PDF: «Умные

Smart high Lift Devices for Next Generation Wings
«Умные» элементы механизации крыла следующего поколения
NEWS
May 2009 – June 2010
http://www.smr.ch/sade
Контактная информация:
Д-р Hans Peter Monner
Deutsches Zentrum
fiir Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Institute of Composite
Structures and Adaptive Systems
Lilienthalplatz 7
D-38108 Braunschweig
Тел.:
+49 531 295 2314
Факс:
+49 531 295 2876
E-mail: [email protected]
Соглашение о Грантах №: 213442
Дата начала: 1 мая 2008 г.
Дата завершения: 30 апреля 2012 г.
Продолжительность: 48 месяцев
Координатор: DLR
Предисловие
Содержание:
Предисловие
Вклад SADE
в разработку крыльев
следующего поколения
Работа по «умному»
однощелевому закрылку
Оптимизация
профиля крыла
Концепция
роговидного привода
Ячеистая
подконструкция
Работа по «умной»
передней кромке
Механизм
адаптации
Эксцентриковый
привод
Испытания в АДТ
Аэродинамическая
трубная модель
Работы, связанные с
оценкой концепций
Избранные публикации
FP7-AAT-2007
Совместный Проект первого уровня
1
1
2
2
Закончились первые два года работы по проекту SADE. Все 13 партнеров
продолжают упорно трудиться над достижением поставленных целей проекта.
Помимо большого объема теоретических исследований инновационных концепций средств механизации крыла следующего поколения предстоит осуществить гораздо больший объем работ по подробному проектированию оборудования, особенно для аэродинамической модели, которая будет испытываться
в рамках проекта SADE. В результате будут описаны наиболее существенные
из полученных результатов. Цель данного информационного письма – краткий
обзор текущей и запланированной работы в рамках проекта SADE и пробуждение интереса к вступлению в контакты с партнерами консорциума.
2
3
3
3
3
3
4
5
5
Вклад SADE в разработку крыльев следующего поколения
Для коммерческих самолетов необходимо адаптировать крылья в полете,
чтобы удовлетворять различным требованиям, например, таким, как сохранение
высоких несущих свойств в режиме взлета и эффективного полета на крейсерском режиме. Современные системы механизации крыла состоят из управляющих поверхностей, которые в выпущенном положении повышают подъемную
силу. Стандартными устройствами являются предкрылки и закрылки (фаулеры),
которые поддерживаются и приводятся в движение сложными механическими системами. Можно предполагать, что следующее поколение
крыльев, особенно для ближнемагистральных самолетов, будет иметь
тонкий профиль крыла и большое
удлинения, подобно тем, которые
уже находятся на стадии исследований, – например, в объединенном
проекте NACRE в рамках 6-й Рамочной программы (6РП) под акронимом HARLS (High Aspect-Ratio Low
Sweep). Данная тенденция развиваКонечноэлементные модели конструкции
ется параллельно с уменьшением
обшивки для «умной» передней кромки
объема конструкции, и для ее реалии «умного» однощелевого закрылка
зации при традиционных концепциях
(Источник: DLR)
NEWS
Smart high Lift Devices for Next Generation Wings
«Умные» элементы механизации крыла следующего поколения
средств механизации крыла потребуются более сложные механические системы. Очевидно, что современное положение дел в области систем механизации
крыла приведет к повышению уровня сложности в применении к крыльям будущего.
Оптимальная аэродинамическая конфигурация
крыла изменяется не только на режимах между
взлетно-посадочными и крейсерским, но также и на
различных фазах крейсерского полета, когда изменяются высота, скорость и вес самолета. Средства механизации крыла самого различного назначения могут
быть использованы для адаптации конфигурации
крыла к изменяющимся пограничным условиям полета. Многие специалисты признают, что ламинаризация
потока является единственным методом, имеющим
потенциал для существенного изменения лобового
сопротивления в обозримом будущем. Однако традиционные средства механизации не обеспечивают
необходимого качества сплошной управляющей
поверхности, обеспечивающей ламинарный поток.
Альтернативой являются бесщелевые, легко интегрируемые средства механизации крыла, которые непременно сделают реальностью крылья следующего
поколения со значительно более высоким аэродинамическим качеством.
В обычных конструкциях механизации крыла на
передней и задней кромках открываются щели для
максимального увеличения подъемной силы. Однако
в ходе исследования было установлено, что щели
(особенно стержни в щели) являются доминирующим
источником шума планера. Поэтому предпочтительным являются потенциальные характеристики бесщелевых устройств механизации крыла. В режиме
взлета отсутствие щелей является преимуществом,
поскольку способствует уменьшению лобового
сопротивления и увеличению аэродинамического
качества. В результате обеспечивается более крутой
набор высоты при постоянной тяге, а следовательно,
уменьшается зона шума. Таким образом, бесщелевая «умная» передняя кромка (SLE) и «умный» однощелевой закрылок (SSSF), исследованные в рамках
проекта SADE, направлены на решение этих разнообразных больших задач и способствуют совершенствованию конструкций крыла будущего.
Сетка для оптимизации профиля крыла (Источник: CIRA)
структурированной сеткой, состоящей из 45 блоков
и 98288 тетрагональных ячеек.
Геометрическими условиями оптимизации были
области щели и перекрытия. Допустимая деформация
задней кромки закрылка была ограничена 12,5 % от
величины полной хорды крыла. Расчеты были произведены при числе М = 0,15 и числе Re = 7·106. При
проектировании переменными значениями были:
величина деформации закрылка, положение и отклонение предкрылка и закрылка, а также угол атаки.
Оптимизация, включавшая генетический алгоритм из
500 генераций и 20 индивидов, привела к значительному увеличению коэффициента подъемной силы
с 3,5 до 3,9. В настоящее время на стадии подготовки
находится более подробная оптимизация с применением решающего устройства ZEN RANS SOLVER.
Концепция роговидного привода
Концепция роговидного привода предусматривает изменение контура задней кромки за счет применения роговидных эксцентриков, преобразующих
входное вращательное движение в вертикальное
перемещение обшивки. В зависимости от контура
эксцентриков возможно регулирование контура
задней кромки. Для исследования напряженно-деформированного состояния задней кромки при аэродинамических нагрузках и усилиях привода была
проведена подробная конструкторская проработка
этой концепции. В качестве материала обшивки рас-
Работа по «умному» однощелевому
закрылку
Оптимизация профиля крыла
Для определения влияния деформации задней
части закрылка на подъемную силу была осуществлена предварительная оптимизация. Были проведены
исследования с использованием метода пограничного слоя Эйлера MSES. Двухмерная сетка является
2
Распределение напряжения в закрылке, выполненном
по концепции использования роговидного привода
(Источник: CU)
NEWS
Smart high Lift Devices for Next Generation Wings
«Умные» элементы механизации крыла следующего поколения
сматривались как стеклопластик, так и алюминий.
Максимальные напряжения (< 460 МПа) были определены на изогнутом рычаге в зоне, приближенной
к заднему лонжерону. Максимальное напряжение
в обшивке (233 МПа для алюминия и 98 МПа для
стеклопластика) было отмечено в контакте обшивки
с роговидным эксцентриковым приводом. Это ведет
к деформации ниже допустимого значения 0,4 % как
для алюминия, так и для стеклопластика.
В дальнейших исследованиях в рамках проекта
SADE, касающихся полномасштабного закрылка,
будут рассматриваться только стеклопластики. Продолжаются исследования динамических характеристик закрылка, в т. ч. исследования нелинейных особенностей при малых скоростях полета.
Ячеистая подконструкция
Для «умного» однощелевого закрылка (SSSF)
были проведены исследования запатентованной подконструкции, на которую опирается обшивка адаптивного закрылка. Эта подконструкция представляет
собой ячеистую структуру с нулевым эффектом Пуассона, обеспечивающую высокое качество трансформирования при большом размахе крыла или закрылка.
Слева: отдельная ячейка подконструкции с нулевым
эффектом Пуассона. Справа выпучивание обшивки
при изгибе (Источник: DLR)
Демонстрационная модель механизма адаптации
(Источник: CIRA)
Эксцентриковый привод
В ходе дополнительных исследований был проанализирован механизм привода «умного» носка
с эксцентриковой балкой. Балка соединяется с набором дисков, которые, в свою очередь, контактируют
с некоторыми стрингерами обшивки передней кромки. Когда привод поворачивает балку, диски проталкивают обшивку конструкции передней кромки вниз.
Был проведен геометрически нелинейный статический анализ обшивки передней кромки с интегрированным механизмом привода в условиях аэродинамического нагружения, как в режиме посадки, так
и на крейсерском режиме. Этот анализ был проведен
с целью демонстрации того, что механизм привода
обеспечивает достаточную опору для конструкции
передней кромки с обшивкой при различных условиях полета. Статическое исследование аэроупругости показало, что ограничение в превышении веса
конструкции в 0,4 % не было достигнуто.
Подробный анализ данной конструкции свидетельствует о ее критической чувствительности к наличию шарниров. Было установлено, что учет изгиба и
наличие наполнителя или обшивки оказывает влияние на эффект Пуассона и может повлиять на потерю
устойчивости конструкции с обшивкой. При разработке конструкций данного типа это должно быть принято во внимание.
Работа по «умной» передней кромке
Механизм адаптации
При исследовании концепции было рассмотрено
несколько способов реализации отклоняемого носка.
Один из результатов исследований показан на рисунке ниже. Была разработана и подвергнута деформационным испытаниям уменьшенная модель передней
кромки с алюминиевой обшивкой. Для этого использовался электродвигатель и механизм адаптации.
Упругие деформации при моделировании аэроупругости
(Источник: CU)
Испытания в АДТ
Одним из ключевых моментов проекта SADE
являются планируемые испытания прямого крыла
с размахом 5 м и хордой 3 м, которые будут проведены в АДТ Т-101 ЦАГИ. Модель устанавливается гори-
3
NEWS
Smart high Lift Devices for Next Generation Wings
«Умные» элементы механизации крыла следующего поколения
Модель в рабочей части АДТ. (Источник: ЦАГИ)
зонтально и ограничена по бокам отсекателями.
Передняя кромка с отклоняемым носком и традиционная задняя кромка с закрылком будут крепиться к кессону крыла. В процессе эксперимента будут изменяться угол отклонения носка и положение закрылка.
Планируется использовать различные виды измерений. Для измерения деформаций будут использованы
оптические методы, которые позволят определить
деформацию обшивки. Также обшивка будет оборудована тензодатчиками. Положение отклоняемого носка
будет определяться или с помощью датчика угла поворота на шарнире, либо с помощью инклинометра на
верхнем конце основного рычага привода. Для того,
чтобы проверить аэродинамические расчеты, модель
будет дренирована и оснащена датчиками давления.
В настоящее время завершается детальное проектирование обшивки отклоняемого носка, а также механизмов приводов и начинаются расчеты на флаттер.
Испытания запланированы на 2011 год.
Аэродинамическая трубная модель
Для детального проектирования отклоняемого
носка был создан усовершенствованный цикл проектирования.
Заданными ограничениями данного этапа являются: конфигурация крыла на режиме крейсерского
полета, заданная конфигурация и исходная толщина
обшивки. Изменяемыми параметрами проекта являются толщина обшивки в 18 точках по хорде, количество и расположение точек опоры по размаху крыла
и хорде, а также положение шарнира и углы кинематики. Цель этапа – проведение расчетов для полетов
как в крейсерском режиме на больших скоростях,
так и на малых скоростях.
Для обеспечения деформации обшивки требуется, в целом, 10 подвижных внутренних кинематических секций. Для разработки предварительного проекта кинематики используется упрощенная модель
4
Цикл проектирования «умной» передней кромки
(Источник: DLR)
конечных элементов с аппроксимацией траекторий,
состоящих из дуг окружностей. Целью является рассмотрение доступного пространства проектных параметров и ограничений по изготовлению, что позволит
минимизировать отклонения от оптимальной кинематической траектории. Итеративная оптимизация переменных вводных проекта и использование градиента
позволит получить «самую пригодную форму», которая очень мало будет отличаться от заданной конфигурации. Отличия между ними будут вызваны влиянием таких факторов, как аэродинамическая нагрузка и
ограничения по изготовлению, требованиями к прочности и кинематикой предварительного проекта. В
Модель механизма привода для отклоняемого носка.
(Источник: EADS)
NEWS
Smart high Lift Devices for Next Generation Wings
«Умные» элементы механизации крыла следующего поколения
ходе прочностного анализа были проведены, как
испытания материалов, так и моделирование. Применение специальных стеклопластиков (GFRP) и соответствующих технологий проектирования ламинатов
позволило поддерживать максимальное значение
критерия Макса–Стрейна ниже 0,45%.
Отклонение осуществляется посредством редукции вращательного движения поворотного привода.
Компоновка механики не допускает высоких крутящих
моментов привода, когда отклоняемый носок достигает стационарного положения и на него действует аэродинамическая нагрузка. Для этого разработан рычаг
управления, который действует через эксцентрик. При
достижении полностью отклоненного положения угол
поворота носка составляет приблизительно 18°, а угол
поворота ротора двигателя будет составлять более
2000°. В целях обеспечения достаточно точного движения (главным образом для исключения дополнительного напряжения в высоконагруженной обшивке)
был проведен деформационный расчет механизма
привода. Максимальная деформация под нагрузкой
составила приблизительно 1,1 мм, распределенных
поровну между рычагом и кронштейном.
Работы, связанные с оценкой концепций
Одной из целей данных работ является оценка
различных концепций, разработанных в рамках проекта SADE, применительно к реальному самолету.
В связи с этим требуется провести моделирование
системы высоконесущей механизации на уровне
подсистемы и уровне компонентов соответственно.
Поскольку различные типы систем SADE носят инновационный характер, использование модели на базе
полуэмпирического анализа будет недостаточным.
Для успешного создания интегрированной системы
SADE необходимо более подробная дальнейшая
проработка каждой концепции, включая и элементы.
Смоделированы первые элементы различных
систем. Базовым самолетом является самолет,
с обычным фюзеляжем круглого сечения, (с диаметром, аналогичным самолетам семейства А-320),
пассажировместимостью 185 человек при стандартной компоновке и конфигурацией крыла самолета
следующего поколения FNG. Исходной моделью
является модель с механизацией крыла на базе главных компонентов стандартной исходной системы,
включающей предкрылки и однощелевые закрылки
со стандартным гидроприводом.
Модель базового самолета для оценки
средства механизации (Источник: RWTH)
В ходе оценки будет исследовано влияние новых
средств механизации на архитектуру всех бортовых
систем, например, параметров системы электроснабжения, гидро- и пневмо-систем, а также их влияние на отбор энергии и расход топлива при новой
архитектуре систем.
Избранные публикации
В течение двух последних лет был опубликован
ряд работ с результатами исследований в рамках
проекта SADE. В их числе:
– G.A.A. Thuwis, R. De Breuker, M.M. Abdalla,
Z. Gurdal. «Адаптивные материалы и материалы
с изменяемой жесткостью для трансформирующихся средств механизации следующего поколения». 20-я Международная конференция по адаптивным конструкциям и технологиям. Гонконг,
2009 г. (“Adaptive and Variable Stiffness Materials for
Next Generation Morphing High-lift Devices”, 20th International Conference on Adaptive Structures and
Technology, Hong Kong, 2009);
– N. Di Matteo, S. Guo, S. Ahmed, D. Li, «Проектирование и исследования конструкции трансформирующегося закрылка для крыла с большой подъемной
силой». 51-й Конгресс AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC.
Конструкции, динамика конструкций и материалы.
Орландо, 2010 г. (“Design and Analysis of a Morphing
Flap Structure for High Lift Wing”, 51st AIAA/ASME/ASCE
/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials
Conference, Orlando, 2010).
5