劉錦濤

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

襟縫翼控制運(yùn)動機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)分析

劉錦濤

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

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

前緣縫翼 后緣襟翼 運(yùn)動機(jī)構(gòu) 作動器

現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計中，增升裝置(前緣縫翼及后緣襟翼)的運(yùn)動及其傳動裝置的設(shè)計備受關(guān)注。它不僅有效提高飛機(jī)起飛、著陸時的氣動、飛行性能，而且也大大改善飛機(jī)爬升率、進(jìn)場速率及控制進(jìn)場最佳飛行姿態(tài)，還與巡航時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)動型式，及多種傳動裝置的特點(diǎn)及性能分析，可供飛機(jī)方案設(shè)計時選擇。

1 縫翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)

1.1 運(yùn)動機(jī)構(gòu)

齒輪-齒條機(jī)構(gòu)是縫翼廣為采用的作動方式。齒輪旋轉(zhuǎn)作動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，而內(nèi)側(cè)縫翼采用連桿機(jī)構(gòu)作動(圖2)，取消了扇形齒條，改善了維護(hù)性。

1.2 作動器的選擇

齒輪旋轉(zhuǎn)作動器的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、功率重量比大，對狹窄的縫翼作動空間而言，齒輪旋轉(zhuǎn)作動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)作動器作動縫翼(表1)。

圖1 齒輪-齒條驅(qū)動縫翼

圖2 連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動縫翼

圖3 B-747SP飛機(jī)的襟翼作動機(jī)構(gòu)

表1 波音和空客系列飛機(jī)高升力系統(tǒng)選用的作動器

表2 后緣襟翼作動機(jī)構(gòu)的應(yīng)用情況

2 襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)

2.1 運(yùn)動機(jī)構(gòu)

運(yùn)輸機(jī)采用的襟翼作動機(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，但其結(jié)構(gòu)非常簡單，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，重量輕，維護(hù)簡單，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)極其簡單，因此現(xiàn)代飛機(jī)不惜犧牲一點(diǎn)氣動性能，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，因此后來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，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)選用的作動器

圖4 B-767飛機(jī)外側(cè)襟翼的作動機(jī)構(gòu)

圖5 A-319/320飛機(jī)的襟翼作動機(jī)構(gòu)

圖6 A-330/340飛機(jī)的襟翼作動機(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，維護(hù)簡單，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)，采用簡單四連桿機(jī)構(gòu)作為襟翼支撐結(jié)構(gòu)和作動機(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)作動器作動，作動機(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。從A-319/320開始，空客公司開始采用齒輪旋轉(zhuǎn)作動器作動襟翼。A-319/320的齒輪旋轉(zhuǎn)作動器布置在機(jī)翼后梁上，作動搖臂固定在齒輪旋轉(zhuǎn)作動器上(圖5)。襟翼與托架只有一個滑動連接點(diǎn)，襟翼向前下方有一個伸出臂，伸出臂與作動搖臂相聯(lián)。

隨后空客公司在A-330/340飛機(jī)上，對襟翼作動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了齒輪旋轉(zhuǎn)作動器在飛機(jī)上的編排方式，將齒輪旋轉(zhuǎn)作動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軸到齒輪旋轉(zhuǎn)作動器安裝處的連接軸。

圖7 A-350的襟翼作動機(jī)構(gòu)

圖8 B-787的襟翼作動機(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)。這是一種非常簡單的設(shè)計，是一種多功能的系統(tǒng)，可用來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)的襟翼作動機(jī)構(gòu)不再采用B-767和B-777的四連桿作動機(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)作動器安裝于飛機(jī)后梁上，搖臂固定在齒輪旋轉(zhuǎn)作動器的輸出耳片上，通過連桿作動襟翼偏轉(zhuǎn)(圖8)。

2.2 作動器的選擇

對于襟翼作動系統(tǒng)，其作動器一般采用滾珠螺旋作動器或齒輪旋轉(zhuǎn)作動器。

從波音飛機(jī)和空客飛機(jī)增升裝置操縱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢看，旋轉(zhuǎn)作動器已經(jīng)成為成為作動器的首選方案?？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器作動，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)作動器作動(表3)。

3 高升力作動機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢

高升力裝置及其作動機(jī)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，再從復(fù)雜回歸簡單的演變過程，現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)越來越青睞于簡單而且有效的方案。所謂“簡單”是指采用簡單的結(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)簡單的單開縫形式，作動機(jī)構(gòu)趨于結(jié)構(gòu)簡單、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)，而前緣縫翼作動機(jī)構(gòu)趨于結(jié)構(gòu)簡單的齒輪-齒條機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)語

本文對民用飛機(jī)襟縫翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)的多種運(yùn)動型式，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)計時要根據(jù)設(shè)計理念以及與后續(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.