Конструкция фюзеляжа самолета: Конструкция фюзеляжей самолетов » Привет Студент!

Конструкция фюзеляжей самолетов » Привет Студент!

Фюзеляж самолета состоит из каркаса и обшивки. Существуют фюзеляжи трех типов: ферменные, силовой каркас которых представляет собой пространственную ферму; балочные — их силовой каркас образован продольными и поперечными элементами и работающей обшивкой; смешанные, у которых передняя часть является ферменной, а хвостовая — балочной или наоборот.

Ферменные фюзеляжи. Как было указано выше, силовой частью ферменного фюзеляжа является каркас, представляющий собой пространственную ферму. Стержни фермы работают на расстяжение или сжатие, а обшивка служит лишь для придания фюзеляжу обтекаемой формы. Ферма образована (рис. 50) лонжеронами, расположенными на всей длине или части длины фюзеляжа, стойками и раскосами в вертикальной плоскости, распорками и расчалками в горизонтальной плоскости и диагоналями.

 

 

 

 

Вместо жестких раскосов и диагоналей широко практикуется установка проволочных или ленточных расчалок.

К каркасу фермы крепятся узлы, которые служат для присоединения к фюзеляжу крыла, оперения, шасси и других частей самолета. Фермы фюзеляжа, как правило, изготовляются сварными из труб и реже клепанными из дюралюминиевых профилей. Обшивка выполняется из полотна, фанеры или листов дюралюминия. Обтекаемую форму ферменному фюзеляжу придают специальные несиловые надстройки — обтекатели, называемые гаргротами.

Основными преимуществами ферменных фюзеляжей перед балочными являются простота изготовления и ремонта, удобство монтажа, осмотра и ремонта оборудования, размещенного в фюзеляже.

К недостаткам относятся несовершенство аэродинамических форм, малая жесткость, малый срок службы, невозможность полностью использовать внутренний объем для размещения грузов. В настоящее время ферменные конструкции применяются редко и в основном для легких самолетов.

Балочные фюзеляжи представляют собой балку обычно овального или круглого сечения, в которой на изгиб и кручение работают подкрепленная обшивка и элементы каркаса.

Встречаются три разновидности балочных фюзеляжей: лонжеронно-балочный, стрингерно-балочный (полумонокок), скорлупно-балочный (монокок). Балочные конструкции фюзеляжей выгоднее ферменных, так как силовая часть у них образует обтекаемую поверхность, причем силовые элементы размещаются по периферии, оставляя внутреннюю полость свободной. Это дает возможность получить меньший мидель; жесткая работающая обшивка обеспечивает получение гладкой неискажаемой поверхности, что приводит к уменьшению лобового сопротивления. Балочные фюзеляжи выгоднее и в весовом отношении, так как материал конструкции более удален от нейтральной оси и, следовательно, лучше используется, чем у фюзеляжей ферменной конструкции.

Каркас лонжеронно-балочного фюзеляжа образуют лонжероны, стрингеры и шпангоуты. Каркас обшит дюралюминиевыми листами (обшивкой).

Каркас стрингерно-балочного фюзеляжа (рис. 51) состоит из часто поставленных стрингеров и шпангоутов, к которым

 

 

 

 

крепится металлическая обшивка большей, чем у лонжеронно-балочных фюзеляжей, толщины.

Скорлупно-балочный фюзеляж (рис. 52) не имеет элементов продольного набора и состоит из толстой обшивки, подкрепленной шпангоутами.

В настоящее время преобладающим типом фюзеляжей является стрингерно-балочный.

Стрингеры — это элементы продольного набора каркаса фюзеляжа, которые связывают между собой элементы поперечного набора — шпангоуты. Стрингеры воспринимают главным образом продольные силы и подкрепляют жесткую обшивку. По конструктивным формам стрингеры фюзеляжа подобны стрингерам крыла. Расстояние между стрингерами зависит от толщины обшивки и колеблется в пределах 80—250 мм. Размеры сечения стрингеров изменяются как по периметру контура, так и по длине фюзеляжа в зависимости от характера и величины нагрузки на каркас фюзеляжа.

Лонжероны — это также элементы продольного набора каркаса фюзеляжа, которые, работая на сжатие-растяжение, воспринимают (частично) моменты, изгибающие фюзеляж. Как видно по задачам и условию работы, лонжероны фюзеляжа подобны стрингерам.

Конструктивное выполнение лонжеронов чрезвычайно разнооб

 

разно. Они представляют собой гнутые или прессованные профили различных сечений, на самолетах большой грузоподъемности склепываются из нескольких профилей и листовых элементов.

Шпангоуты являются элементами поперечного набора фюзеляжа, они придают фюзеляжу заданную форму поперечного сечения, обеспечивают поперечную жесткость, а также воспринимают местные нагрузки.

 

 

 

 

 В ряде случаев к шпангоутам крепятся перегородки, разделяющие фюзеляж на ряд отсеков и кабин.

Шпангоуты разделяются на нормальные и силовые. Силовые шпангоуты устанавливаются в местах приложения сосредоточенных нагрузок, например в местах крепления крыла к фюзеляжу, стоек шасси, частей оперения и т. п.

Нормальные шпангоуты (рис. 53) собираются из дуг, штампованных из металлического листа. Сечение нормальных шпангоутов чаще всего швеллерное, иногда Z-образное и реже тавровое. Силовые шпангоуты склепываются из отдельных профилей и листовых элементов. Иногда такие шпангоуты выпрессовываются на мощных прессах из алюминиевого сплава.

Расстояние между шпангоутами обычно колеблется в пределах 200—650 мм.

Обшивка выполняется из листов дюралюминия или титана различной толщины (от 0,8 до 3,5 мм) и крепится к элементам каркаса заклепками либо приклеивается. Листы обшивки соединяются между собой по стрингерам и шпангоутам или встык, или внахлест, без подсечки. В последнем случае каждый передний лист перекрывает нижний. Типовое соединение обшивки со стрингерами и шпангоутами показано на рис. 53.

Вырезы в обшивке фюзеляжа балочного типа резко уменьшают прочность конструкции. Поэтому для сохранения необходимой прочности обшивку у вырезов подкрепляют усиленными стрингерами и усиленными шпангоутами. Небольшие вырезы окантовываются кольцами из материала большей толщины, чем обшивка, иногда необходимая жесткость обеспечивается отбортовкой отверстия.

Фюзеляжи самолетов небольших размеров делают, как правило, неразъемными. У более крупных самолетов для упрощения производства, ремонта и эксплуатации фюзеляж расчленяют на несколько частей. Соединение частей фюзеляжа зависит от его конструктивной схемы. Соединение ферменных фюзеляжей производится стыковыми узлами, установленными на лонжеронах,

 

у балочных фюзеляжей крепление производится по всему контуру разъема.

На рис. 54 показаны типовые технологические разъемы фюзеляжа транспортного самолета. Фюзеляж состоит из трех частей, причем каждая из частей в свою очередь образована панелями, представляющими участки обшивки с элементами продольного набора. Панели, соединяясь со шпангоутами, собираются окончательно в сборочном стапеле. Соединение панелей неразъемное и производится заклепочным швом, отдельные части фюзеляжа соединяются болтами по всему периметру разъема. Стыковка осуществляется через фитинги, прикрепленные к стрингерам фюзеляжа (рис. 55).

Пол в кабинах самолета обычно рассчитывают на максимальную распределенную статическую нагрузку. На пассажирских самолетах эта нагрузка не превышает 500 кГ/м², на грузовых достигает 750 и более кГ/м². Каркас пола состоит из набора продольных и поперечных балок, стрингеров и соединяющих узлов.

Поперечный набор пола состоит из нижних балок шпангоутов. Пояса этих балок изготавливаются из фрезерованных или штампованных профилей. Панели, закрывающие каркас, изготавливают из листов прессованной фанеры толщиной 10—12 мм, из дюралюминиевых листов, усиленных прикрепленными снизу профилями

 

уголкового и швеллерного сечений или гофром из прессованных листов алюминиевого или магниевого сплава с последующей механической или химической обработкой. Для предупреждения скольжения панели пола имеют рифленую или шероховатую поверхность, а в некоторых случаях покрываются пробковой крошкой. На полу установлены гнезда для крепления пассажирских кресел, а на грузовых самолетах— кольца для крепления перевозимых грузов.

 

Окна пассажирской кабины делают прямоугольной или круглой формы. Все окна кабины, как правило, имеют двойные органические стекла. Очень часто в герметических кабинах внутреннее стекло является основным работающим стеклом и принимает на себя нагрузку от избыточного давления в кабине. Только в случае разрушения внутреннего стекла наружное стекло начинает воспринимать избыточное давление. Межстекольное пространство через осушительную систему, предотвращающую стекла от запотевания и замерзания, связано с полостью гермокабины. Уплотнение остекления выполняется с помощью мягкой морозоустойчивой резины, иногда — невысыхающей замазкой.

Застекленная часть фюзеляжа, обеспечивающая обзор экипажу, называется фонарем. Форма фонарей, их размещение и размеры выбираются из соображения обеспечения наилучшего обзора и наименьшего сопротивления. На рис. 56 показаны внешний вид фонаря штурмана и внешний вид фонаря кабины экипажа. Угол наклона козырька фонаря принимают равным 50—65° (в зависимости от величины V макс). Лобовые стекла фонаря, как правило, оборудуются электрообогревом для предотвращения их обледенения в полете. Фонарь состоит из каркаса, отлитого или отштампованного из алюминиевого или магниевого сплавов, и стекол. Стекла крепятся к каркасу болтами и прижимаются дюралюминиевой лентой. Герметизация стекол осуществляется резиновой прокладкой, уплотнительной лентой и замазкой (рис. 56, в).

Вырезы под входные двери транспортных самолетов чаще всего располагаются на боковой поверхности фюзеляжей, но в некоторых случаях устанавливаются и в нижней части. Ширина двери обычно не превышает 800 мм, а высота — 1 500 мм. Выбор размеров грузовых дверей (люков) и их размещение производятся с учетом габаритов грузов и минимальной затраты времени на загрузку (разгрузку) самолета. Открываются двери внутрь кабины либо сдвигаются вверх или в сторону. Двери делают обычно в виде клина, основанием которого является внутренняя поверхность створки двери. Избыточное давление в герметизированном фюзеляже прижимает створку двери к ее основанию. В закрытом положении дверь запирается замком. При открытой двери в кабине экипажа загорается сигнальная лампочка.

Вырезы под двери усиливаются установкой в месте выреза более мощных шпангоутов и стрингеров, установкой дополнительной обшивки. Окантовка дверей входит в силовой каркас фюзеляжа. Дверь — металлическая, состоит, как правило, из отштампованной из листового дюралюминия чаши, подкрепленной каркасом. Герметизация дверей осуществляется с помощью резиновых профилей.

Многие современные самолеты летают на больших высотах и для обеспечения нормальной жизнедеятельности людей, находящихся на борту такого самолета, потребовалось создание в кабинах необходимого давления. Кабина самолета, внутри которой в полете поддерживается повышенное (по сравнению с атмосферным) давление воздуха, называется герметической. Герметическая кабина, выполненная в виде обособленного силового агрегата и установленная в фюзеляже без включения ее в силовую схему, называется подвесной. Размеры такой кабины не зависят от размеров и обводов фюзеляжа, и поэтому она может быть выполнена с наивыгоднейшими с точки зрения прочности формами и минимальных размеров. Кабины пассажирских самолетов, как правило, представляют собой герметизированный отсек фюзеляжа и полностью включены в его силовую схему. Подобная кабина работает как сосуд под действием внутреннего давления, а также подвергается изгибу и кручению, как и обычный фюзеляж. По соображениям прочности наилучшей формой сооружения, нагруженного изнутри избыточным давлением, является шар, но в связи с несоответствием формы фюзеляжа и неудобствами размещения в такой кабине экипажа и пассажиров стремятся придать кабине форму цилиндрической оболочки, закрытой по концам сферическими днищами. Переход с цилиндрических стенок на днище по возможности должен быть плавным без переломов. При наличии переломов днище, нагруженное избыточным давлением, сжимает стенки цилиндра в направлении радиусов и тогда в этом месте необходимо ставить усиленный шпангоут. Особенно сильно нужно подкреплять плоские днища.

Для сохранения в кабине избыточного давления необходимо обеспечить ее герметичность. Разумеется, обеспечить полную герметичность кабины очень трудно, поэтому допускается некоторая утечка воздуха из кабины, не снижающая безопасности полета. Критерием герметичности может служить время падения давления с величины рабочего избыточного до значения 0,1 кГ/см². Это время должно быть не менее 25—30 мин.

Герметизация кабин достигается: герметизацией обшивки и остекления люков и дверей, выводов из кабин тяг, тросов, валиков управления самолетом и двигателями, электропроводки, трубопроводов гидросистем и т. п.

Герметизация листов обшивки в месте их соединения и крепления к элементам каркаса фюзеляжа достигается применением многорядных швов, установкой специальных уплотнительных лент, закладываемых между листами обшивки и каркаса. С внутренней стороны кабины заклепочные швы покрываются герметизирующими замазками. Герметизация входных дверей, загрузочных люков, запасных выходов, подвижных частей фонаря, окон (остекления) и т. п. осуществляется резиновыми профилями и прокладками. Применяются следующие способы герметизации: уплотнение типа «нож по резине»; уплотнение резиновой прокладкой, имеющей сечение трубы; уплотнение с помощью пластинчатого клапана; уплотнение резиновой трубкой, надуваемой воздухом.

Люки и двери, открывающиеся внутрь кабины, герметизируются по первым трем указанным способам. При герметизации с помощью пластинчатого клапана полосу из пластинчатой резины укрепляют с внутренней стороны по контуру выреза, тогда избыточное давление прижимает края клапана к люку и тем самым герметизируются щели.

Сложней загерметизировать люки, открывающиеся наружу и имеющие относительно большие размеры, так как внутреннее избыточное давление будет отжимать люк. Такие люки герметизируются чаще всего резиновой трубкой, надуваемой воздухом.

Гермовыводы тяг и тросов управления, электрических проводов и других элементов существуют трех типов: одни из них рассчитаны на обеспечение возвратно-поступательного движения, другие обеспечивают герметизацию вращательного движения, а третьи герметизируют неподвижные детали.

Для обеспечения герметичности тяг с возвратно-поступательным движением часто используют гофрированный резиновый шланг цилиндрической или конической формы либо делают устройство, состоящее из корпуса, отлитого из магниевого сплава с запрессованными бронзовыми втулками, в которых перемещаются стальные тяги. Между тягами и втулками имеются войлочные и резиновые уплотнения. Внутренняя полость корпуса через специальное отверстие забивается консистентной смазкой.

Тросы герметизируются резиновыми пробками, имеющими сквозные отверстия диаметром меньшим, чем диаметр троса, и продольный разрез, позволяющий надевать пробку на трос. Для уменьшения силы трения трос на всей длине его хода покрывается незамерзающей смазкой, содержащей графит. Герметизация деталей, передающих вращательное движение, осуществляется резиновыми уплотнительными кольцами. Герметизация трубопроводов производится с помощью специальных переходников, закрепленных на гермоперегородке. К переходнику с одной и другой стороны при помощи накидных гаек крепятся трубопроводы. Электропроводка герметизируется при помощи специальных электровводов.

 

Используемая литература: «Основы авиации» авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов

 

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com

 

 

 

 

Фюзеляж — это… Что такое Фюзеляж?

Передняя часть утилизированного Avro Ashton (англ.)русск.

Фюзеля́ж (фр. fuselage, от fuseau — веретено) — корпус летательного аппарата. Связывает между собой крылья, оперение и (иногда) шасси. Фюзеляж самолёта предназначен для размещения экипажа, оборудования и целевой нагрузки. В фюзеляже может размещаться топливо, шасси, двигатели.

Конструкция самолёта типа летающее крыло, в утолщённой части которого размещается всё, что обычно размещают в фюзеляже, рассматривается отдельно.

Общие сведения

Являясь строительной основой конструкции самолёта, он объединяет в силовом отношении в единое целое все его части. Основным требованием к фюзеляжу является выполнение им своего функционального назначения в соответствии с назначением самолёта и условиями его использования при наименьшей массе конструкции фюзеляжа.

Выполнение этого требования достигается:

• выбором таких внешних форм и значений параметров фюзеляжа, при которых получаются минимальное его лобовое сопротивление и наибольшие полезные объёмы при определившихся габаритах;
• использованием несущих фюзеляжей, создающих значительную (до 40 %) подъёмную силу в интегральных схемах самолёта. Это позволяет уменьшить площадь крыла и снизить его массу;
• рациональным использованием полезных объёмов за счёт повышения плотности компоновки, а также за счёт более компактного размещения грузов вблизи ЦМ. Последнее способствует уменьшению массовых моментов инерции и улучшению характеристик маневренности, а сужение диапазона изменения центровок при различных вариантах загрузки, выгорании топлива, расходе боеприпасов обеспечивает большую стабильность характеристик устойчивости и управляемости самолёта;
• согласованием силовой схемы фюзеляжа с силовыми схемами присоединённых к нему агрегатов. При этом необходимо обеспечить: надёжное крепление, передачу и уравновешивание нагрузок от силовых элементов крыла, оперения, шасси, силовой установки на силовых элементах фюзеляжа; восприятие массовых сил от целевой нагрузки, оборудования и от конструкции фюзеляжа, а также от аэродинамической нагрузки, действующей на фюзеляж, и нагрузки от избыточного давления в гермокабине.
• Должно быть обеспечено удобство подходов к различным агрегатам, размещён­ным в фюзеляже, для их осмотра и ремонта; удобство входа и выхода экипажа и пассажиров, выброса десантников и вооружения, удобство погрузки, швартовки и выгрузки предназначенных для перевозки грузов. Пассажирам и экипажу должны быть обеспечены необходимые жизненные условия и определённый уровень комфорта при полёте на большой высоте, тепло- и звукоизоляция кабин, возможность быстрого и безопасного аварийного покидания самолёта, экипажу — хороший обзор.

Нагрузки, действующие на фюзеляж

В полёте и при посадке на фюзеляж действуют следующие нагрузки:

• силы, передающиеся на фюзеляж от присоединённых к нему частей самолёта — крыла, оперения, шасси, силовой установки и др.,
• массовые инерционные силы агрегатов, грузов, оборудования, расположенных в фюзеляже, и инерционные силы от собственной массы конструкции фюзеляжа,
• аэродинамические силы, распределённые по поверхности фюзеляжа,
• силы избыточного давления в герметических кабинах, отсеках оборудования, каналах воздухозаборников.

Перечисленные нагрузки с учётом принципа Д’Аламбера полностью уравновешены на фюзеляже.

С точки зрения строительной механики фюзеляж можно рассматривать как коробчатую балку, закреплённую на крыле и загруженную перечисленными выше нагрузками. В любом сечении такой балки действуют вертикальные и горизонтальные составляющие перерезывающих сил, изгибающих моментов, а также крутящий момент. В герметичных отсеках к этим нагрузкам добавляются усилия от избыточного внутреннего давления.

Виды фюзеляжей

• Цельнометаллический фюзеляж

Внешние формы фюзеляжа

Наивыгоднейшей формой фюзеляжа является осесимметричное тело вращения с плавным сужением в носовой и хвостовой частях. Такая форма обеспечивает минимальную при заданных габаритах площадь поверхности, а значит и минимальную массу обшивки, и минимальное сопротивление трения фюзеляжа.

Круглое сечение тела вращения выгодно по массе и при действии избыточного давления в гермокабинах. Однако по компоновочным и иным соображениям от такой идеальной формы приходится отступать. Так, фонари кабины экипажа, воздухозаборники, антенны радиолокаторов нарушают плавность обводов и приводят к увеличению сопротивления и массы фюзеляжа. Такой же эффект даёт и отступление от плавных форм в хвостовых отсеках фюзеляжа с целью увеличения угла опрокидывания или для укорочения погрузочного люка и рампы.

Поперечное сечение фюзеляжа обычно определяется условиями компоновки грузов, двигателей, пассажирских салонов.

Конструктивно-силовые схемы фюзеляжа

Наиболее рациональной конструкцией, способной воспринимать все перечисленные выше нагрузки при минимальной собственной массе, является тонкостенная пространственная оболочка, подкрепленная изнутри силовым каркасом. Рациональность такой оболочки обеспечивается полноценным использованием её работающей обшивки как при восприятии местной аэродинамической нагрузки, внутреннего избыточного давления, так и в общей силовой работе, которая состоит в том, что обшивка воспринимает всю перерезывающую силу, весь крутящий момент и участвует в восприятии изгибающих моментов. Каркасированная оболочка наилучшим образом удовлетворяет и требованиям удобства компоновки, обеспечения технологической простоты, а также живучести и эксплуатационной технологичности. С точки зрения силовой работы такая оболочка рассматривается как тонкостенная коробчатая балка, вследствие чего силовую схему подобных фюзеляжей принято называть балочной.

Используемые ранее фюзеляжи ферменной конструкции неизбежно проигрывают балочным по массе конструкции в связи с тем, что обшивка ферменных фюзеляжей полностью исключена из общей силовой работы, воспринимая только местную воздушную нагрузку и являясь, таким образом, дополнительным конструктивным элементом, увеличивающим массу конструкции. Пространственная ферма затрудняет и компоновку грузов в фюзеляже. Всё это привело к тому, что ферменные фюзеляжи в настоящее время полностью вытеснены балочными и их применение оправдано лишь на лёгких тихоходных самолётах «малой» авиации. Поэтому в дальнейшем ферменные фюзеляжи не рассматриваются.

Балочные фюзеляжи делятся на три основных разновидности:

Продольный набор балочного фюзеляжа состоит из лонжеронов и стрингеров. Лонжерон отличается от стрингера формой и большей площадью поперечного сечения. Обшивочный фюзеляж продольного набора не имеет. Поперечный набор фюзеляжа состоит из шпангоутов, обеспечивающих сохранение при деформациях заданной формы поперечного сечения оболочки и передачу на обшивку распределённых и сосредоточенных нагрузок. В местах приложения к фюзеляжу больших сосредоточенных сил устанавливаются усиленные шпангоуты.

В балочных фюзеляжах перерезывающая сила любого направления полностью воспринимается обшивкой, в которой возникает поток касательных усилий. Закон распределения этих усилий по контуру оболочки зависит от направления внешней нагрузки и от формы поперечного сечения фюзеляжа.

Крутящий момент также полностью воспринимается обшивкой. Поток касательных усилий в этом случае равномерно распределён по периметру оболочки, имеющей, как правило, однозамкнутый контур поперечного сечения. Восприятие изгибающих моментов фюзеляжа определяется типом балочного фюзеляжа. В местах вырезов в оболочке устанавливаются силовые окантовки, обеспечивающие передачу всех усилий в зоне выреза.

Лонжероны и стрингеры

Продольные элементы каркаса, проходящие, как правило, по всей длине фюзеляжа. Совместно с обшивкой они воспринимают нормальные усилия при изгибе фюзеляжа. Простые стрингеры и лонжероны обычно изготавливаются из прессованных или гнутых профилей различного сечения. Лонжероны отличаются от стрингеров более мощным сечением.

При больших нагрузках могут использоваться составные лонжероны, состоящие из нескольких соединённых между собой профилей.

Для окантовки больших вырезов в фюзеляже часто используются лонжероны коробчатого сечения — бимсы, которые состоят из прессованных профилей, связанных между собой стенками и обшивкой

Шпангоуты

Делятся на нормальные и усиленные. Нормальные обеспечивают сохранение формы поперечного сечения фюзеляжа. Усиленные шпангоуты устанавливаются в местах передачи на фюзеляж больших сосредоточенных нагрузок. На них располагаются стыковые узлы агрегатов, узлы крепления грузов, двигателей, крупного оборудования, перегородки гермоотсеков и т. п. Силовые шпангоуты могут устанавливаться по границам больших вырезов в фюзеляже. Нормальные шпангоуты обычно имеют рамную конструкцию и изготавливаются штамповкой или фрезеровкой.

Усиленные шпангоуты выполняются в виде замкнутой рамы обычно двутаврового или швеллерного сечения. Рама шпангоута распределяет внешнюю нагрузку по периметру обшивки, поток касательных усилий в которой является опорной реакцией для рамы. Сама рама работает на изгиб, который в основном определяет её сечение. Кроме того, в любом сечении рамы действуют перерезывающая и нормальная силы. Конструктивно такая рама изготавливается сборной или монолитной. В местах установки перегородок силовой шпангоут полностью зашивается стенкой, подкреплённой вертикальными и горизонтальными профилями, или сферической оболочкой с радиально расположенными подкрепляющими элементами.

Обшивка

Изготавливается из металлических листов, которые формуются по профилю поверхности фюзеляжа и затем крепятся к каркасу. Стыки листов располагаются на продольных и поперечных элементах каркаса. Возможно, особенно для обшивочных фюзеляжей, применение монолитных оребрённых панелей и слоистой обшивки с лёгким, обычно сотовым, заполнителем. В последнее время получает распространение обшивка из композиционных материалов.

Соединение элементов каркаса и обшивки

Возможно три способа соединения обшивки с каркасом:

• обшивка крепится только к стрингерам,
• обшивка крепится и к стрингерам, и к шпангоутам,
• обшивка крепится только к шпангоутам.

В первом случае образуются только продольные заклёпочные швы, а поперечные швы отсутствуют, что улучшает аэродинамику фюзеляжа. Незакреплённая на шпангоутах обшивка теряет устойчивость при меньших нагрузках, что приводит к увеличению массы конструкции. Чтобы избежать этого часто обшивку связывают со шпангоутом дополнительной накладкой — компенсатором. Третий способ крепления используется только в обшивочных (бесстрингерных) фюзеляжах.

Сотовидная обшивка крепится к шпангоутам. Она состоит из двух металлических панелей и сердцевины. Сотовая конструкция -шестиугольного вида материал, сделанный из метала. В сердцевине находится клей, что позволяет не использовать заклёпки. Такая конструкция имеет высокое сопротивление деформации и способна передавать напряжение по всей своей поверхности.

Стыковые соединения отсеков фюзеляжа

Стыки отсеков фюзеляжа балочно-лонжеронной схемы выполняются с помощью стыковых узлов, расположенных только на лонжеронах — точечный стык. Конструктивно для этого используются узлы типа «ухо-вилка» или узлы фитинговой схемы.

Балочно-стрингерные фюзеляжи стыкуются по принципу контурного стыка с расположением стыковых фитингов по всему периметру стыкового шпангоута с обязательной силовой связью обшивки и всех стрингеров стыкуемых частей фюзеляжа. Балочно-обшивочные фюзеляжи обычно соединяются фланцевым стыком, обеспечивающим силовую связь обшивок стыкуемых частей по всему контуру. Это по сути контурный стык с единым стыковым элементом — уголка, полосы и т. п.

Крепление агрегатов самолёта к фюзеляжу

Узлы крепления агрегатов к фюзеляжу устанавливаются на усиленных шпангоутах, которые выполняют роль жесткого диска, обеспечивая распределение сосредоточенных нагрузок по всему периметру оболочки фюзеляжа. Для передачи сосредоточенных нагрузок продольного направления стыковые узлы агрегатов должны быть связаны с усиленными продольными элементами фюзеляжа. Для уменьшения массы конструкции фюзеляжа всегда желательно уменьшать число усиленных шпангоутов, размещая на одном шпангоуте узлы крепления нескольких агрегатов.

Крепление крыла и стабилизатора

Принципиальной особенностью стыка крыла с фюзеляжем является способ уравновешивания изгибающих моментов консолей крыла в этом стыке. Наиболее рациональным считается уравновешивание изгибающих моментов левого и правого крыла на центроплане, пропущенном через фюзеляж. Для лонжеронных крыльев с этой целью достаточно пропустить через фюзеляж только лонжероны, на которых и произойдёт уравновешивание изгиба.

Для кессонных и моноблочных крыльев через фюзеляж обязательно должны пропускаться целиком все силовые панели крыла.

В том случае, когда по компоновочным причинам пропуск через фюзеляж силовых элементов крыла невозможен, замыкание изгибающих моментов слева и справа должно выполняться на силовых шпангоутах фюзеляжа. Такое решение применимо лишь для лонжеронных крыльев, у которых число лонжеронов невелико. Кессонные и моноблочные крылья требуют большого числа силовых шпангоутов для замыкания силовых панелей, что конструктивно выполнить очень трудно. В этом случае следует отказаться от указанных силовых схем крыла и перейти на лонжеронную схему.

Перерезывающая сила крыла с каждой его половины должна передаваться на фюзеляж. С этой целью стенки лонжеронов и дополнительные продольные стенки крыла стыкуются с силовыми шпангоутами. На эти же силовые шпангоуты обычно опираются и бортовые нервюры крыла, которые, собирая с замкнутого контура крыла крутящий момент, передают его на эти опорные шпангоуты. Часто для передачи крутящего момента обшивка крыла и фюзеляжа соединяется по контуру стыковочным уголковым профилем.

Крепление стабилизатора к фюзеляжу принципиально ничем не отличается от схемы стыковки крыла. Ось вращения управляемого стабилизатора обычно закрепляется на одном или двух силовых шпангоутах фюзеляжа.

Крепление киля

Крепление киля к фюзеляжу требует обязательной передачи его изгибающего момента на фюзеляж. С этой целью каждый лонжерон киля соединяется с силовым шпангоутом стеночной или рамной конструкции.

Если позволяют условия компоновки, то используется «мачтовая» заделка лонжерона в двух точках, разнесённых по высоте силового шпангоута. Стреловидный лонжерон киля имеет излом в точке пересечения с силовым шпангоутом, что требует обязательной постановки в этом сечении бортовой усиленной нервюры или усиленной балки на фюзеляже. От них можно избавиться, если силовой шпангоут поставить наклонно к оси фюзеляжа так, чтобы его плоскость являлась продолжением плоскости стенки лонжерона киля. Но такое решение вызывает значительные технологические трудности при изготовлении наклонного шпангоута и сборке фюзеляжа.

Крепление шасси и двигателей к фюзеляжу

Крепление двигателей к фюзеляжу осуществляется как внутри к усиленным элементам каркаса, так и снаружи на специальных пилонах. Крепление пилонов к фюзеляжу подобно креплению стабилизатора или крыла.

Вырезы в фюзеляже

Вырезы под двери, окна, фонари, люки, ниши шасси, боевой нагрузки нарушают замкнутость контура оболочки фюзеляжа и резко снижают её крутильную и изгибную жесткость и прочность. Компенсировать эти потери можно путём создания по контуру выреза достаточно жесткой рамной окантовки. При малых размерах выреза такая окантовка создается в виде монолитной конструкции, получаемой штамповкой из листа или другими способами изготовления.

Большие вырезы окантовываются по торцам силовыми шпангоутами, а в продольном направлении усиленными лонжеронами или бимсами, которые не должны заканчиваться на границах выреза, а продолжаться за силовые шпангоуты (плечо В), обеспечивая жёсткую заделку этих продольных элементов.

Крепление шасси выполняется к усиленным шпангоутам и продольным балкам в нижней части фюзеляжа. Обшивки киля и фюзеляжа обычно соединяются стыковочным уголком по контуру киля.

Гермоотсеки

В гермокабинах при полёте на больших высотах поддерживается избыточное давление до 40—60 КПа. Наиболее рациональной формой гермоотсека, обеспечивающей его минимальную массу, является сфера или немного уступающая ей по выгодности — цилиндр со сферическими днищами. Шпангоут в стыке цилиндра со сферическим сегментом за счёт перелома обшивки испытывает достаточно большие сжимающие нагрузки и должен быть усилен. Обшивка в таких отсеках при нагружении избыточным давлением полностью избавлена от изгибных деформаций и работает только на растяжение.

Однако, по компоновочным соображениям иногда приходится отступать от этих рациональных форм, что неизбежно приводит к увеличению массы конструкции. Плоские и близкие к ним панели для обеспечения необходимой изгибной жесткости при восприятии избыточного давления должны иметь достаточно мощное подкрепление в виде продольных и поперечных рёбер (балок) или изготавливаться в виде трёхслойных конструкций.

В конструкциях герметичных отсеков должна быть обеспечена надёжная герметизация по всем заклёпочным и болтовым швам. Герметизация швов обеспечивается прокладыванием между соединяемыми элементами специальных лент, пропитанных герметиком, промазыванием швов невысыхающей замазкой, покрытием швов жидким герметиком с последующей горячей сушкой. В местах стыка листов обшивки используются многорядные заклёпочные швы с малым шагом заклёпок.

С помощью специальных гермоузлов обеспечивается уплотнение выводов проводки управления, трубопроводов, электрожгутов и т. п.

Особое внимание уделяется герметизации фонарей, люков, дверей, окон, что обеспечивается специальными уплотнительными устройствами в виде резиновых лент, жгутов, прокладок, надувных трубок.

См. также

Ссылки

Конструкция самолёта — это… Что такое Конструкция самолёта?

Конструкция самолёта наиболее часто представляет собой планер, состоящий из фюзеляжа, крыла и хвостового оперения, оснащённый двигателем и шасси. Современные самолёты оснащаются также авионикой.

Существуют, однако, иные конструктивные схемы современных самолетов. В частности всем известный бомбардировщик B-2, построенный по схеме «летающее крыло». Другой пример — МиГ-29, построенный по так называемой несущей схеме, в которой вместо понятия фюзеляж применяется понятие корпус. (Корпус МиГ-29 — широкий фюзеляж, также участвующий в создании аэродинамической подъемной силы.) Еще один пример альтернативной конструктивной схемы самолета — ЭКИП, который условно можно назвать «летающей черепахой» из-за его довольно своеобразной формы.

Планер

Обычно планер самолёта включает фюзеляж, крыло, хвостовое оперение, шасси и гондолы, куда помещают двигательные установки или другие агрегаты. Этот набор элементов характерен для классической конструктивной схемы. Некоторые элементы могут отсутствовать в других конструктивных схемах.

Компоновочные схемы

На сегодняшний день различают следующие существующие компоновочные схемы самолётов:

Фюзеляж

Различные типы фюзеляжей

Фюзеляж является «телом» самолёта. В нём располагаются кабина экипажа, основные топливные баки, системы управления и контроля, пассажирские салоны и багажные отсеки (в пассажирских самолётах) или грузовые отсеки (в грузовых самолетах), оружие (в боевых самолётах) и так далее. Фюзеляж состоит из продольных балок, шпангоутов и металлических (как правило, алюминиевых) листов.

Пассажирские самолёты разделяют на узко- и широкофюзеляжные. У первых диаметр поперечного сечения фюзеляжа составляет в среднем 2-3 метра. Диаметр широкого фюзеляжа — не менее шести метров. Все широкофюзеляжные самолёты — двухпалубные: на верхней палубе располагаются пассажирские места, на нижней — багажные отсеки. Существуют самолёты с двумя пассажирскими палубами — Airbus A380 и Боинг 747.

Крыло

Ил-76, высокоплан с Т-образным оперением

Крыло является ключевой частью в конструкции самолёта, оно создаёт подъёмную силу: профиль крыла устроен таким образом, что консоль разделяет набегающий на самолёт поток воздуха. Над верхней кромкой крыла образуется область низкого давления, одновременно под нижней — область высокого давления, крыло «выталкивается» наверх, и самолёт поднимается.

Крыло чаще всего крепятся к фюзеляжу:

Крепление крыла непосредственно к центральной части фюзеляжа без центроплана характерно для боевых самолётов (Ту-22М). Самолёт также может иметь два, три и более крыла. Чаще всего у самолётов, имеющих два крыла — бипланов — одно крыло крепится к верхней части фюзеляжа, а другое — к нижней (Ан-2).

На крыле установлено множество отклоняющихся меньших консолей (механизации): закрылки, предкрылки, спойлеры, элероны, интерцепторы и другие. Они позволяют регулировать перемещение самолёта в трёх плоскостях, путевую скорость и некоторые другие параметры полёта. На современных самолетах на крыльях часто устанавливаются вертикальные законцовки, уменьшающие завихрения воздуха на кончиках крыла, снижая уровень вибрации, и, как следствие, экономя топливо. Внутри крыльев (у крупных самолетов), как правило, установлены топливные баки. У легких самолетов крылевые товпливные баки нередко подвещиваются к специальным вертикальным консолям-креплениям.

Аэродинамические свойства крыла определяются его геометрией: размахом, площадью, а также углом и направлением стреловидности. Существуют самолёты с изменяемой геометрией крыла: самолеты с изменяемой стреловидностью крыла, самолеты со складыващися крылом.

Оперение

Оперение устанавливается в хвостовой или носовой части фюзеляжа. Хвостовое оперение в большинстве случаев представляет собой вертикально расположенный киль (или несколько килей — как правило два киля) и стабилизаторы, близкие по конструкции к крылу. Киль регулирует азимутальную устойчивость самолёта по оси движения, а стабилизаторы — тангаж.

Хвостовое оперение чаще всего бывает фюзеляжным (Ил-86) или Т-образным (Ту-154, Ил-76). Реже встречаются два киля на обоих кончиках цельного стабилизатора (Ан-225), хотя оно было довольно распространным на самолетах Второй мировой войны (Пе-2, Ту-2). На некоторых боевых самолётах дополнительное оперение устанавливается в носовой части фюзеляжа (Су-35). Для обеспечения достаточной путевой устойчивости на высоких скоростях, сверхзвуковые самолёты имеют непропорционально большой киль (Ту-22М3) или два киля (Су-27, МиГ-25, F-15).

Шасси

С помощью шасси самолёт осуществляет взлёт и посадку, руление, стоянку. Шасси представляет собой демпферную стойку, к которой крепится колёсная тележка (у гидропланов — поплавок). В зависимости от массы самолёта различается конфигурация шасси. Наиболее часто встречающиеся: одна передняя стойка и две основных (Ту-154, А320), одна передняя и три основных (Ил-96), одна передняя и четыре основных (Боинг 747), две передних и две основных (B-52). Для ранних самолётов было характерно устанавливать две основных стойки и небольшое вращающееся колесо непосредственно под килем без стойки (Ли-2). Также уникальную схему шасси имеет Ил-62: одна передняя стойка, две основных и выдвигающаяся штанга с одной колёсной парой в самом хвосте для устойчивости при разгрузке-погрузке. На самых первых самолётах стоек не было вообще, а колеса крепились на обыкновенную ось.

Колёсные тележки могут иметь различное количество колёсных пар: от одной (А320) до семи (Ан-225).

Управление поворотом самолёта на земле может осуществляться через привод к передней стойке шасси или дифференциацией режима работы двигателей (у самолётов с более чем одним двигателем). В полёте шасси убираются в специальные отсеки для уменьшения аэродинамического сопротивления.

Силовая установка

Самолёт приводится в движение двигателем-движителем. Для современных самолётов характерны турбореактивные или турбовинтовые двигатели. На ранних устанавливались поршневые.

Двигатель либо крепится к крылу или фюзеляжу с помощью пилона (в этом случае он помещается в защищённую гондолу), через который к нему подходят топливные трубки и различные приводы, либо встраивается непосредственно в фюзеляж. Компоновка может сильно различаться: на самолёте может быть всего один двигатель (F-16), два (Ту-204), три (Ту-154), четыре (Ил-96), шесть (Ан-225), восемь (B-52).

Системы бортового оборудования

Колесо в разрезе, видны тормозные диски.

Современные летательные аппараты оснащены весьма сложным и разнообразным оборудованием, которые позволяют выполнять полеты при любых условиях. По действующей документации (Федеральные Авиационные Правила), оборудование летательных аппаратов включает: Авиационное оборудование (АО), Радиоэлектронное оборудование (РЭО), Авиационное вооружение (АВ) — для военных машин.

Системы бортового оборудования большинства летательных аппаратов включают:

В летательных аппаратах военного назначения могут устанавливаться:

• Радиолокационные и телевизионно-оптические прицельные системы
• Системы радиоэлектронного противодействия
• Системы фото и ИК-разведки
• Системы закрытой кодированной связи

и многое другое.

Тормозная система

Гусеничное шасси B-36, видны тормозные суппорты.

Систему торможения самолета можно разделить на две части:

• Система торможения встроенная в шасси.
• Аэродинамические системы торможения

См. также

Конструкция фюзеляжа самолета | Авиация

Размеры и форма поперечного и продольного сечений фюзеляжа выбираются в зависимости от назначения самолета. Фюзеляж является как бы главным связующим элементом всего самолета. В нем располагаются экипаж, пассажиры, грузы, оборудование; к нему могут крепиться двигатели (например, на самолетах Ту-154, Ил-62, Як-42), агрегаты устойчивости и управления (оперение), шасси.

Дозвуковые самолеты имеют, как правило, закругленную носовую и заостренную кормовую части. Сверхзвуковые самолеты имеют заостренные как носовую, так и хвостовую части. Основными конструктивными элементами фюзеляжа, как и крыла, являются каркас и обшивка. Фюзеляжи по конструктивным схемам делятся на ферменные, балочные и ферменно-балочные (смешанные).

Конструктивные схемы фюзеляжей: а — ферменный, б — балочный, 1 — лонжероны, 2 — стойки, 3 — раскосы, 4 — распорки, 5 — расщелки, 6 — стрингеры, 8 — шпангоуты, 9 — обшивка

На рисунке представлены конструктивные схемы фюзеляжей. Ферменный фюзеляж имеет силовой набор — каркас в виде пространственной фермы, обтянутый сверху обшивкой. На современных самолетах наибольшее распространение получил балочный фюзеляж. Он представляет собой оболочковую конструкцию, состоящую из оболочки-обшивки и внутреннего набора — каркаса. Каркас состоит из шпангоутов, балок-лонжеронов, стрингеров и других элементов. Все они являются силовыми элементами фюзеляжа. Продольный набор — это стрингеры и лонжероны. Продольный набор соединяется с поперечным набором шпангоутами. Конструктивно элементы каркаса соединяются друг с другом крепежными деталями (болтами, заклепками), а также путем сварки и склейки.

Распространение в самолетостроении балочных фюзеляжей обусловлено их преимуществами перед ферменными. Обшивка и прилегающие к ней силовые элементы (лонжероны, стрингеры, шпангоуты) располагаются по периферии сечения фюзеляжа, оставляя его внутренний объем свободным для размещения полезного груза. Все балочные фюзеляжи в зависимости от степени участия их элементов в распределении силовой нагрузки разделяют на лонжеронные и стрингерные (фюзеляжи типа полумонокок), а также бесстрингерные (фюзеляжи типа монокок).

Лонжеронным фюзеляжам свойственны мощные продольные лонжероны, воспринимающие основные силовые нагрузки, и слабый набор стрингеров и шпангоутов. Стрингерный фюзеляж имеет продольный набор из большого числа стрингеров и поперечный — из серии шпангоутов. Бесстрингерный же фюзеляж вообще не имеет продольных силовых элементов, а представляет собой конструкцию из сравнительно толстой обшивки, подкрепленной только шпангоутами.

О конструктивно-силовых схемах элементов планера самолета. Часть 1. Фюзеляж.

Здравствуйте!

Начнем с моих странных ассоциаций 🙂.

Думаю, что очень многие люди возрастом старше среднего (может и помоложе тоже) помнят  старый детский фильм, снятый по книге Л.И.Лагина «Старик Хоттабыч». Ни в кино, ни в книжке конечно ничего не говорится о конструктивно-силовых схемах самолетов :-), однако определенные ассоциации у меня все же в голове обозначились.

Хоттабыч тогда «наколдовал» очень красивый телефон из цельного куска мрамора. Забавно, однако работать такой аппарат именно по причине «мраморности» естественно не мог, хотя и выглядел роскошно.

Похожесть момента заключается в том, что ведь и самолет можно сделать из «цельного куска чего-нибудь». Однако, при этом он так же, как неработающий мраморный телефон, вряд ли сможет выполнять какие-либо полезные функции. Очень вероятно, что и летать он тоже не сможет.

Это только небольшие и сильно упрощенные модели самолетов времен того же фильма мальчишки (и я в их числе :-)) делали из цельных деревянных дощечек. Летали они неплохо, но это были всего лишь модели. Полет ради самого полета.

Действительность.

Любой самолет, от простейшего кукурузника до современного дальнемагистрального лайнера или скоростного истребителя, – это есть летательный аппарат тяжелее воздуха на службе у человека. Исходя из такого определения,  он должен обладать несколькими, так сказать, фундаментальными качествами.

Это, во-первых, хорошие аэродинамические свойства, в основе своей означающие достаточную (лучше побольше :-)) подъемную силу и минимальное аэродинамическое сопротивление. Во-вторых, достаточная возможность для самолета уверенно нести не только самого себя со всеми своими агрегатами и системами, но и полезную нагрузку в виде различных грузов, пассажиров или же вооружения.

При этом как полезная нагрузка, так и все собственно самолетное оборудование должно быть размещено так, чтобы максимально возможно не ухудшать первое качество.

Самолет в процессе эксплуатации находится под действием различных силовых факторов. Это силы аэродинамические, возникающие в полете, массовые  нагрузки под действием собственного веса элементов, а также усилия от устройств, агрегатов и грузов внутри самолета и так или иначе подвешенных снаружи.

А посему, третьим необходимым качеством должна быть достаточная прочность конструкции и ее жесткость, обеспечивающие безопасную и уверенную эксплуатацию летательного аппарата как на различных режимах полета, так  и на земле. При этом она должна вступать в наименее возможное противоречие с первыми двумя качествами.

Ну, и последнее (но отнюдь не по значимости!) очень важное свойство. Конструкция самолета при всех условиях хорошей вместимости, высокой прочности и отличных летных характеристик должна обладать по возможности минимальной массой.

Все эти свойства и качества так или иначе влияют друг на друга и учитываются при выборе силовых схем и компоновки летательного аппарата и его основных частей. К основным, как известно, относятся и фюзеляж . Вот о нем и его возможных конструктивно-силовых схемах и поговорим чуть подробнее.

Фюзеляж.

Этот элемент является в некотором роде функциональным центром всей конструкции самолета, собирая ее части воедино.  Он воспринимает все типы вышеуказанных силовых воздействий, усилия от присоединенных к нему крыла, оперения и агрегатов, а также от избыточного внутреннего давления воздуха.

Распределение нагрузок на весь фюзеляж и его конструктивные элементы изучает, в частности, раздел всем известного сопромата – строительная механика. Интересная наука, насколько простая, настолько же и сложная. Без некоторых ее специфических терминов нам здесь не обойтись, хотя , конечно, никаких сложностей не будет, потому как не наш формат 🙂 …

Существует несколько конструктивно-силовых схем фюзеляжа.

Ферменный тип.

На заре развития авиации, в предвоенные и военные годы (1-я и 2-я мировая война) достаточно широко был распространен ферменный тип конструктивно-силовой схемы. Фюзеляж сам по себе представлял пространственную ферму жесткого или же так называемого жестко-расчалочного типа. Силовые элементы такой конструкции – это стойки, лонжероны, раскосы, расчалки, распорки, различные расчалочные ленты и ферменные пояса.

Элементы ферменного каркаса фюзеляжа.

На первых «этажерках» (например, самолетах типа «Фарман») он вообще не был похож на фюзеляж в общепринятом сейчас понимании. Простая безобшивочная ферма для соединения всех частей аэроплана воедино в определенном порядке. Материалом для нее служило дерево.

Но в дальнейшем с  ростом скоростей и нагрузок такой фюзеляж видоизменялся. Появилась необходимость в обшивке. В качестве таковой достаточно широко применялось техническое текстильное полотно, на некоторых конструкциях даже вплоть до начала 60-х годов.

Техническая ткань ПЕРКАЛЬ.

Такое полотно представляет из себя хлопчато-бумажную ткань повышенной прочности. Наиболее известным его видом является перкаль. Области ее применения на самом деле достаточно широки (в зависимости от толщины). Она до сих пор, например, применяется для изготовления постельного белья класса «люкс». В техническом же плане ее еще в конце 18-го века начали использовать при изготовлении корабельных парусов.

В этой области она применяется и по сей день, а в первой половине 20-го века использовалась в качестве внешней обшивки самолетов. При этом перкаль пропитывали специальными лаками (типа эмалита), что придавало ей определенную влагостойкость, а также влаго- и воздухонепроницаемость.

Ткань АСТ-100.

Две любопытные детали. 1.Слово «перкаль» в русском языке женского рода (ткань), но применительно, в частности, к авиации распространено употребление его в мужском роде. То есть перкаль – «он». 2. Перкаль в свое время получил смешное, но очень меткое прозвище «детская пеленка авиации».

Среди технических тканей, применяемых в СССР в авиастроении, помимо перкаля достаточно широко использовались (и используются при необходимости) ткани АСТ-100, АМ-100, АМ-93, имеющие улучшенные характеристики по сравнению с перкалем, хотя суть, в общем-то, оставалась той же.

В качестве фюзеляжной обшивки также применялось дерево, в облегченном варианте, конечно. Это мог быть, например, клеенный деревянный шпон или фанера малых толщин, иногда для некоторых элементов конструкции бакелитовая (дельта-древесина).

Недостатки .

Однако, ферменная конструктивно-силовая схема имела недостатки, которые в процессе довольно бурного развития авиации в конечном итоге все-таки отодвинули ее на задний план.

Обшивка таких фюзеляжей, иначе еще называемая «мягкой», конечно же была не всегда достаточно прочной. Но главное в том, что такая обшивка не работает, как силовой элемент в комплексе с ферменной конструкцией и не включена в силовую схему фюзеляжа (неработающая обшивка).

Она воспринимает только местные аэродинамические нагрузки с частичной передачей их на ферменный каркас, то есть является дополнительным элементом конструкции, обладающим ощутимой добавочной (лишней) массой, но не делающей вклада в общую силовую работу.

В общем-то, основной ее задачей является формирование более-менее обтекаемых аэродинамических поверхностей, то есть по сути уменьшение лобового сопротивления с  возможной попыткой образовать некоторые замкнутые внутренние полости в фюзеляже, которым можно было бы найти полезное применение.

Мягкая обшивка самолета Sopwith Pup.

Кроме того, приемлемой долговечностью и сохранностью в процессе эксплуатации под действием атмосферных факторов мягкая обшивка тоже не отличалась. Особенно это касалось полотна. И, если военные самолеты не обладали большим сроком службы во многом из-за специфики их применения, то набиравшая обороты гражданская и транспортная авиация однозначно требовала аппараты с более длительным сроком использования.

Да и попытка использовать внутренние полости тоже была малоэффективна. В пространственной ферме достаточно сложно компоновать грузы и внутреннее оборудование из-за неизбежного наличия подкосов, растяжек и др., что, конечно, делает практически невозможным нынешнее применение таких фюзеляжей на большинстве «серьезных» самолетов, за исключением отдельных моделей легкомоторной или спортивной авиации.

«Металлизация…»

В стремлении  справиться с этими и другими недостатками и как-то улучшить положение, появились опыты с  применением в конструкции самолетов  других материалов. Взгляды некоторых «продвинутых» изобретателей обратились к металлу, а конкретно к стали. Каркасы ферменных фюзеляжей все чаще выполнялись из стальных труб или открытых профилей, обычно с применением сварки.

Самолет REP 1.

Первым самолетом со стальным ферменным фюзеляжем считается самолет француза Роберта Эсно-Пельтри (Robert Esnault-Pelterie) REP-1. Остальная силовая конструкция этого аэроплана была деревянной, а обшивка полотняной. Самолет полетел в ноябре 1907 года. Летал он медленно (около 80 км/ч) и недалеко – порядка нескольких сотен метров.

В середине 20-х годов, когда самолеты уже, можно сказать, научились летать, стальных ферменных каркасов строилось уже больше, чем деревянных. При этом обшивка чаще всего была все еще полотняная или фанерная. Да и в качестве материала для дополнительных силовых элементов частенько использовалось дерево.

Но уже в начале 1910-х годов строились первые цельнометаллические самолеты. Как в конструкции, так и в материалах существовало определенное разнообразие, несмотря на единичные, по сути дела, экземпляры таких летательных аппаратов.

Не все из них сумели подняться в небо. Некоторые не сделали этого никогда, некоторые не с первого раза, а только после переделок. Главная причина тому была одна – большая масса. Ведь самолеты такого типа строились тогда практически наугад.

Например, первым реально полетевшим самолетом, в котором каркас фюзеляжа, крыла и обшивка были сделаны из стали стал немецкий самолет конструкции профессора Ганса Рейсснера (Hans Reissner ) сделанный при участии, содействии и, в общем-то, на деньги фирмы Junkers. Самолет был сделан по схеме «утка» и носил то же название – Ente (нем.).

Самолеты Рейсснера.

В первом варианте фюзеляж не имел обшивки. Самолет полетел не сразу, однако в мае 1912 года это все-таки произошло. В дальнейшем он летал относительно успешно, пока в январе 1913 года не произошла катастрофа с гибелью пилота. Аппарат попал в штопор.

Однако, в течение этого же года самолет восстановили, несколько изменив его конструкцию (добавились кили). Фюзеляж получил полотняную обшивку и аэроплан продолжил полеты.

В 1915 году одним из самых известных полетевших цельно-металлических летательных аппаратов стал самолет все той же фирмы Junkers —  Junkers J 1. На нем  основные элементы были стальные, в том числе и обшивка всех элементов конструкции, сделанная из тонких листов стали. Летные характеристики его правда оставляли желать лучшего. Он получил прозвище Blechesel (что-то типа «жестяной осел») и в серию не пошел.

Цельностальной самолет Junkers J 1.

Вместо него достаточно массово строили следующий самолет Юнкерса –J4 (или  Junkers J I (римская цифра)). Он тоже был цельнометаллическим, но не цельностальным, потому что задняя часть ферменного фюзеляжа и обшивка крыла и оперения была сделана не из стали.

Самолет Junkers JI (J4).

И, вообще-то говоря, первым цельно- металлическим самолетом, поднявшимся в воздух был самолет французов Шарля Понше и Мориса Прима (Charles Ponche,  Maurice Primardо) под названием Ponche-Primard Tubavion.

Название происходило от конструкции фюзеляжа, в основе которой была  стальная труба, а на ней уже «вешались» все остальные элементы. В качестве обшивки использовались листы алюминия. Фюзеляж имел обтекатели и защитные кожухи.

Самолет Ponche-Primard Tubavion.

Самолет, построенный в 1911 году, летать отказывался по причине большой массы и слабосильного мотора. После того, как с него сняли все кожухи, некоторые колеса шасси и еще кое-какие детали, он все же полетел в марте 1912 года. В дальнейшем обшивка крыла все-таки была заменена на полотняную.

Улучшенный вариант самолета Ponche-Primard Tubavion.

Масса всегда была и остается одним из основных критериев возможностей самолета. Делать элементы конструкции, обладающие традиционной прочностью металла и легкостью дерева было мечтой любого тогдашнего энтузиаста от авиации. Именно поэтому на первые позиции стал выходить не так давно освоенный в массовом производстве алюминий.

Первоначально были попытки использования чистого алюминия в виде листов для обшивки, вместо полотна. Пример – вышеупомянутые аэропланы Tubavion и Junkers J I. Однако, чистый алюминий – металл, как известно, мягкий и непрочный, и несмотря на его очень соблазнительное качество — легкость, применение его в виде материала для силовых (работающих) элементов крайне малопродуктивно.

Например, на самолете Junkers J I обшивка была алюминиевая из листов толщиной 0,09 мм. Она была гофрирована для упрочнения и возможности восприятия некоторых нагрузок, но деформировалась и разрывалась даже при нажатии рукой, в частности во время перекатывания аппарата по земле.

Дюралевая задняя часть ферменного фюзеляжа и алюминиевая обшивка самолета Junkers J I.

Однако, на этом же самом самолете задняя часть ферменного фюзеляжа была изготовлена из другого, заслуживающего гораздо большего внимания материала. И хотя алюминий в последствии получил символическое название «крылатый металл», оно, говоря точнее, должно быть адресовано для его сплава, называющегося дюралюминий (или дюраль). Именно этот сплав является сейчас основой всей мировой авиации.

Дюралюминий значительно выгоднее алюминия в массовом и прочностном отношении. То есть практически при той же массе этот сплав обладает значительно большей твердостью, прочностью и жесткостью. Марок этого сплава достаточно много, в том числе и в разных странах. Отличия марок могут быть как в составе элементов, так и в технологии изготовления (термообработка). Однако, в основном это сплавы состоящие из легирующих добавок ( медь – около 4,5%, магний – около 1,5% и марганец – около 0,5%) и самого алюминия.

Название дюралюминий (дуралюмин, дуралюминий, дюралюмин) происходит от названия немецкого города Дюрен (Düren), где в 1909 году было впервые начато промышленное производство этого сплава. А слово дюраль, которое у нас употребляется скорее как жаргонное, на самом деле фирменное название (Dural®).

Одна из самых известных марок дюраля, производящихся в России (СССР) – Д16. Он так или иначе применен на всех самолетах, произведенных или производящихся у нас, хотя, конечно, достаточно  и других более специализированных или совершенных в прочностном отношении марок(например, Д18, В65, Д19, В17, ВАД1 и др.).

А начиналось все с первой половины 1922 года, когда в СССР был получен первый советский алюминиевый сплав, пригодный для авиастроения и не уступающий по характеристикам тогдашним немецким сплавам.

Назвали его кольчугалюминием, по названию г.Колчугино Владимирской области, в котором располагался металлургический завод. Он отличался от немецкого дюралюминия добавкой никеля (около 0,3%), иным соотношением меди и марганца, а также термообработкой.

Самолет АНТ-2, построенный полностью из кольчугалюминия.

Название со временем было заменено на традиционное и сплав получил наименование Д1, под которым используется до сих пор, хотя и не так часто из-за достаточно низких характеристик по сравнению с вновь разработанными материалами.

Появление в достаточно широкой эксплуатации дюралюминия сделало возможным выполнить обшивку в конструктивно-силовой схеме с ферменным фюзеляжем более прочной и долговечной. Для некоторых моделей самолетов листы дюраля делались гофрированными с целью повышения ее устойчивости.

Гофрированная обшивка самолета ТБ-1.

Гофрированная обшивка самолета Junkers-52

Гофрированная дюралевая обшивка фюзеляжа такой схемы могла в некоторой степени работать на восприятие изгибающего момента (на крыле она работала на кручение) и становилась таким образом «частично работающей». Однако, это «частичность» не устраняла главных недостатков ферменной конструкции. Обшивка не была включена в общую силовую схему и, по большей части, играла роль элемента с дополнительной  массой.

Балочные фюзеляжи.

С развитием подходов к авиационному конструированию, освоением новых материалов и приобретением опыта появилась возможность разработки новых типов  конструктивно-силовых схем, в которых обшивка уже становилась полностью рабочим элементом (рабочая обшивка).

Фюзеляж — коробчатая балка.

Наиболее рациональной для большой авиации и лишенной недостатков ферменных фюзеляжей стала конструкция, представлявшая собой тонкостенную оболочку (собственно обшивка большей или меньшей толщины), подкрепленную изнутри различными силовыми элементами (силовым каркасом или силовым набором, продольным и поперечным) и имеющая полезные внутренние объемы.

В этом случае фюзеляж называют балочным (балочный тип), то есть, говоря терминами из строительной механики , он представляет из себя тонкостенную коробчатую балку, которая закреплена на крыле и воспринимает на себя перерезывающие силы и изгибающий  момент, в любом своем сечении, в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также крутящий момент.

В частности… Крутящий момент от вертикального оперения нагружает обшивку всего контура, создавая в ней касательные напряжения. Вертикальная сила от стабилизатора воспринимается обшивкой боковых поверхностей фюзеляжа параллельных действию силы — работа на сдвиг.

Изгибающий момент стабилизатора воспринимается обшивкой и подкрепляющими элементами верхней и нижней части фюзеляжа (растяжение-сжатие). Поперечная сила от киля также нагружает верхнюю и нижнюю части фюзеляжа, параллельные действию силы, вызывая в них касательные напряжения.

Кроме того в районе герметизированных отсеков к нагрузкам присоединяется и избыточное внутреннее давление, действующие изнутри фюзеляжа при полетах на высоте. Активное участие в процессе восприятия нагрузок принимает работающая обшивка. Примерная схема возможного их действия показана на рисунке (по материалам ЦНИТ СГАУ).

Нагрузки, действующие на балочный фюзеляж.

Фюзеляжи балочного типа в процессе разработки различных конструкций разделились на три вида. Первый — это фюзеляж типа «монокок», во французском «мonocoque». Слово произошло от греческого «monos» – «единый» и французского «coquе» — скорлупа. В таких конструкциях внешняя оболочка, то есть обшивка, является главным силовым элементом, иногда единственным, воспринимающим все силовые факторы.

Она может быть достаточно мощной и жесткой и какие-либо дополнительные поперечные силовые элементы обычно не требуются и могут устанавливаться только в местах, где есть какая-то дополнительная сосредоточенная нагрузка, то есть какие-либо внешние подвески, присоединение крыла или каких-либо агрегатов (обычно это шпангоуты), в местах вырезов в фюзеляже или же в местах, где соединяются отдельные листы обшивки (чаще всего стрингеры).

То есть фюзеляжи самолетов по сути дела могут быть без работающего каркаса. Первые такие образцы появились уже в 1910-х годах. Это были самолеты чаще всего спортивной направленности, то есть для достижения больших скоростей. С этой целью использовались заглаженные фюзеляжи круглого сечения, имеющие ощутимо меньшее лобовое сопротивление по сравнению с  ферменными.

Реплика самолета Deperdussin Monocoque.

Типичным представителем такого класса самолетов был французский  спортивный аэроплан Deperdussin Monocoque. Сам принцип изготовления его фюзеляжа стал основой названия этого самолета (Monocoque).

Фюзеляж состоял из двух продольных половин, каждая из которых выклеивалась из трех слоев деревянного шпона в специальных формах в виде раковин (или скорлупы). Далее эти половины соединялись, склеивались между собой и обклеивались тканью.

Монококовые фюзеляжи достаточно дороги в изготовлении, и окончательно они потеснили ферменные только после Второй мировой войны, когда исчезла необходимость быстрого выпуска большого количества боевых самолетов.

Однако типичный монокок, хорошо воспринимая растяжение и изгиб, гораздо хуже работает на сжатие (зависит от толщины и жесткости обшивки конечно), поэтому подавляющее большинство фюзеляжей современных самолетов построено с внутренним подкрепляющим силовым набором. Такие конструктивно-силовые схемы носят название полумонокок (услиленный монокок), и в них обшивка работает совместно с продольным набором силовых элементов.

Полумонококовые конструкции, в свою очередь, бывают двух видов: балочный стрингерный (стрингерный полумонокок) и балочный лонжеронный (лонжеронный полумонокок).

Стрингерный полумонокок. Фюзеляж самолета ATR-72.

В первом работающая обшивка подкреплена продольными силовыми элементами – стрингерами. Их довольно большое количество и расположены они достаточно часто, что позволяет обшивке совместно с ними воспринимать весь изгибающий момент (помимо других нагрузок – крутящий момент и перерезывающая сила ), работая при этом на растяжение-сжатие. Устойчивость обшивки повышают шпангоуты, установленные с относительно малым шагом.

Во втором изгибающий момент воспринимается специальными продольными элементами – лонжеронами и балками. Количество их невелико и они имеют обычно большое сечение. Обшивка же, подкрепленная стрингерами, воспринимает крутящий момент и перерезывающую силу, работая только на сдвиг, и практически не участвуя в восприятия изгиба.

Лонжеронная схема. А — лонжероны, В — стрингеры, D — работающая обшивка.

На рисунке (из материалов ЦНИТ СГАУ) показаны действие усилий (перерезывающие силы, изгибающий и крутящий моменты), воспринимаемых лонжеронным фюзеляжем (общая картина).

Нагрузки, воспринимаемые в балочной лонжеронной схеме.

Основная масса современных самолетов, как уже говорилось, имеют фюзеляжи типа полумонокок. Лонжеронный вариант достаточно выгоден для военных самолетов с двигателем в хвостовой части фюзеляжа. В этом случае в фюзеляже удобно размещать узлы крепления двигателя, делать вырезы между лонжеронами под необходимые полезные объемы ( кабина, топливные баки, агрегаты) без нарушения целостности главных силовых элементов.

Стрингерные фюзеляжи выгодны для транспортных и пассажирских самолетов. Однако вырезы в таких фюзеляжах нарушают целостность силовых элементов, поэтому в таких местах требуется усиление каркаса.

Фюзеляж самолета В-17G. Стрингерный полумонокок.

Совмещенная конструкция фюзеляжа самолета Hawker Typhoon MkIB. Передняя часть — ферменная, задняя часть — полумонокок.

Самолет Hawker Typhoon MkIB.

Так как плюсы и минусы есть у всех типов и вариантов конструкций, то, в принципе, возможно их совмещение в определенном смысле в пределах одного летательного аппарата. Количество и сечение стрингеров, сечение лонжеронов и толщина обшивки может меняться в разных местах фюзеляжа. Все зависит от типа, предназначения, параметров летательного аппарата и его оборудования.

Ферменные фюзеляжи в настоящее время используются редко и  в основном для самолетов малой авиации и спортивных. Примером может служит спортивный Су-26, имеющий ферменный стальной фюзеляж и стеклопластиковую обшивку на нем (стеклопластиковые панели с пенопластовым заполнителем).

Силовая конструкция самолета Су-26.

Немного геодезии.

Существует еще один тип конструктивно-силовой схемы, применявшийся в 30-х годах при изготовлении самолетов, правда значительно реже классических схем. Это так называемая геодезическая конструкция планера, то есть фюзеляжа и крыла.

В этой конструкции силовые элементы, воспринимающие нагрузки, располагаются вдоль геодезических линий. Для фюзеляжа, который по форме близок к цилиндру – это винтовые линии (спирали) и окружности. В итоге образуется сетчатая конструкция с узлами соединения элементов в многочисленных точках пересечения.

Она воспринимает крутящий момент и перерезывающие силы. Изгибающий момент воспринимают дополнительные лонжероны в фюзеляже. Силовыми элементами в этом случае служат легкие и тонкие профили. Вся конструкция отличается высокой прочностью при относительно малой массе.

Бомбардировщик Vickers Wellington.

Боевые повреждения фюзеляжа самолета Vickers Wellington.

Кроме того, она в отличие от ферменной схемы полностью оставляет свободными все внутренние полости фюзеляжа, что былохорошим плюсом особенно для больших самолетов. Также при постройке такой конструкции легче было соблюсти требуемые аэродинамические формы без больших затрат на приспособления и инструменты.

Геодезическая схема также могла быть полезна для повышения боевой живучести военных самолетов. Так как каждый элемент конструкции мог воспринимать нагрузки других элементов при их разрушении, то боевое повреждение часто не вело к фатальному разрушению всей конструкции.

По такой схеме, например, был построен британский бомбардировщик Vickers Wellington (производился в 1936-1945 годах). Однако, обшивка в этой схеме была неработающая (на Веллингтоне полотняная). С ростом скоростей полета она не выдерживала аэродинамических нагрузок, и профиль крыла деформировался. Это стало одной из причин отказа от такой схемы уже в послевоенное время.

Немного более конкретно о силовых элементах.

Продольный силовой набор.

Стрингеры. Продольные силовые элементы для подкрепления обшивки. Работают вместе с обшивкой на растяжение-сжатие, а также увеличивают ее устойчивость при работе на сдвиг от кручения фюзеляжа. Обычно устанавливаются по всей длине фюзеляжа.

Профили стрингеров и лонжеронов.

Изготавливаются из готовых профилей различной конфигурации, как замкнутой, так и разомкнутой и могут иметь различные уровни прочности. Материал — дюралюминий различных марок (например Д16 и В95), в зависимости от конкретных преобладающих условий работы стрингера.

Лонжероны (балки). В общем-то похожи на стрингеры, но имеют более мощное сечение. Часто являются одним из основных конструктивных элементов, не только фюзеляжа, но и крыла и хвостового оперения, применяются, в принципе во многих инженерных конструкциях, а не только в авиации. Многие наверняка слышали о об автомобильных лонжеронах.

Бимс в конструкции полумонокока.

Основная функция – восприятие изгибающего момента и осевых сил, т.е. работа на растяжение-сжатие.Однако, лонжерон коробчатого сечения может участвовать и в восприятии крутящего момента. Лонжероны могут быть цельными или составными, состоящими из нескольких профилей. Материал – алюминиевые сплавы и сталь различных марок.

Коробчатые лонжероны, одна из стенок которых – обшивка, часто располагают по окантовке больших вырезов в фюзеляже для их усиления. Например, в районе грузового люка на транспортных самолетах. Такие лонжероны называют бимсы.

К вспомогательному продольному силовому набору можно отнести также полы, в частности  в отсеках транспортных самолетов и салонах пассажирских самолетов, основу которых составляют силовые балки.

Поперечный силовой набор.

Шпангоуты. У этого элемента две основные функции. Первая – формирование и сохранение формы фюзеляжа, точнее его поперечного сечения. Для этого предназначены нормальные шпангоуты. Они подкрепляют обшивку, то есть нагружаются внешним аэродинамическим или внутренним избыточным давлением, приходящимся на обшивку фюзеляжа. Шаг их расположения выбирается из соображений ее наиболее эффективной работы. Обычно это интервал от 150 до 600мм.

Фюзеляж-полумонокок самолета Sukhoi Superjet 100. Нормальные шпангоуты и стрингеры.

Вторая – восприятие различных сосредоточенных нагрузок большой величины типа узлов крепления и соединения тяжелого внутреннего и внешнего оборудования, двигателей, различных пилонов и подвесок, присоединение консолей крыла. Это усиленные (силовые) шпангоуты. Их количество на летательном аппарате обычно значительно меньше, чем нормальных.

Примеры усиленных рамных шпангоутов.

Силовые шпангоуты обычно изготавливаются в виде рамы (рамные), которая может быть сборной или монолитной. Сама рама работает на изгиб, распределяя внешнюю нагрузку по периметру обшивки. В любом сечении такой рамы действует и перерезывающая сила.

Усиленный рамный шпангоут с узлами крепления крыла к фюзеляжу.

Силовые шпангоуты также  могут располагаться по краям больших вырезов в фюзеляже. Кроме того они используются в качестве перегородок, воспринимающих избыточное давление в гермоотсеках. В этом случае кольцевое пространство чаще всего зашивают стенкой, подкрепленной силовыми элементами типа стрингеров. Эти стенки могут иметь сферическую форму.

Обшивка. Такой же силовой элемент, участвующий в силовой работе всего фюзеляжа балочного типа. Для основной массы современных балочных фюзеляжей изготавливается из стандартных листов дюралюминия, которые формуются по очертаниям фюзеляжа. Стыковка (или нахлест) листов производится на силовых элементах (стрингерах, шпангоутах).

Наиболее распространенный способ крепления обшивки к силовому каркасу– заклепочные соединения, но может применяться сварка и склейка. Обшивка может крепиться только к продольному набору (стрингерам), только к поперечному (шпангоутам) или к тем и другим. Это, зачастую, может определять необходимую толщину (т.е. и массу) обшивки.

Первый случай хорош с точки зрения улучшения аэродинамики, так как отсутствуют вертикальные заклепочные швы и, соответственно, уменьшается аэродинамическое сопротивление. Однако, при этом обшивка с ростом нагрузок быстрее теряет устойчивость.

Чтобы этого избежать и не увеличивать ее толщину, а значит и массу всей конструкции, ее соединяют со шпангоутами. Это может делаться непосредственно или через специальные дополнительные элементы, называемые компенсаторами. В таком случае шпангоуты называют распределительными. Они дополнительно нагружаются от обшивки внутренним избыточным давлением, действующим на нее.

Второй случай, когда обшивка крепится только к шпангоутам и не подкреплена стрингерами, относится к фюзеляжам-монококам или как еще их называют обшивочным фюзеляжам. Как уже упоминалось раньше, обшивка сама по себе плохо работает на сжатие, поэтому прочность такого фюзеляжа определяется возможностями по сохранению устойчивости обшивки именно в зонах сжатия.

Чтобы эти возможности повысить для монокока есть только один способ – увеличить толщину обшивки, а значит и массу всей конструкции. Если самолет большой, то это увеличение может быть значительным. Это основная причина невыгодности фюзеляжа такого типа.

Толщина обшивки может также изменяться в разных сечениях фюзеляжа  в зависимости от наличия вырезов (особенно это касается стрингерных фюзеляжей), или гермоотсеков с избыточным давлением.

Кроме того она может зависеть от места расположения обшивки на фюзеляже. Например, при воздействии собственной весовой нагрузки верхняя часть обшивки фюзеляжа работает на растяжение всей своей площадью совместно со стрингерами, а нижняя часть при этом на сжатие только площадью, подкрепленной стрингерами, поэтому и потребная толщина сверху и снизу может быть разная.

В настоящее время довольно широко применяются в качестве обшивки механически (фрезерование) или химически (травление) обработанные листы больших размеров с готовой уже переменной толщиной, а также монолитные фрезерованные панели необходимой переменной толщины с выфрезерованными подкрепляющими продольными ребрами-стрингерами.

Фрезерованные панели обшивки самолета Sukhoi Superjet 100.

Такого рода конструктивные узлы обладают большей усталостной прочностью, равномерным распределением напряжений. Отсутствует необходимость многоместной герметизации, как в заклепочных соединениях. Кроме того улучшается аэродинамика из-за снижения сопротивления в результате гораздо меньшего количества заклепочных швов.

Что касается материалов, то самым распространенным и универсальным, как уже говорилось выше, остается дюралюминий различных марок, более или менее приспособленный для различных условий работы и конструктивно-силовых схем и элементов летательных аппаратов.

Однако, при постройке самолетов, работающих в особых условиях (например, при высоком кинетическом нагреве) применяется сталь особых марок и титановые сплавы. Ярким представителем таких самолетов является легендарный МиГ-25, фюзеляж которого практически целиком сделан из стали и главный способ соединения его элементов – сварка.

—————————

Столь же значимыми, как и фюзеляж элементами любого самолета являются крыло и оперение. В силовом плане они также воспринимают усилия и передают их на фюзеляж , на котором все нагрузки уравновешиваются. Конструктивно-силовые схемы крыльев современных самолетов имеют много общего со схемами фюзеляжей. Но с этим мы ознакомимся уже в следующей статье на подобную тему….

До новых встреч.

В заключение картинки, которые не поместились в текст.

Шпангоуты фюзеляжа самолета F-106 Delta Dart (усиленные рамные и нормальные).

Рамные силовые шпангоуты фюзеляжа самолета F-16 с узлами крепления оборудования.

Силовой шпангоут для гермоотсека самолета Sukhoi Superjet 100.

Усиленный шпангоут в виде стенки гермоотсека.

Составные рамные шпангоуты.

Стрингеры и шпангоуты самолета Вoeing-747.

Ферменный каркас фюзеляжа самолета Piper PA-18.

Самолет Piper PA-18.

Типы конструктивно-силовых схем фюзеляжа; 1 — ферменная, 2 — ферменная с гофрированной обшивкой, 3 — монокок, 4 — полумонокок.

Су-26М.

Типы конструкции фюзеляжей.

Фюзеляж самолета Supermarine Spitfire. Полумонокок.

Фюзеляжи самолетов Vickers Wellington в заводском цеху.

Сборник иллюстраций по курсу конструкций самолетов. Фюзеляж. Управление самолетом.

<< | >>

ФЮЗЕЛЯЖ

Классификация фюзеляжей, фиг 81, 82, 83

Фюзеляж самолета Як-1, фиг 84, 85, 86

Фюзеляж геодезической конструкции, фиг 87

Фюзеляж самолета ЛаГГ-3, фиг 88, 89, 90

Виды фюзеляжей, фиг 91, 92

Фюзеляж самолета Ли-2, фиг 93, 94

Фюзеляж самолета DH-98 «Москито», фиг 95, 96, 97

Детали конструкции фюзеляжа, фиг 98-101

Детали конструкции фюзеляжа, фиг 102-105

Фюзеляж самолета МиГ-3, фиг 106, 107

Самолет Ли-2, фиг 108, 109

Расположение кресел в кабине, главная дверь, фиг 110, 111

Кресла самолетов, фиг 112-117

Схема вентиляции и обогрева, фиг 118, 119

Герметические кабины, фиг 120, 121, 122

Способы герметизации, фиг 123, 124, 125

ОРГАНЫ УСТОЙЧИВОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ

Типы хвостового оперения, фиг 126-131

Сервокомпенсатор, триммер. Хвостовое оперение Як-1, фиг 132-137

Хвостовое оперение самолета Пе-2, фиг 138-141

Горизонтальное оперение, элерон, фиг 142, 143

Конструкция элерона, фиг 144, 145, 146

УПРАВЛЕНИЕ САМОЛЕТОМ

Управление самолетом, фиг 147-152

Схема управления самолетом Ил-12, фиг 153-155

Ручки управления самолетами Як-1, Мустанг, фиг 156-159

Ручка управления ЛаГГ-3, штурвал Пе-2, фиг 160-162

Двойное управление самолетом, фиг 163, 164

Конструктивные формы элементов управления самолетом, фиг 165-167

Конструктивные формы элементов управления самолетом, фиг 168-170

Механизмы управления самолетом, фиг 171-173

Механизмы управления самолетом, фиг 174-176

Схемы механизмов управления самолетом, фиг 177, 178

<< | >>

Устройство самолета для чайников. Схема устройства самолета

Элементы управления

В конструкции самолета важную роль играют рулевые поверхности. Руль высоты представляет собой подвижный задний элемент стабилизатора. Если этот узел оборудован парой консолей, то и рулей будет два. Они синхронно отклоняются вниз либо вверх, помогают изменять высоту полета планера.

Элероны – это подвижные части консолей крыльев. Они позволяют относительно продольной оси. Работа элементов осуществляется синхронно, отклонение каждой детали происходит в разные стороны.

Руль направления представляет собой активную часть киля, служит для стабилизации аппарата по вертикали. Вращение в противоположную сторону от направления руля происходит до того момента, пока пилот не вернет штурвал в нейтральную позицию.

Крепление агрегатов самолёта к фюзеляжу

Узлы крепления агрегатов к фюзеляжу устанавливаются на усиленных шпангоутах, которые выполняют роль жесткого диска, обеспечивая распределение сосредоточенных нагрузок по всему периметру оболочки фюзеляжа. Для передачи сосредоточенных нагрузок продольного направления стыковые узлы агрегатов должны быть связаны с усиленными продольными элементами фюзеляжа. Для уменьшения массы конструкции фюзеляжа всегда желательно уменьшать число усиленных шпангоутов, размещая на одном шпангоуте узлы крепления нескольких агрегатов.

Крепление крыла и стабилизатора

Принципиальной особенностью стыка крыла с фюзеляжем является способ уравновешивания изгибающих моментов консолей крыла в этом стыке. Наиболее рациональным считается уравновешивание изгибающих моментов левой и правой консоли крыла на центроплане, пропущенном через фюзеляж. Для лонжеронных крыльев с этой целью достаточно пропустить через фюзеляж только лонжероны, на которых и произойдёт уравновешивание изгиба.

Для кессонных и моноблочных крыльев через фюзеляж обязательно должны пропускаться целиком все силовые панели крыла.

В том случае, когда по компоновочным причинам пропуск через фюзеляж силовых элементов крыла невозможен, замыкание изгибающих моментов слева и справа должно выполняться на силовых шпангоутах фюзеляжа. Такое решение применимо лишь для лонжеронных крыльев, у которых число лонжеронов невелико. Кессонные и моноблочные крылья требуют большого числа силовых шпангоутов для замыкания силовых панелей, что конструктивно выполнить очень трудно. В этом случае следует отказаться от указанных силовых схем крыла и перейти на лонжеронную схему.

Перерезывающая сила крыла с каждой его половины должна передаваться на фюзеляж. С этой целью стенки лонжеронов и дополнительные продольные стенки крыла стыкуются с силовыми шпангоутами. На эти же силовые шпангоуты обычно опираются и бортовые нервюры крыла, которые, собирая с замкнутого контура крыла крутящий момент, передают его на эти опорные шпангоуты. Часто для передачи крутящего момента обшивка крыла и фюзеляжа соединяется по контуру стыковочным уголковым профилем.

Крепление стабилизатора к фюзеляжу принципиально ничем не отличается от схемы стыковки крыла. Ось вращения управляемого стабилизатора обычно закрепляется на одном или двух силовых шпангоутах фюзеляжа.

Крепление киля

Крепление к фюзеляжу требует обязательной передачи его изгибающего момента на фюзеляж. С этой целью каждый лонжерон киля соединяется с силовым шпангоутом стеночной или рамной конструкции.

Если позволяют условия компоновки, то используется «мачтовая» заделка лонжерона в двух точках, разнесённых по высоте силового шпангоута. Стреловидный лонжерон киля имеет излом в точке пересечения с силовым шпангоутом, что требует обязательной постановки в этом сечении бортовой усиленной нервюры или усиленной балки на фюзеляже. От них можно избавиться, если силовой шпангоут поставить наклонно к оси фюзеляжа так, чтобы его плоскость являлась продолжением плоскости стенки лонжерона киля. Но такое решение вызывает значительные технологические трудности при изготовлении наклонного шпангоута и сборке фюзеляжа.

Крепление шасси и двигателей к фюзеляжу

Крепление двигателей к фюзеляжу осуществляется как внутри к усиленным элементам каркаса, так и снаружи на специальных пилонах. Крепление пилонов к фюзеляжу подобно креплению стабилизатора или крыла.

Вырезы

Центральная часть фюзеляжа самолета включает в себя отверстия под окна, двери, люки, фонари, ниши шасси. Все эти вырезы нарушают замкнутость контура обшивки. Соответственно, существенно снижается устойчивость и прочность каркаса. Для компенсации потерь по контурам отверстий пропускают рамную жесткую окантовку. При небольших размерах вырезов она представляет собой монолитную конструкцию. Ее выполняют из листа, изготовленного штамповкой или иным способом. Крупные отверстия окантовываются по торцам усиленными шпангоутами. В продольном направлении устанавливают бимсы. При этом они не заканчиваются в пределах выреза, а выходят за усиленные шпангоуты. Так обеспечивается жесткая закладка продольных деталей. Ниши шасси закрепляются на усиленных шпангоутах и лонжеронах в нижней части корпуса.

Нагрузки

Разъясняя, что такое фюзеляж самолета (фото, представленное в статье, иллюстрирует его особенности), необходимо сказать о воздействиях, которые он испытывает. При посадке и в полете на этот компонент действуют:

1. Силы, передающиеся от присоединенных компонентов. К ним, в частности, относят крылья, шасси, оперение, силовую установку и пр.
2. Массовое инерционное воздействие оборудования, грузов, агрегатов, которые находятся непосредственно в нем.
3. Аэродинамические силы, которые распределены по поверхности.
4. Инерционное воздействие собственной массы. Его оказывает сама конструкция фюзеляжа самолета.
5. Силы излишнего давления в отсеках оборудования, герметичных кабинах.

Все указанные нагрузки полностью сбалансированы. Рассматривая, что такое фюзеляж самолета в рамках строительной механики, можно представить его в виде коробчатой балки. В любом сечении на нее воздействуют горизонтальные и вертикальные силы, крутящий момент. В герметичных отсеках к ним добавляется излишнее внутреннее давление.

Шпангоуты

Они могут быть усиленными или обычными. Последние обеспечивают сохранность формы поперечного сечения модуля. Усиленные шпангоуты используются на участках скопления больших нагрузок на корпус. На них находятся узлы, стыкующие агрегаты, закрепляющие грузы, крупное оборудование, двигатели и пр. Усиление устанавливают также по границам крупных вырезов в корпусе. Обычные шпангоуты имеют, как правило, рамную конструкцию. Они изготавливаются из штампованного или гибкого листа. Усиленные элементы выполняют в форме замкнутой рамы швеллерного или двутаврового сечения. Касательный поток выступает как опорная реакция. Рама распределяет внешнее воздействие по всему периметру. Сама же она действует на изгиб. Он определяет ее сечение. Конструкция такой рамы монолитная или сборная. На участках установки перегородок усиленный шпангоут зашивают стенкой полностью. Она подкрепляется горизонтальными и вертикальными профилями. Обшивка шпангоута может осуществляться также сферической оболочкой. Подкрепляющие элементы при этом располагаются радиально.

Фюзеляж

А теперь рассмотрим основные конструктивные части лайнера. Начнем с фюзеляжа.

Фюзеляж – это корпус, который состоит из разных частей. В нем размещаются пассажиры, экипаж, здесь есть багажный отсек, куда складываются вещи. Фюзеляж – это достаточно сложная система, которая должна быть прочной и герметичной. Если его обшивка в полете разрушается, то это может привести к человеческим жертвам, поэтому обеспечению герметичности фюзеляжа уделяют много внимания при конструировании судна. Если сильно обобщить, то это герметичная «коробка», где находятся пассажиры, оборудование, груз. Именно эту ее и нужно из точки «А» перегнать в точку «Б».

Крылья

Крылья или крыло (часто в самолетах всего одно крыло, которое ошибочно принимают за два) – устройство самолета, которое обеспечивает аэродинамическую устойчивость лайнера и позволяет им управлять. Благодаря крыльям также обеспечивается аэродинамическая подъемная сила.

Принцип их действия основан на третьем законе Ньютона: частицы воздуха сталкиваются с нижней поверхностью крыла, отскакивают вниз, толкая при этом крыло вверх. Вместе с ним вверх направляется сам самолет. Регулировать подъемную силу позволяют закрылки (оперение) крыльев. Угол их поднятия изменяет пилот из кабины.

Планер

Основная статья: Планер самолёта

Обычно планер самолёта включает фюзеляж, крыло, хвостовое оперение, шасси и гондолы, куда помещают двигательные установки или другие агрегаты. Этот набор элементов характерен для классической конструктивной схемы. Некоторые элементы могут отсутствовать в других конструктивных схемах.

Компоновочные схемы

На сегодняшний день различают следующие компоновочные схемы самолётов:

• классическая компоновка
• бесхвостка
• утка
• летающее крыло
• продольный триплан (с передним и хвостовым горизонтальным оперением)
• тандем (два крыла расположены друг за другом)
• конвертируемая (Ту-144)

Фюзеляж

Основная статья: Фюзеляж

Различные типы фюзеляжей

Фюзеляж является «телом» самолёта. В нём располагаются кабина экипажа, основные топливные баки, системы управления и контроля, пассажирские салоны и багажные отсеки (в пассажирских самолётах) или грузовые отсеки (в грузовых самолётах), оружие (в боевых самолётах) и так далее. Конструктивно-силовая схема фюзеляжа, как правило, состоит из продольных элементов (лонжеронов и стрингеров), поперечных элементов (шпангоутов) и обшивки (металлических (чаще дюралюминиевых) листов).

Пассажирские самолёты разделяют на узко- и широкофюзеляжные. У первых диаметр поперечного сечения фюзеляжа составляет в среднем 2-3 метра. Диаметр широкого фюзеляжа — не менее шести метров. Все широкофюзеляжные самолёты — двухпалубные: на верхней палубе располагаются пассажирские места, на нижней — багажные отсеки. Существуют самолёты с двумя пассажирскими палубами — Airbus A380 и Боинг 747.

Крыло

Основная статья: Крыло самолёта

Ил-76, высокоплан с Т-образным оперением

Крыло является ключевой частью в конструкции самолёта, оно создаёт подъёмную силу: профиль крыла устроен таким образом, что консоль разделяет набегающий на самолёт поток воздуха. Над верхней кромкой крыла образуется область низкого давления, одновременно под нижней — область высокого давления, крыло «выталкивается» наверх, и самолёт поднимается.

Крыло чаще всего крепится к фюзеляжу:

• через центроплан, расположенный в нижней части фюзеляжа у низкопланов (Ил-96, Ту-96, Airbus A380 и Боинг 747)
• или — у высокопланов — в верхней части фюзеляжа (Ил-76, Ан-22, Ан-124-Руслан, Ан-225-Мрия, C-130 Hercules).

Крепление крыла непосредственно к центральной части фюзеляжа без центроплана характерно для боевых самолётов (Ту-22М).
Самолёт также может иметь два, три и более крыла. Чаще всего у самолётов, имеющих два крыла — бипланов — одно крыло крепится к верхней части фюзеляжа, а другое — к нижней (Ан-2).

На крыле установлено множество отклоняющихся меньших консолей (механизации): закрылки, предкрылки, спойлеры, элероны, интерцепторы и другие. Они позволяют регулировать перемещение самолёта в трёх плоскостях, путевую скорость и некоторые другие параметры полёта. На современных самолётах на крыльях часто устанавливаются вертикальные законцовки, уменьшающие завихрения воздуха на кончиках крыла, снижая уровень вибрации, и, как следствие, экономя топливо. Внутри крыльев (у крупных самолётов), как правило, установлены топливные баки. У самолётов-истребителей дополнительные топливные баки нередко подвешиваются к специальным вертикальным консолям-креплениям.

Аэродинамические свойства крыла определяются его геометрией: размахом, площадью, а также углом и направлением стреловидности. Существуют самолёты с изменяемой геометрией крыла (самолёты с крылом изменяемой стреловидности).

Оперение

Основная статья: Оперение (авиация)

Оперение устанавливается в хвостовой или носовой части фюзеляжа. Хвостовое оперение в большинстве случаев представляет собой вертикально расположенный киль (или несколько килей — как правило два киля) и горизонтальный стабилизатор, близкие по конструкции к крылу. Киль регулирует путевую устойчивость самолёта (по оси движения), а стабилизатор — продольную (т. е. устойчивость по тангажу).

Горизонтальное оперение устанавливается на фюзеляже (Ил-86) или на верху киля (T-образная схема (Ту-154, Ил-76)). Киль устанавливается на фюзеляж или в двухкилевой схеме — на обоих кончиках цельного стабилизатора (Ан-225). На некоторых боевых самолётах дополнительное оперение устанавливается в носовой части фюзеляжа (). Для обеспечения достаточной путевой устойчивости на высоких скоростях, сверхзвуковые самолёты имеют непропорционально большой киль (Ту-22М3) или два киля (Су-27, МиГ-25, F-15).

Системы бортового оборудования

Основная статья: Авионика

Колесо в разрезе, видны тормозные диски.

Современные летательные аппараты оснащены весьма сложным и разнообразным оборудованием, которые позволяют выполнять полёты при любых условиях. По действующей документации (Федеральные Авиационные Правила), оборудование летательных аппаратов включает: Авиационное оборудование (АО), Радиоэлектронное оборудование (РЭО), Авиационное вооружение (АВ) — для военных машин.

Системы бортового оборудования большинства летательных аппаратов включают:

• Навигационный (НК), навигационно-пилотажный (НПК) или прицельно-навигационный пилотажный комплекс (ПрНК).
• Автопилот (АП), система автоматического управления (САУ) или комплекс аппаратуры автоматической бортовой системы управления (АБСУ).
• Системы оборудования силовых установок (СУ).
• Система предупреждения о столкновении
• Система бортового электроснабжения (БЭС).
• Противообледенительная система (ПОС)
• Противопожарная система (ППС)
• Приборное оборудование
• Радионавигационное оборудование (РНО)
• Радиосвязное оборудование (РСО)
• Бортовые средства объективного контроля (БСОК)
• Светотехническое оборудование
• Система кондиционирования (СКВ) и жизнеобеспечения
• Высотное и кислородное оборудование
• Аварийно-спасательное оборудование
• Бытовое оборудование

В летательных аппаратах военного назначения могут устанавливаться:

• Радиолокационные и телевизионно-оптические прицельные системы
• Системы радиоэлектронного противодействия
• Системы и ИК-разведки
• Системы закрытой кодированной связи

и многое другое.

Общие сведения

Являясь строительной основой конструкции самолёта, он объединяет в силовом отношении в единое целое все его части. Основным требованием к фюзеляжу является выполнение им своего функционального назначения в соответствии с назначением самолёта и условиями его использования при наименьшей массе конструкции фюзеляжа.

Выполнение этого требования достигается:

• выбором таких внешних форм и значений параметров фюзеляжа, при которых получаются минимальное его лобовое сопротивление и наибольшие полезные объёмы при определившихся габаритах;
• использованием несущих фюзеляжей, создающих значительную (до 40 %) подъёмную силу в интегральных схемах самолёта (например, Ту-160). Это позволяет уменьшить площадь крыла и снизить его массу;
• рациональным использованием полезных объёмов за счёт повышения плотности компоновки, а также за счёт более компактного размещения грузов вблизи ЦМ. Последнее способствует уменьшению массовых моментов инерции и улучшению характеристик маневренности, а сужение диапазона изменения центровок при различных вариантах загрузки, выгорании топлива, расходе боеприпасов обеспечивает большую стабильность характеристик устойчивости и управляемости самолёта;
• согласованием силовой схемы фюзеляжа с силовыми схемами присоединённых к нему агрегатов. При этом необходимо обеспечить: надёжное крепление, передачу и уравновешивание нагрузок от силовых элементов крыла, оперения, шасси, силовой установки на силовых элементах фюзеляжа; восприятие массовых сил от целевой нагрузки, оборудования и от конструкции фюзеляжа, а также от аэродинамической нагрузки, действующей на фюзеляж, и нагрузки от избыточного давления в гермокабине.
• Должно быть обеспечено удобство подходов к различным агрегатам, размещён­ным в фюзеляже, для их осмотра и ремонта; удобство входа и выхода экипажа и пассажиров, выброса десантников и вооружения, удобство погрузки, швартовки и выгрузки предназначенных для перевозки грузов. Пассажирам и экипажу должны быть обеспечены необходимые жизненные условия и определённый уровень комфорта при полёте на большой высоте, тепло- и звукоизоляция кабин, возможность быстрого и безопасного аварийного покидания самолёта, экипажу — хороший обзор.

Нагрузки, действующие на фюзеляж

В полёте и при посадке на фюзеляж действуют следующие нагрузки:

• силы, передающиеся на фюзеляж от присоединённых к нему частей самолёта — крыла, оперения, шасси, силовой установки и др.,
• массовые инерционные силы агрегатов, грузов, оборудования, расположенных в фюзеляже, и инерционные силы от собственной массы конструкции фюзеляжа,
• аэродинамические силы, распределённые по поверхности фюзеляжа,
• силы избыточного давления в герметических кабинах, отсеках оборудования, каналах воздухозаборников.

Перечисленные нагрузки с учётом полностью уравновешены на фюзеляже.

С точки зрения строительной механики фюзеляж можно рассматривать как коробчатую балку, закреплённую на крыле и загруженную перечисленными выше нагрузками. В любом сечении такой балки действуют вертикальные и горизонтальные составляющие перерезывающих сил, изгибающих моментов, а также крутящий момент. В герметичных отсеках к этим нагрузкам добавляются усилия от избыточного внутреннего давления.

Классификация

По назначению самолеты подразделяются на гражданские и военные образцы. Главные части первого варианта оборудуются пассажирским или грузовым отсеком. Они занимают большую часть внутренней площади фюзеляжа.

Виды небоевых самолетов:

1. Местные пассажирские перевозчики. Дальность их полета составляет от двух до десяти тысяч километров, а межконтинентальная категория преодолевает свыше 11 тысяч км.
2. Грузовые модели делятся на легкую, среднюю и тяжелую группу. В зависимости от квалификации, они способны транспортировать от 10 до 40 тонн груза.
3. Специальные летательные аппараты. Применяются для санитарных, аграрных, разведывательных, противопожарных нужд, а также в качестве аэрофотосъемочных агрегатов.
4. Учебные модификации.

Военные вариации не имеют такого комфортного оснащения салона. Основную часть фюзеляжа занимают комплексы вооружения, разведывательное оборудование, боеприпасы и специальные вспомогательные средства. Подразделение армейских планеров по классам: военно-транспортные модели, истребители, штурмовики, бомбардировщики, разведчики.

Устройство летательных аппаратов зависит от аэродинамической схемы, по которой они выполнены. Она характеризуется количеством основных элементов и расположением несущих поверхностей. Если носовая у большинства моделей похожа, то расположение и геометрия крыльев, хвостовой части могут сильно разниться.

Основной принцип

В теории нет ничего сложного в устройстве самолета, благодаря которому тот взлетает в воздух. Главный элемент лайнера – это его двигатели, которые обеспечивают большую тягу, позволяющую разогнать машину до огромных скоростей. Именно за счет большой скорости самолет и взлетает. Итак, два двигателя разгоняют машину на взлетно-посадочной полосе, из-за чего самолет набирает высокую скорость. Затем закрылки на крыльях опускаются вниз. Они воспринимают большую нагрузку встречного воздуха, из-за чего возникает большая подъемная сила, которая и отрывает лайнер от земли.

То есть, два двигателя разгоняют самолет, закрылки на крыльях позволяют изменить вектор тяги и направить лайнер вверх. Вот так в двух словах можно описать устройство самолета для чайников.

Шасси

Основная статья: Шасси летательного аппарата

С помощью шасси самолёт осуществляет взлёт и посадку, руление, стоянку. Шасси представляет собой демпферную стойку, к которой крепится колёсная тележка (у гидропланов — поплавок). В зависимости от массы самолёта различается конфигурация шасси. Наиболее часто встречающиеся: одна передняя стойка и две основных (Ту-154, А320), одна передняя и три основных (Ил-96), одна передняя и четыре основных (Боинг 747), две передних и две основных (B-52). Для ранних самолётов было характерно устанавливать две основных стойки и небольшое вращающееся колесо непосредственно под килем без стойки (Ли-2). Также уникальную схему шасси имеет Ил-62: одна передняя стойка, две основных и выдвигающаяся штанга с одной колёсной парой в самом хвосте для устойчивости при разгрузке-погрузке. На самых первых самолётах стоек не было вообще, а колеса крепились на обыкновенную ось.

Колёсные тележки могут иметь различное количество колёсных пар: от одной (А320) до семи ().

Управление поворотом самолёта на земле может осуществляться через привод к передней стойке шасси или дифференциацией режима работы двигателей (у самолётов с более чем одним двигателем). В полёте шасси убираются в специальные отсеки для уменьшения аэродинамического сопротивления.

Фюзеляжи — обзор | Темы ScienceDirect

10.2.1 Философия проектирования и требования к ударопрочности планера

Конструкции фюзеляжа самолета спроектированы таким образом, чтобы выдерживать удар в сценариях выживаемости при столкновении, в соответствии с принципами, установленными в ходе краш-тестов и разработанными в исследовательских программах на протяжении нескольких десятилетий, как обсуждалось в ACSDG [1 , 11–13]. Основные требования при столкновении заключаются в том, что энергия удара должна поглощаться нижней частью фюзеляжа, в то время как пассажирская кабина остается нетронутой, чтобы обеспечить безопасную эвакуацию пассажиров.В случае крушения самолет будет иметь как горизонтальную, так и вертикальную составляющие скорости. Кинетическая энергия, связанная с горизонтальным компонентом, в основном поглощается трением между скользящей конструкцией и землей, включая структурные повреждения и возможную деформацию почвы во время скольжения. Ударные нагрузки, связанные с вертикальной составляющей скорости удара, должны поглощаться в основном контролируемой деформацией и разрушением конструкции. Хотя для самолетов с неподвижным крылом и многих сценариев столкновения винтокрылых аппаратов горизонтальная составляющая скорости обычно будет намного выше, чем вертикальная составляющая при столкновении, именно вертикальные ударные нагрузки являются более критичными для пассажиров и требуют концепций дизайна, заслуживающих удара.

Повышенная безопасность планера и пассажиров достигается за счет разработки системы управления авариями, которая зависит от типа воздушного судна. Большой транспортный самолет с грузовым отсеком большого объема под полом кабины способен поглощать энергию удара за счет контролируемой пластической деформации нижней части фюзеляжа и вертикальных стоек грузового отсека. Однако легкие самолеты авиации общего назначения с неподвижным крылом, небольшие пассажирские самолеты и винтокрылые летательные аппараты имеют небольшую разрушаемую конструкцию корпуса под пассажирским полом.Здесь требуется системный подход, включающий шасси, энергопоглощающие конструкции основания пола, надежный защитный кожух кабины, ударопрочные сиденья, удерживающие системы пассажиров, аварийные топливные системы и т. Д. На рисунке 10.1 показаны принципы концепции ударопрочности таких самолетов на основе жесткой конструкции. для защиты кабины и людей, состоящих из каркасов и продольных балок, поддерживающих внешнюю обшивку и пол кабины. Под полом кабины находится структура основания пола из килевых балок и боковых переборок, образующих ящики для пола, высота которых может достигать 200 мм, а элементы балки спроектированы таким образом, чтобы разрушаться и поглощать энергию удара.При вертикальных ударных нагрузках каркас и каркасные конструкции над полом кабины необходимы для обеспечения живучести пространства кабины с сохранением высокой массы для предотвращения проникновения двигателей, трансмиссий, ступиц ротора, крыльев и т. Д. Конструкции основания пола предназначены для сохранения структурной целостности пола кабины. , поглощают энергию удара и уменьшают импульсы динамической нагрузки, передаваемые пассажирам через пол кабины.

Рисунок 10.1. Концепция дизайна ударопрочной конструкции планера [11].

Проектирование безопасных, устойчивых к ударам конструкций основания пола зависит от тяжести аварии и того, что считается выживаемым при аварии.Для больших гражданских транспортных самолетов требования к ударопрочности изложены в параграфах 25.561, 25.562, [3,4] CFR и CS, в которых говорится, что при аварийной посадке конструкция самолета должна ограничивать замедление, испытываемое пассажирами, поддерживать жизнеспособное пространство. , предотвратите травмы от незакрепленных предметов массы и обеспечьте путь эвакуации. Однако 25.561 не определяет выживаемую скорость столкновения, которая должна быть получена из опыта эксплуатации данного типа самолета, такого как данные об авариях или краш-тестах секции фюзеляжа.Для новых самолетов из композитных материалов, таких как Boeing 787, это определено в Специальном положении SC 25-07-05-SC [14], которое требует, чтобы фюзеляж из композитных материалов имел эквивалентный уровень безопасности по сравнению с существующими металлическими самолетами. Испытания на падение фюзеляжа на металлических транспортных самолетах, см., Например, [15], показали, что вертикальная скорость падения 9,2 м / с (30 футов / с) является допустимой, что становится требуемым пределом живучести для конструкции самолета Boeing 787. Параграф 25.562 требует более строгих испытаний пассажирских сидений и систем привязных ремней с указанными ограничениями критериев травм пассажиров при вертикальной скорости столкновения 10.7 м / с (35 футов / с) и горизонтальная скорость 13,4 м / с (44 фут / с).

Соответствующие структурные требования к ударопрочности для гражданских вертолетов — параграфы 27.561 CFR и CS для малых винтокрылых аппаратов и 29.561 для транспортных винтокрылых аппаратов [3,4]. Кроме того, сиденья и удерживающие системы должны удовлетворять требованиям 27.562, 27.785 для малых винтокрылых аппаратов и 29.562, 29.783 и 29.785 для транспортных винтокрылых аппаратов. В соответствии с этими пунктами винтокрылый аппарат может быть поврежден в условиях аварийной посадки на суше или на воде, однако планер должен быть рассчитан на такие нагрузки, чтобы находящийся в нем человек был защищен от серьезных травм.В кабине должны находиться люди и предметы с массой не более 20 г по вертикали и 16 г по горизонтали. Инерционные нагрузки с пониженным коэффициентом 12 g по горизонтали и 12 g по вертикали применяются к объектам большой массы, таким как двигатели, коробки передач и роторы. В транспортных вертолетах планер должен также обеспечивать защиту от разрушения основания цистерны, если цистерны подвергаются ударным нагрузкам. Сохраняемые условия аварийной посадки пассажира указаны в параграфах 27.562 и 29.562 в форме испытаний на соответствие сидений и удерживающих систем с помощью манекена для антропоморфных испытаний (ATD) массой 77 кг.Указаны два условия столкновения: 12,8 м / с (42 фут / с) по горизонтали при номинальном положении сиденья и 9,1 м / с (30 футов / с) по вертикали для сиденья, наклоненного вверх под углом 60 ° к направлению удара. Критерии травм персонала, такие как ускорение головы с максимальным коэффициентом HIC 1000, предел нагрузки на пиломатериалы 6,7 кН и т. Д., Указаны и измеряются при испытаниях сиденья. Для военных вертолетов требования к ударопрочности указаны в стандартах MIL-STD-1290A [2] и ADS-36 [16], которые основаны на ACSDG [1]. Условия удара в стандарте MIL-STD-1290A требуют живучести пассажира при вертикальной скорости удара 12.8 м / с (42 фут / с) на жесткой поверхности, хотя конструкция самолета может быть повреждена. Это более тяжелые условия столкновения, чем 9,1 м / с, определенные в гражданских требованиях. Однако с убранным шасси выживаемая вертикальная скорость удара в MIL-STD-1290A снижается до 7,9 м / с (26 футов / с). Это показывает, что для более высоких скоростей столкновения ожидается, что другие системы, такие как шасси или подушки безопасности, будут поглощать энергию удара, чтобы снизить требования EA для конструкции основания фюзеляжа.

Конструкции самолетов с фиксированным крылом | Авиационные системы

Фюзеляж

Фюзеляж — это основная конструкция или корпус самолета с неподвижным крылом. В нем есть место для груза, органов управления, аксессуаров, пассажиров и другого оборудования. В одномоторном самолете в фюзеляже размещается силовая установка. В многомоторных самолетах двигатели могут быть либо в фюзеляже, либо прикреплены к фюзеляжу, либо подвешены к конструкции крыла. Существует два основных типа конструкции фюзеляжа: ферменная и монокок.

Тип фермы

Ферма — это жесткий каркас, состоящий из элементов, таких как балки, стойки и стержни, для сопротивления деформации под действием приложенных нагрузок. Фюзеляж с ферменным каркасом обычно обтянут тканью.

Каркас фюзеляжа ферменного типа обычно изготавливается из стальных труб, сваренных вместе таким образом, чтобы все элементы фермы могли выдерживать как растягивающие, так и сжимающие нагрузки. [Рис. 1] В некоторых самолетах, в основном на легких моделях с одним двигателем, ферменные рамы фюзеляжа могут быть изготовлены из алюминиевого сплава и могут быть склепаны или скреплены в виде одной детали с поперечными распорками, достигаемыми с помощью сплошных стержней или труб.

Рисунок 1. Фюзеляж ферменного типа. Ферма Уоррена использует в основном диагональные связи

Монокок Тип

Фюзеляж с монококом (одной оболочкой) в значительной степени зависит от прочности обшивки или покрытия, чтобы выдерживать основные нагрузки. Дизайн можно разделить на два класса:

1. Монокок
2. Семимонокок

Различные части одного и того же фюзеляжа могут принадлежать к любому из двух классов, но считается, что большинство современных самолетов имеют конструкцию типа полумонокок.
Настоящая конструкция монокока использует каркасы, узлы каркаса и переборки для придания формы фюзеляжу. [Рис. 2] Самые тяжелые из этих элементов конструкции расположены через определенные промежутки времени, чтобы выдерживать сосредоточенные нагрузки, и в точках, где используются фитинги для крепления других узлов, таких как крылья, силовые установки и стабилизаторы. Поскольку других элементов жесткости нет, обшивка должна выдерживать основные нагрузки и сохранять жесткость фюзеляжа. Таким образом, самая большая проблема, возникающая при строительстве монокока, — это сохранение достаточной прочности при сохранении веса в допустимых пределах.

Рис. 2. Планер с монококовой конструкцией

Полумонокок Тип

Чтобы преодолеть проблему прочности / веса конструкции монокока, была разработана модификация, названная конструкцией полумонокока. Он также состоит из узлов рамы, переборок и формирователей, используемых в конструкции монокока, но, кроме того, обшивка усилена лонжеронами, называемыми лонжеронами.Лонжероны обычно проходят через несколько элементов рамы и помогают обшивке выдерживать основные изгибающие нагрузки. Обычно они изготавливаются из алюминиевого сплава в виде цельной или сборной конструкции.

Стрингеры также используются в фюзеляже полумонокока. Эти лонжероны обычно более многочисленны и легче лонжеронов. Они бывают разных форм и обычно изготавливаются из цельных профилей из алюминиевого сплава или формованного алюминия. Стрингеры обладают некоторой жесткостью, но в основном используются для придания формы и прикрепления обшивки.Вместе стрингеры и лонжероны предотвращают деформацию фюзеляжа при растяжении и сжатии. [Рисунок 3]

Рис. 3. Самая распространенная конструкция планера — полумонокок.

. Также можно использовать другие связи между лонжеронами и стрингерами. Эти дополнительные опорные элементы, часто называемые элементами перемычки, могут быть установлены вертикально или диагонально. Следует отметить, что производители используют разную номенклатуру для описания элементов конструкции.Например, между некоторыми кольцами, рамками и формирователями часто мало различий. Один производитель может назвать один и тот же тип бандажа кольцом или рамкой. Инструкции и спецификации производителя для конкретного самолета — лучшие руководства.
Фюзеляж полумонокока изготовлен в основном из сплавов алюминия и магния, хотя сталь и титан иногда встречаются в областях с высокими температурами. По отдельности ни один из вышеупомянутых компонентов не является достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузки, возникающие во время полета и посадки.Но в сочетании эти компоненты образуют прочную жесткую основу. Это достигается с помощью косынок, заклепок, гаек и болтов, винтов и даже сварки трением с перемешиванием. Вставка — это тип соединительного кронштейна, который добавляет прочности. [Рисунок 4]

Рис. 4. Для увеличения прочности используются косынки

Подводя итог, можно сказать, что в фюзеляжах из полумонокока прочные тяжелые лонжероны удерживают переборки и шпангоуты, а они, в свою очередь, удерживают стрингеры, распорки, элементы перемычки и т. Д.Все они предназначены для прикрепления друг к другу и на коже для достижения всех прочностных свойств полумонококового дизайна. Важно понимать, что металлическая обшивка или покрытие несет часть нагрузки. Толщина обшивки фюзеляжа может изменяться в зависимости от переносимой нагрузки и напряжений в конкретном месте.

У фюзеляжа из полумонокока много преимуществ. Переборки, шпангоуты, стрингеры и лонжероны облегчают проектирование и строительство обтекаемого фюзеляжа, который является одновременно жестким и прочным.Распределение нагрузок между этими структурами и обшивкой означает, что ни одна деталь не является критической для отказа. Это означает, что фюзеляж из полумонокока из-за своей конструкции с напряженной обшивкой может выдерживать значительные повреждения и при этом оставаться достаточно прочным, чтобы удерживаться вместе.

Фюзеляжи обычно состоят из двух или более секций. На небольших самолетах они, как правило, состоят из двух или трех секций, в то время как более крупные самолеты могут состоять из шести или более секций перед сборкой.

Герметизация

Многие самолеты находятся под давлением.Это означает, что после взлета воздух закачивается в кабину и устанавливается разница в давлении между воздухом внутри кабины и воздухом за ее пределами. Этот дифференциал регулируется и поддерживается. Таким образом, пассажиры получают достаточно кислорода, чтобы они могли нормально дышать и перемещаться по кабине без специального оборудования на больших высотах.

Герметизация вызывает значительную нагрузку на конструкцию фюзеляжа и усложняет конструкцию. Помимо выдерживания разницы в давлении между воздухом внутри и снаружи кабины, циклическое переключение с безнапорного на повышенное и обратно в каждом полете вызывает утомление металла.Чтобы справиться с этими ударами и другими напряжениями полета, почти все герметичные самолеты имеют полумонококовую конструкцию. Герметичные конструкции фюзеляжа подвергаются обширным периодическим проверкам, чтобы убедиться в обнаружении и ремонте любых повреждений. Повторяющиеся слабые места или поломки в какой-либо части конструкции могут потребовать модификации или перепроектирования этой части фюзеляжа.
СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

Компоненты и конструкция самолета

• Планер — это основная конструкция самолета, конструкция которой выдерживает аэродинамические силы и нагрузки.
  • Напряжения включают вес топлива, экипажа и полезной нагрузки
• Самолеты схожи по концепции, но могут быть классифицированы как самолеты с неподвижным крылом и винтокрылые конструкции.
• Самолет управляется вокруг своей поперечной, продольной и вертикальной осей за счет отклонения поверхностей управления полетом
• Эти устройства управления представляют собой шарнирные или подвижные поверхности, с помощью которых пилот регулирует положение самолета во время взлета, маневрирования в полете и посадки.
• Они управляются пилотом через соединительную тягу с помощью педалей руля направления и ручки управления или колеса
• • Главное структурное подразделение
  Профиль
  • для создания подъемной силы
  • • элероны, руль высоты, рули направления
    • подвижные триммеры, расположенные на основных поверхностях управления полетом
    • Закрылки, спойлеры, скоростные тормоза и предкрылки

• Справочник пилота по аэронавигационным знаниям,
  Monocoque
• Справочник пилота по авиационным знаниям,
  Полумонокок
• Фюзеляж — основная конструктивная единица самолета.
• Фюзеляж предназначен для размещения экипажа, пассажиров, груза, приборов и другого необходимого оборудования.
• • Конструкция фюзеляжей самолетов эволюционировала от ранних конструкций деревянных ферменных конструкций до монококовых оболочек и нынешних полумонококовых оболочек.
    • • В этом методе строительства прочность и жесткость достигаются путем соединения труб (стальных или алюминиевых) с получением ряда треугольных форм, называемых фермами.
        • Отрезки труб, называемые лонжеронами, привариваются, образуя прочный каркас
        • Вертикальные и горизонтальные стойки приварены к лонжеронам и придают конструкции квадратную или прямоугольную форму, если смотреть с торца.
        • Дополнительные стойки необходимы для противодействия нагрузке, которая может исходить с любого направления
        • Стрингеры и переборки или каркасы добавляются для придания формы фюзеляжу и поддержки покрытия.
      • По мере развития дизайна эти конструкции были ограждены сначала тканью, а затем металлами.
      • Эти усовершенствования обтекаемой формы и повышенной производительности
      • В некоторых случаях внешняя обшивка может выдерживать все или большую часть летных нагрузок
  • Фюзеляж самолета
  • В большинстве современных самолетов используется форма этой напряженной обшивки, известная как монокок или полумонокок.
    • • В конструкции Monocoque (по-французски «одинарная оболочка») используется напряженная оболочка для поддержки почти всех нагрузок, как в алюминиевой банке для напитков.
      • В конструкции монокока буровые установки, каркасы и переборки различных размеров придают форму и прочность напряженной обшивке фюзеляжа [Рис. 1].
      • Хотя конструкция монокока очень прочная, она не очень устойчива к деформации поверхности.
      • Например, алюминиевый напиток может выдерживать значительные усилия на концах банки, но если сторона банки слегка деформируется, выдерживая нагрузку, она легко разрушается.
      • Поскольку большинство напряжений скручивания и изгиба воспринимается внешней обшивкой, а не открытым каркасом, необходимость во внутренних распорках была устранена или уменьшена, что позволило сэкономить вес и максимально увеличить пространство.
      • Один из примечательных и новаторских методов использования конструкции монокока был использован Джеком Нортропом.
      • В 1918 году он разработал новый способ создания монококового фюзеляжа, используемого для Lockheed S-1 Racer
      .
      • В технике использовались две формованные фанерные полуоболочки, которые были склеены вокруг деревянных обручей или стрингеров.
      • Для изготовления полуоболочек вместо того, чтобы наклеивать множество полос фанеры на форму, три больших набора еловых полос были пропитаны клеем и уложены в полукруглую бетонную форму, которая выглядела как ванна
      • Затем под плотно зажатой крышкой в ​​полость надували резиновый баллон для прижатия фанеры к форме
      • Двадцать четыре часа спустя гладкая полуоболочка была готова к соединению с другой для создания фюзеляжа.
      • Две половинки были толщиной менее четверти дюйма каждая
      • Несмотря на то, что монокок использовался в ранний период авиации, строительство монокока не возобновилось в течение нескольких десятилетий из-за сопряженных с этим сложностей.
      • Повседневные примеры конструкции монокока можно найти в автомобилестроении, где цельный корпус считается стандартом при производстве.
    • • В конструкции полумонокока, частичной или половинной, используется каркасная конструкция, к которой крепится обшивка самолета.Подконструкция, состоящая из переборок и / или каркасов различных размеров и стрингеров, усиливает напряженную обшивку, снимая часть напряжения изгиба с фюзеляжа. Основная часть фюзеляжа также включает точки крепления крыла и брандмауэр. На одномоторных самолетах двигатель обычно крепится к передней части фюзеляжа. Между задней частью двигателя и кабиной или кабиной экипажа имеется противопожарная перегородка для защиты пилота и пассажиров от случайных возгораний двигателя.Эта перегородка называется брандмауэром и обычно изготавливается из жаропрочного материала, например из нержавеющей стали. Однако новым процессом строительства является интеграция композитов или самолетов, полностью сделанных из композитов [Рис. 2]
• Справочник пилота по аэронавигационным знаниям, моноплан (слева) и биплан (справа)

• Распорка крыла
• Крылья — это профили, прикрепленные к каждой стороне фюзеляжа и являющиеся основными подъемными поверхностями, которые поддерживают самолет в полете.
• Крылья могут быть прикреплены к верхней («высокое крыло»), средней («среднее крыло») или нижней («низкорасположенное крыло») части фюзеляжа.
• Количество крыльев тоже может быть разным
  • Самолеты с одним набором крыльев называются монопланами, а с двумя наборами — бипланами [Рис. 4].
• Конструкция крыла
• Многие самолеты с высокорасположенным крылом имеют внешние распорки или стойки крыла, которые передают полетные и посадочные нагрузки через подкосы на основную конструкцию фюзеляжа [Рис. 5].
• Поскольку стойки крыла обычно крепятся примерно на полпути к крылу, этот тип конструкции крыла называется полуконтилеверной.
• Некоторые самолеты с высокорасположенным крылом и большинство самолетов с низкорасположенным крылом имеют полностью свободнонесущее крыло, предназначенное для несения нагрузок без внешних подкосов.
• Основными конструктивными частями крыла являются лонжероны, нервюры и стрингеры [Рис. 6].
• Они усилены фермами, двутавровыми балками, трубами или другими устройствами, включая обшивку.
• Неровности крыла определяют форму и толщину крыла (профиля)
• В большинстве современных самолетов топливные баки являются либо неотъемлемой частью конструкции крыла, либо состоят из гибких контейнеров, установленных внутри крыла.
• К задней или задней кромке крыльев прикреплены два типа управляющих поверхностей, называемые элеронами и закрылками.
• • Варианты конструкции предоставляют информацию о влиянии органов управления на подъемные поверхности от традиционных крыльев до крыльев, которые используют как изгиб (из-за вздутия), так и смещение (за счет изменения ЦТ самолета).Например, крыло самолета, управляющего смещением веса, имеет большую стреловидность, чтобы уменьшить сопротивление и позволить смещение веса для обеспечения управляемого полета. [Рис. 3-9] Справочники, относящиеся к большинству категорий воздушных судов, доступны для заинтересованных пилотов и могут быть найдены на веб-сайте Федерального авиационного управления (FAA) по адресу www.faa.gov
• • Элероны (по-французски «маленькое крыло») — это управляющие поверхности на каждом крыле, которые управляют самолетом вокруг его продольной оси, позволяя ему «катиться» или «крениться».
    • Это действие приводит к повороту самолета в направлении крена / крена
    • При отклонении элеронов возникает асимметричная подъемная сила (крутящий момент) относительно продольной оси и сопротивление (неблагоприятный рыскание).
  • Они расположены на задней (задней) кромке каждого крыла рядом с внешними законцовками.
• Хомут управляет аэродинамическим профилем через систему тросов и шкивов и действует в противоположном имении.
  • Хомут «поворачивается» влево: левый элерон поднимается, уменьшая развал и угол атаки правого крыла, что создает подъемную силу вниз.
    • В то же время правый элерон опускается, увеличивая развал и угол атаки, что увеличивает подъемную силу вверх и заставляет самолет поворачиваться налево.
  • Хомут «поворачивается» вправо: правый элерон поднимается, уменьшая развал и угол атаки правого крыла, что создает подъемную силу вниз.
    • В то же время левый элерон опускается, увеличивая развал и угол атаки левого крыла, что создает подъемную силу вверх и заставляет самолет поворачиваться вправо.
• Хотя это редкость, некоторые элероны имеют триммеры, которые снижают давление на ярмо на элеронах для качения.

• Справочник по пилотированию самолета, Типы профилей
• Форма и конструкция крыла зависят от типа операции, для которой предназначен самолет, и адаптированы к конкретным типам полета: [Рис. 7]
  • • Прямоугольные крылья лучше всего подходят для учебно-тренировочных самолетов, а также для низкоскоростных самолетов.
    • Разработан с поворотом для сваливания в первую очередь у основания крыла, чтобы обеспечить управление элеронами при сваливании.
  • • Эллиптические крылья наиболее эффективны, но их сложно изготовить (спитфайр)
  • • Более эффективно, чем прямоугольное крыло, но проще в изготовлении, чем крыло эллиптической формы
  • • Обычно ассоциируется со стреловидностью, но может быть и стреловидным предисловием
    • Стреловидные крылья лучше всего подходят для высокоскоростных самолетов для задержки тенденции к Маха
    • Срыв в первую очередь кончиками, что обеспечивает плохие характеристики сваливания
  • • Преимущества стреловидного крыла с хорошей конструктивной эффективностью и малой лобовой площадью
    • Недостатками являются низкая нагрузка на крыло и большая площадь смачиваемой поверхности, необходимая для получения аэродинамической устойчивости.
• Эти конструктивные изменения обсуждаются в главе 5 «Аэродинамика полета», в которой представлена ​​информация о влиянии средств управления на подъемные поверхности от традиционных крыльев до крыльев, которые используют как изгиб (из-за вздутия), так и смещение (за счет изменения ЦТ самолета). .Например, крыло самолета, управляющего смещением веса, имеет большую стреловидность, чтобы уменьшить сопротивление и позволить смещение веса для обеспечения управляемого полета. [Рис. 3-9] Справочники, относящиеся к большинству категорий воздушных судов, доступны для заинтересованных пилотов и могут быть найдены на веб-сайте Федерального авиационного управления (FAA) по адресу www.faa.gov

• Справочник пилота по аэронавигационным знаниям, компоненты оперения
• Справочник пилота по аэронавигационным знаниям, компоненты стабилизатора
• Обычно известное как «хвостовая часть», оперение включает всю хвостовую группу, которая состоит из неподвижных поверхностей, таких как вертикальный киль или стабилизатор и горизонтальный стабилизатор; подвижные поверхности, включая триммер руля и триммера руля направления, а также триммер руля высоты и руля высоты
• Эти подвижные поверхности используются пилотом для управления горизонтальным вращением (рыскание) и вертикальным вращением (тангажом) самолета.
• В некоторых самолетах вся горизонтальная поверхность оперения может регулироваться из кабины как единое целое с целью управления углом тангажа или дифферента самолета.Такие конструкции обычно называют стабилизаторами, летающими хвостами или хвостами плит
.
• Таким образом, оперение обеспечивает самолету направленный и продольный баланс (устойчивость), а также дает пилоту возможность управлять самолетом и маневрировать.
• • Руль направления используются для управления направлением (влево или вправо) «рыскания» относительно вертикальной оси самолета.
  • Как и другие основные управляющие поверхности, руль направления представляет собой подвижную поверхность, шарнирно прикрепленную к неподвижной поверхности, которая, в данном случае, является вертикальным стабилизатором или килями.
  • Его действие очень похоже на действие лифта, за исключением того, что он качается в другой плоскости — из стороны в сторону, а не вверх и вниз.
    • Не используется для поворота самолета, как часто ошибочно полагают.
    • На практике вход управления элеронами и рулем направления используется вместе для поворота самолета, причем элероны придают крен
      • Эта взаимосвязь имеет решающее значение для поддержания координации или создания пробуксовки
      • Неправильно повернутые повороты на низкой скорости могут вызвать вращение.
  • Руль управляется пилотом ногой через систему тросов и шкивов:
    • «Шаг» на правой педали руля направления: руль движется вправо, создавая рыскание вправо.
    • «Шаг» на левой педали руля направления: руль перемещается влево, создавая рыскание влево.
• • Руль высоты, прикрепленный к задней части горизонтального стабилизатора, используется для перемещения носовой части самолета вверх и вниз во время полета
• • Второй тип конструкции оперения не требует подъемника
  • Вместо этого он включает цельный горизонтальный стабилизатор, который поворачивается от центральной точки шарнира.
  • Этот тип конструкции называется стабилизатором и перемещается с помощью колеса управления, как лифт перемещается.
  • Например, когда пилот тянет штурвал назад, стабилизатор поворачивается так, что задняя кромка перемещается вверх.
  • Это увеличивает аэродинамическую нагрузку на хвост и заставляет нос самолета подниматься вверх.Стабилизаторы имеют выступ антисерво, проходящий поперек их задней кромки [Рисунок 3-11]
  • Язычок анти-сервопривода перемещается в том же направлении, что и задняя кромка стабилизатора, и помогает сделать стабилизатор менее чувствительным.
  • Язычок анти-сервопривода также выполняет функцию триммера для снятия управляющего давления и помогает удерживать стабилизатор в желаемом положении.

• Поверхности управления полетом
• Поверхности управления полетом состоят из основного, вспомогательного и вспомогательного органов управления [Рис. 10].
• • Выступы — это небольшие регулируемые аэродинамические приспособления на задней кромке руля.
  • Эти подвижные поверхности снижают давление на органы управления
  • Триммер контролирует нейтральную точку, как балансировка самолета на шкворне с несимметричными грузами
  • Это делается либо с помощью триммера (небольшие подвижные поверхности на поверхности управления), либо путем смещения нейтрального положения всей поверхности управления вместе
  • Эти выступы могут быть установлены на элеронах, руле направления и / или руле высоты.
  • • Сила воздушного потока, ударяющего по язычку, заставляет основную поверхность управления отклоняться в положение, которое корректирует неуравновешенное состояние самолета
    • Правильно сбалансированный самолет, если его потревожить, попытается вернуться в свое предыдущее состояние из-за устойчивости самолета
    • Триммирование — это постоянная задача, которая требуется после любых изменений настроек мощности, воздушной скорости, высоты или конфигурации.
    • Правильная балансировка снижает рабочую нагрузку пилота, позволяя отвлечь внимание на другое место, что особенно важно для полетов по приборам.
    • Триммеры управляются с помощью системы тросов и шкивов.
      • Триммер отрегулирован вверх: триммер опускается, создавая положительный подъем, опуская нос
        • Это движение очень незначительное
      • Триммер отрегулирован вниз: триммер поднимается, создавая положительный подъем, поднимая нос
        • Это движение очень незначительное
    • Чтобы узнать больше о том, как использовать триммер в полете, см. Дифферент самолета
  • • Вкладки сервопривода похожи на триммеры тем, что представляют собой небольшие вторичные элементы управления, которые помогают снизить рабочую нагрузку пилота за счет уменьшения усилий.
    • Однако определяющее различие заключается в том, что эти вкладки работают автоматически, независимо от пилота.
    • • • Также называется выступом антибалансировки. Это выступы, которые перемещаются в том же направлении, что и поверхность управления.
      • • Выступы, которые перемещаются в направлении, противоположном направлению поверхности управления

• • Предкрылки являются частью системы управления полетом и создают дополнительную подъемную силу на низких скоростях.
  • Крепятся к передней кромке крыльев и предназначены для управления пилотом или автоматически с помощью бортового компьютера.
  • Предкрылки увеличивающие развал крыльев / профиль
  • За счет выдвижения предкрылков создается дополнительная подъемная сила, когда самолет движется с меньшей скоростью, обычно при взлете и посадке.
• • Закрылки являются частью системы управления полетом
  • Крепится к задней кромке крыльев и управляется пилотом из кабины
  • За счет выпуска закрылков создается дополнительная подъемная сила, когда самолет находится на более низкой скорости, обычно при взлете и посадке.
  • Предкрылки и закрылки используются вместе друг с другом для увеличения подъемной силы и запаса сваливания за счет увеличения общего развала крыльев, что позволяет самолету поддерживать управляемый полет на более низких скоростях.
  • Закрылки выходят наружу от фюзеляжа почти до середины каждого крыла
  • Закрылки обычно находятся на одном уровне с поверхностью крыла во время крейсерского полета
  • В выдвинутом состоянии закрылки одновременно опускаются вниз для увеличения подъемной силы крыла при взлете и посадке [Рисунок 3-8].
• Поверхности управления, которые управляют самолетом вокруг его боковой оси, позволяя ему двигаться по тангажу
  • Руль высоты прикреплен к горизонтальной части оперения — горизонтальному стабилизатору.
    • Исключение составляют те установки, где вся горизонтальная поверхность представляет собой цельную конструкцию, которая может отклоняться вверх или вниз для обеспечения контроля в продольном направлении и обрезки.
  • Изменение положения рулей приводит к изменению изгиба профиля, что увеличивает или уменьшает подъемную силу.
  • Когда к органам управления прикладывается прямое давление, лифты движутся вниз
  • Это увеличивает подъемную силу, создаваемую горизонтальными поверхностями оперения.
  • Повышенная подъемная сила заставляет хвост подниматься вверх, в результате чего нос опускается
  • И наоборот, когда к колесу прилагается противодавление, лифты движутся вверх, уменьшая подъемную силу, создаваемую горизонтальными поверхностями оперения, или, возможно, даже создавая направленную вниз силу
  • Хвост прижат вниз, а нос вверх
  • Руль высоты регулируют угол атаки крыльев
  • При противодавлении на органы управления хвост опускается, а нос поднимается, увеличивая угол атаки
  • И наоборот, при приложении давления вперед хвост поднимается, а нос опускается, уменьшая угол атаки
  • Стабилизатор: Поверхность управления, кроме крыльев, обеспечивающая стабилизирующие качества
• • Предназначен для замедления самолета при пикировании или снижении, расположение и стиль зависят от самолета и управляются переключателем в кабине.
• • Подвижные выступы, расположенные на основных управляющих поверхностях i.е., элероны, рули высоты и руль направления, снижающие рабочую нагрузку пилота, позволяя летательному аппарату удерживать определенное положение без необходимости постоянного давления / входов в систему
• • Шасси — основная опора самолета при стоянке, рулении, взлете или посадке
  • Управляемое переднее или хвостовое колесо позволяет управлять самолетом во время всех операций на земле.
  • Большинство самолетов управляются с помощью педалей руля направления, будь то носовое или хвостовое колесо
  • Кроме того, некоторые самолеты управляются с помощью дифференциального торможения.
• • Справочник пилота по аэронавигационным знаниям, моторный отсек
  • Силовая установка обычно включает в себя как двигатель, так и гребной винт
  • • Основная функция двигателя — обеспечивать мощность для вращения гребного винта.
    • Он также вырабатывает электроэнергию, является источником вакуума для некоторых летных приборов и в большинстве одномоторных самолетов является источником тепла для пилота и пассажиров [Рис. 11].
    • На самолетах с одним двигателем двигатель обычно крепится к передней части фюзеляжа.
    • Между задней частью двигателя и кабиной или кабиной имеется противопожарная перегородка для защиты пилота и пассажиров от случайных возгораний двигателя.Эта перегородка называется брандмауэром и обычно изготавливается из жаропрочной нержавеющей стали
    .
  • • Двигатель закрыт кожухом или гондолой, оба типа закрытого корпуса
    • Назначение капота или гондолы состоит в том, чтобы оптимизировать поток воздуха вокруг двигателя и помочь охладить двигатель, направляя воздух вокруг цилиндров
  • • Винт, установленный на передней части двигателя, преобразует вращающую силу двигателя в тягу, действующую вперед силу, которая помогает самолету перемещаться по воздуху
    • Пропеллер — это вращающийся аэродинамический профиль, создающий тягу за счет аэродинамического действия.
    • Зона высокого давления образуется в задней части аэродинамического профиля воздушного винта, а низкое давление создается на поверхности воздушного винта, подобно тому, как подъемная сила создается аэродинамическим профилем, используемым в качестве подъемной поверхности или крыла.
    • Этот перепад давления создает тягу от винта, который, в свою очередь, тянет самолет вперед.
    • Двигатели могут быть повернуты в толкатели с пропеллером сзади
    • В конструкции гребного винта есть два важных фактора, которые влияют на его эффективность.
    • Угол лопасти гребного винта, измеренный относительно ступицы гребного винта, сохраняет угол атаки (AOA) (см. Определение в глоссарии) относительно постоянным по всей длине лопасти гребного винта, уменьшая или исключая возможность сваливания.
    • Величина подъемной силы, создаваемой гребным винтом, напрямую связана с AOA, то есть углом, под которым относительный ветер встречает лопасть.
    • AOA постоянно изменяется во время полета в зависимости от направления самолета
    • Шаг определяется как расстояние, которое пропеллер прошел бы за один оборот, если бы он вращался твердо.
    • Сочетание этих двух факторов позволяет измерить КПД гребного винта.
    • Пропеллеры обычно подбираются для конкретной комбинации самолета / силовой установки для достижения максимальной эффективности при определенных настройках мощности, и они тянут или толкают в зависимости от того, как установлен двигатель.

• Основное отличие вертолетов от самолетов — это источник подъемной силы.
• Самолеты с неподвижным крылом получают подъемную силу от неподвижных аэродинамических поверхностей, в то время как вертолеты используют вращающиеся аэродинамические поверхности, известные как лопасти несущего винта.
• Подъем и управление относительно независимы от скорости движения
• • • Управляет движением вокруг поперечной и продольной оси вертолета
    • Он расположен по центру перед креслом пилота и изменяет плоскость траектории кончика несущего винта для направленного полета.
    • При изменении плоскости траектории наконечника изменяется направление тяги и достигается соответствующее предполагаемое направление движения или полета.
  • • Всегда расположен слева от сиденья пилота и изменяет подъем несущего винта, уменьшая или увеличивая угол атаки всех пластин несущего винта одинаково и в одном направлении.
    • Также используется в комбинации с циклическим регулятором скорости и высоты
  • • Управляет движением вокруг вертикальной оси (рыскание) вертолета путем изменения шага (угла атаки) пластин рулевого винта
    • Это вызывает развитие большей или меньшей силы, противодействующей крутящему моменту, создаваемому основными роторами.
    • Кроме того, когда пилот отклоняет педали руля направления влево или вправо, курс или направление самолета изменяется влево или вправо.
• • • Вращающиеся «крылья», позволяющие поднимать вертолеты или винтокрылы
  • • Состоит из лопастей ротора, ступицы ротора в сборе, тяги / звеньев управления шагом, мачты, наклонной шайбы и узла опоры
    • У некоторых могут быть ножницы и втулка в сборе
    • Все вышеперечисленные элементы работают для преобразования линейного (толкающее / тянущее движение) во вращательное управляющее движение.
  • • Изменяет направление и передает мощность, вырабатываемую двигателями, через приводные валы к узлам несущего винта и ведомого винта
    • Главная трансмиссия также имеет монтажные площадки для установки дополнительных принадлежностей, таких как гидравлические насосы управления полетом, генераторы и тормоз ротора.
    • Большинство вертолетов имеют главный, промежуточный и хвостовой редукторы.

• Принципы полета — это те основные характеристики, которые действуют на самолет
• Сбалансированный самолет — это счастливый самолет (расход топлива, эффективность и т. Д.)
• По мере того, как авиастроение эволюционировало от стропильных ферм, которым не хватало обтекаемой формы, к более сложным монококовым и полумонококовым конструкциям сегодняшнего дня.
• Все еще что-то ищете? Продолжить поиск:

---

Copyright © 2021 CFI Notebook, Все права защищены. | Политика конфиденциальности | Условия использования | Карта сайта | Патреон | Контакты

Сравнение различных типов конструкций фюзеляжа самолетов — Monroe Aerospace News

Фюзеляж — важнейший компонент самолета.Обычно он находится в средней части и отвечает за безопасность экипажа, пассажиров и груза. В зависимости от количества двигателей, которые имеет самолет, он может также содержать двигатель. Кроме того, фюзеляж служит для позиционирования и стабилизации самолета для улучшения характеристик и маневренности. Но есть много разных типов фюзеляжей самолетов, некоторые из которых мы собираемся изучить в этом сообщении в блоге.

Ферменная конструкция

Часто используемый в легких самолетах фюзеляж ферменной конструкции обычно изготавливается из сварных стальных трубных ферм (хотя он также может быть выполнен из дерева).Они часто имеют закругленную форму и имеют легкие стрингеры для достижения большей аэродинамической формы.

Геодезическое сооружение

Геодезические конструкции фюзеляжа, использовавшиеся британскими «Виккерсами» во время Второй мировой войны, стремятся улучшить форму самолета, уменьшить лобовое сопротивление и повысить скорость. Множественные ленточные стрингеры обвиты вокруг формирователей в различных направлениях спирали, подобно плетеной корзине. Геодезические конструкции фюзеляжа легкие, прочные и сверхпрочные. Как правило, они были сделаны из дерева и / или алюминия с тканевым покрытием корпуса для большего комфорта и эстетики.

Monocoqne

Фюзеляж конструкции монококковой оболочки спроектирован внутри основной конструкции самолета. Lockheed Vega — это образец ранней модели самолета с монококковой структурой корпуса. Он был построен из формованной фанеры, состоящей из нескольких слоев, закрывающих пробку в форме. Другие варианты оболочки monocoqne включают ткань типа стекловолокна с полиэфирной смолой, а также вариант этой конструкции с эпоксидной смолой. С учетом сказанного, ни один фюзеляж из фанеры не является по-настоящему моноконным.

Полумонококк

Существует также полумонококовая конструкция фюзеляжа, которая соответствует своему названию, показывая характеристики своего аналога. Согласно Википедии, полумонококковая конструкция фюзеляжа предпочтительнее при создании полностью алюминиевого фюзеляжа. Он имеет рамы, предназначенные для создания оболочки фюзеляжа, которые через поперечные сечения закреплены на жестком креплении. Стрингеры прикреплены для соединения с приспособлением.

Это лишь некоторые из наиболее распространенных конструкций фюзеляжа, используемых при проектировании самолетов.Фюзеляж нужен всем — от небольших одномоторных самолетов до более крупных коммерческих самолетов. Это важный компонент, позволяющий перевозить людей и грузы. Однако производители самолетов должны выбирать фюзеляж, подходящий для работы при проектировании самолетов.

Конструкция и компоновка фюзеляжа

Добро пожаловать во вторую часть этой серии из пяти частей, посвященной конструкциям планера. В этом посте мы сосредоточимся на фюзеляже; в частности, мы обсуждаем дизайн типичной полумонококовой конструкции, а также различные структурные компоненты и нагрузки, которые влияют на окончательный дизайн.

Если вы пропустили первую часть, то, возможно, вернитесь и прочтите это, прежде чем продолжить, поскольку в нем содержится обзор структурной нагрузки и проектирования.

Крыло закрыто в третьей части, закрылках в четвертой и хвостовой части в пятой.

Введение

Фюзеляж — это название, данное основной части самолета, в котором находятся пилоты, экипаж, пассажиры и груз. Крылья и хвостовая часть прикреплены к фюзеляжу и, в зависимости от конструкции самолета, могут также включать в себя крепления двигателя.

Рис. 1: Boeing 737 перевозит пассажиров и грузы в фюзеляже

Фюзеляж не только вмещает пассажиров самолета; его размер и конструкция должны быть такими, чтобы крылья и хвостовое оперение располагались таким образом, чтобы поддерживать статическую устойчивость летательного аппарата через заданный центр тяжести. Статически устойчивый самолет — это самолет, который будет стремиться вернуться к прямолинейному и горизонтальному полету, если отпустить органы управления, что является требованием для всех самолетов гражданской авиации и авиации общего назначения.

Фюзеляж вносит основной вклад в общую силу лобового сопротивления, создаваемую самолетом в полете, поэтому его форма должна быть максимально аэродинамичной, чтобы минимизировать сопротивление. Конечно, необходимо искать баланс между низким аэродинамическим сопротивлением и полезной нагрузкой, а также комфортом для пассажиров.

Конструкция фюзеляжа должна быть достаточно прочной, чтобы обеспечить безопасную работу во всем диапазоне полета. Обычно предпочтение отдается конструкции полумонокока; где опорная конструкция и обшивка работают вместе, поглощая и передавая нагрузки, возникающие во время полета.

Полумонокок Фюзеляж

В первой части этой серии статей обсуждались различные методологии проектирования конструкций. Здесь мы только собираемся рассмотреть философию дизайна полумонокока и то, как она соотносится с конструкцией фюзеляжа.

В полумонококовой конструкции и внешняя обшивка, и внутреннее основание являются несущими, и оба вносят свой вклад в общую жесткость конструкции. Эта методология проектирования родилась из использования алюминия, а не стали или дерева, в качестве основного конструкционного материала, используемого для изготовления конструкций планера.Алюминий имеет много преимуществ перед сталью. Плотность алюминиевого сплава составляет примерно одну треть от плотности стали, что позволяет изготавливать более толстые структурные секции без каких-либо потерь веса. Более толстая обшивка является преимуществом, поскольку она с меньшей вероятностью деформируется под нагрузкой, что обеспечивает более эффективную конструкцию.

Рисунок 2: Конструкция фюзеляжа полумонокока

Конструкционные элементы

Типовой фюзеляж типа полумонокок состоит из следующих элементов:

Стрингеры или лонжероны

Они составляют продольные компоненты конструкции.Их основная цель — передавать осевые нагрузки (растяжение и сжатие), возникающие из-за тенденции фюзеляжа изгибаться под нагрузкой. Стрингеры также поддерживают обшивку и в сочетании с каркасами создают ниши, над которыми крепится обшивка.

Рамки

Шпангоуты — это поперечные элементы, определяющие поперечное сечение фюзеляжа. Обычно они расположены на расстоянии примерно 20 дюймов друг от друга и определяют аэродинамическую форму. Шпангоуты и стрингеры разнесены таким образом, чтобы гарантировать, что образующиеся отсеки будут поддерживать обшивки от коробления.Шпангоуты также служат средством для передачи точечных нагрузок на фюзеляж. На стыке крыло-фюзеляж и хвостовой части фюзеляжа требуются большие рамы для передачи нагрузок, создаваемых этими подъемными поверхностями, на фюзеляж.

скинов

Несущие обшивки крепятся к стрингерам и шпангоутам алюминиевого самолета с помощью заклепок. Обшивки переносят нагрузку через сдвиг и передают этот сдвиг на ребра жесткости. В воздушном судне, находящемся под давлением, обшивка работает с рамами, чтобы противостоять нагрузке внутреннего давления.Способность кожи переносить и передавать сдвиг снижается, если коже позволяют коробиться; это формирует ограничение, определяющее расстояние между стрингерами и шпангоутами.

Рисунок 3: Конструктивные элементы полумонококового предохранителя

Загрузка фюзеляжа

Фюзеляж будет испытывать комбинацию нагрузок от нескольких источников во время типичного полета. Большие изгибающие нагрузки передаются от крыла и хвостовой части, а также скручивающая нагрузка от момента тангажа крыла.

Фюзеляж создает собственные аэродинамические нагрузки во время полета, на которые должна реагировать конструкция. Эти нагрузки внешнего давления сочетаются с нагрузками внутреннего давления, если самолет находится под давлением.

Посадочные нагрузки , вносимые в фюзеляж, могут быть особенно серьезными, если посадка выполнена некачественно.

Наконец, при окончательной структурной компоновке и дизайне следует учитывать передвижения экипажа и пассажиров, а также требования к багажу.

Все эти загружения и взаимодействие между вариантами необходимо учитывать, чтобы прийти к окончательному проекту. Конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать эти нагрузки при предельном коэффициенте нагрузки, определяемом применимыми правилами летной годности, чтобы обеспечить безопасность экипажа и пассажиров.

Спасибо за чтение. Если вам понравился этот пост или он был полезен в качестве учебного пособия, представьте своих коллег и друзей на AeroToolbox.com и поделитесь им в своей любимой социальной сети.

Вам понравился этот пост? Почему бы не продолжить чтение этой серии статей о конструкции планера и управляющих поверхностях.

Размеры и конструкция фюзеляжа

| AeroToolbox

Это седьмая часть серии статей, посвященных основам конструирования самолетов. В части 6 мы рассмотрели конструкцию крыла. В этом посте мы отойдем от крыла и представим фюзеляж самолета: мы рассмотрим различные способы сборки фюзеляжа, как правильно его подобрать, а также познакомимся с различными нагрузками, которые конструкция фюзеляжа будет нести во время эксплуатации. .

Основная часть корпуса самолета называется фюзеляжем. Это образует центральный корпус самолета, на котором соединены крылья, рули, а иногда и двигатели. В фюзеляже находится экипаж, пассажиры, грузы, множество систем самолета, а иногда и топливо.

Хорошо спроектированный фюзеляж обеспечит выполнение следующих требований:

• Предполагаемая полезная нагрузка размещена надлежащим образом и эффективно.
• Размер фюзеляжа такой, что различные поверхности управления и стабилизации (обычно вертикальное и горизонтальное оперение) расположены таким образом, чтобы самолет был устойчивым в полете.
• Загрузка самолета товарами, топливом и пассажирами не оказывает отрицательного воздействия на устойчивость самолета для ряда конфигураций полезной нагрузки (центр тяжести расположен надлежащим образом).
• Конструкция фюзеляжа не выйдет из строя из-за чрезмерной нагрузки по всей зоне полета самолета.
• Масса фюзеляжа оптимизирована для обеспечения безопасной эксплуатации без дополнительного веса.
• Аэродинамическая форма фюзеляжа такова, что минимальное сопротивление создается во время типичной эксплуатации, при этом обеспечивая надлежащее размещение проектной полезной нагрузки.
• Конструкция фюзеляжа достаточно универсальна, чтобы можно было растянуть самолет, если требуется несколько конфигураций самолета.

Давайте начнем с изучения трех популярных методик проектирования конструкции фюзеляжа.

Принципы структурного проектирования

На протяжении многих лет был принят ряд принципов проектирования в отношении структурной схемы фюзеляжа. Ниже в хронологическом порядке описаны три распространенные методологии проектирования, ведущие к наиболее распространенному сегодня полумонококовому дизайну.

Космический каркас (ферма)

Самые ранние фюзеляжи самолетов были построены с пространственной рамой или ферменной конструкцией. Часто в качестве основного конструкционного материала использовалось дерево с тканевым покрытием, обеспечивающим аэродинамическую форму. В этой конфигурации фюзеляжа силовые элементы фермы обеспечивают жесткость конструкции, а аэродинамическое покрытие придает форму, но не сильно увеличивает общую жесткость конструкции. Космический каркас — это простой, но неэффективный способ создания конструкции фюзеляжа, поскольку тканевые обшивки добавляют вес, не влияя на жесткость конструкции.Один из популярных самолетов, спроектированный с фюзеляжем с пространственной рамой, — это культовый PA-18 Piper Super Cub, который изображен ниже.

Piper PA-18 Super Cub с космическим фюзеляжем

Monocoque

К концу Первой мировой войны были выявлены ограничения в использовании деревянных конструкций ферм. По мере того как скорость полета и нагрузка на крыло новых конструкций увеличивались, изменение структурных свойств древесины и ее подверженность ухудшению окружающей среды означало, что деревянные конструкции перестали быть эффективным средством производства.3 \)). Для эффективного проектирования со сталью инженерам пришлось использовать очень тонкие секции, которые были замысловато изогнутыми и имели такую ​​форму, чтобы предотвратить коробление тонкой конструкции. Термин «монококовая конструкция» относится к конструктивному исполнению, при котором обшивки принимают на себя всю нагрузку и вносят вклад в всю структурную жесткость конструкции. Одним из основных недостатков при проектировании чистой монококовой конструкции является сложность включения сосредоточенных нагрузок в конструкцию, например, опоры двигателя или стыковку крыла с фюзеляжем.Распределение этих точечных нагрузок на структуру обшивки становится очень трудным для эффективного достижения. Интересно, что в последнее время внедрение композитов в качестве материала для изготовления конструкций самолетов привело к возврату к проектированию чистой монококовой конструкции, хотя обычно на более крупных композитных самолетах обычно используется гибридная конструкция металлического каркаса с панелями обшивки из композитных материалов. .

Полумонокок

Где-то между пространственным расположением рамы (обшивка не нагружается) и чисто монококовым расположением (обшивка принимает всю нагрузку) лежит конструкция полумонокока, которая на сегодняшний день является наиболее распространенным методом построения конструкции самолета. В конструкции полумонокока и обшивка, и набор рам несут нагрузку и вносят свой вклад в общую жесткость конструкции. Эта методология проектирования была основана на использовании алюминия, а не стали в качестве основного конструкционного материала, используемого при проектировании конструкций самолетов. Алюминий имеет много преимуществ перед сталью, в основном его плотность составляет примерно одну треть от плотности стали. При постоянной массе конструкции алюминиевые секции могут быть толще, что снижает подверженность этих обшивок короблению, что, в свою очередь, обеспечивает более эффективную конструкцию.
Внутренняя структура ATR-72 в виде полумонокока

Таким образом, фюзеляж полумонокока обычно состоит из следующих конструктивных элементов:

• Шпангоуты — эти поперечные элементы выполнены в форме поперечного сечения фюзеляжа и обычно расположены на расстоянии примерно 20 дюймов или 50 см друг от друга.
• Ребра жесткости / стрингеры — рамы соединяются между собой продольными ребрами жесткости или стрингерами.
• Обшивка — обшивка является несущей и придает фюзеляжу форму и форму. Обшивка прикрепляется к подконструкции на алюминиевом самолете путем приклепки к шпангоутам и стрингерам.

Полумонокок конструкции фюзеляжа, как видно на Боинге 747-230

Полумонокок конструкции — преобладающий способ проектирования самолетов, поэтому остальная часть этого руководства будет сосредоточена на применении полумонококовых конструкций.

Загрузка фюзеляжа

Конструкция фюзеляжа нагружается несколькими способами.К ним относятся:

• Аэродинамические нагрузки в результате маневрирования самолета в воздухе.
• Распределение массы фюзеляжа вызывает изгиб
• Инерционные нагрузки, создаваемые точечными массами, соединенными с фюзеляжем (например, двигатели, прикрепленные к фюзеляжу с помощью пилона).
• Сосредоточенные точечные нагрузки: например, на стыке фюзеляжа и хвостовой части.
• Нагрузки внутреннего наддува (если воздушное судно находится под давлением).
• Ударная нагрузка: например, удар передней стойки шасси о взлетно-посадочную полосу при посадке.

Нагрузка, испытываемая фюзеляжем, вероятно, представляет собой комбинацию каждой из этих нагрузок в данный момент времени. Как же тогда каждый из структурных элементов, присутствующих в конструкции фюзеляжа полумонокока, работает вместе, чтобы распределять и передавать результирующую нагрузку?

Рамы служат для поддержки обшивки и ребер жесткости от деформации, сохраняя при этом аэродинамическую форму фюзеляжа.Каркасы также используются везде, где сосредоточенные нагрузки вводятся в конструкцию, например, на стыке крыла с фюзеляжем и на стыке хвостовой части и фюзеляжа. Наконец, рамы также используются вместе с обшивкой, чтобы противостоять внутреннему давлению, возникающему при повышении давления в самолете.

Ребра жесткости и стрингеры отвечают за передачу осевой нагрузки (как растяжения, так и сжатия), возникающей из-за изгибающих моментов, создаваемых через конструкцию фюзеляжа.Хорошим примером может служить изгибающий момент, возникающий через фюзеляж при включении руля направления во время полета. Ребра жесткости также помогают предотвратить коробление обшивки фюзеляжа.

Наконец, обшивки передают поперечные нагрузки и работают, чтобы передать нагрузку на ребра жесткости. Кожа также противостоит внутреннему давлению, которое присутствует в воздушном судне, находящемся под давлением.

Суммируем:

Осевые нагрузки воспринимаются продольными ребрами жесткости и стрингерами

Сдвигающие нагрузки воспринимаются кожей

Основная методология проектирования конструкции фюзеляжа заключается в обеспечении того, чтобы комбинация обшивки / элемента жесткости не прогибалась между поперечными шпангоутами.Следовательно, каркасы должны быть достаточно жесткими, чтобы они не изгибались глобально, а обшивка и элементы жесткости, которые образуют серию сегментов на фюзеляже, не должны изгибаться локально. Оптимизация конструкции фюзеляжа достигается при соблюдении этих условий для получения максимально легкой конструкции.

Размер фюзеляжа

Давайте перейдем от различных конструктивных элементов, необходимых для проектирования фюзеляжа, к тому, как вы определяете размер и форму фюзеляжа, необходимые для конструкции вашего самолета.

Хорошей отправной точкой является тщательное понимание требований проектируемого самолета; вот несколько вопросов, которые вы должны задать себе:

• Как выглядит моя полезная нагрузка? Я проектирую пассажирский самолет, перевозящий грузы или боеприпасы?
• Как приводится в действие мой самолет? Нужно ли мне предусмотреть место в фюзеляже для двигателя, или двигатели будут располагаться снаружи на крыле или ближе к задней части фюзеляжа?
• Как выглядит типичная миссия моего самолета? Я больше заинтересован в достижении высокой крейсерской скорости за счет полезной нагрузки или размер и размер полезной нагрузки являются требованиями к вождению?
• Должен ли самолет находиться под давлением или без него? Самолеты под давлением обычно имеют цилиндрическое поперечное сечение фюзеляжа, так как это наиболее эффективная форма для сопротивления внутреннему давлению.

Как только вы выясните, какие факторы будут влиять на конструкцию фюзеляжа, вы можете начать набрасывать предварительный набросок вашего фюзеляжа. Полезно начать с размещения всех компонентов, которые, как вы знаете, необходимо будет разместить в фюзеляже, например: двигатели, пассажиры, груз и т. д., а затем формируют вокруг них фюзеляж. Как правило, лучше начать с создания ряда поперечных сечений предлагаемого фюзеляжа над критически важными компонентами, а затем начать их соединять, чтобы сформировать предварительный проект.Конечно, также очень важно учитывать расположение центра тяжести вашего фюзеляжа и внутренних компонентов, поскольку расположение центра тяжести самолета относительно центра подъемной силы крыла является критическим критерием устойчивости.

Расположение поверхностей крыла и оперения также будет определять общую длину фюзеляжа как с точки зрения устойчивости, так и с точки зрения управляемости. Более длинный фюзеляж означает, что поверхности хвостового оперения могут быть уменьшены, так как плечо момента между самолетами C.G и аэродинамический центр горизонтального и вертикального оперения увеличены, что увеличивает эффективность рулей. Это очень хорошо видно при сравнении размеров вертикального оперения более короткого Boeing 747SP и 747-400.
Сравнение размеров вертикального оперения на Boeing 747SP и 747-400

Обычно доля фюзеляжа составляет от 20 до 35% общего лобового сопротивления, создаваемого самолетом в крейсерском режиме, и это функция трех ключевых переменных:

• Максимальная площадь поперечного сечения фюзеляжа.
• Коэффициент гибкости фюзеляжа (отношение длины к диаметру).
• Общая смачиваемая площадь фюзеляжа.

Влияние этих переменных на общее сопротивление профиля фюзеляжа показано на графиках, созданных ниже:

Увеличение диаметра фюзеляжа с 4 м до 5 м приводит к увеличению сопротивления профиля фюзеляжа на 60%. Это показывает, насколько важно подобрать размер фюзеляжа, чтобы он соответствовал предполагаемой полезной нагрузке, но не делать его излишне большим.

Длина вашего фюзеляжа должна соответствовать максимальной площади поперечного сечения. Отношение гибкости (длины к диаметру) от 5 до 6 обеспечивает минимальное сопротивление.

Графики зависимости диаметра фюзеляжа и коэффициента гибкости от сопротивления (нормализованное)

Расположение дверей и окон на фюзеляже — еще одно важное соображение, которое необходимо тщательно изучить. Например, расположение окон будет влиять на расположение поперечных шпангоутов фюзеляжа.Любой, кто летал на коммерческом авиалайнере, возразит, что расположение окон определяется размещением рам, а не наоборот! Тип, размер и минимальное количество дверей и аварийных выходов, размещаемых на фюзеляже, определяются правилами, опубликованными Федеральным авиационным управлением. Это вызвано необходимостью быстрой и эффективной эвакуации пассажиров в случае возникновения чрезвычайной ситуации. Двери и окна образуют вырезы в конструкции фюзеляжа, что требует дополнительного усиления конструкции вокруг этих проемов.Это, в свою очередь, приводит к более тяжелой конструкции, поэтому размер и количество вырезов следует свести к минимуму.

Еще одним важным моментом является конструкция кабины пилота. Видимость пилота является важным фактором (по крайней мере, пока коммерческий самолет остается пилотируемым), и размер кабины должен быть таким, чтобы пилоты могли безопасно управлять самолетом в любое время во время полета. Фазы захода на посадку и приземления являются наиболее важными с точки зрения видимости пилота.Во время посадки пилот поднимет нос самолета вверх, чтобы увеличить угол атаки крыла, чтобы лететь с меньшей скоростью. Видимость взлетно-посадочной полосы в таком положении является важным фактором, который необходимо учитывать. Самолеты с треугольными крыльями, такие как Concorde, приземляются под очень большими углами атаки, поэтому нос Concorde поворачивается вниз во время посадки, чтобы пилоты могли видеть взлетно-посадочную полосу поверх носа самолета.
Concorde незадолго до приземления с передним носом, повернутым вниз

Как и все конструкции самолетов, проектирование эффективного фюзеляжа — это очень итеративный процесс, который требует множества петель до тех пор, пока не будет достигнута сходимость с точки зрения размеров, конструкции, аэродинамики и устойчивости.Хорошо спроектированный фюзеляж будет оптимизирован по полезной нагрузке, весу, аэродинамическому сопротивлению и способности растягиваться или сокращаться по длине, чтобы приспособиться к новым изменениям или конфигурациям самолета в течение его срока службы.

Спасибо, что прочитали это введение в конструкцию фюзеляжа. Если вам понравилось это читать, сообщите об этом и поделитесь этим постом в своей любимой социальной сети!

Вам понравился этот пост? Почему бы не продолжить чтение этой серии из десяти частей «Основы конструкции самолетов»?

Горизонтальная и вертикальная конструкция хвостовика

Типы конструкции самолетов (Часть первая)

Конструкция фюзеляжей самолетов эволюционировала от ранних деревянных структурных конструкций ферм до монококовых оболочек и нынешних полумонококовых оболочек.

Ферменная конструкция

Основным недостатком ферменной конструкции является отсутствие обтекаемой формы. В этом методе строительства отрезки труб, называемые лонжеронами, привариваются, образуя прочно закрепленный каркас. Вертикальные и горизонтальные стойки приварены к лонжеронам и придают конструкции квадратную или прямоугольную форму, если смотреть с торца. Дополнительные распорки необходимы, чтобы противостоять нагрузке, которая может исходить с любого направления. Стрингеры и переборки или каркасы добавляются для придания формы фюзеляжу и поддержки покрытия.

По мере развития технологий авиаконструкторы начали ограждать элементы фермы, чтобы упростить самолет и улучшить его характеристики. Первоначально это было сделано с использованием тканевой ткани, которая в конечном итоге уступила место легким металлам, таким как алюминий. В некоторых случаях внешняя обшивка может выдерживать все или большую часть летных нагрузок. В большинстве современных самолетов используется форма этой напряженной структуры обшивки, известная как конструкция монокока или полумонокока. [Рисунок 3-14]

Рисунок 3-14. Конструкция фюзеляжа полумонокока и монокока.

Monocoque

В конструкции Monocoque используется напряженная обшивка для выдерживания почти всех нагрузок, как в алюминиевой банке для напитков. Несмотря на свою очень прочную конструкцию, монокок не очень устойчив к деформации поверхности. Например, алюминиевый напиток может выдерживать значительные силы на концах банки, но если сторона банки слегка деформируется, поддерживая нагрузку, она легко разрушается.

Поскольку большая часть скручивающих и изгибных напряжений воспринимается внешней обшивкой, а не открытым каркасом, необходимость во внутренних распорках была устранена или уменьшена, что позволило сэкономить вес и увеличить пространство.Один из примечательных и новаторских методов использования конструкции монокока был использован Джеком Нортропом. В 1918 году он разработал новый способ создания монококового фюзеляжа для Lockheed S-1 Racer. В технике использовались две формованные фанерные половинки, которые были склеены вокруг деревянных обручей или стрингеров. Чтобы построить половинки оболочек, вместо того, чтобы наклеивать множество полос фанеры на форму, три больших набора еловых полос были пропитаны клеем и уложены в полукруглую бетонную форму, которая выглядела как ванна.Затем под плотно зажатой крышкой в ​​полость надували резиновый баллон для прижатия фанеры к форме. Двадцать четыре часа спустя гладкая полуоболочка была готова к соединению с другой для создания фюзеляжа. Две половинки были толщиной менее четверти дюйма каждая. Хотя конструкция монокока использовалась в ранний период авиации, она не возродилась в течение нескольких десятилетий из-за сопутствующих сложностей. Примеры конструкции монокока можно встретить каждый день в автомобилестроении, где цельный кузов считается стандартом в производстве.

Рекомендации по летной грамотности Справочник Рода Мачадо «Как управлять самолетом» — Изучите основные основы управления любым самолетом. Сделайте летную подготовку проще, дешевле и приятнее. Освойте все маневры чек-рейда. Изучите философию полета «клюшкой и рулем». Не допускайте случайной остановки или вращения самолета. Посадите самолет быстро и с удовольствием.

Semimonocoque

В конструкции Semimonocoque, частичной или половинной, используется каркасная конструкция, к которой крепится обшивка самолета.Подконструкция, состоящая из переборок и / или каркасов различных размеров и стрингеров, усиливает напряженную обшивку, снимая часть напряжения изгиба с фюзеляжа. Основная часть фюзеляжа также включает точки крепления крыла и брандмауэр. На одномоторных самолетах двигатель обычно крепится к передней части фюзеляжа. Между задней частью двигателя и кабиной или кабиной экипажа имеется противопожарная перегородка для защиты пилота и пассажиров от случайных возгораний двигателя.Эта перегородка называется брандмауэром и обычно изготавливается из жаропрочного материала, например из нержавеющей стали. Однако новый процесс строительства — это интеграция композитов или самолетов, полностью сделанных из композитов.

Композитная конструкция

История

Использование композитов в авиастроении можно отнести к самолетам времен Второй мировой войны, когда в фюзеляжах B-29 использовалась мягкая стекловолоконная изоляция. К концу 1950-х годов европейские производители планеров с высокими характеристиками использовали стекловолокно в качестве основной конструкции.В 1965 году Федеральное управление гражданской авиации сертифицировало первый самолет из стеклопластика нормальной категории — швейцарский планер под названием Diamant HBV. Четыре года спустя FAA сертифицировало четырехместный одномоторный Windecker Eagle в нормальной категории. К 2005 году более 35 процентов новых самолетов были построены из композитных материалов.

Композит — это широкий термин, который может означать такие материалы, как стекловолокно, ткань из углеродного волокна, ткань Kevlar ™ и смеси всего вышеперечисленного. Композитная конструкция дает два преимущества: чрезвычайно гладкую обшивку и способность легко формировать сложные изогнутые или обтекаемые конструкции.[Рисунок 3-15]

Рисунок 3-15. Композитный самолет.

Композитные материалы в самолетах

Композиционные материалы представляют собой матричные системы, армированные волокном. Матрица — это «клей», используемый для удержания волокон вместе и после отверждения придает детали форму, но волокна несут большую часть нагрузки. Существует много различных типов волокон и матричных систем.

В самолетах наиболее распространенной матрицей является эпоксидная смола, которая представляет собой термореактивный пластик. По сравнению с другими материалами, такими как полиэфирная смола, эпоксидная смола прочнее и обладает хорошими высокотемпературными свойствами.Существует множество различных типов эпоксидных смол с широким диапазоном структурных свойств, времени и температуры отверждения, а также стоимости.

Наиболее распространенными армирующими волокнами, используемыми в авиастроении, являются стекловолокно и углеродное волокно. Стекловолокно обладает хорошей прочностью на растяжение и сжатие, хорошей ударопрочностью, с ним легко работать, оно относительно недорогое и легко доступно. Его основным недостатком является то, что он несколько тяжелый, и его трудно сделать несущую конструкцию из стекловолокна легче, чем хорошо спроектированная эквивалентная алюминиевая конструкция.

Углеродное волокно обычно прочнее на растяжение и сжатие, чем стекловолокно, и имеет гораздо более высокую жесткость на изгиб. Кроме того, он значительно легче стекловолокна. Однако у него относительно низкая ударопрочность; волокна хрупкие и могут расколоться при резком ударе. Это можно значительно улучшить с помощью системы «усиленной» эпоксидной смолы, которая используется в горизонтальных и вертикальных стабилизаторах Boeing 787. Углеродное волокно дороже, чем стекловолокно, но цена упала из-за инноваций, вызванных программой B-2 в 1980-х годах и работой Boeing 777 в 1990-х.Хорошо продуманные конструкции из углеродного волокна могут быть значительно легче, чем эквивалентные алюминиевые конструкции, иногда на 30 процентов или около того.

Преимущества композитов

Композитная конструкция имеет ряд преимуществ по сравнению с металлом, деревом или тканью, причем наиболее часто упоминается ее меньший вес. Уменьшение веса не всегда происходит автоматически. Следует помнить, что построение конструкции самолета из композитов не гарантирует, что он будет легче; это зависит от конструкции, а также от типа используемого композита.

Более важным преимуществом является то, что очень гладкая изогнутая аэродинамическая конструкция из композитных материалов снижает сопротивление. Это основная причина, по которой в 1960-х конструкторы планеров перешли с металла и дерева на композиты. В самолетостроении использование композитов снижает лобовое сопротивление серийных самолетов Cirrus и Columbia, что обеспечивает их высокие характеристики, несмотря на фиксированное шасси. Композитные материалы также помогают замаскировать радиолокационные характеристики самолетов-невидимок, таких как B-2 и F-22.Сегодня композиты можно найти в самолетах, от планеров до большинства новых вертолетов.

Отсутствие коррозии — третье преимущество композитов. Boeing проектирует 787 с его полностью композитным фюзеляжем, чтобы иметь как более высокий перепад давления, так и более высокую влажность в салоне, чем у предыдущих авиалайнеров. Инженеров больше не беспокоит коррозия из-за конденсации влаги на скрытых участках обшивки фюзеляжа, например, за изоляционными покрытиями.