翼面,通常称为翼面结构。机翼、尾翼结构及其构件的组成是完全一致的,故通称为翼面结构,因翼面结构属薄壁型结构型式,构造上主要分蒙皮和骨架结构。骨架结构中,纵向构件有翼梁、长桁、墙(腹板);横向构件有翼肋(普通肋和加强肋)。
组成
从构造上看,机翼、尾翼结构及其构件的组成是完全一致的。故通称为翼面结构。因翼面结构属薄壁型结构型式,构造上主要分蒙皮和骨架结构。骨架结构中,纵向构件有翼梁、长桁、墙(腹板);横向构件有翼肋(普通肋和加强肋)。
蒙皮
蒙皮的直接功用是形成流线形的机翼外表面。为了使机翼的阻力尽量小,蒙皮应力求光滑.减小它在飞行中的凹、凸变形。从受力看,气动载荷直接作用在蒙皮上,因此蒙皮受有垂直于其表面的局部气动载荷。此外蒙皮还参与机翼的总体受力——它和翼梁或翼墙的腹板组合在一起.形成封闭的盒式薄壁结构承受机翼的扭矩;当蒙皮较厚时.它与长桁一起组成壁板.承受机翼弯矩引起的轴力。壁板有组合式或整体式。某些结构型式(如多腹板式机翼)的蒙皮很厚,可从几毫米到十几毫米,常做成整体壁板型式,此时蒙皮将成为最主要的,甚至是唯一的承受弯矩的受力元件。
长桁
长桁(也称桁条)是与蒙皮和翼肋相连的构件。长桁上作用有气动载荷。在现代机翼中它一般都参与机翼的总体受力——承受机翼弯矩引起的部分轴向力,是纵向骨架中的重要受力构件之一。除上述承力作用外。长桁和翼肋一起对蒙皮起一定的支持作用。
翼肋
普通翼肋构造上的功用是维持机翼剖面所需的形状。一般它与蒙皮、长桁相连,机翼受气动载荷时,它以自身平面内的刚度向蒙皮、长桁提供垂直方向的支持。同时翼肋又沿周边支持在蒙皮和梁(或墙)的腹板上.在翼肋受载时,由蒙皮、腹板向翼肋提供各自平面内的支承剪流。
加强翼肋虽也有上述作用,但其主要是用于承受并传递自身平面内的较大的集中载荷或由于结构不连续(如大开口处)引起的附加载荷。
翼梁
翼粱由梁的腹板和缘条(或称
凸缘)组成。翼梁是单纯的受力件.主要承受
剪力Q和
弯矩M。在有的结构型式中,它是机翼主要的纵向受力件,承受机翼的全部或大部分弯矩。翼梁大多在根部与机身固接。
纵墙
纵墙(包括腹板)的缘条比梁缘条弱得多.一般与长桁相近,纵墙与机身的连接为铰接。腹板即没有缘条。墙和腹板一般都不能承受弯矩.但与蒙皮组成封闭盒段以承受机翼的扭矩。后墙则还有封闭机翼内部容积的作用。
机翼的特点是薄壁结构,因此以上各构件之间的连接大多采用分散连接.如铆钼+连接、螺栓连接、点焊、胶接或它们的混合型式一一如胶铆等。连接缝间的作用力可视为分布剪流型式。
除以上构成机翼结构的基本构件外,还有机翼一机身连接接头.它是重要受力件。接头的型式视机翼结构的受力型式而定。连接接头至少要保证机翼静定地固定于机身上,即能提供六个自由度的约束。实际上一般该连接是静不定的。
结构设计
机翼结构
机翼为气动升力面,为
航天飞机轨道器提供升力和控制力,由前翼盒、中段机翼(包括主起落架舱)、抗扭盒、前部翼梁、机翼/升降副翼对接段、升降副翼密封板、升降副翼和翼套组成。机翼为多肋一翼梁/桁条加强蒙皮或蜂窝结构铝合金壳体结构。机身段机翼长约18.28 m,最大厚度1.52 m。机翼与机身下表面沿中央翼盒用抗剪螺栓连接,与机身上表面用抗拉螺栓连接。
机翼最前部的翼盒是主机翼的延伸,翼盒为铝合金肋、铝合金管及支杆结构,覆有桁条加强的蒙皮。101、099和102号轨道器的前梁为铝合金蜂窝结构,103为铝合金波纹结构。翼盒的前段设计成可以安装能重复使用的防热瓦,后段的平面安装增强碳一碳翼前缘。
中段机翼为铝合金多肋一管系/蜂窝蒙皮结构。中段机翼连接主起落架及起落架舱门。起落架舱门的外侧铰链和拉杆连接在中段机翼的翼肋上.内侧耳轴和拉杆连接在中机身上。起落架舱门为普通的多肋/翼梁结构。
抗扭盒部段为构架式多肋结构,用来与机翼展方向加强蒙皮的桁条相适应。为了将热载降至最低,4根主梁采用波纹铝合金结构。但103号以后的轨道飞行器的1249、1307翼梁、1191翼梁外段均改用石墨/环氧树脂结构。前梁为铝合金蜂窝结构,是碳一碳翼前缘组件的连接面,后梁则为升降副翼、铰接式上密封板的液压/电气系统组件提供连接面。
机翼尾部连接两块升降副翼.副翼为铝合金多肋、梁/蜂窝蒙皮结构,两块副翼各由3个铰链连接。飞行控制系统液压作动器连接在升降副翼前端。全部铰链力矩作用在这些点上,升降副翼可向上转动40°,向下转动25°。
机翼/升降副翼对接段上表面由铰接板组成,它为机翼和升降副翼间的孔腔提供盖板。YW=312.5截面外侧的铰接板为因康镍蜂窝夹心结构,YW=312.5截面内侧的铰接板为钛合金蜂窝夹心结构。此处未覆盖防热瓦,因为所选用材料能适应上表面高温。
体襟翼结构设计
体襟翼为铝合金结构,由
翼肋、
翼梁、蒙皮和翼后缘组成,上、下蜂窝蒙皮用紧固件与翼肋、腹板及蜂窝结构翼后缘相接,并与上方前蜂窝结构蒙皮组成完整的体襟翼结构。体襟翼长2.2 m、宽6.42 m、最大厚度0.46 m。再入时体襟翼为3台主发动机提供热屏蔽,再入后为轨道器大气飞行提供俯仰微调控制。
体襟翼有4个整体加工的铝合金肋,它们通过自动对位轴承与后机身对接。每根肋上有2个轴承,通过轴承与位于后机身的4个旋转作动器相连。除4个机加的作动器连接肋外,还有8个维形翼肋和2个封闭式肋,这些肋均由铝合金蜂窝夹芯和化铣铝合金腹板组成。后缘蜂窝夹芯内穿有2条潮气排出管和1条液体泄出管,以满足水平和法向的液体及潮气泄出要求。
体襟翼上蒙皮、翼梁端头和整个下蒙皮采用机械连接方式连接在翼肋上。上方前蒙皮由5块可移动的壁板组成,它们是用快速紧固装置与肋相连接的。
体襟翼外表面覆盖可重复使用的热防护层,其前方下底面铰接一个压力和热密封件。体襟翼连接到后机身后,用热防护组件对开口区进行防热充填。
垂直尾翼结构设计
垂直尾翼有一个圆锥形密封件,内部设有4个旋转作动器。除了圆锥形密封件外,38.4 m2的尾翼表面全部由热防护组件覆盖,而圆锥密封件则是部分位置裸露,其余部分覆盖热防护组件。
垂直尾翼可承受发射时163 dB的噪声环境,铝合金结构最高可承受176.67°C的热环境、因康镍结构最高承受643.89℃的热环境。两块方向舵的舵面及其后缘均有隔热密封件,垂直尾翼覆有可重复使用的热防护层,在
垂直安定面和后机身的安装界面部位也设有热防护层。
布置形式
平面形或一字形
平面形布置是从飞机的翼面布置移植而来的,与其他多翼面布置相比,这种,布置具有翼面少、质量小、阻力小、升阻比大的特点。航向机动要靠倾斜才能产生,因此,其航向机动能力低、响应慢,通常用于远距离
飞航式导弹和机载布撒器等。
平面形布局飞行器的侧向机动要采取倾斜转弯技术(BTT)。它利用控制面来旋转弹体,使平面翼转到要求机动的方向。这样既充分利用了平面形布局升阻比大的优点,又满足了导弹在任何方向都具有相同机动过载的要求。
+字形与×字形
这两种翼面布置的特点是各方向都能产生所需要的机动过载,并且在任何方向产生法向力时都具有快速的响应特性,从而简化了控制系统的设计。但是,由于翼面多,且与平面形布局相比质量大、阻力大、升阻比低,以致为了达到相同的速度特性,必须多损耗一部分能量,同时,在大攻角下会引起较大的诱导滚动干扰。
环形翼
鸭舵控制有很多优点,但其对后面的翼面产生反滚力矩是其缺点之一,特别是在鸭舵起副翼作用而进行滚动控制时,反滚现象更为严重。研究表明,环形翼具有降低反滚力矩的效果。但环形翼会使制导兵器的纵向性能变差,尤其会使阻力增大。实验数据表明,在超声速时,环形翼的阻力要比通常弹翼增加6%~20%。
T形——改进环形翼
由T字形翼片组成的改进环形翼既能降低鸭舵带来的反滚力矩,又具有比环形翼大的升阻比。此外,这种改进环形翼不仅结构简单,而且使鸭舵能进行俯仰、偏航、滚动三方向控制。
设计要求
翼面变形要求是由飞行器任务的性质决定的。随着科学技术的进步,对飞行器使用提出了更高的要求,如要求飞行器能够实现亚声速、跨声速、超声速飞行,降低飞行时油耗,增加飞行时间和距离,执行任务时提高飞行器的机动特性,提高突防能力。飞行器在高空低速飞行时,大弯度、大前缘半径、大厚度翼面可以提供较大升力系数,同时增大翼展、改变翼后掠角,有助于降低发动机油耗,提高飞行效率;在低空飞行或快速机动时,小弯度、小前缘半径、小厚度翼面可以降低气动阻力,此时,缩短翼展、改变翼后掠角,可以减少弹翼展弦比,增加飞行器机动性能。另外,亚声速翼型一般选择带有弯度的圆头翼型,跨声速翼型一般选择带有小圆头的薄翼,超声速翼型一般选择六边形、四边形及扁豆形,要求前、后缘必须为尖头。因此,翼面结构设计的目标料具有常规的承载能力,同时能够随着不同条件下的飞行需要,适当地改变翼面结构形式。