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 = Lф/Dф - 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:
- Мизг и Мкр 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.
|
qф – распределенная массовая нагрузка от кострукции фюзеляжа
Рэк – нагрузка от членов экипажа Данные нагрузки
Рг - груз или пассажиры уравновешиваются
Рш – нагрузка от шасси подъемной силой
Рдв – нагрузка от двигателей крыла
Рхв.о – нагрузка от хвостового оперения
Силы давления внутри фюзеляжа за счёт перепада давления в ГК.
Ргк - давление внутри гермокабины.
Ра™ - давление атмосферное.
∆Ргк = Ргк – Ратм => 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 Мизг и Мкр (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 – ↓Ji;
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 ( ↓Lnp).
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 qв 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 Рдв и веса Рсу двигателей, ударные нагрузки от шасси
Рш 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 Мизг 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 Су ≈ Су 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 ↑Суα при отклонении средств механизации в посадочное положение при посадочных углах атаки α самолёта;
- минимальное ↑Схα в убранном положении средств механизации;
максимальное качество К при разбеге самолёта и возможное ↑Суα 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 (СyаS) 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 ↑Су и ↑Сх.
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 Су 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 SKP.
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 Суα, 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 Skp 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% Су max за счёт увеличения критического угла атаки (αкр.)
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.