曹俊章（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院飛控部，上海　200232）

民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)淺析

曹俊章
（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院飛控部，上海200232）

通過(guò)對(duì)國(guó)外大型民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)相關(guān)資料的研究，對(duì)典型的高升力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)做了簡(jiǎn)要分析。詳細(xì)介紹了民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式，包括固定鉸鏈?zhǔn)?、滑軌－滑輪架式、四連桿機(jī)構(gòu)式等多種襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和C前緣機(jī)構(gòu)、簡(jiǎn)單克魯格機(jī)構(gòu)、折疊式完整克魯格機(jī)構(gòu)、兩位式縫翼機(jī)構(gòu)、三位式縫翼機(jī)構(gòu)等多種縫翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1　民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)定義與分類

對(duì)于同一飛機(jī)來(lái)說(shuō)，其外力大小主要隨飛行速度和迎角而變，升力是隨飛行速度的平方成正比地增大的。高速飛機(jī)的機(jī)翼主要是從有利于高速飛行的觀點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的，當(dāng)速度很大時(shí)，即使迎角很小，仍然可以產(chǎn)生足夠的升力，以克服重量來(lái)維持飛行。但在低速飛行時(shí)，特別是在起飛和著陸時(shí)，由于速度很小，只有用增大迎角的辦法來(lái)增大升力。然而，增大迎角是有限度的，因?yàn)橐怀^(guò)臨界，再增大迎角的話，會(huì)產(chǎn)生氣流分離，升力反而降低，從而導(dǎo)致失速。由此可見(jiàn)，要維持在空中飛行，飛行速度是不可能無(wú)限度降低的。但為了保證飛機(jī)能在更小的速度下，仍然具有足夠的升力，就有必要在機(jī)翼裝設(shè)增加升力的裝置，通稱增升裝置，整個(gè)增升裝置系統(tǒng)也稱為高升力系統(tǒng)［1］。

高升力系統(tǒng)是大型民用飛機(jī)的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，由前緣翼面、后緣翼面及其驅(qū)動(dòng)裝置組成［2］。它們的作用是通過(guò)縫翼向下前伸和襟翼后退偏轉(zhuǎn)，改變機(jī)翼彎度和面積，增加飛機(jī)起飛時(shí)的升力和著陸時(shí)的升力和阻力，從而，縮小飛機(jī)起飛和滑跑距離。此外，后緣襟翼還可以提高在低速飛行時(shí)的升力，前緣縫翼增加機(jī)翼彎度和面積改善失速特性。

增升裝置按增加機(jī)翼升力原理的不同分為氣動(dòng)力增升裝置和動(dòng)力增升裝置兩大類。襟縫翼屬于氣動(dòng)力增升裝置，指用增加機(jī)翼彎度、面積和延遲氣流分離的方法來(lái)增加升力。其中包括簡(jiǎn)單襟翼、開(kāi)裂式襟翼（襟片）、開(kāi)縫襟翼（單縫襟翼、雙縫襟翼和多縫襟翼）、后退式襟翼、前緣襟翼（簡(jiǎn)單前緣襟翼和克魯格襟翼）、前緣縫翼、附面層吹除（或吸入）襟翼（包括前緣附面層吹除和后緣附面層吹除）。

2　民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.1襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)襟翼按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，使用的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有固定鉸鏈?zhǔn)?、滑軌－滑輪架式、四連桿機(jī)構(gòu)式等。

2.1.1固定鉸鏈?zhǔn)?/p>

固定鉸鏈?zhǔn)綖榻笠砼c結(jié)構(gòu)上固定點(diǎn)進(jìn)行鉸鏈連接。運(yùn)動(dòng)軌跡為繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓弧，不符合富勒運(yùn)動(dòng)軌跡。

結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單是這種型式的最大優(yōu)點(diǎn)，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。由于襟翼繞鉸鏈點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是一種單純的圓弧運(yùn)動(dòng)，因而，在小角度起飛時(shí)，襟翼的直線后退量很有限，同時(shí)還產(chǎn)生一定的阻力，相對(duì)直線滑軌，它的富勒運(yùn)動(dòng)較差。易實(shí)現(xiàn)變彎度控制，機(jī)翼可變彎度控制是應(yīng)用在飛機(jī)上的最新技術(shù)之一，通過(guò)襟翼小角度偏轉(zhuǎn)，減少機(jī)翼氣動(dòng)阻力達(dá)到節(jié)油的效果。由于固定鉸鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)的襟翼運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧形，很容易實(shí)現(xiàn)襟翼向前、向后小角度偏轉(zhuǎn)。目前波音B787飛機(jī)已應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，空客的A350XB飛機(jī)也將跟隨。

2.1.2滑軌－滑輪架式

滑軌的軌跡形式較多，如圓弧、曲線、直線及直線+曲線。這些都有助于襟翼實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)以滿足最佳的氣動(dòng)性能要求。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。為了達(dá)到較好的富勒運(yùn)動(dòng)軌跡，常常采用雙軌道。

這種結(jié)構(gòu)形式，富勒運(yùn)動(dòng)效果好，直線滑軌或直線－圓弧滑軌都有較長(zhǎng)行距的直線段，提供襟翼在起飛小角度運(yùn)動(dòng)時(shí)的大后退量，以增加機(jī)翼面積及減小阻力，從而大大提高了飛機(jī)起飛的升阻比。結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，既要承受復(fù)雜的氣動(dòng)載荷，同時(shí)還需滿足襟翼起飛、著陸復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求，從而使它變得結(jié)構(gòu)較重，形狀復(fù)雜?？湛凸緦?duì)襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了非常深入的研究和實(shí)踐，在A-320和A-330/340 中采用了結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的直軌道、單軌道，直軌道同樣較好地符合富勒運(yùn)動(dòng)，而單軌道可以降低機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造的復(fù)雜性。

2.1.3四連桿機(jī)構(gòu)式

通過(guò)多個(gè)連桿、搖臂的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)襟翼按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。B-747SP、B-767、B-777、DC-8、C-17等飛機(jī)采用此種結(jié)構(gòu)。該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)復(fù)雜，連桿載荷情況復(fù)雜以及相關(guān)部件數(shù)量較多。

2.2縫翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

目前飛機(jī)前緣縫翼典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括以下幾種：VC前緣機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)單克魯格機(jī)構(gòu)，折疊式完整克魯格機(jī)構(gòu)，兩位式縫翼機(jī)構(gòu)，三位式縫翼機(jī)構(gòu)［3］。

2.2.1VC前緣機(jī)構(gòu)

VC前緣機(jī)構(gòu)成功地在美國(guó)航空宇航局的先進(jìn)飛行技術(shù)綜合（AFTI）111試驗(yàn)飛機(jī)上測(cè)試。但是因?yàn)榈退偌案呱μ匦圆粔蚝茫瑳](méi)有應(yīng)用到亞音速客機(jī)上。其能夠同時(shí)發(fā)揮高升力裝置和適應(yīng)性機(jī)翼的作用，在未來(lái)的亞音速客機(jī)中可能會(huì)有所應(yīng)用。

2.2.2簡(jiǎn)單克魯格機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)，在翼面末端的鉸鏈可以允許一個(gè)位置上首先向下然后向上的旋轉(zhuǎn)，在該位置處于固定機(jī)翼前緣較低表面，翼面與水平線的夾角在60°到80°之間。簡(jiǎn)單克魯格機(jī)構(gòu)是最簡(jiǎn)單高升力系統(tǒng)前緣機(jī)構(gòu)。其高升力特性適應(yīng)于內(nèi)機(jī)翼部分，它的不足是缺乏對(duì)攻角變化的適應(yīng)性。在正常運(yùn)行中，常會(huì)在克魯格翼面較上端尾部產(chǎn)生停滯氣流。

2.2.3折疊式完整克魯格機(jī)構(gòu)

簡(jiǎn)單克魯格能夠通過(guò)增加折疊牛鼻板，在安裝位置尾部使用鉸2.2.4兩位式縫翼機(jī)構(gòu)

鏈，折疊的牛鼻板驅(qū)動(dòng)主要的克魯格翼面。其有一個(gè)D型截面，與從動(dòng)裝置連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)將牛鼻板展開(kāi)從而使克魯格主翼面展開(kāi)。因?yàn)榕１前逖不剡\(yùn)動(dòng)，折疊式牛鼻板能夠更加適應(yīng)攻角的變化。因此，克魯格上部表面能夠接受更大的攻角范圍。折疊牛鼻板式克魯格機(jī)構(gòu)通常用于機(jī)構(gòu)與固定機(jī)翼前緣無(wú)縫的結(jié)構(gòu)中。簡(jiǎn)單克魯格和折疊式牛鼻板克魯格機(jī)構(gòu)用于展開(kāi)位置有2種位置的前緣縫翼。

兩位式縫翼機(jī)構(gòu)有一個(gè)收回位置和一個(gè)展開(kāi)位置。最原始的兩位縫翼是Handley Page縫翼，其安裝在曲線滑軌上，由空氣動(dòng)力的幫助展開(kāi)，由預(yù)緊彈簧力收回。這種設(shè)計(jì)用在F-84戰(zhàn)斗機(jī)上?，F(xiàn)在已沒(méi)有兩位式縫翼用在民航客機(jī)中使用。

2.2.5三位式縫翼機(jī)構(gòu)

三位式縫翼是目前民航客機(jī)中最廣泛使用的前緣機(jī)構(gòu)。通?？蜋C(jī)的每個(gè)機(jī)翼有3～6個(gè)縫翼翼面，縫翼翼面處于機(jī)翼前緣位置。在低速運(yùn)行中，在每個(gè)翼面的兩個(gè)或更多圓弧滑軌上它們向前方和下方運(yùn)動(dòng)。其實(shí)質(zhì)上采用的是齒輪齒條嚙合的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3　結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了國(guó)外大型民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)單分析了國(guó)外大型民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

［1］王細(xì)洋.航空概論［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2006.

［2］宋翔貴.電傳飛行控制系統(tǒng)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［3］The Boeing company. Auxiliaryfoil lost motion detector and actuator:United States，US5628477［P］.1997-05-13.

曹俊章（1989-），男，黑龍江佳木斯人，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院助理工程師，碩士，主要從事民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。