Назначение, внешние формы, параметры

ФЮЗЕЛЯЖЕЙ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ.

Фюзеляж - основная часть конструкции ВС, предназначен­ная для соединения в одно целое всех его частей, а также для размещения экипажа, пассажиров, оборудования и грузов.

Разновидностью фюзеляжа являются гондола и лодка гид­росамолета. Гондола применяется на специальных самолетах в основном для улучшения обзора и на самолетах типа "бесхвостка". Гондола в отличие от фюзеляжа не несет на себе оперения. Лодке придается форма, позволяющая гидросамолету произво­дить взлет и посадку на воду.

Современные самолеты с газотурбинными двигателями эксплуатируются на высотах до 12 км, где атмосферные условия неприемлемы для жизнедеятельности человека, поэтому фюзеляжи ВС, эксплуатирующихся на высоте более 3000 м, имеют герметическую кабину, в которой поддерживается избы­точное давление воздуха (по отношению к внешней атмосфере).

Фюзеляж является основным источником вредного сопро­тивления ВС, по этому большое внимание уделяется его обво­дам (придание обтекаемой формы) и качеству поверхности. У грузовых самолетов хвостовая часть фюзеляжа делается при­поднятой с целью увеличения посадочного угла и удобства погрузки и выгрузки грузов через задний люк. Для уменьшения волнового сопротивления носовая чисть сверхзвукового самоле­та делается удлиненной и заостряется. Удлиненная носовая часть затрудняет обзор из кабины пилотов, поэтому на некото­рых самолетах при посадке и взлете она может отклоняться вниз, обеспечивая обзор пилоту.

Рис. 5.1. Типовые формы поперечного сечения фюзеляжа:

а — круглая; б — прямоугольная; в — овальная

Поперечному сечению фюзеляжа придается круглая, оваль­ная, прямоугольная или более сложная форма с учетом назна­чения ВС и из технологических соображений (рис. 5.1). Круглая форма проста в производстве, выгодна в аэродинамическом и массовом отношениях, особенно при наличии в фюзеляже герметической кабины. Овальное и прямоугольное сечения позволяют увеличить площадь пола кабины и лучше использо­вать объем фюзеляжа при компоновке пассажирских кресел и размещении грузов.

Геометрическими характеристиками фюзеляжа являются его длина, ширина, высота и диаметр. Относительные размеры характеризуются удлинением фюзеляжа, которое выражается отношением его длины L_Фк диаметру круга, равного по площа­ди миделеву сечению, d_МФт. е. λ_Ф=L_Ф/ d_МФ (миделевым называется наибольшее по площади поперечное сечение фюзе­ляжа).

Длина фюзеляжа транспортных самолетов составляет 0,8 -1,2 размаха крыла и на тяжелых ВС превышает 60 м, диаметр достигает 6 м и более. Удлинение фюзеляжа дозвуковых само­летов принимается равным 7 - 10, сверхзвуковых - 10 - 15.

НАГРУЖЕНИЕ ФЮЗЕЛЯЖА, ПОВЕРХНОСТНОЕ,

МАССОВОЕ И ТЕМПЕРАТУРНОЕ.

Вполете на фюзеляж действуют аэродинамические силы, распределенные по его поверхности, массовые нагрузки от собственной конструкции, сосредоточенные нагрузки от за­крепленных на фюзеляже оперения, шасси, двигателей и др., массовые нагрузки от грузов и оборудования, нагрузки от избы­точного давления в гермокабине. Аэродинамические нагрузки и массовые нагрузки от конструкции сравнительно невелики и при расчете фюзеляжа на прочность не учитываются.

Силы, действующие на фюзеляж, уравновешиваются реак­циями в узлах крепления крыла, поэтому при расчете на проч­ность фюзеляж рассматривают как балку, опорами которой являются лонжероны крыла.

Определяющие нагрузки в хвостовой части фюзеляжа само­лета - аэродинамические силы, действующие на оперение. Аэродинамическая сила, действующая на горизонтальное оперение У_ГО (рис. 5.2), во всех сечениях хвостовой части фюзе­ляжа вызывает изгибающий момент М_{ИЗ ГО} и поперечную силу Q_ГO, которые действуют в вертикальной плоскости. Поскольку точка приложения силы У_ГО лежит в плоскости симметрии фю­зеляжа, крутящего момента, от ее действия не возникает. Изги­бающий момент в сечении равен произведению аэродинамичес­кой силы на расстояние от сечения до линии действия этой силы: М_{ИЗ ГО}= У_ГОL_1.

Рис. 5.2. Схемы напряжений в сечении хвостовой части фюзеляжа самолета

Следовательно, наибольший изгибающий момент возникает у узлов крепления фюзеляжа к крылу. От действия изгибающего момента нагружаются обшивка и стрингеры верх­ней и нижней частей фюзеляжа: в верхней части эти элементы работают на растяжение, в нижней - на сжатие. Усилия растя­жения и сжатия вызывают в обшивке и стрингерах нормальные напряжения σ_ГО которые имеют наибольшее значение в эле­ментах, наиболее удаленных от оси фюзеляжа.

Поперечная сила Q_ГО во всех сечениях одинакова и равна аэродинамической силе Y_ГO. Поперечная сила воспринимается обшивкой бортов фюзеляжа, вызывая в ней касательные напряжения τQ_ГО .

На вертикальное оперение при отклонении руля направле­ния действует аэродинамическая сила Y_ВО, направленная в сторону, противоположную отклонению руля. Эта сила дейст­вует в горизонтальной плоскости, нагружая хвостовую часть фюзеляжа поперечной силой Q_ВO равной аэродинамической силе Y_ВО, и изгибающим моментом М_{ИЗ ВО}=Y_ВОL₂. Кроме того, сила Y_ВО нагружает фюзеляж крутящим моментом, так как эта сила приложена на удалении от оси фюзеляжа. Крутящий момент М_КР = Y_ВОh, где h - расстояние от точки приложения силы до продольной оси фюзеляжа.

Изгибающий момент М_{ИЗ ВО} нагружает обшивку и стрингеры боковых сторон фюзеляжа, создавая в них напряжения растяже­ния и сжатия δ_ВО. Поперечная сила Q_ВO нагружает верхнюю и нижнюю части обшивки касательными напряжениями

τQ_ВO, a крутящий момент вызывает по всему контуру обшивки каса­тельные напряжения τ_КР. В случае одновременного действия сил Y_ГО и Y_ВО нормальные и касательные напряжения в сило­вых элементах конструкции фюзеляжа алгебраически сумми­руются.

В криволинейном полете на агрегаты и грузы, размещенные в фюзеляже, действует перегрузка, поэтому массовые нагрузки определяются с учетом ее значения.

Хвостовая часть фюзеляжа одновинтового вертолета (хвос­товая балка) нагружается в основном тягой рулевого винта Р_РВ (рис. 6.3). Эта сила вызывает в сечениях балки поперечную силу Q= Р_РВизгибающий момент М_из = Р_РВL_РВ.

L_РВ расстояние от линии действия тяги рулевого винта до сечения) и крутящий момент М_КР = P_PBh (h- расстояние от линии действия тяги до оси жесткости хвостовой балки).

Так же как в сечениях фюзеляжа самолета, действие изги­бающего момента вызывает в боковых панелях балки напряже­ния растяжения и сжатия. От поперечной силы нагружаются верхняя и нижняя панели балки - в них возникают касательные напряжения τQ. Крутящий момент вызывает в контуре обшивки касательные напряжения τ_КР. Таким образом, характер нагружения хвостовой балки вертолета от действия тяги рулевого винта аналогичен нагружению фюзеляжа самолета от дейст­вия аэродинамической силы на вертикальное оперение.

Рис. 5.3. Схема напряжений в сечении хвостовой балки одновинтового вертолета

При посадке ВС на фюзе­ляж действуют собственные массовые нагрузки и нагрузки от массы агрегатов и грузов. Они вызывают изгибающий момент и поперечную силу в вертикальной плоскости, а при посадке со сносом и в гори­зонтальной плоскости.

Аэродинамические силы на общую прочность фюзеляжа оказывают незначительное влияние, поскольку по по­перечным сечениям они прак­тически самоуравновешивают­ся. Однако местные воздушные нагрузки вследствие больших местных разрежений могут быть большими, особенно на высту­пающих частях фюзеляжа, имеющих плавные очертания (фона­ри, блистеры и др.). Воздушные

нагрузки являются исходными для расчета крепления обшивки, крышек люков и лючков, остекления кабин фюзеляжа. Большие нагрузки воспринимают обшивка, шпангоуты, двери, крышки люков, остекление от действия избыточного давления в гермокабине.

Прочность фюзеляжа проверяется в соответствии со всеми расчетными случаями нагружения крыла, оперения, двигатель­ной установки (если она крепится к фюзеляжу), со всеми взлет­ными и посадочными случаями нагружения. Коэффициент безопасности для фюзеляжа принимается таким же, как и в соответствующем расчетном случае. Исключение составляют некоторые посадочные случаи нагружения, при которых значе­ние коэффициента безопасности принимается несколько большим, чем при расчете шасси. Дополнительная прочность фюзе­ляжа предусматривается на случай грубой посадки ВС.

Кроме того, рассчитывают случаи аварийного приземления ВС (посадка самолета с убранным шасси, посадка на воду, капотирование и др.). В этих случаях проверяют силовые элементы фюзеляжа, обеспечивающие восприятие повышенных нагрузок в соответствующих специфических условиях посадки и предотвращающие разрушение всей конструкции.