民用飛機高升力系統典型運動機構淺析

曹俊章（上海飛機設計研究院飛控部，上海　200232）

民用飛機高升力系統典型運動機構淺析

曹俊章
（上海飛機設計研究院飛控部，上海200232）

通過對國外大型民用飛機高升力系統相關資料的研究，對典型的高升力系統運動機構做了簡要分析。詳細介紹了民用飛機高升力系統運動機構的形式，包括固定鉸鏈式、滑軌－滑輪架式、四連桿機構式等多種襟翼運動機構和C前緣機構、簡單克魯格機構、折疊式完整克魯格機構、兩位式縫翼機構、三位式縫翼機構等多種縫翼運動機構，對于系統設計有一定的指導作用。

民用飛機高升力系統運動機構

1　民用飛機高升力系統定義與分類

對于同一飛機來說，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。高速飛機的機翼主要是從有利于高速飛行的觀點來設計的，當速度很大時，即使迎角很小，仍然可以產生足夠的升力，以克服重量來維持飛行。但在低速飛行時，特別是在起飛和著陸時，由于速度很小，只有用增大迎角的辦法來增大升力。然而，增大迎角是有限度的，因為一超過臨界，再增大迎角的話，會產生氣流分離，升力反而降低，從而導致失速。由此可見，要維持在空中飛行，飛行速度是不可能無限度降低的。但為了保證飛機能在更小的速度下，仍然具有足夠的升力，就有必要在機翼裝設增加升力的裝置，通稱增升裝置，整個增升裝置系統也稱為高升力系統［1］。

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

增升裝置按增加機翼升力原理的不同分為氣動力增升裝置和動力增升裝置兩大類。襟縫翼屬于氣動力增升裝置，指用增加機翼彎度、面積和延遲氣流分離的方法來增加升力。其中包括簡單襟翼、開裂式襟翼（襟片）、開縫襟翼（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　民用飛機高升力系統運動機構

2.1襟翼運動機構

為實現襟翼按預定軌跡運動，使用的運動機構主要有固定鉸鏈式、滑軌－滑輪架式、四連桿機構式等。

2.1.1固定鉸鏈式

固定鉸鏈式為襟翼與結構上固定點進行鉸鏈連接。運動軌跡為繞定點轉動的圓弧，不符合富勒運動軌跡。

結構和運動簡單是這種型式的最大優點，不需要復雜的軌道和托架，也不需要復雜且構件較多的四連桿機構，因此可靠性高，壽命長，重量輕，維護簡單，費用低。由于襟翼繞鉸鏈點的運動是一種單純的圓弧運動，因而，在小角度起飛時，襟翼的直線后退量很有限，同時還產生一定的阻力，相對直線滑軌，它的富勒運動較差。易實現變彎度控制，機翼可變彎度控制是應用在飛機上的最新技術之一，通過襟翼小角度偏轉，減少機翼氣動阻力達到節油的效果。由于固定鉸鏈式機構的襟翼運動軌跡為圓弧形，很容易實現襟翼向前、向后小角度偏轉。目前波音B787飛機已應用該項技術，空客的A350XB飛機也將跟隨。

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現不同的運動以滿足最佳的氣動性能要求。早期的飛機通常采用圓弧式軌道，圓弧軌道不太符合富勒運動，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動，但其結構較為復雜，并且要求軌道具有一定的耐磨性。為了達到較好的富勒運動軌跡，常常采用雙軌道。

這種結構形式，富勒運動效果好，直線滑軌或直線－圓弧滑軌都有較長行距的直線段，提供襟翼在起飛小角度運動時的大后退量，以增加機翼面積及減小阻力，從而大大提高了飛機起飛的升阻比。結構和運動較復雜，既要承受復雜的氣動載荷，同時還需滿足襟翼起飛、著陸復雜的運動要求，從而使它變得結構較重，形狀復雜。空客公司對襟翼運動機構進行了非常深入的研究和實踐，在A-320和A-330/340 中采用了結構更簡單的直軌道、單軌道，直軌道同樣較好地符合富勒運動，而單軌道可以降低機構的設計、制造的復雜性。

2.1.3四連桿機構式

通過多個連桿、搖臂的復雜運動實現襟翼按預定的軌跡運動。B-747SP、B-767、B-777、DC-8、C-17等飛機采用此種結構。該運動機構具有如下特點：機構復雜，連桿載荷情況復雜以及相關部件數量較多。

2.2縫翼運動機構

目前飛機前緣縫翼典型運動機構主要包括以下幾種：VC前緣機構，簡單克魯格機構，折疊式完整克魯格機構，兩位式縫翼機構，三位式縫翼機構［3］。

2.2.1VC前緣機構

VC前緣機構成功地在美國航空宇航局的先進飛行技術綜合（AFTI）111試驗飛機上測試。但是因為低速及高升力特性不夠好，沒有應用到亞音速客機上。其能夠同時發揮高升力裝置和適應性機翼的作用，在未來的亞音速客機中可能會有所應用。

2.2.2簡單克魯格機構

該機構，在翼面末端的鉸鏈可以允許一個位置上首先向下然后向上的旋轉，在該位置處于固定機翼前緣較低表面，翼面與水平線的夾角在60°到80°之間。簡單克魯格機構是最簡單高升力系統前緣機構。其高升力特性適應于內機翼部分，它的不足是缺乏對攻角變化的適應性。在正常運行中，常會在克魯格翼面較上端尾部產生停滯氣流。

2.2.3折疊式完整克魯格機構

簡單克魯格能夠通過增加折疊牛鼻板，在安裝位置尾部使用鉸2.2.4兩位式縫翼機構

鏈，折疊的牛鼻板驅動主要的克魯格翼面。其有一個D型截面，與從動裝置連接，通過旋轉將牛鼻板展開從而使克魯格主翼面展開。因為牛鼻板巡回運動，折疊式牛鼻板能夠更加適應攻角的變化。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構通常用于機構與固定機翼前緣無縫的結構中。簡單克魯格和折疊式牛鼻板克魯格機構用于展開位置有2種位置的前緣縫翼。

兩位式縫翼機構有一個收回位置和一個展開位置。最原始的兩位縫翼是Handley Page縫翼，其安裝在曲線滑軌上，由空氣動力的幫助展開，由預緊彈簧力收回。這種設計用在F-84戰斗機上。現在已沒有兩位式縫翼用在民航客機中使用。

2.2.5三位式縫翼機構

三位式縫翼是目前民航客機中最廣泛使用的前緣機構。通常客機的每個機翼有3～6個縫翼翼面，縫翼翼面處于機翼前緣位置。在低速運行中，在每個翼面的兩個或更多圓弧滑軌上它們向前方和下方運動。其實質上采用的是齒輪齒條嚙合的運動機構。

3　結語

本文簡單介紹了國外大型民用飛機高升力系統的典型運動機構，簡單分析了國外大型民用飛機高升力系統的典型運動機構的優缺點。對于國內民用飛機高升力系統的運動機構設計有一定的借鑒作用。

［1］王細洋.航空概論［M］.北京:航空工業出版社，2006.

［2］宋翔貴.電傳飛行控制系統［M］.北京:國防工業出版社，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，上海飛機設計研究院助理工程師，碩士，主要從事民用飛機高升力系統設計工作。