Тема 5. Элементы конструкции самолетов и вертолетов. Фюзеляж, крыло, хвостовое оперение. Конструкция вертолета.

Фюзеляж: назначение, требования, конструкция основных элементов, компоновка.

Фюзеляж - это основной силовой элемент, к которому крепятся крыло, хвостовое оперение, шасси, двигатели.

Фюзеляж предназначен для размещения экипажа, пассажиров, грузов и оборудования. Масса конструкции фюзеляжа составляет 40%массы всей конструкции самолёта, а а/д сопротивление до 5% полного сопротивления самолёта.

Основные геометрические параметры фюзеляжа:

Lф - длина фюзеляжа;

S _мид - площадь миделевого (наибольшего) сечения фюзеляжа.

На а/д характеристики большое влияние оказывает параметр удлинение фюзеляжа - λ.

λ = L_ф/D_ф - диаметр окружности миделевого сечения фюзеляжа.

Формы поперечного сечения фюзеляжа:

Круглого ± Овального

Образованного пересечением двух окружностей

Рис.3.1. Формы поперечного сечения фюзеляжа.

С точки зрения а/д, для обеспечения прочности при минимальной массе наиболее выгодным является фюзеляж круглого сечения.

Нагрузки действующие на фюзеляж:

- М_изг и М_кр от крыла и хвостового оперения;

- от масс грузов и агрегатов, расположенных внутри фюзеляжа;

- силы от шасси при посадке;

- воздушные силы;

- перепад давления между гермокабиной (ГК) и атмосферой.

Для восприятия нагрузок фюзеляж состоит из силовых элементов:

- поперечный набор - шпангоуты (шп) - (голл. Spanthout - поперечное ребро жёсткости бортовой обшивки судна между днищем и палубой или фюзеляжа самолёта).

Шп бывают: - усиленные, когда к ним крепятся крыло, шасси, хв.

оперение, двигатели или ограничивающие ГК;

- обычные.

Шп придают заданную форму поперечного сечения, обеспечивают поперечную жёсткость, воспринимают местные нагрузки.

- продольный набор - стрингеры (англ. Stringer- продольное ребро жёсткости

корпуса судна, ЛА.).

Опираются на Шп. Являются опорой обшивки и прикрепляются к шп и обшивке.

В местах вырезов в фюзеляже: ниши шасси, двери, окна, люки вместо стрингеров могут устанавливаться балки силовые - бимсы.

На современных самолётах применяются фюзеляжи балочной конструкции. У них работающая металлическая обшивка, подкреплённая продольным и поперечным набором.

Обшивка состоит из панелей и листов различной толщины от 1,5 мм до 8 мм в местах вырезов в фюзеляже (двери, окна, люки).

Технологически фюзеляж разделён на части:

Ф₁ - носовая часть фюзеляжа (НЧФ) - кабина экипажа.

Ф₂ - средняя часть фюзеляжа (СЧФ) - пассажирские салоны или

грузовая кабина.

Ф₃ - хвостовая часть фюзеляжа (ХЧФ), техническая часть.

Между собой эти части соединены стыковочными шпангоутами.

Ф1 и Ф₂ - как правило составляют герметическую кабину. Поэтому она воспринимает усилие перепада давления.

Герметизация обеспечивается с помощью уплотнительных лент (У20А), закладываемых между листами обшивки и деталями каркаса, а затем изнутри кистью промазывается герметиком У30-МЭС-5К.

Входные двери, люки, окна герметизируются резиновыми профилями.

Герметизируются выводы тяг, тросов управления, электропроводки, трубопроводов различных систем.

Для теплозвукоизоляции кабин применяются пористые и волокнистые материалы с малой теплопроводностью (минеральная вата, стекловата, пеностекло).

Теплоизоляционные покрытия служат и звукоизоляцией.

Между обшивкой и облицовкой кабин воздушная прослойка.

Нагрузки действующие на фюзеляж. Массовые. хв о Рис.3.2. Массовые силы действующие на фюзеляж.

q_{ф –} распределенная массовая нагрузка от кострукции фюзеляжа

Р_эк – нагрузка от членов экипажа Данные нагрузки

Р_г - груз или пассажиры уравновешиваются

Р_ш – нагрузка от шасси подъемной силой

Р_дв – нагрузка от двигателей крыла

Р_хв.о – нагрузка от хвостового оперения

Силы давления внутри фюзеляжа за счёт перепада давления в ГК.

Р_гк - давление внутри гермокабины.

Ра_™ - давление атмосферное.

∆Р_гк = Р_гк – Р_атм => перепад давления в ГК по отношению к атмосферному давлению, которое стремится разорвать фюзеляж.

Рис. 3.3. Силы перепада давления.

На фюзеляж действуют силы от отклонённых рулевых поверхностей:

Руль направления (РН)- через киль; руль высоты (РВ) - через стабилизатор и киль; ЭЛЕРОНОВ - через крыло; ПРЕДКРЫЛКОВ и ЗАКРЫЛКОВ - через крыло - все эти силы создают М_изг и М_кр (изгибаюшие и крутящие) моменты относительно центра тяжести (ЦТ).

Из вышесказанного вытекают требования к фюзеляжу:

- обеспечение достаточной прочности и жёсткости конструкции при минимальном весе;

- рациональные внешние формы и параметры фюзеляжа для минимального лобового сопротивления;

- использовать несущие свойства фюзеляжа до 40% в интегральных схемах;

- максимально использовать полезные объёмы за счёт увеличения плотности, компоновки и размещения грузов вблизи центра массы (ЦМ)

Это даёт:

1. Масовые моменты инерции – ↓J_i;

2. Улучшаются маневренные характеристики;

3. Уменьшается диапазон центровок;

4. Даёт большую стабильность и управляемость.

- согласованность силовой схемы фюзеляжа с силовыми схемами присоединённых агрегатов (крыла, шасси, хвостового оперения);

- обеспечивать: - удобство входа и выхода экипажа и пассажиров, погрузки и разгрузки грузов, надёжности швартовки;

- создание необходимых условий жизнеобеспечения и комфорта;

- обеспечение быстрого и безопасного аварийного покидания самолёта.

Крыло: назначение, требования, конструкция основных элементов, компоновка.

Основными элементами крыла являются:

· обшивка,

· лонжероны,

· продольные стенки,

· стрингеры,

· нервюры.

Крыло - это основная часть самолёта, создающая при движении его в воздухе подъёмную силу и обеспечивает поперечную устойчивость самолёта.

На концевых частях крыла расположены органы поперечного управления - элероны.

( франц. Aileron от aile - крыло) это подвижная часть крыла, служит для управления по крену самолётом.

Элероны синхронно отклоняются в противоположные направления: если левый - вверх, то правый - вниз.

При этом происходит перераспределение а/д нагрузки по размаху крыла, что приводит к созданию момента крена самолёта.

Для улучшения взлетно-посадочных характеристик (ВПХ) самолёта крыло современного самолёта снабжается предкрылками и закрылками. Эти устройства называются средствами механизации крыла.

Перед закрылками устанавливают интерцепторы, которые в полёте обеспечивают ↓У и ↑X и как результат используют для ↓V и ↓Н полёта, а после приземления для уменьшения длины пробега ( ↓L_np).

Kpыло технологически разделено на: - ЦП - центроплан;

- СЧК - средняя часть крыла;

- ОЧК - отъёмная часть крыла.

К крылу могут крепиться двигатели, главные опоры шасси. Внутренние объёмы крыла используются для размещения топлива.

На крыло в полёте, при взлёте и посадке самолёта действуют нагрузки: - а/д нагрузки q_в распределённые по поверхности крыла;

- от массы конструкции крыла q _кр- распределённые массовые

нагрузки;

- от массы агрегатов размещённых в крыле - сосредоточенные

нагрузки Р _агр;

- силы тяги Р_дв и веса Р_су двигателей, ударные нагрузки от шасси

Р_ш при посадке самолёта;

- инерционные массовые силы при совершении маневров.

Рис. 3.3. Силы действующие на крыло.

Конструктивными элементами крыла являются:

- Лонжероны -(франц. Longeron - отlonger - идти вдоль)основной силовой элемент конструкции расположенный по длине размаха крыла.

Это балка, воспринимающая М_изг и Q (поперечную силу), которая в сечении имеет вид:

- швеллера(нем. Schweiier - профиль).

- двутавр.

Состоит из верхнего и нижнего поясов, связанных между собой стенкой. Пояса воспринимают сжатие или растяжение.

Крыло бывает: однолонжеронной конструкции

многолонжероннои конструкции

двухлонжеронной конструкци

Стрингеры - продольный набор опирающийся на нервюры и

скреплённые с обшивкой служат для восприятия осевых усилий растяжения и сжатия при изгибе крыла.

Через обшивку они воспринимают местные а/д нагрузки. В сечении стрингер представляют профили П – Z – Г - образный.

Нервюры - (франц. Nervure) - поперечный силовой элемент каркаса

определяющий форму профиля крыла, обеспечивающий восприятие а/д нагрузки с обшивки и стрингеров, передачу её на лонжероны.

Нервюры бывают: - силовые - к ним крепятся узлы навески элеронов,

интерцепторов, закрылков и предкрылков; усиленные - воспринимают сосредоточенные нагрузки от агрегатов; - обычные.

Обшивка - является наружной оболочкой каркаса крыла и служит для придания обтекаемой формы и передачи а/д нагрузок на каркас крыла.

На современных самолётах обшивка выполняется из алюминиевых сплавов и является работающей.

Работающей называется такая обшивка, которая воспринимает аэродинамические нагрузки и передает их на каркас крыла.

В крыльях кессонных конструкций обшивка со стрингерами выполнена в виде панелей путём химического фрезерования или клепаным способом.

Обшивка стрингеры лонжерон

Рис. 3.4. Конструкция кессона.

Кессон- (франц. Caisson - ящик) - воспринимающий усилия, действующие на крыло самолета.

Объем используется для размещения топлива на самолёте и вес топлива разгружает крыло в полёте.

Тема 6. Механизация крыла.

Механизация крыла - это система устройств (закрылки, предкрылки, интерцепторы, спойлеры, тормозные щитки) предназначенные для управления подъёмной силой У и лобовым сопротивлением X самолёта, улучшая взлётно-посадочные характеристики (ВПХ).

Рост скоростей полёта самолёта, которым сопровождается развитие авиации, влечёт за собой рост взлётно-посадочных скоростей, что усложняет технику пилотирования и требует увеличения длины взлетно-посадочной полосы (ВПП).

Основным способом улучшения ВПХ является оснащение крыла мощной механизацией.

Задача механизации крыла:

- при взлёте - создание наибольшей подъёмной силы У без значительного увеличения лобового сопротивления X;

- при посадке - наибольшей подъёмной силы У и наибольшего лобового сопротивления X;

- улучшение маневренных характеристик и активного парирования перегрузок, возникающих во время полёта.

Минимальная скорость полёта соответствует полёту на околокритических углах атаки при С_у ≈ С_{у max}

Зависимость Су= f( α) для различных видов механизации.

1. Крыло без механизации.

2. Крыло с предкрылком.

3. Крыло с щелевым закрылком.

4. Крыло с щелевым закрылком и предкрылком.

К основным видам механизации крыла относится :

- закрылки;

- предкрылки;

- интерцепторы;

- щитки.

Требования к механизации крыла:

- максимальное ↑С_у^α при отклонении средств механизации в посадочное положение при посадочных углах атаки α самолёта;

- минимальное ↑С_х^α в убранном положении средств механизации;

максимальное качество К при разбеге самолёта и возможное ↑С_у^α при отклонении средств механизации во взлётное положение;

- твозможно меньшее изменение смещения центра давления (ЦД) крыла при отклонении ВПМ( взлётно - посадочной механизации);

- синхронность действий ВПМна обеих консолях крыла;

- простота конструкции и надёжность работы.

Факторы увеличивающие несущую способность крыла и тем самым улучшающие ВПХ самолёта достигаются:

-увеличением эффективной кривизны профиля крыла при отклонении

средств механизации;

- увеличением площади крыла;

-управлением пограничным слоем для безотрывного обтекания

верхней поверхности крыла и затягивания срыва на большие углы атаки за счёт скорости пограничного слоя: - эффектом щелей;

- отсосом пограничного слоя.

Улучшение взлетно-посадочных характеристик самолета и, прежде всего, снижение его посадочной скорости и скорости отрыва на взлете обеспечивается применением средств механизации крыла. К этим средствам относятся устройства, позволяющие изменять несущую способность и сопротивление крыла. Они могут устанавливаться по передней кромке крыла - предкрылок, отклоняемый носок, по задней кромке - щитки, закрылки (одно-, двух-, трехщелевые) и на верхней поверхности крыла - тормозные щитки и гасители подъемной силы. Закрылки, щитки, предкрылки перед посадкой отклоняются (и выдвигаются) на максимальные углы, обеспечивая прирост несущей способности крыла (С_yаS) за счет увеличения кривизны профиля, некоторого увеличения площади крыла и за счет щелевого эффекта. Рост несущей способности крыла уменьшает посадочную скорость самолета. На взлете эта механизация отклоняется на меньшие углы, обеспечивая некоторое увеличение несущей способности при незначительном росте сопротивления, в результате чего сокращается длина разбега самолета. Тормозные щитки и гасители подъемной силы обычно отклоняются на пробеге, обеспечивая резкое падение подъемной силы крыла, что позволяет более интенсивно использовать тормоза колес и сокращать длину пробега. На величину посадочной скорости и скорости отрыва они не влияют. Тормозные щитки и гасители подъемной силы также могут использоваться в полете для уменьшения аэродинамического качества и увеличения угла планирования при снижении.

На рисунке цифрами обозначены:
1 - предкрылки, 2 - закрылки, 3 - гасители подъемной силы- интерцепторы, спойлеры , 4 - тормозной щиток, 5- элерон.

Щитки представляют собой отклоняемые вниз поверхности, расположенные в нижней части крыла. В неотклонённом положении щитки вписываются в контур профиля крыла. Угол отклонения до 60°.

Отклоняемый выдвижной

Рис. 3.6. Схема крепления щитка.

При отклонении щитка искривляется профиль крыла, происходит отсос воздуха в область пониженного давления за щитком и увеличивает разряжение на верхней поверхности крыла. Одновременно под крылом давление повышается вследствие его затормаживания щитком. В результате ↑С_у и ↑С_х.

Щитки дают возможность увеличить угол планирования, сократить посадочную дистанцию и длину пробега.

Закрылок - это профилированная подвижная хвостовая часть крыла, выдвигающаяся назад - вниз.

Типы закрылков: - однощелевые;

- двухщелевые;

- трёхщелевые раздвижные.

Рис.3. 7. Двухщелевой закрылок

Хорда закрылков составляет 30 - 40 % хорды крыла.

Повышение коэффициента С_у у крыла происходит вследствии:

- увеличения вогнутости крыла;

- увеличения площади крыла;

- организации безсрывного обтекания крыла.

Так как закрылок отклоняется вниз, то увеличивается вогнутость, одновременно выдвигается назад и увеличивается хорда, а значит, площадь крыла S_KP.

Применение щелевых закрылков создаёт между крылом и закрылком профилированную щель, через которую воздух устремляется из области повышенного давления под крылом в область пониженного давления над крылом. При этом сдувается пограничный слой с верхней стороны закрылка и отсасывание его.

Элементы конструкции закрылка:

- лонжероны, нервюры, стрингеры, обшивка;

- каретки и рельсы;

- винтовые подъёмники, которые служат для перемещения закрылков.

В трёхщелевом закрылке: - дефлектор;

- силовая центральная часть;

- хвостик.

Предкрылки - это профилированный подвижный элемент крыла, расположенный в носовой части крыла по всему размаху, либо на концевых его частях против элеронов (концевой предкрылок).

Предкрылок имеет: эл. обогрев -Ту-154; воздушно-тепловой - Ил-76. Состоит из секций.

Предкрылок обеспечивает возможность реализации прироста С_у^α, даваемого средствами механизации, повышает эффективность элеронов на больших углах атаки α и повышает поперечную устойчивость самолёта (при стреловидных крыльях).

Тип: - отклоняемые носки;

- выдвижные с образованием щели между крылом и предкрылком.

Конструкция: - лонжерон, нервюры, обшивка, рельсы, каретки, винтовые преобразователи.

Рис. 3.8. Предкрылок.

Предкрылки могут управлятся пилотом или автоматически. Предкрылки выдвигаются вперёд и вниз и при этом:

- увеличивается площадь крыла S_kp и кривизна профиля;

- образуется щель и выходящая струя из щели с большой скоростью прижимает воздушный поток к верхней поверхности крыла Использование предкрылков увеличивает на 40-50% С_{у max} за счёт увеличения критического угла атаки (α_кр.)

Интерцепторы это подвижные части крыла в виде профилированных щитков (пластин), расположенные на верхней поверхности крыла перед закрылками и служащие для управления подъёмной силой.

Интерцепторы (спойлеры), с точки зрения а/д, это гасители подъёмной силы, тормозные щитки, отклоняющиеся вверх симметрично на обеих консолях крыла, вызывая срыв потока, за счёт этого уменьшается подъёмная сила и увеличивается лобовое сопротивление, а в убранном положении утоплены в крыло. В элеронном режиме вверх отклоняется только тот, где отклонился элерон вверх, при этом создаётся крен самолёта , т.е. увеличивается эффективность элеронов.

Рис. 3.9. Интерцептор. Конструкция: Секции из панелей стыкованные кронштейнами. Имеют лонжерон, нервюры, узлы навески.

Интерцепторы применяются в полётеи на земле. В полётедля изменения эшелона полёта, т. ↓H и ↓V. На земле для ↑Х (лобового сопротивления) и как следствие ↓L пробега после приземления.

В настоящее время разработаны энергетические средства механизации крыла, в которых используется сжатый воздух, подаваемый от компрессоров двигателей или специальных вентиляторов.

Улучшение а/д характеристик крыла достигается:

- управлением пограничным слоем за счет отсоса или сдува с верхней поверхности крыла, предкрылков и закрылков через специальные отверстия, щели, пористые поверхности;

- применением струйно-реактивного закрылка – профилированной щели вдоль задней кромки крыла, через которую назад и вниз выбрасывается струя воздуха.

Она эжектирует окружающий воздух, увеличивает скорость обтекания крыла, создает дополнительную силу за счет вертикальной составляющей реактивной тяги воздушной струи.

На современных самолётах , как правило , применяется комплексная механизация крыла, т.е. сочетание различных видов механизация крыла, т.е. сочетание различных видов механизации.

Рис. 3 .10. Механизация крыла.

Элероны это подвижные части крыла, расположенные у задней кромки крыла на его концах и отклоняемые одновременно в противоположные стороны (один элерон вверх, а другой - вниз) для создания крена самолёта.

Предназначены элероны для управления самолётом относительно его продольной оси ОХ. Управление производится штурвалом пилота.

Требования к элеронам: обеспечение эффективности управления по крену на всех режимах полёта. Это достигается:

- исключением заклинивания элеронов при изгибе крыла в полёте;

- весовой балансировкой элеронов;

- уменьшением шарнирных моментов (за счёт а/д компенсации); уменьшением дополнительного сопротивления в отклонённом и убранном положениях;

- уменьшением момента рыскания при отклонении элеронов;

- применение элерон-интерцепторов;

- применение дифференциально отклоняемых половин стабилизатора. Конструкция элеронов : форма аналогичная крылу и состоит из каркаса и обшивки.

Каркас: лонжерон, стрингера, нервюры, диафрагмы и обшивка.