常采用圓弧式軌道，圓弧軌道不太符合富勒運(yùn)動(dòng)，因此后來(lái)被尾部彎度較大的彎曲軌道代替。彎曲軌道很符合富勒運(yùn)動(dòng)，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且要求軌道具有一定的耐磨性。B-727、B-737、B-757、A-310和BAe-146等很多飛機(jī)采用了這種結(jié)構(gòu)。

表3 波音和空客系列飛機(jī)高升力系統(tǒng)選用的作動(dòng)器

圖4 B-767飛機(jī)外側(cè)襟翼的作動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖5 A-319/320飛機(jī)的襟翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖6 A-330/340飛機(jī)的襟翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.1.3 連桿機(jī)構(gòu)式

連桿式機(jī)構(gòu)不需要軌道，因此壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，可靠性也較高。B-747SP、B-767、B-777、DC-8、C-17等飛機(jī)采用此種結(jié)構(gòu)。

B-747SP的內(nèi)、外側(cè)襟翼均為單開縫結(jié)構(gòu)，采用簡(jiǎn)單四連桿機(jī)構(gòu)作為襟翼支撐結(jié)構(gòu)和作動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖3)。B-767內(nèi)側(cè)襟翼采用雙開縫、外側(cè)襟翼采用單開縫，均由齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器作動(dòng)，作動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了較為復(fù)雜的多重四連桿機(jī)構(gòu)(圖4)。B-777的作動(dòng)機(jī)構(gòu)與B-767類似。

2.1.4 連桿/軌道混合式式

空客公司在A-320和A-330/340中采用了結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的直軌道，直軌道同彎曲軌道均能較好地符合富勒運(yùn)動(dòng)。從A-319/320開始，空客公司開始采用齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器作動(dòng)襟翼。A-319/320的齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器布置在機(jī)翼后梁上，作動(dòng)搖臂固定在齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器上(圖5)。襟翼與托架只有一個(gè)滑動(dòng)連接點(diǎn)，襟翼向前下方有一個(gè)伸出臂，伸出臂與作動(dòng)搖臂相聯(lián)。

隨后空客公司在A-330/340飛機(jī)上，對(duì)襟翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器在飛機(jī)上的編排方式，將齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器布置在襟翼支撐梁上(圖6)。在這種編排方式中，齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器可以采用較大的的旋轉(zhuǎn)角度，從而增加襟翼后伸量，減小作動(dòng)機(jī)構(gòu)各構(gòu)件上的承力。缺點(diǎn)是需要額外增加一段從襟翼主傳動(dòng)軸到齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器安裝處的連接軸。

圖7 A-350的襟翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖8 B-787的襟翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)

A350采用了一種新式的后緣高升力系統(tǒng)—先進(jìn)下伸鉸鏈襟翼(advanced dropped hinge flap，圖7)。這是一種非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，是一種多功能的系統(tǒng)，可用來(lái)使擾流板和襟翼偏轉(zhuǎn)以控制機(jī)翼后緣和襟翼間的間隙。該方案在不增加重量和復(fù)雜性的前提下提高了效率，還可改善巡航性能。

B-787飛機(jī)的襟翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)不再采用B-767和B-777的四連桿作動(dòng)機(jī)構(gòu)，而改為固定鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。內(nèi)側(cè)襟翼和外側(cè)襟翼均為單開縫形式，7個(gè)擾流板可以下偏，配合襟翼滿足所需要的縫隙量和重疊量。齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器安裝于飛機(jī)后梁上，搖臂固定在齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的輸出耳片上，通過連桿作動(dòng)襟翼偏轉(zhuǎn)(圖8)。

2.2 作動(dòng)器的選擇

對(duì)于襟翼作動(dòng)系統(tǒng)，其作動(dòng)器一般采用滾珠螺旋作動(dòng)器或齒輪旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器。

從波音飛機(jī)和空客飛機(jī)增升裝置操縱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)看，旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器已經(jīng)成為成為作動(dòng)器的首選方案?？湛偷脑缙陲w機(jī)，A-300和A-310的縫翼和襟翼均采用了滾珠螺旋作動(dòng)器作動(dòng)，但從A- 320開始，包括A-330、A-340，一直到近期的A-380和A350，其縫翼和襟翼操縱系統(tǒng)均采用了旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器作動(dòng)(表3)。

3 高升力作動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

高升力裝置及其作動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，再?gòu)膹?fù)雜回歸簡(jiǎn)單的演變過程，現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)越來(lái)越青睞于簡(jiǎn)單而且有效的方案。所謂“簡(jiǎn)單”是指采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和直接的實(shí)現(xiàn)方式，以提高可靠性和維護(hù)性，減少零件數(shù)量和重量，降低制造成本；所謂“有效”是指在采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的前提下，通過采用先進(jìn)技術(shù)，最大限度地提高飛機(jī)的最大升力系數(shù)等性能?，F(xiàn)代飛機(jī)的后緣襟翼趨于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單開縫形式，作動(dòng)機(jī)構(gòu)趨于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)性好、耐磨性好的四連桿機(jī)構(gòu)或連桿/軌道混合機(jī)構(gòu)，而前緣縫翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)趨于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的齒輪-齒條機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)民用飛機(jī)襟縫翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的多種運(yùn)動(dòng)型式，及其特點(diǎn)性能進(jìn)行了總結(jié)分析。在進(jìn)行民用飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)設(shè)計(jì)理念以及與后續(xù)機(jī)型保持一致性的原則，選用合適的襟縫翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

[1]Rudolph,Peter K.C.High Lift Systems on Commercial Subsonic Airliners．NASA Contractor Report 474amp; September 1996.

[2]Peter K.C.,Rudolph．Mechanical Design of High Lift Systems for High Aspect Ratio Swept Wings,NASA/CR-1998-196709.

[3]E.T.Raymond，P.E.，C.C.Chenoweth．Aircraft flight control actuation system design．Society of automotive engineers，inc.Warrendale，PA.15096-0001，1993：182-185.