гидравлические, пневматические системы.
Элементы самолета
Гражданские самолеты в основном предназначены для перевозки пассажиров и грузов. Эти самолеты подразделяются на пассажирские, грузовые, грузопассажирские, учебные, специальные и т.д. В зависимости от дальности полета и грузоподъемности самолеты разделяются на следующие классы:
1) межконтинентальные самолеты - дальность полета до 12 тыс. км и грузоподъемность более 20 т; к таким самолетам относятся Ил-62, Ан-22, Ан-124, Ан-225;
2) дальние магистральные самолеты - дальность полета до 6 тыс. км и грузоподъемность 12... 15 т; к ним относятся Ил-76, Ту-154, Ту-204, Ан-158;
3) магистральные самолеты средней дальности - дальность полета до 4 тыс. км и грузоподъемность 9...12 т (Ту-134, Ил-18, Ан-148);
4) магистральные самолеты малой дальности - дальность до 1,5 тыс. км и грузоподъемность до 5 т (Як-42);
5) самолеты местных линий - дальность полета до 1000 км и небольшая грузоподъемность (Ан-24, Як-40, Ан-2, Ан-140).
Кроме того, самолеты делятся: в зависимости от конструкции крыла на бипланы (две плоскости крыла, одна над другой - Ан-2) и монопланы (одна плоскость крыла); по расположению крыла относительно фюзеляжа на верхне-, средне- и низкопланы; по числу двигателей на одно-, двух-, трехдвигательные и т.д. Самолеты могут быть с поршневыми, реактивными и ракетными двигателями. При проектировании нового самолета специальными требованиями со стороны заказчика оговариваются его будущие характеристики. Эти характеристики определяются многими показателями или критериями (критерий означает меру). При этом всегда есть самые главные критерии, определяемые назначением самолета.
Основными характеристиками самолета являются: скорость, дальность, грузоподъемность, высота полета, расход топлива, взлетно-посадочные характеристики; все они тесно связаны друг с другом. Изменение одной характеристики ведет к изменению другой. Поэтому одной из важных задач является нахождение „золотой середины", при которой главные характеристики были бы хорошими, а остальные были бы на достаточном уровне, т.е. все характеристики находились в гармонии. Выбор из нескольких вариантов лучшего проводится при помощи теории оптимизации.
Основные части самолета: 1 - крыло; 2 - закрылок; 3 - основная опора (шасси) самолета; 4 - элерон; 5- силовая установка; 6- передняя опора (шасси) самолета; 7 - фюзеляж; 8- киль; 9- стабилизатор; 10 - руль высоты; 11 - руль направления
Самолет имеет следующие основные части: крыло, фюзеляж, оперение, силовую установку, взлетно-посадочные устройства, а также системы управления, навигации и контроля.
Крыло создает подъемную силу и обеспечивает поперечные устойчивость и управляемость самолета. В крыле могут размещаться топливные баки, шасси, различные системы, а также устройства, улучшающие взлетно-посадочные характеристики самолета (щитки, закрылки, выдвижные носки и т.д.).
Фюзеляж служит для размещения экипажа, пассажиров, грузов и оборудования и является основным связующим элементом для всех других агрегатов.
Оперение обеспечивает балансировку, устойчивость и управляемость самолета. Различают вертикальное (киль) и горизонтальное оперения (стабилизатор) с соответствующими рулями управления. Подвижная часть киля называется рулем направления (РН), а подвижная часть стабилизатора - рулем высоты или глубины (РВ, РГ). Если, например, пилот опустит рули высоты вниз, то на них сразу же начнет сильно давить набегающий поток воздуха, при этом хвостовая часть самолета начнет подниматься вверх, а нос самолета - опускаться вниз. Если нужно изменить направление полета, например вправо, то пилот повернет вправо руль направления. На руль надавит набегающий воздушный поток, и самолет повернет вправо.
Взлетно-посадочные устройства включают шасси (основные и передние опоры) и средства механизации на крыле (посадочные устройства, тормозные щитки и др.). Все эти агрегаты обеспечивают движение и маневрирование самолета в воздухе, на земле и при взлете и посадке.
Силовая установка состоит из двигателей и систем, обеспечивающих их работу (топливной, масляной, противопожарной и др.).
Система управления самолетом - это совокупность устройств, обеспечивающих управление траекторий движения самолета.
В зависимости от назначения можно выделить следующие системы оборудования самолета:
пилотажно-навигационные и контрольные системы;
электрические и радиоэлектронные системы;
высотное и кислородное оборудование;
гидравлические, пневматические системы.
При проектировании самолета к нему предъявляют ряд требований, основными из которых являются летные, взлетно-посадочные, экономические и технологические. Проектируемый самолет должен иметь:
1) заданные основные характеристики: скорость, высотность и время набора высоты, дальность и грузоподъемность (заданное число пассажиров, коммерческий груз и т.п.);
2) хорошие взлетно-посадочные характеристики (минимальные скорости отрыва и касания, длину разбега и пробега по взлетной полосе);
3) высокое аэродинамическое совершенство конструкции;
4) наименьшую массу конструкции при обеспечении достаточных прочности и жесткости;
5) высокие надежность и живучесть;
6) высокие экономические показатели (минимальный расход топлива, удобство обслуживания и т.п.);
7) высокое технологическое совершенство, что определяет минимальные затраты на его производство и текущий ремонт за весь срок службы;
8) максимальную экологическую безопасность (минимальные уровень шума и токсичность продуктов сгорания авиационного топлива в двигателях).
Главным показателем для самолетов долгое время считалась скорость полета, которая в основном и характеризовала самолет. Скорость самолета до определенного времени непрерывно увеличивалась при создании новых образцов. Однако при достижении определенных скоростей было установлено, что, по крайней мере, для, пассажирской авиации скорость полета дальше увеличивать не следует. С технической и экономической сторон увеличение скорости полета пассажирских самолетов обходится очень дорого, а время пребывания пассажира в пути уменьшается незначительно. Намного проще и дешевле сэкономить время авиапассажира ускорением предполетного и послеполетного обслуживания (например, сократив время выдачи багажа). Апофеозом борьбы за скорость полета пассажирских самолетов стало создание сверхзвуковых авиалайнеров Ту-144 (СССР) и „Конкорд" (совместное производство Англии и Франции). За увеличение скорости полета пришлось расплатиться значительной потерей топливной экономичности (расход топлива на каждый километр перевозки одного авиапассажира по сравнению с дозвуковыми пассажирскими самолетами увеличился более чем в два раза) и экологическими издержками (скачок уплотнения от летящего сверхзвукового самолета крайне неблагоприятен для всего живого). Так, США сразу же запретили полеты этих самолетов на сверхзвуковой скорости над своей территорией. Однако, даже имея для сверхзвуковых полетов такие максимально благоприятные трассы, как перелет через океан, сверхзвуковые пассажирские самолеты не завоевали симпатий пассажиров. Пассажиры предпочли не переплачивать за билет для того, чтобы сэкономить на сверхзвуке несколько минут полета, а совершать путешествия на комфортабельных аэробусах, позволяющих скоротать время полета просмотром кинофильма или посещением бара. Все это привело к тому, что авиакомпании распродали „Конкорды" за чисто символическую цену. Не увидите Вы в расписании Аэрофлота и Ту-144.
Рост скорости полета гражданских самолетов практически прекратился начиная с 1960 года. В настоящее время главным показателем совершенства гражданского самолета считается другая характеристика - эффективность самолета. Под эффективностью, или коэффициентом эффективности, понимают суммарные затраты, приходящиеся на единицу полезной работы, выполняемой самолетом. Создание нового самолета можно считать эффективным, если суммарные затраты на его разработку, производство и эксплуатацию, отнесенные к объему выполняемой им полезной работы за весь период эксплуатации, будут значительно ниже, чем у существующего самолета. Для гражданской авиации основным показателем эффективности является себестоимость перевозок.
Важнейшее направление повышения эффективности самолета - снижение массы конструкции. Чем тяжелее конструкция самолета, тем меньше становится доля массы полезного груза на самолете и, следовательно, ниже важнейший критерий оценки конструктивного совершенства самолета - массовая отдача, т.е. отношение массы полезного груза к взлетной массе самолета. Поэтому самолетные конструкции (фюзеляж, крыло, оперение, шасси, двигатели и др.) и агрегаты делают возможно более легкими. Снизить массу стремятся при проектировании, а также при изготовлении деталей, узлов, конструкций. В каждом конкретном случае определение минимальной массы конструкции осуществляется с учетом многих других показателей, важных для эксплуатации на самолете, т.е. комплексно.
Интересно отметить, что для современных самолетов масса их конструкции, так называемая масса пустого самолета, составляет около 20...35% от взлетной массы. А что же в природе? У птиц это соотношение равно 13... 16%, у рыб - 7...8%, у человека - 16... 18 %. Эффективность конструктивных систем живых организмов биологии оценивают отношением массы скелета к массе тела. Можно определить эффективность конструкции отношением
р = Р/тg,
где Р- предельная нагрузка, выдерживаемая конструкцией; т -масса конструкции; g- ускорение свободного падения. Этот критерий позволяет оценить, насколько эффективна конструкция. Из приведенной формулы видно, что эффективность можно повысить, либо увеличивая числитель (т.е. путем увеличения прочности конструкции), либо уменьшая знаменатель (т.е. снижая массу конструкции), либо одновременно увеличивая числитель и уменьшая знаменатель.
Оперение как конструктивная часть планера служит для обеспечения устойчивости и управляемости самолета. Оперение самолета состоит из горизонтального и вертикального оперений. Горизонтальное оперение в основном обеспечивает продольные устойчивость и управляемость самолета, а вертикальное - путевые. Иногда горизонтальное оперение используется для поперечного управления, тогда правая и левая его плоскости должны иметь возможность отклоняться в разные стороны. Вертикальное оперение обычно состоит из киля (или килей) и руля направления, горизонтальное - из стабилизатора и руля высоты.
Конструктивные решения оперения: а - дозвуковых самолетов; б - сверхзвуковых самолетов; 1 - руль направления; 2 - руль высоты; 3 - стабилизатор; 4 - киль; 5 - форкиль; 6 -управляемый стабилизатор; 7-килевой гребень
На рисунке показаны конструктивные решения оперения для дозвуковых и сверхзвуковых самолетов. На сверхзвуковых самолетах горизонтальное оперение, как правило, выполняют цельноповоротным, в виде управляемого стабилизатора без рулей. Реже применяется цельноповоротное вертикальное оперение - управляемый киль. Вертикальное оперение бывает одно- и многокилевое. На самолетах, спроектированных по схеме „утка", горизонтальное оперение выносится вперед крыла. При таком размещении горизонтальное оперение находится в невозмущенном потоке и эффективность его работы увеличивается. Пример схемы самолета „утка" показан на рисунке.