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

Здравствуйте!

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.).

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

Гофрированная обшивка самолета ТБ-1.

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

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).

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

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).

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

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.

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

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).

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

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.

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

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).

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

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.

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

Фюзеляж самолета В-17G. Стрингерный полумонокок.

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

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

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

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).

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

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.

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

Бомбардировщик Vickers Wellington.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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

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

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

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

Силовой шпангоут для гермоотсека самолета Sukhoi Superjet 100.

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

Усиленный шпангоут в виде стенки гермоотсека.

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

Составные рамные шпангоуты.

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

Стрингеры и шпангоуты самолета Вoeing-747.

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

Ферменный каркас фюзеляжа самолета Piper PA-18.

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

Самолет Piper PA-18.

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

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

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

Су-26М.

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

Типы конструкции фюзеляжей.

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

Фюзеляж самолета Supermarine Spitfire. Полумонокок.

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

Фюзеляжи самолетов Vickers Wellington в заводском цеху.

{lang: 'ru'}
Вам было интересно? Расскажите об этом друзьям:
Приглашаю к общению:

No related posts.

This entry was posted in САМОЛЕТ and tagged , . Bookmark the permalink.

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

  1. Жанна говорит:

    Благодарю! Подробно и доступно! Готовлюсь к занятию в детском саду, нашла нужную информацию. Удачи Вам!

    • Юрий говорит:

      Интересно :-) … Какие моменты из этой статьи оказались полезными для детсадовцев?

      • Жанна говорит:

        Здравствуйте, Юрий! На занятии по конструированию ко Дню Победы решила научить воспитанников выполнять модель планера (год назад посещала мастер-класс педагога по авиамоделированию, и мы, взрослые люди, с удовольствием собирали и запускали такие модели). На занятиях дети нередко задают вопросы, и, чтоб не попасть впросак, приходится заниматься саморазвитием :-) Еще раз спасибо!

  2. Илья говорит:

    Огромное спасибо за статью! Я давно стал проявлять интерес к тому, из чего сделаны “стены, крыша и пол” самолета! Все очень ярко и качественно расписано у вас!

  3. HZ66 говорит:

    Уж не помню, в каком из заводских музеев видел фюзеляж И-16 с деревянными шпангоутами …

  4. Алекс говорит:

    Фюзеляжи самолетов Vickers Wellington уж больно Шуховскую башню напоминают.)))))
    Спасибо за статью. Я о геодезическая схеме в авиации даже не знал. Век живи, век учись.)

  5. Александр говорит:

    Спасибо за информацию, не только эту статью, но и множество других столь же познавательных и интересных.
    Не являюся специалистом в областе авиации, но имею с ней дело по причине работы.
    Повышаю компетентность в областе благодаря вашим статьям!
    Ещё раз спасибо!

  6. HZ66 говорит:

    Наверное, стоило рассказать о “деревянном” И-16: и силовой набор, и обшивка – из дерева. Когда впервые увидел в музее Горьковского авиазавода, очень удивился.

  7. Андрей говорит:

    Спасибо! Мне Ваша статья напомнила юность , когда я приехал в Иваново и пошёл позырить Ил-18 , который стоял на пр. Энгельса…самолёт сгорел, пожарные его порубили и бросили тут же а парке…я три дня не вылезал из останков-он был изнутри со всем каркасом и тягами управления , многое работало! Это просто праздник какой-то!…Сейчас дюраль и часа бы не провалялся! Ещё раз спасибо и очень надеюсь почитать ваши статьи в новом 2015-м!

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

*

Вы можете использовать это HTMLтеги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>