民用飞机高升力系统典型运动机构浅析

2015-06-16曹俊章上海飞机设计研究院飞控部上海200232

中国科技纵横 2015年11期

曹俊章（上海飞机设计研究院飞控部，上海　200232）

民用飞机高升力系统典型运动机构浅析

曹俊章
（上海飞机设计研究院飞控部，上海200232）

通过对国外大型民用飞机高升力系统相关资料的研究，对典型的高升力系统运动机构做了简要分析。详细介绍了民用飞机高升力系统运动机构的形式，包括固定铰链式、滑轨－滑轮架式、四连杆机构式等多种襟翼运动机构和C前缘机构、简单克鲁格机构、折叠式完整克鲁格机构、两位式缝翼机构、三位式缝翼机构等多种缝翼运动机构，对于系统设计有一定的指导作用。

民用飞机高升力系统运动机构

1　民用飞机高升力系统定义与分类

对于同一飞机来说，其外力大小主要随飞行速度和迎角而变，升力是随飞行速度的平方成正比地增大的。高速飞机的机翼主要是从有利于高速飞行的观点来设计的，当速度很大时，即使迎角很小，仍然可以产生足够的升力，以克服重量来维持飞行。但在低速飞行时，特别是在起飞和着陆时，由于速度很小，只有用增大迎角的办法来增大升力。然而，增大迎角是有限度的，因为一超过临界，再增大迎角的话，会产生气流分离，升力反而降低，从而导致失速。由此可见，要维持在空中飞行，飞行速度是不可能无限度降低的。但为了保证飞机能在更小的速度下，仍然具有足够的升力，就有必要在机翼装设增加升力的装置，通称增升装置，整个增升装置系统也称为高升力系统［1］。

高升力系统是大型民用飞机的关键分系统之一，由前缘翼面、后缘翼面及其驱动装置组成［2］。它们的作用是通过缝翼向下前伸和襟翼后退偏转，改变机翼弯度和面积，增加飞机起飞时的升力和着陆时的升力和阻力，从而，缩小飞机起飞和滑跑距离。此外，后缘襟翼还可以提高在低速飞行时的升力，前缘缝翼增加机翼弯度和面积改善失速特性。

增升装置按增加机翼升力原理的不同分为气动力增升装置和动力增升装置两大类。襟缝翼属于气动力增升装置，指用增加机翼弯度、面积和延迟气流分离的方法来增加升力。其中包括简单襟翼、开裂式襟翼（襟片）、开缝襟翼（单缝襟翼、双缝襟翼和多缝襟翼）、后退式襟翼、前缘襟翼（简单前缘襟翼和克鲁格襟翼）、前缘缝翼、附面层吹除（或吸入）襟翼（包括前缘附面层吹除和后缘附面层吹除）。

2　民用飞机高升力系统运动机构

2.1襟翼运动机构

为实现襟翼按预定轨迹运动，使用的运动机构主要有固定铰链式、滑轨－滑轮架式、四连杆机构式等。

2.1.1固定铰链式

固定铰链式为襟翼与结构上固定点进行铰链连接。运动轨迹为绕定点转动的圆弧，不符合富勒运动轨迹。

结构和运动简单是这种型式的最大优点，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。由于襟翼绕铰链点的运动是一种单纯的圆弧运动，因而，在小角度起飞时，襟翼的直线后退量很有限，同时还产生一定的阻力，相对直线滑轨，它的富勒运动较差。易实现变弯度控制，机翼可变弯度控制是应用在飞机上的最新技术之一，通过襟翼小角度偏转，减少机翼气动阻力达到节油的效果。由于固定铰链式机构的襟翼运动轨迹为圆弧形，很容易实现襟翼向前、向后小角度偏转。目前波音B787飞机已应用该项技术，空客的A350XB飞机也将跟随。

2.1.2滑轨－滑轮架式

滑轨的轨迹形式较多，如圆弧、曲线、直线及直线+曲线。这些都有助于襟翼实现不同的运动以满足最佳的气动性能要求。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。为了达到较好的富勒运动轨迹，常常采用双轨道。

这种结构形式，富勒运动效果好，直线滑轨或直线－圆弧滑轨都有较长行距的直线段，提供襟翼在起飞小角度运动时的大后退量，以增加机翼面积及减小阻力，从而大大提高了飞机起飞的升阻比。结构和运动较复杂，既要承受复杂的气动载荷，同时还需满足襟翼起飞、着陆复杂的运动要求，从而使它变得结构较重，形状复杂。空客公司对襟翼运动机构进行了非常深入的研究和实践，在A-320和A-330/340 中采用了结构更简单的直轨道、单轨道，直轨道同样较好地符合富勒运动，而单轨道可以降低机构的设计、制造的复杂性。

2.1.3四连杆机构式

通过多个连杆、摇臂的复杂运动实现襟翼按预定的轨迹运动。B-747SP、B-767、B-777、DC-8、C-17等飞机采用此种结构。该运动机构具有如下特点：机构复杂，连杆载荷情况复杂以及相关部件数量较多。

2.2缝翼运动机构

目前飞机前缘缝翼典型运动机构主要包括以下几种：VC前缘机构，简单克鲁格机构，折叠式完整克鲁格机构，两位式缝翼机构，三位式缝翼机构［3］。

2.2.1VC前缘机构

VC前缘机构成功地在美国航空宇航局的先进飞行技术综合（AFTI）111试验飞机上测试。但是因为低速及高升力特性不够好，没有应用到亚音速客机上。其能够同时发挥高升力装置和适应性机翼的作用，在未来的亚音速客机中可能会有所应用。

2.2.2简单克鲁格机构

该机构，在翼面末端的铰链可以允许一个位置上首先向下然后向上的旋转，在该位置处于固定机翼前缘较低表面，翼面与水平线的夹角在60°到80°之间。简单克鲁格机构是最简单高升力系统前缘机构。其高升力特性适应于内机翼部分，它的不足是缺乏对攻角变化的适应性。在正常运行中，常会在克鲁格翼面较上端尾部产生停滞气流。

2.2.3折叠式完整克鲁格机构

简单克鲁格能够通过增加折叠牛鼻板，在安装位置尾部使用铰2.2.4两位式缝翼机构

链，折叠的牛鼻板驱动主要的克鲁格翼面。其有一个D型截面，与从动装置连接，通过旋转将牛鼻板展开从而使克鲁格主翼面展开。因为牛鼻板巡回运动，折叠式牛鼻板能够更加适应攻角的变化。因此，克鲁格上部表面能够接受更大的攻角范围。折叠牛鼻板式克鲁格机构通常用于机构与固定机翼前缘无缝的结构中。简单克鲁格和折叠式牛鼻板克鲁格机构用于展开位置有2种位置的前缘缝翼。

两位式缝翼机构有一个收回位置和一个展开位置。最原始的两位缝翼是Handley Page缝翼，其安装在曲线滑轨上，由空气动力的帮助展开，由预紧弹簧力收回。这种设计用在F-84战斗机上。现在已没有两位式缝翼用在民航客机中使用。

2.2.5三位式缝翼机构

三位式缝翼是目前民航客机中最广泛使用的前缘机构。通常客机的每个机翼有3～6个缝翼翼面，缝翼翼面处于机翼前缘位置。在低速运行中，在每个翼面的两个或更多圆弧滑轨上它们向前方和下方运动。其实质上采用的是齿轮齿条啮合的运动机构。