Летательный аппарат с вращающимся хвостовым блоком аэродинамических поверхностей

 

Изобретение относится к конструктивным и аэродинамическим элементам летательных аппаратов. Летательный аппарат содержит фюзеляж, состыкованный с корпусом хвостового блока через узел вращения, и консоли, закрепленные на корпусе. Каждая консоль установлена через узел вращения с осью, перпендикулярной поверхности корпуса. В фюзеляже в районе стыка с вращающимся хвостовым блоком выполнены V-образные выемки. Передние нижние части каждой консоли входят в соответствующую выемку. Изобретение позволяет решить задачу автоматической стабилизации определенного положения относительно фюзеляжа хвостового блока при действии на консоль возмущающего аэродинамического момента по крену. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к конструктивным и аэродинамическим элементам летательных аппаратов (ЛА), в частности к элементам крепления крыла или хвостового оперения с регулированием их положения относительно фюзеляжа.

Известен ЛА с вращающимся хвостовым блоком аэродинамических поверхностей (н-т журнал Техника воздушного флота 1-2, 1995 г., М., ЦАГИ, стр.46), содержащий фюзеляж, состыкованный с корпусом хвостового блока через узел вращения относительно продольной оси фюзеляжа, и аэродинамические поверхности-консоли, закрепленные на корпусе в продольном направлении.

Все данные технические признаки известного устройства присутствуют и в предлагаемом техническом решении.

Известное устройство обеспечивает стабилизацию ЛА при полете с заданными углами курса и тангажа и передает на ЛА минимальный момент крена (только за счет трения в узле вращения). Однако неопределенность положения вращающегося хвостового блока относительно фюзеляжа ЛА не позволяет использовать площадь аэродинамических поверхностей-консолей для создания ориентированной подъемной силы, обеспечивающей отход ЛА от носителя при отделении, и тем самым увеличить вероятность безопасного отделения ЛА.

Предлагаемым техническим решением решается задача автоматической стабилизации определенного положения относительно фюзеляжа вращающегося хвостового блока при действии на консоль возмущающего аэродинамического момента по крену.

Для достижения указанного технического результата на ЛА с вращающимся хвостовым блоком аэродинамических поверхностей, содержащем фюзеляж, состыкованный с корпусом хвостового блока через узел вращения относительно продольной оси фюзеляжа, и аэродинамические поверхности-консоли, закрепленные на корпусе в продольном направлении, каждая консоль установлена на корпусе блока через узел вращения с осью, перпендикулярной к поверхности корпуса, а в фюзеляже в районе стыка с вращающимся хвостовым блоком выполнены V-образные выемки, при этом передняя нижняя часть каждой консоли входит в соответствующую выемку.

Кроме того, для уменьшения износа фюзеляжа и консолей при их взаимодействии V-образные выемки могут быть выполнены со сглаженными углами, а боковые стенки передней нижней части каждой консоли могут быть выполнены вогнутыми.

Кроме того, для исключения люфта консолей в V-образных выемках фюзеляжа, снижения требований по точности изготовления V-образных выемок и обеспечения компенсации производственных погрешностей при стыковке консолей с выемками боковые стенки V-образных выемок могут быть образованы пружинными элементами.

Кроме того, для исключения выхода консолей из выемок в корпусе ЛА при случайном механическом воздействии на хвостовой блок в процессе транспортировки или при небольшой скорости полета ЛА может быть снабжен ограничителем угла поворота корпуса в узле вращения.

Кроме того, для обеспечения затухания колебаний вращающегося хвостового блока вблизи произвольного равновесного положения блока, соответствующего равновесию действующих на боковые поверхности консолей конкретных сил, его корпус может быть дополнительно сообщен с фюзеляжем ЛА демпфирующим устройством.

При этом демпфирующее устройство, для обеспечения простоты настройки его характеристик и стабильности их при эксплуатации, может быть образовано заполненной пластичным материалом полостью, выполненной в корпусе вращающегося хвостового блока в виде кольцевого сектора со стороны поверхности корпуса, контактирующей с неподвижной относительно фюзеляжа поверхностью детали летательного аппарата, а ограничитель угла поворота корпуса выполнен в виде упоров, неподвижного, закрепленного на контактирующей неподвижной поверхности и входящего в полость демпфирующего устройства с разделением ее на два объема и образованием дросселирующего сечения между ними, и подвижных упоров, сформированных торцовыми поверхностями полости демпфирующего устройства.

Отличительными признаками предлагаемой конструкции ЛА с вращающимся хвостовым блоком от указанного выше известного является то, что каждая консоль установлена на корпусе вращающегося хвостового блока через узел вращения с перпендикулярной к поверхности корпуса осью, а в фюзеляже в районе стыка с вращающимся хвостовым блоком выполнены V-образные выемки, при этом передняя нижняя часть каждой консоли входит в соответствующую выемку. Кроме того, дополнительно отличительными признаками являются выполнение V-образных выемок со сглаженными углами, выполнение боковых стенок передней нижней части каждой консоли вогнутыми, образование боковых стенок V-образных выемок в фюзеляже пружинными элементами, снабжение ЛА ограничителем угла поворота корпуса в узле вращения, а также то, что демпфирующее устройство образовано заполненной пластичным материалом полостью, выполненной в корпусе вращающегося хвостового блока в виде кольцевого сектора со стороны поверхности корпуса, контактирующей с неподвижной относительно фюзеляжа поверхностью детали летательного аппарата, а ограничитель угла поворота корпуса выполнен в виде упоров, неподвижного, закрепленного на контактирующей неподвижной поверхности и входящего в полость демпфирующего устройства с разделением ее на два объема и образованием дросселирующего сечения между ними, и подвижных упоров, сформированных торцовыми поверхностями полости демпфирующего устройства.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат: - обеспечивается автоматическая стабилизация вращающегося хвостового блока около исходного положения при сохранении преимуществ прототипа - стабилизации ЛА в полете с заданными углами курса и тангажа и передаче минимального момента крена на ЛА; - консоли определенно ориентированы вблизи стабилизированного положения, что может быть использовано для создания ориентированной подъемной силы (положительной или отрицательной в зависимости от размещения ЛА на носителе), например, за счет отклонения задней кромки консолей оперения, которая будет способствовать безопасному отделению ЛА от носителя; - обеспечивается возможность размещать на поверхностях консолей дополнительные поверхности управления полетом (предкрылки, закрылки, интерцепторы).

Кроме того, обеспечивается: - уменьшение износа фюзеляжа и консолей при их взаимодействии; - исключение люфта консолей в V-образных выемках фюзеляжа, снижение требований по точности изготовления V-образных выемок и обеспечение компенсации производственных погрешностей при стыковке консолей с выемками; - нахождение передних частей консолей вращающегося хвостового блока в выемках фюзеляжа при случайном механическом воздействии на хвостовой блок в процессе транспортировки ЛА или полете с небольшой скоростью; - демпфирование колебаний вращающегося хвостового блока при вращении в полете в процессе автоматической стабилизации его положения относительно фюзеляжа ЛА; - простота настройки демпфирующего устройства и стабильность его характеристик при эксплуатации.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый ЛА с вращающимся хвостовым блоком аэродинамических поверхностей-консолей и ориентированным вращением каждой консоли относительно корпуса блока при его вращении, не обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании выше изложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

Предложенное техническое решение может найти применение в конструкциях беспилотных ЛА, отделяемых от носителя при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "промышленно применима".

Изобретение поясняется фиг.1-4.

На фиг. 1 представлен вид ЛА сбоку с вращающимся хвостовым блоком аэродинамических поверхностей в исходном состоянии, а также варианты 1-3 сечения А-А и вид В фиг.1, поясняющие устройство по пунктам 1-5 формулы изобретения.

На фиг. 2 и 3 показан соответственно вид ЛА сбоку и сзади при действии возмущающего аэродинамического момента крена.

На фиг.4 показано сечение С-С ЛА, фиг.1, поясняющее устройство по пунктам 6 и 7 формулы изобретения.

Представленный на фиг. 1-4 ЛА с вращающимся хвостовым блоком аэродинамических поверхностей содержит фюзеляж 1, состыкованный с корпусом 2 хвостового блока через узел вращения 3 относительно продольной оси ЛА. На корпусе 2 в продольном относительно оси фюзеляжа направлении установлены аэродинамические поверхности-консоли 4 через узел вращения 5 с осью, перпендикулярной к поверхности корпуса 2. Передние нижние части консолей 4 входят в соответствующие V-образные выемки 6 в фюзеляже 1 ЛА в районе стыка с вращающимся хвостовым блоком.

Выемки 6 могут быть выполнены со сглаженными углами, как показано на варианте 2 сечения А-А, фиг.1.

Боковые стенки передней нижней части консолей 4 могут быть выполнены вогнутыми, как показано на вариантах 2 и 3 сечения А-А, фиг.1.

Боковые стенки V-образных выемок фюзеляжа могут быть образованы пружинными элементами 7, показанными на виде В фиг.1.

ЛА может быть снабжен ограничителем 8 угла поворота корпуса 2 в узле вращения 3 и демпфирующим устройством 9 колебаний вращающегося хвостового блока относительно фюзеляжа 1 ЛА вблизи точки равновесия действующих в полете сил на боковые стенки консолей 4 при повороте корпуса 2 в узле вращения 3. Демпфирующее устройство 9 может быть образовано заполненной пластичным материалом 10 полостью 11, выполненной в корпусе 2 вращающегося хвостового блока в виде кольцевого сектора со стороны поверхности 12 корпуса 2, контактирующей с неподвижной относительно фюзеляжа 1 поверхностью 13 детали летательного аппарата, а ограничитель угла поворота 8 корпуса 2 выполнен в виде упоров 14 и 15, неподвижного 14, закрепленного на неподвижной поверхности 13 и входящего в полость 11 демпфирующего устройства с разделением ее на два объема и образованием дросселирующего сечения 16 между ними, и подвижных упоров 15, сформированных торцовыми поверхностями полости 11 демпфирующего устройства.

Описанное устройство по п.1 формулы изобретения работает следующим образом. При отсутствии возмущающего аэродинамического момента крена консоли 4 в полете ЛА обтекаются потоком воздуха, устанавливаясь продольно вдоль фюзеляжа 1 благодаря зацеплению передних нижних частей консолей 4 в соответствующих выемках 6 и наличию узла 3 вращения корпуса 2, обеспечивая стабилизацию ЛА в направлении полета с определенными углами курса и тангажа.

В процессе отделения ЛА от носителя на большой скорости и его полета вблизи носителя за счет скосов потока от носителя, скольжения ЛА или производственных отклонений изготовления на консоли 4 действует возмущающий аэродинамический момент крена +М_в, приводящий к вращению корпуса 2 в узле поворота 3 (см. фиг.2 и фиг.3). В процессе вращения корпуса 2 хвостового блока и поворота его в узле вращения 3 на угол +δ_корп передние нижние части каждой консоли 4 движутся по соответствующей выемке 6 фюзеляжа 1, находясь с ним в зацеплении, вследствие этого происходит вращение каждой консоли 4 в соответствующем узле поворота 5, которое приводит к установке каждой консоли 4 под углом ±δ_конс к продольной оси фюзеляжа 1 ЛА и появлению компенсирующих моментов (-М_к). При этом находящиеся в зацеплении с выемками 6 своими передними нижними частями консоли 4 наклоняются по отношению к исходному положению. Возможность их наклона с сохранением зацепления с фюзеляжем и возможностью возврата в исходное положение обеспечивается при V-образной форме выемок 6. После прекращения действия возмущающего момента крена (+М_в) установленные под углом к набегающему потоку воздуха консоли 4 под действием моментов (-М_к) возвращаются в исходное состояние, поворачиваясь в узлах 5 с одновременным вращением корпуса 2 в узле поворота 3, при этом передние нижние части консолей 4 движутся по выемкам 6 в противоположном направлении, также возвращаясь в исходное положение. Таким же образом при действии возмущающего момента крена противоположного направления (-М_в) корпус 2 в узле поворота 3 поворачивается в противоположном направлении, устанавливая обратную сторону консолей 4 под углом к набегающему потоку воздуха и действию на консоли компенсирующих моментов крена +М_к.

Устройство по п.2 формулы изобретения работает аналогично устройству по п. 1, при этом сглаживание углов V-образных выемок, показанных в варианте 1 сечения А-А, выполненное в варианте 2 этого сечения, исключает контакт консолей 4 с острыми кромками фюзеляжа 1, что уменьшает максимальное контактное давление в полете, и вследствие этого уменьшается износ материала контактируемых деталей.

Устройство по п.3 формулы изобретения работает аналогично устройству по п. 2, при этом исполнение боковых стенок передней нижней части консолей 4 вогнутыми, показанными в вариантах 2 и 3 сечения А-А, увеличивает площадь контакта при взаимодействии боковой стенки консоли 4 с выпуклой стороной выемки 6 фюзеляжа 1, что дополнительно уменьшает давление в зоне контакта и износ материалов контактируемых деталей.

Устройство по п.4 формулы изобретения работает аналогично устройству по п.2 или 3, при этом образование V-образных выемок фюзеляжа 1 пружинными элементами 7 обеспечивает возможность изменения расстояния между стенками за счет их упругости и вследствие этого исключить люфт консолей в выемках 7, снизить требования к точности изготовления V-образных выемок и обеспечить компенсацию производственных погрешностей при сборке ЛА и стыковке консолей 4 с выемками 7 фюзеляжа 1.

Устройство по п.5 формулы изобретения работает аналогично устройству по любому из пунктов 1-4, при этом в процессе транспортировки ЛА или его полета с малой скоростью, недостаточной для возникновения аэродинамических сил на консолях 4, поворот корпуса 2 в узле вращения 3, при случайном внешнем механическом воздействии произойдет в пределах, допускаемых ограничителем угла поворота 8, выполненным, например, в виде гибкой связи между фюзеляжем 1 и корпусом 2, обеспечивающим нахождение передних кромок консолей 4 в пределах соответствующих выемок 6 или 7.

Устройство по п.6 формулы изобретения работает аналогично устройствам по любому из пунктов 1-5, при этом сообщение корпуса 2 хвостового блока с фюзеляжем 1 ЛА демпфирующим устройством 9, показанным на фиг.4, вариант 1 сечения С-С, (выполненным, например, из фрикционного материала) приводит к затуханию колебаний около точки уравновешивания моментов _в и М_к вследствие рассеяния энергии в демпфирующем устройстве, например, за счет трения фрикционного материала демпфирующего устройства 9, закрепленного в корпусе 2, о поверхность 13 неподвижной относительно фюзеляжа детали узла вращения 3 с преобразованием механической энергии колебаний хвостового блока вблизи точки равновесия сил, действующих в полете на боковые стенки консолей 4, в тепловую.

Устройство по п.7 формулы изобретения работает аналогично устройству по п.6 формулы. Отличие заключается в том, что пластичный материал 10 (например, консистентная смазка) в процессе поворота корпуса 2 в узле вращения 3 перетекает через дросселирующее сечение 16 из одной части объема полости 11 демпфирующего устройства в другую, обеспечивая рассеивание энергии колебательного процесса вблизи равновесного положения вращающегося хвостового блока на перетекание материала 10, что приводит к затуханию колебаний. При этом образующий дросселирующее сечение 16 неподвижный упор 13 ограничивает поворот корпуса 2 в узле вращения 3 в момент соприкосновения с одной из торцовых стенок 15 полости 11 демпфирующего устройства.

Такое исполнение демпфирующего устройства обеспечивает простоту настройки его характеристик путем подбора величины дросселирующего сечения 16 и их стабильность при эксплуатации вследствие минимального износа деталей демпфирующего устройства при перетекании пластичного материала 10 через дросселирующее сечение 16.1

Формула изобретения

1. Летательный аппарат с вращающимся хвостовым блоком, содержащий фюзеляж, состыкованный с корпусом хвостового блока через узел вращения относительно продольной оси фюзеляжа, и аэродинамические поверхности - консоли, закрепленные на корпусе в продольном направлении, отличающийся тем, что каждая консоль установлена на корпусе вращающегося хвостового блока через узел вращения с осью, перпендикулярной к поверхности корпуса, а в фюзеляже в районе стыка с вращающимся хвостовым блоком выполнены V-образные выемки, при этом передние нижние части каждой консоли входят в соответствующую выемку.

2. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что V-образные выемки выполнены со сглаженными углами.

3. Летательный аппарат по п.2, отличающийся тем, что боковые стенки передней нижней части консолей выполнены вогнутыми.

4. Летательный аппарат по п.2 или 3, отличающийся тем, что боковые стенки V-образных выемок фюзеляжа образованы пружинными элементами.

5. Летательный аппарат по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он снабжен ограничителем угла поворота корпуса в узле вращения.

6. Летательный аппарат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что корпус вращающегося хвостового блока дополнительно сообщен с фюзеляжем летательного аппарата демпфирующим устройством.

7. Летательный аппарат по п.6, отличающийся тем, что демпфирующее устройство образовано заполненной пластичным материалом полостью, выполненной в корпусе вращающегося хвостового блока в виде кольцевого сектора со стороны поверхности корпуса, контактирующей с неподвижной относительно фюзеляжа поверхностью детали летательного аппарата, а ограничитель угла поворота корпуса выполнен в виде упоров, неподвижного, закрепленного на контактирующей неподвижной поверхности и входящего в полость демпфирующего устройства с разделением ее на два объема и образованием дросселирующего сечения между ними, и подвижных упоров, сформированных торцовыми поверхностями полости демпфирующего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4