襟缝翼控制运动机构及特点分析

刘锦涛

(上海飞机设计研究院飞控系统设计研究部高升力系统室,上海 200125)

襟缝翼控制运动机构及特点分析

刘锦涛

(上海飞机设计研究院飞控系统设计研究部高升力系统室,上海 200125)

本文介绍了前缘缝翼和后缘襟翼的运动型式，及多种传动装置的特点及性能分析，为民用飞机设计时提供了襟缝翼控制运动机构的选型思路。

前缘缝翼 后缘襟翼 运动机构 作动器

现代飞机设计中，增升装置(前缘缝翼及后缘襟翼)的运动及其传动装置的设计备受关注。它不仅有效提高飞机起飞、着陆时的气动、飞行性能，而且也大大改善飞机爬升率、进场速率及控制进场最佳飞行姿态，还与巡航时的飞行阻力密切相关。本文介绍了前缘缝翼和后缘襟翼的运动型式，及多种传动装置的特点及性能分析，可供飞机方案设计时选择。

1 缝翼运动机构

1.1 运动机构

齿轮-齿条机构是缝翼广为采用的作动方式。齿轮旋转作动器通过其输出轴上的小齿轮与镶嵌在缝翼滑轨上的扇形齿条啮合，实现缝翼的偏转(图1)。

空客公司A-319/320和A-3330/340的外侧缝翼采用齿轮-齿条机构作动，而内侧缝翼采用连杆机构作动(图2)，取消了扇形齿条，改善了维护性。

1.2 作动器的选择

齿轮旋转作动器的突出优点是结构紧凑、功率重量比大，对狭窄的缝翼作动空间而言，齿轮旋转作动器是最为理想的选择。波音公司从B-747开始，空客公司自A-319/320开始，均选用齿轮旋转作动器作动缝翼(表1)。

图1 齿轮-齿条驱动缝翼

图2 连杆机构驱动缝翼

图3 B-747SP飞机的襟翼作动机构

表1 波音和空客系列飞机高升力系统选用的作动器

表2 后缘襟翼作动机构的应用情况

2 襟翼运动机构

2.1 运动机构

运输机采用的襟翼作动机构通常有4类：固定铰链式、轨道式、四连杆机构式和连杆/轨道混合式(表2)。

2.1.1 固定铰链式

固定铰链式结构需要较高的整流罩，并且也不太符合富勒运动，但其结构非常简单，不需要复杂的轨道和托架，也不需要复杂且构件较多的四连杆机构，因此可靠性高，寿命长，重量轻，维护简单，费用低。固定铰链式结构在早期的飞机中应用较多，如DC-9/10、MD-10/11、MD-80/87，因为这种形式结构极其简单，因此现代飞机不惜牺牲一点气动性能，而尽量采用它。

2.1.2 弯曲轨道式

轨道式结构使用较多，早期的飞机通常采用圆弧式轨道，圆弧轨道不太符合富勒运动，因此后来被尾部弯度较大的弯曲轨道代替。弯曲轨道很符合富勒运动，但其结构较为复杂，并且要求轨道具有一定的耐磨性。B-727、B-737、B-757、A-310和BAe-146等很多飞机采用了这种结构。

表3 波音和空客系列飞机高升力系统选用的作动器

图4 B-767飞机外侧襟翼的作动机构

图5 A-319/320飞机的襟翼作动机构

图6 A-330/340飞机的襟翼作动机构

2.1.3 连杆机构式

连杆式机构不需要轨道，因此寿命长，维护简单，可靠性也较高。B-747SP、B-767、B-777、DC-8、C-17等飞机采用此种结构。

B-747SP的内、外侧襟翼均为单开缝结构，采用简单四连杆机构作为襟翼支撑结构和作动机构(图3)。B-767内侧襟翼采用双开缝、外侧襟翼采用单开缝，均由齿轮旋转作动器作动，作动机构采用了较为复杂的多重四连杆机构(图4)。B-777的作动机构与B-767类似。

2.1.4 连杆/轨道混合式式

空客公司在A-320和A-330/340中采用了结构更简单的直轨道，直轨道同弯曲轨道均能较好地符合富勒运动。从A-319/320开始，空客公司开始采用齿轮旋转作动器作动襟翼。A-319/320的齿轮旋转作动器布置在机翼后梁上，作动摇臂固定在齿轮旋转作动器上(图5)。襟翼与托架只有一个滑动连接点，襟翼向前下方有一个伸出臂，伸出臂与作动摇臂相联。

随后空客公司在A-330/340飞机上，对襟翼作动机构进行了改进，优化了齿轮旋转作动器在飞机上的编排方式，将齿轮旋转作动器布置在襟翼支撑梁上(图6)。在这种编排方式中，齿轮旋转作动器可以采用较大的的旋转角度，从而增加襟翼后伸量，减小作动机构各构件上的承力。缺点是需要额外增加一段从襟翼主传动轴到齿轮旋转作动器安装处的连接轴。

图7 A-350的襟翼作动机构

图8 B-787的襟翼作动机构

A350采用了一种新式的后缘高升力系统—先进下伸铰链襟翼(advanced dropped hinge flap，图7)。这是一种非常简单的设计，是一种多功能的系统，可用来使扰流板和襟翼偏转以控制机翼后缘和襟翼间的间隙。该方案在不增加重量和复杂性的前提下提高了效率，还可改善巡航性能。

B-787飞机的襟翼作动机构不再采用B-767和B-777的四连杆作动机构，而改为固定铰链式结构。内侧襟翼和外侧襟翼均为单开缝形式，7个扰流板可以下偏，配合襟翼满足所需要的缝隙量和重叠量。齿轮旋转作动器安装于飞机后梁上，摇臂固定在齿轮旋转作动器的输出耳片上，通过连杆作动襟翼偏转(图8)。

2.2 作动器的选择

对于襟翼作动系统，其作动器一般采用滚珠螺旋作动器或齿轮旋转作动器。

从波音飞机和空客飞机增升装置操纵系统的发展趋势看，旋转作动器已经成为成为作动器的首选方案。空客的早期飞机，A-300和A-310的缝翼和襟翼均采用了滚珠螺旋作动器作动，但从A- 320开始，包括A-330、A-340，一直到近期的A-380和A350，其缝翼和襟翼操纵系统均采用了旋转作动器作动(表3)。

3 高升力作动机构的发展趋势

高升力装置及其作动机构的发展经历了从简单到复杂，再从复杂回归简单的演变过程，现代先进飞机越来越青睐于简单而且有效的方案。所谓“简单”是指采用简单的结构和直接的实现方式，以提高可靠性和维护性，减少零件数量和重量，降低制造成本；所谓“有效”是指在采用简单结构的前提下，通过采用先进技术，最大限度地提高飞机的最大升力系数等性能。现代飞机的后缘襟翼趋于结构简单的单开缝形式，作动机构趋于结构简单、维护性好、耐磨性好的四连杆机构或连杆/轨道混合机构，而前缘缝翼作动机构趋于结构简单的齿轮-齿条机构。

4 结语

本文对民用飞机襟缝翼运动机构的多种运动型式，及其特点性能进行了总结分析。在进行民用飞机设计时要根据设计理念以及与后续机型保持一致性的原则，选用合适的襟缝翼运动机构。

[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.