Фюзеляж самолета состоит из каркаса и обшивки. Существуют фюзеляжи трех типов: ферменные, силовой каркас которых представляет собой пространственную ферму; балочные - их силовой каркас образован продольными и поперечными элементами и работающей обшивкой; смешанные, у которых передняя часть является ферменной, а хвостовая - балочной или наоборот.
Ферменные фюзеляжи. Как было указано выше, силовой частью ферменного фюзеляжа является каркас, представляющий собой пространственную ферму. Стержни фермы работают на расстяжение или сжатие, а обшивка служит лишь для придания фюзеляжу обтекаемой формы. Ферма образована (рис. 50) лонжеронами, расположенными на всей длине или части длины фюзеляжа, стойками и раскосами в вертикальной плоскости, распорками и расчалками в горизонтальной плоскости и диагоналями.
Вместо жестких раскосов и диагоналей широко практикуется установка проволочных или ленточных расчалок.
К каркасу фермы крепятся узлы, которые служат для присоединения к фюзеляжу крыла, оперения, шасси и других частей самолета. Фермы фюзеляжа, как правило, изготовляются сварными из труб и реже клепанными из дюралюминиевых профилей. Обшивка выполняется из полотна, фанеры или листов дюралюминия. Обтекаемую форму ферменному фюзеляжу придают специальные несиловые надстройки - обтекатели, называемые гаргротами.
Основными преимуществами ферменных фюзеляжей перед балочными являются простота изготовления и ремонта, удобство монтажа, осмотра и ремонта оборудования, размещенного в фюзеляже.
К недостаткам относятся несовершенство аэродинамических форм, малая жесткость, малый срок службы, невозможность полностью использовать внутренний объем для размещения грузов. В настоящее время ферменные конструкции применяются редко и в основном для легких самолетов.
Балочные фюзеляжи представляют собой балку обычно овального или круглого сечения, в которой на изгиб и кручение работают подкрепленная обшивка и элементы каркаса. Встречаются три разновидности балочных фюзеляжей: лонжеронно-балочный, стрингерно-балочный (полумонокок), скорлупно-балочный (монокок). Балочные конструкции фюзеляжей выгоднее ферменных, так как силовая часть у них образует обтекаемую поверхность, причем силовые элементы размещаются по периферии, оставляя внутреннюю полость свободной. Это дает возможность получить меньший мидель; жесткая работающая обшивка обеспечивает получение гладкой неискажаемой поверхности, что приводит к уменьшению лобового сопротивления. Балочные фюзеляжи выгоднее и в весовом отношении, так как материал конструкции более удален от нейтральной оси и, следовательно, лучше используется, чем у фюзеляжей ферменной конструкции.
Каркас лонжеронно-балочного фюзеляжа образуют лонжероны, стрингеры и шпангоуты. Каркас обшит дюралюминиевыми листами (обшивкой).
Каркас стрингерно-балочного фюзеляжа (рис. 51) состоит из часто поставленных стрингеров и шпангоутов, к которым
крепится металлическая обшивка большей, чем у лонжеронно-балочных фюзеляжей, толщины.
Скорлупно-балочный фюзеляж (рис. 52) не имеет элементов продольного набора и состоит из толстой обшивки, подкрепленной шпангоутами.
В настоящее время преобладающим типом фюзеляжей является стрингерно-балочный.
Стрингеры - это элементы продольного набора каркаса фюзеляжа, которые связывают между собой элементы поперечного набора - шпангоуты. Стрингеры воспринимают главным образом продольные силы и подкрепляют жесткую обшивку. По конструктивным формам стрингеры фюзеляжа подобны стрингерам крыла. Расстояние между стрингерами зависит от толщины обшивки и колеблется в пределах 80-250 мм. Размеры сечения стрингеров изменяются как по периметру контура, так и по длине фюзеляжа в зависимости от характера и величины нагрузки на каркас фюзеляжа.
Лонжероны - это также элементы продольного набора каркаса фюзеляжа, которые, работая на сжатие-растяжение, воспринимают (частично) моменты, изгибающие фюзеляж. Как видно по задачам и условию работы, лонжероны фюзеляжа подобны стрингерам.
Конструктивное выполнение лонжеронов чрезвычайно разнооб
разно. Они представляют собой гнутые или прессованные профили различных сечений, на самолетах большой грузоподъемности склепываются из нескольких профилей и листовых элементов.
Шпангоуты являются элементами поперечного набора фюзеляжа, они придают фюзеляжу заданную форму поперечного сечения, обеспечивают поперечную жесткость, а также воспринимают местные нагрузки.
В ряде случаев к шпангоутам крепятся перегородки, разделяющие фюзеляж на ряд отсеков и кабин.
Шпангоуты разделяются на нормальные и силовые. Силовые шпангоуты устанавливаются в местах приложения сосредоточенных нагрузок, например в местах крепления крыла к фюзеляжу, стоек шасси, частей оперения и т. п.
Нормальные шпангоуты (рис. 53) собираются из дуг, штампованных из металлического листа. Сечение нормальных шпангоутов чаще всего швеллерное, иногда Z-образное и реже тавровое. Силовые шпангоуты склепываются из отдельных профилей и листовых элементов. Иногда такие шпангоуты выпрессовываются на мощных прессах из алюминиевого сплава.
Расстояние между шпангоутами обычно колеблется в пределах 200-650 мм.
Обшивка выполняется из листов дюралюминия или титана различной толщины (от 0,8 до 3,5 мм) и крепится к элементам каркаса заклепками либо приклеивается. Листы обшивки соединяются между собой по стрингерам и шпангоутам или встык, или внахлест, без подсечки. В последнем случае каждый передний лист перекрывает нижний. Типовое соединение обшивки со стрингерами и шпангоутами показано на рис. 53.
Вырезы в обшивке фюзеляжа балочного типа резко уменьшают прочность конструкции. Поэтому для сохранения необходимой прочности обшивку у вырезов подкрепляют усиленными стрингерами и усиленными шпангоутами. Небольшие вырезы окантовываются кольцами из материала большей толщины, чем обшивка, иногда необходимая жесткость обеспечивается отбортовкой отверстия.
Фюзеляжи самолетов небольших размеров делают, как правило, неразъемными. У более крупных самолетов для упрощения производства, ремонта и эксплуатации фюзеляж расчленяют на несколько частей. Соединение частей фюзеляжа зависит от его конструктивной схемы. Соединение ферменных фюзеляжей производится стыковыми узлами, установленными на лонжеронах,
у балочных фюзеляжей крепление производится по всему контуру разъема.
На рис. 54 показаны типовые технологические разъемы фюзеляжа транспортного самолета. Фюзеляж состоит из трех частей, причем каждая из частей в свою очередь образована панелями, представляющими участки обшивки с элементами продольного набора. Панели, соединяясь со шпангоутами, собираются окончательно в сборочном стапеле. Соединение панелей неразъемное и производится заклепочным швом, отдельные части фюзеляжа соединяются болтами по всему периметру разъема. Стыковка осуществляется через фитинги, прикрепленные к стрингерам фюзеляжа (рис. 55).
Пол в кабинах самолета обычно рассчитывают на максимальную распределенную статическую нагрузку. На пассажирских самолетах эта нагрузка не превышает 500 кГ/м 2 , на грузовых достигает 750 и более кГ/м 2 . Каркас пола состоит из набора продольных и поперечных балок, стрингеров и соединяющих узлов.
Поперечный набор пола состоит из нижних балок шпангоутов. Пояса этих балок изготавливаются из фрезерованных или штампованных профилей. Панели, закрывающие каркас, изготавливают из листов прессованной фанеры толщиной 10-12 мм, из дюралюминиевых листов, усиленных прикрепленными снизу профилями
уголкового и швеллерного сечений или гофром из прессованных листов алюминиевого или магниевого сплава с последующей механической или химической обработкой. Для предупреждения скольжения панели пола имеют рифленую или шероховатую поверхность, а в некоторых случаях покрываются пробковой крошкой. На полу установлены гнезда для крепления пассажирских кресел, а на грузовых самолетах- кольца для крепления перевозимых грузов.
Окна пассажирской кабины делают прямоугольной или круглой формы. Все окна кабины, как правило, имеют двойные органические стекла. Очень часто в герметических кабинах внутреннее стекло является основным работающим стеклом и принимает на себя нагрузку от избыточного давления в кабине. Только в случае разрушения внутреннего стекла наружное стекло начинает воспринимать избыточное давление. Межстекольное пространство через осушительную систему, предотвращающую стекла от запотевания и замерзания, связано с полостью гермокабины. Уплотнение остекления выполняется с помощью мягкой морозоустойчивой резины, иногда - невысыхающей замазкой.
Застекленная часть фюзеляжа, обеспечивающая обзор экипажу, называется фонарем. Форма фонарей, их размещение и размеры выбираются из соображения обеспечения наилучшего обзора и наименьшего сопротивления. На рис. 56 показаны внешний вид фонаря штурмана и внешний вид фонаря кабины экипажа. Угол наклона козырька фонаря принимают равным 50-65° (в зависимости от величины V макс). Лобовые стекла фонаря, как правило, оборудуются электрообогревом для предотвращения их обледенения в полете. Фонарь состоит из каркаса, отлитого или отштампованного из алюминиевого или магниевого сплавов, и стекол. Стекла крепятся к каркасу болтами и прижимаются дюралюминиевой лентой. Герметизация стекол осуществляется резиновой прокладкой, уплотнительной лентой и замазкой (рис. 56, в).
Вырезы под входные двери транспортных самолетов чаще всего располагаются на боковой поверхности фюзеляжей, но в некоторых случаях устанавливаются и в нижней части. Ширина двери обычно не превышает 800 мм, а высота - 1 500 мм. Выбор размеров грузовых дверей (люков) и их размещение производятся с учетом габаритов грузов и минимальной затраты времени на загрузку (разгрузку) самолета. Открываются двери внутрь кабины либо сдвигаются вверх или в сторону. Двери делают обычно в виде клина, основанием которого является внутренняя поверхность створки двери. Избыточное давление в герметизированном фюзеляже прижимает створку двери к ее основанию. В закрытом положении дверь запирается замком. При открытой двери в кабине экипажа загорается сигнальная лампочка.
Вырезы под двери усиливаются установкой в месте выреза более мощных шпангоутов и стрингеров, установкой дополнительной обшивки. Окантовка дверей входит в силовой каркас фюзеляжа. Дверь - металлическая, состоит, как правило, из отштампованной из листового дюралюминия чаши, подкрепленной каркасом. Герметизация дверей осуществляется с помощью резиновых профилей.
Многие современные самолеты летают на больших высотах и для обеспечения нормальной жизнедеятельности людей, находящихся на борту такого самолета, потребовалось создание в кабинах необходимого давления. Кабина самолета, внутри которой в полете поддерживается повышенное (по сравнению с атмосферным) давление воздуха, называется герметической. Герметическая кабина, выполненная в виде обособленного силового агрегата и установленная в фюзеляже без включения ее в силовую схему, называется подвесной. Размеры такой кабины не зависят от размеров и обводов фюзеляжа, и поэтому она может быть выполнена с наивыгоднейшими с точки зрения прочности формами и минимальных размеров. Кабины пассажирских самолетов, как правило, представляют собой герметизированный отсек фюзеляжа и полностью включены в его силовую схему. Подобная кабина работает как сосуд под действием внутреннего давления, а также подвергается изгибу и кручению, как и обычный фюзеляж. По соображениям прочности наилучшей формой сооружения, нагруженного изнутри избыточным давлением, является шар, но в связи с несоответствием формы фюзеляжа и неудобствами размещения в такой кабине экипажа и пассажиров стремятся придать кабине форму цилиндрической оболочки, закрытой по концам сферическими днищами. Переход с цилиндрических стенок на днище по возможности должен быть плавным без переломов. При наличии переломов днище, нагруженное избыточным давлением, сжимает стенки цилиндра в направлении радиусов и тогда в этом месте необходимо ставить усиленный шпангоут. Особенно сильно нужно подкреплять плоские днища.
Для сохранения в кабине избыточного давления необходимо обеспечить ее герметичность. Разумеется, обеспечить полную герметичность кабины очень трудно, поэтому допускается некоторая утечка воздуха из кабины, не снижающая безопасности полета. Критерием герметичности может служить время падения давления с величины рабочего избыточного до значения 0,1 кГ/см 2 . Это время должно быть не менее 25-30 мин.
Герметизация кабин достигается: герметизацией обшивки и остекления люков и дверей, выводов из кабин тяг, тросов, валиков управления самолетом и двигателями, электропроводки, трубопроводов гидросистем и т. п.
Герметизация листов обшивки в месте их соединения и крепления к элементам каркаса фюзеляжа достигается применением многорядных швов, установкой специальных уплотнительных лент, закладываемых между листами обшивки и каркаса. С внутренней стороны кабины заклепочные швы покрываются герметизирующими замазками. Герметизация входных дверей, загрузочных люков, запасных выходов, подвижных частей фонаря, окон (остекления) и т. п. осуществляется резиновыми профилями и прокладками. Применяются следующие способы герметизации: уплотнение типа «нож по резине»; уплотнение резиновой прокладкой, имеющей сечение трубы; уплотнение с помощью пластинчатого клапана; уплотнение резиновой трубкой, надуваемой воздухом.
Люки и двери, открывающиеся внутрь кабины, герметизируются по первым трем указанным способам. При герметизации с помощью пластинчатого клапана полосу из пластинчатой резины укрепляют с внутренней стороны по контуру выреза, тогда избыточное давление прижимает края клапана к люку и тем самым герметизируются щели.
Сложней загерметизировать люки, открывающиеся наружу и имеющие относительно большие размеры, так как внутреннее избыточное давление будет отжимать люк. Такие люки герметизируются чаще всего резиновой трубкой, надуваемой воздухом.
Гермовыводы тяг и тросов управления, электрических проводов и других элементов существуют трех типов: одни из них рассчитаны на обеспечение возвратно-поступательного движения, другие обеспечивают герметизацию вращательного движения, а третьи герметизируют неподвижные детали.
Для обеспечения герметичности тяг с возвратно-поступательным движением часто используют гофрированный резиновый шланг цилиндрической или конической формы либо делают устройство, состоящее из корпуса, отлитого из магниевого сплава с запрессованными бронзовыми втулками, в которых перемещаются стальные тяги. Между тягами и втулками имеются войлочные и резиновые уплотнения. Внутренняя полость корпуса через специальное отверстие забивается консистентной смазкой.
Тросы герметизируются резиновыми пробками, имеющими сквозные отверстия диаметром меньшим, чем диаметр троса, и продольный разрез, позволяющий надевать пробку на трос. Для уменьшения силы трения трос на всей длине его хода покрывается незамерзающей смазкой, содержащей графит. Герметизация деталей, передающих вращательное движение, осуществляется резиновыми уплотнительными кольцами. Герметизация трубопроводов производится с помощью специальных переходников, закрепленных на гермоперегородке. К переходнику с одной и другой стороны при помощи накидных гаек крепятся трубопроводы. Электропроводка герметизируется при помощи специальных электровводов.
Используемая литература: "Основы авиации" авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.
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:-)) 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.
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.
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.
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.
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.
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.).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 фюзеляжемболее прочной и долговечной. Для некоторых моделей самолетов листы дюраля делались гофрированными с целью повышения ее устойчивости.
Гофрированная обшивка самолета ТБ-1.
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 ).
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).
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.
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).
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.
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).
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.
Фюзеляж самолета В-17G. Стрингерный полумонокок.
Совмещенная конструкция фюзеляжа самолета Hawker Typhoon MkIB. Передняя часть - ферменная, задняя часть - полумонокок.
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).
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 .
Бомбардировщик Vickers Wellington.
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 .
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.
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.
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.
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.
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 .
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.
Шпангоуты фюзеляжа самолета F-106 Delta Dart (усиленные рамные и нормальные).
Рамные силовые шпангоуты фюзеляжа самолета F-16 с узлами крепления оборудования.
Силовой шпангоут для гермоотсека самолета Sukhoi Superjet 100.
Усиленный шпангоут в виде стенки гермоотсека.
Составные рамные шпангоуты.
Стрингеры и шпангоуты самолета Вoeing-747.
Ферменный каркас фюзеляжа самолета Piper PA-18.
Самолет Piper PA-18.
Типы конструктивно-силовых схем фюзеляжа; 1 - ферменная, 2 - ферменная с гофрированной обшивкой, 3 - монокок, 4 - полумонокок.
Типы конструкции фюзеляжей.
Фюзеляж самолета Supermarine Spitfire. Полумонокок.
Фюзеляжи самолетов Vickers Wellington в заводском цеху.
Обшивка самолета – оболочка, формирующая оперение и внешнюю поверхность корпуса воздушного судна. Она необходима для придания самолету обтекаемой формы. От того, насколько качественной будет обшивка, во многом зависят аэродинамические показатели самолета.
Материал обшивки
Современная обшивка самолетов производится из панелей или отдельных листов из алюминиевых сплавов (или титана и нержавеющей стали), отформованных по поверхности крыльев или фюзеляжа. Несъемные панели или листы чаще всего крепятся к каркасу потайной клепкой, съемные же соединяются с помощью винтов с головкой «впотай». Листы обшивки соединяются встык. Нередко для обшивочных фюзеляжей используются крупномонолитные оребренные панели и слой обшивки с сотовым заполнителем. Обтекатели антенн (радиопрозрачные элементы обшивки) выполняются из сотового или монолитного композиционного материала. Также в последнее время композиты применяются в качестве панелей обшивки и силовых узлов.
В зависимости от используемого материала для строительства воздушного судна обшивка самолета может быть:
- металлическая: сталь, алюминиевые сплавы, титан;
- деревянная (шпон или фанера);
- перкальная (полотняная);
- композитные материалы;
- ламинированная пленка.
История обшивки самолета
Первые летательные аппараты имели обшивку, выполненную из полотна, которое пропитывалось лаком (отсюда, собственно, и появилось само название), фюзеляжи довольно часто и вовсе не имели обшивки. Позже обшивку начали делать из древесины – фанеры и шпона, которые тоже пропитывались лаком.
С развитием технологий обшивка делалась из алюминия, гладкого и гофрированного. На сегодняшний день используется исключительно гладкая металлическая обшивка. Правда, на легких летательных аппаратах еще можно встретить полотняную обшивку. Это крайне редкое явление, так как ее эффективно заменяют полимерными пленками.
Виды обшивок
В авиации существует два типа обшивки – мягкая «неработающая» и жесткая «работающая». В наше время преимущество имеет жесткая металлическая обшивка, так как она полностью соответствует требованиям прочности, аэродинамики, массы и жесткости. Она воспринимает нагрузки в виде крутящих и изгибающих моментов, внешние аэродинамические нагрузки и нагрузки перерезывающих сил, воздействующих на каркас самолета. Материалы для производства работающей обшивки: титановые, алюминиевые и стальные сплавы, авиационная фанера, композиционные материалы. Титан и сталь чаще всего встречаются в конструкциях сверхзвуковых самолетов.
Несиловая обшивка не включается в силовую схему, так как нагрузка с обшивки сразу же передается на каркас. Материалом для ее изготовления может служить перкаль (полотно).
Обшивка крыла
В зависимости от типа конструкции обшивка оперения и крыла может быть толстой, состоящей из монолитной фрезерованной или прессованной панели, трехслойной или тонкой, подкрепленной специальным стрингерным набором. При этом в межобшивочном пространстве находится специальный заполнитель (соты из пенопласта, фольги или специальной гофры). Важно, чтобы обшивка крыла сохраняла заданную форму и была жесткой. Образование складок на ней провоцирует аэродинамическое сопротивление.
Верхняя обшивка крыла под действием изгибающего момента нагружена циклическими сжимающими усилиями, а нижняя, соответственно, растягивающими. По этой причине для верхних сжатых панелей, как правило, используются высокопрочные материалы, прекрасно продемонстрировавшие себя на сжатие. В свою очередь для нижней растянутой обшивки применяют материалы, характеризующиеся высокими усталостными характеристиками. Материал обшивки для сверхзвуковых самолетов выбирается с учетом нагревания в полете – обычные алюминиевые сплавы, теплостойкие алюминиевые сплавы, сталь или титан.
Для повышения прочности и живучести обшивки по длине крыла самолета количество стыков, имеющих меньший ресурс по сравнению с главным полотном обшивки, стремятся максимально сократить. Вес обшивки крыла – 25-50% от всей массы.
Обшивка фюзеляжа
Сразу стоит отметить, что она выбирается с учетом действующей нагрузки. Нижняя зона обшивки воспринимает сжимающие нагрузки той частью, которая присоединена к стрингерам, а верхняя воспринимает растягивающие усилия абсолютно всей площадью обшивки. Толщина обшивки в герметичном фюзеляже выбирается в зависимости от внутреннего избыточного давления. Для улучшения живучести фюзеляжа на обшивке нередко используют ленты-стопперы, исключающие распространение трещин.
Соединение обшивки и элементов каркаса
Прибегают к трем способам соединения каркаса с обшивкой:
- обшивка крепится к шпангоутам;
- обшивка крепится к стрингерам;
- обшивка крепится и к шпангоутам, и к стрингерам.
Во втором случае формируются только продольные заклепочные швы, при этом поперечные отсутствуют, что положительно сказывается на аэродинамике фюзеляжа. Незакрепленная обшивка на шпангоутах при меньших нагрузках теряет устойчивость, что увеличивает массу конструкции. Для того чтобы этого избежать, обшивку связывают дополнительной накладкой (компенсатор) со шпангоутом. Первый способ крепления применяется исключительно в бесстрингерных (обшивочных) фюзеляжах.
К шпангоутам крепится сотовидная обшивка. Она включает сердцевину и две металлические панели. Сотовая конструкция – материал шестиугольного вида, состоящий из металла. В сердцевине находится клей, который позволяет вовсе не использовать заклепки. Эта конструкция способна передавать напряжение по всей поверхности и характеризуется высоким сопротивлением деформации.
Монокок
Моноко́к
(фр. monocoque) тип корпуса, конструкции самолета, характеризующийся жесткой обшивкой, подкрепленной поперечными и продольными наборами - каркасом.
Новый словарь иностранных слов.- by EdwART, , 2009 .
Монокок
[фр. monocoque ] – одна из основных частей конструкции самолёта – хорошо обтекаемая пустотелая балка с жёсткой деревянной или металлический обшивкой, к которой крепятся крылья, хвостовое оперение, двигатель, шасси и др.
Большой словарь иностранных слов.- Издательство «ИДДК» , 2007 .
Монокок
а, м.
(фр.
monocoque греч.
mоnоs один + фр.
coque корпус).
ав.
Тип корпуса самолета, характеризующийся жесткой обшивкой с использованием поперечных и продольных крепежных элементов, образующих каркас.
Толковый словарь иностранных слов Л. П. Крысина.- М: Русский язык , 1998 .
Синонимы :
Смотреть что такое "монокок" в других словарях:
монокок - а, м. monocoque adj. Монокок. Тип самолет, который представляют собой монолитную (цельную), составляющую как бы одно целое скорлупу, склеенную из полос фанеры в виде сигары. 1925. Вейгелин Сл. авиа. Что такое фюзеляж типа монокок? Фюзеляж (корпус … Исторический словарь галлицизмов русского языка
- (английский, французкий monocoque, от греческого monos один, единый и французский coque, буквально скорлупа, оболочка) конструкция фюзеляжа или его хвостовой балки, мотогондолы и т. п. круглого, овального или другого сечения, состоящая из толстой … Энциклопедия техники
Сущ., кол во синонимов: 1 балка (55) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
LFG Roland C.II, Германия, 1916 один из первых самолётов с фюзеляжем монокок в чистом виде … Википедия
монокок - монок ок, а (авиа) … Русский орфографический словарь
монокок - (2 м); мн. моноко/ки, Р. моноко/ков … Орфографический словарь русского языка
Эволюция конструкции фюзеляжа самолёта шла от ранних вариантов деревянной ферменной структуры, через монококовую оболочку к современной полумонококовой оболочке.
Ферменная структура. Главным недостатком ферменной структуры является отсутствие обтекаемой формы. В основе конструкции лежат отрезки трубок, называемые лонжеронами. Сваренные вместе, они формируют хорошо укреплённый каркас. К лонжеронам привариваются вертикальные и горизонтальные кронштейны, из-за которых такая структура приобретает квадратное или прямоугольное сечение. В конструкцию добавляют дополнительные кронштейны, обеспечивающие сопротивление внешнему давлению, которое может возникнуть с любой стороны структуры. Стрингеры и шпангоуты (или вспомогательные нервюры) создают форму фюзеляжа и поддерживают обшивку.
По мере развития технологии, дизайнеры стали закрывать ферменные элементы, чтобы придать фюзеляжу более обтекаемую форму и улучшить его аэродинамические характеристики. Первоначально это делалось с помощью ткани. Впоследствии стали использоваться лёгкие металлы (алюминий). В некоторых случаях, наружная обшивка может принимать на себя всю полётную нагрузку либо значительную её часть. В большинстве современных самолётов используется конструкция с несущей обшивкой, известная как монокок или полумонокок (рис. 2-14).
Монокок. В монококовой конструкции используется несущая обшивка, которая, подобно стенке алюминиевой банки, принимает на себя почти всю нагрузку. Являясь достаточно жёсткой, такая конструкция не очень хорошо реагирует на деформацию своей поверхности. К примеру, алюминиевая банка может выдерживать значи-тельную нагрузку, если эта нагрузка приходится на края. Но если боковая поверхность банки хотя бы немного деформирована, даже незначительное давление способно раздавить банку.
В силу того, что большая часть изгибающей нагрузки приходится на наружную обшивку, а не на открытый ферменный каркас, исчезает необходимость во вну-треннем укреплении структуры. Это позволяет снизить её вес и увеличить внутреннее пространство.Один из оригинальных методов использования монокока был впервые предложен американским инженером Джеком Нортропом. В 1918 году он разработал новый способ изготовления монококового фюзеляжа, который впоследствии был применён при создании самолёта «Локхид S-1 Рейсер». Конструкция состояла из двух фанерных половинок оболочки, которые наклеивались на деревянные обручи-стрингеры. Для того, чтобы получить половинки, конструктор использовал три больших куска еловой фанеры, которые размачивались в клее и укладывались в полукруглую бетонную пресс-форму, напоминающую ванну. Затем форма накрывалась плотно прилегающей крышкой, и внутри её надувался резиновый шар, который прижимал фанеру к поверхности формы. Спустя сутки гладкая и ровная половинка оболочки была готова. Обе половинки имели толщину не более 6 миллиметров.
Из-за сложностей при промышленном производстве монокок получил распространение лишь несколько десятилетий спустя. Сегодня монококовая конструкция широко используется в автомобильной промышленности, где несущий кузов фактически является индустриальным стандартом.
Полумонокок. В полумонококовой конструкции (частичной или по-ловинной) используется дополнительная структура, к которой прикрепляется обшивка самолёта. Состоящая из шпангоутов и/или нервюр различных размеров, а также стрингеров, эта структура усиливает несущую обшивку, частично снимая с фюзеляжа изгибающую нагрузку. На главной секции фюзеляжа также располагаются места крепления крыльев и теплозащитный кожух.
На одномоторных самолётах двигатель обычно крепится в передней части фюзеляжа. Между задней стенкой двигателя и кабиной пилота устанавливается огнеупорная перегородка, служащая для защиты пилота и пассажиров в случае внезапного пожара в двигателе. Обычно она изготавливается из термостойкого материала (например, нержавеющая сталь). Однако в последнее время в конструкции самолётов всё чаще применяются композитные материалы. Некоторые самолёты полностью изготавливаются из них.
Композитная конструкция. История. Использование композитных материалов в конструк-ции самолётов началось во время Второй мировой войны. Именно тогда при производстве фюзеляжей стратегических бомбардировщиков «В-29» стали ис-пользовать стекловолокно. В конце 50-х годов этот ма-териал начал широко применяться при изготовлении планёров. В 1965 году был сертифицирован первый летательный аппарат, полностью изготовленный из стекловолокна. Это был планёр «Диамант HBV» швей-царского производства. Четыре года спустя в США был сертифицирован полностью стеклопластиковый четы-рёхместный одномоторный самолёт «Уиндекер Игл». В настоящее время более трети всех самолётов в мире производятся из композитных материалов.
Композитный материал — широкое понятие. К таким материалам относятся стекловолокно, углепластик, пуленепробиваемое волокно «Кевлар», а также их со-четания. Композитная конструкция имеет два важных преимущества: чрезвычайно гладкая поверхность и возможность изготовления сложных изогнутых или обтекаемых структур (рис. 2-15).
Самолёты из композитных материалов. Композитный материал — это искусственно созданный неоднородный материал, состоящий из наполнителя и армирующих элементов (волокон). Наполнитель вы-ступает в качестве своеобразного «клея», скрепляя - волокна и (при вулканизации) придавая изделию форму, а волокна принимают на себя основную часть нагрузки.
Существует множество различных типов волокон и наполнителей. При изготовлении ЛА чаще всего ис-пользуется эпоксидная смола, являющаяся разновид-ностью термореактивной пластмассы. По сравнении с другими аналогичными материалами (такими как полиэфирная смола), эпоксидная смола значительно прочнее. Кроме того, она лучше выдерживает высокие температуры. Есть много вариантов эпоксидных смол которые различаются характеристиками, временем и температурой вулканизации, а также стоимостью.
В качестве армирующих волокон при производстве ЛА чаще всего используются стекловолокно и углеродное волокно. Стекловолокно обладает хорошей прочностью на разрыв и сжатие, высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Это простой в работе, относительно недорогой и широко распространенный материал. Его основным недостатком является достаточно большой вес. Из-за этого из стекловолокна сложно изготовить несущий корпус, который по лёгкости мог бы соперничать с аналогичным алюминиевым.
Углеродное волокно в целом прочнее на разрыв и сжатие, чем стекловолокно, и гораздо более жёсткое на изгиб. Оно также существенно легче, чем стекловолокно. Однако его стойкость к ударным нагрузкам несколько ниже, волокна достаточно хрупкие и при резком ударе - ломаются. Эти характеристики существенно улучшены в такой разновидности углеродного волокна, как «усиленная» эпоксидная смола, которая используется при изготовлении горизонтальных и вертикальных стабилизаторов лайнера «Боинг 787».
Углеродное волокно имеет более высокую стоимость чем стекловолокно. Цены несколько упали после внедрения инноваций, появившихся в ходе разработок бомбардировщика «В-2» (в 80-е годы прошлого века и лайнера «Боинг 777» (в 90-е годы). Хорошо сконструированные структуры из углеродного волокна могут быть значительно легче, чем аналогичные алюминиевые, — иногда более, чем на 30%.
Преимущества композитных материалов. Композитные материалы имеют несколько существенных преимуществ перед металлами, деревом или тканью. Чаще всего в качестве основного преимущества называют меньший вес. Однако следует понимать, что корпус самолёта, изготовленный из композитного материала, не обязательно будет легче металлического. Это зависит от характеристик корпуса, равно как и от используемого материала.
Более важным преимуществом является возможность создания при использовании композитных материалов очень гладкой и сложно искривлённой аэродинамической поверхности, которая позволяет существенно снизить сопротивление воздуха. Именно в силу этой причины в 60-е годы прошлого века дизайнеры планёров переключились с металла и дерева на композитные материалы.
Композитные материалы широко используются такими производителями самолётов, как «Циррус» и «Коламбия». Благодаря снижению сопротивления воздуха, самолёты этих компаний отличаются высокими лётными характеристиками, несмотря на наличие неубирающегося шасси. Композитные материалы также помогают маскировать радарные сигнатуры при дизайне типа «стелс» (в таких самолётах, как стратегический бомбардировщик «В-2» и многоцелевой истребитель «F-22»). Сегодня композитные материалы используются при производстве любых летательных аппаратов - от планёров до вертолётов.
Третьим преимуществом композитных материалов является отсутствие коррозии. Так, фюзеляж лайнера «Боинг 787» полностью изготавливается из композитных материалов, что позволяет этому самолёту выдерживать больший перепад давлений и большую влажность в кабине, чем это допускали лайнеры предыдущих поколений. Инженеров больше не заботит проблема коррозии из-за конденсации влаги на скрытых частях обшивки фюзеляжа (например, под изоляционным покрытием). В результате, долговременные эксплуатационные расходы авиакомпаний могут быть существенно снижены.
Ещё одним преимуществом композитных материалов является хорошие эксплуатационные качества в изгибающей среде (например, при использовании в лопастях несущего винта вертолётов). В отличие от большинства металлов, композитные материалы не страдают от усталости металлов и трещинообразова-ния. При правильном конструировании лопасти несущего винта, выполненные из композитного материала, имеют существенно более высокое нормативное время эксплуатации, чем металлические. В силу этого большинство современных больших вертолётов имеют полностью композитные лопасти, а иногда и композитную втулку несущего винта.
Недостатки композитных материалов. Композитные конструкции имеют свои недостатки, к самым важным из которых относится отсутствие визуальных следов повреждения. Композитные материалы реагируют на удар иначе, чем другие материалы, и зачастую повреждения не заметны при внешнем осмотре.
Например, если автомобиль врежется в алюминиевый фюзеляж, на фюзеляже останется вмятина. Если вмятины нет, нет и повреждения. Если вмятина присутствует, повреждение определяется визуально и производится ремонт. В композитных структурах удар малой силы (например, при столкновении или падении инструмента) часто не оставляет видимых следов повреждения на поверхности. При этом в зоне удара может возникнуть широкая зона расслоения, которая распространяется воронкообразно от точки удара. Повреждения на задней поверхности структуры могут быть существенными — и при этом совершенно неви-димыми. Как только возникают причины предполагать, что произошёл удар (даже незначительной силы), появляется необходимость в приглашении специалиста для инспекции структуры и поиска внутренних повреждений. Хорошим признаком расслоения волоконной структуры при использовании стекловолокна является появление «белёсых» областей на поверхности корпуса.
Удар средней силы (например, при столкновении с автомобилем) приводит к локальным повреждениям поверхности, что видимо невооружённым глазом. Зона разрушения больше, чем повреждения на поверхности, и требует ремонта. Удар высокой силы (например, удар птицы или градины в корпус самолёта во время полёта), приводит к появлению пробоины и значительному повреждению структуры. В случае ударов средней и высокой силы повреждения видимы глазом, но удар слабой силы трудно определить визуально (рис. 2-16).
Если удар вызвал расслоение, разрушение поверхности или пробоину, в обязательном порядке необходимо проведение ремонта. В ожидании ремонта повреждённая область должна быть накрыта и защищена от дождя. Детали, изготовленные из композитного материала, часто представляют собой тонкую оболочку, под которой находится пористый внутренний слой (так называемая «сандвичевая» конструкция). Превосходная с точки зрения структурной жёсткости, такая структура подвержена проникновению влаги, что позже может привести к серьёзным проблемам. Наклеивание поверх пробоины отрезка специальной «изоляционной ленты» является хорошим способом временной защиты от воды, но это нельзя назвать структурным ремонтом. Таким ремонтом не является и использование пасты для заполнения отверстий, хотя этот метод можно применять в косметических целях.
Ещё одним недостатком композитных материалов является относительно низкая термостойкость. В то время как температурные пределы использования варьируются у различных смол, большинство из них начинают терять прочность при температурах выше 65° С. Для снижения температурного воздействия часто применяется окрашивание композитного корпуса в белый цвет. Например, нижняя поверхность крыла, окрашенная в чёрный цвет и располагающаяся над горячим асфальтовым покрытием в солнечный день, может нагреваться более чем до 100° С. Та же конструкция, окрашенная в белый цвет, редко разогревается более чем до 60° С.
Производители композитных самолётов часто дают конкретные рекомендации по допустимым цветам окраски корпуса. При повторной окраске самолёта необходимо точно следовать этим рекомендациям.
Причиной тепловых повреждений часто может являться пожар на борту. Даже быстро потушенное возго-рание в тормозной системе может повредить нижнюю обшивку крыльев, стойки или колёса шасси. Композитные материалы также легко повреждаются различными растворителями, поэтому такими химикатами композитные структуры обрабатывать нельзя. Для удаления краски с композитных деталей используются только механические методы, например, обдув металлическим порошком или пескоструйная обработка. Случаи повреждения дорогостоящих композитных деталей растворителями относительно нередки, и такие повреждения обычно не подлежат ремонту.
Утечка жидкости на композитные конструкции. Иногда высказываются опасения по поводу попада-ния на композитные конструкции топлива, масла или гидравлической жидкости. Следует сказать, что при использовании современных эпоксидных смол это обычно не является проблемой. Как правило, если вытекающая жидкость не разъедает краску, она не может повредить и композитный материал под ней. Например, в некоторых самолётах используются топливные баки из стекловолокна, в которых топливо соприкасается с композитной поверхностью напрямую без использования герметика. Некоторые недорогие виды полиэфирной смолы могут быть повреждены при попадании на них смеси автомобильного бензина с этиловым спиртом. Более дорогостоящие смолы, как и эпоксидная смола, могут безопасно соприкасаться с автомобильным бензином, а также с авиационным бензином (октановое число 100) и реактивным топливом.
Защита от удара молнии. Важным фактором при проектировании ЛА является защита от удара молнии. При ударе молнии в ЛА его конструкция испытывает воздействие огромной мощности. Вне зависимости от того, управляете ли вы самолётом общего назначения или большим авиалайнером, основные принципы защиты от удара молнии остаются одинаковыми. Безотносительно к размеру самолёта, энергия от удара должна распределяться по большой площади поверхности — это позволяет уменьшить силу тока, приходящуюся на единицу площади обшивки, до приемлемого уровня.
При ударе молнии в самолёт, изготовленный из алюминия (в силу его электропроводности), электрическая энергия естественным образом распределяется по всей алюминиевой конструкции. В данном случае основной задачей конструкторов является защита электронного оборудования, топливной системы и т.д. Внешняя обшивка самолёта должна предоставлять путь наименьшего сопротивления для электрического разряда.
В случае самолёта, изготовленного из композитных материалов, ситуация иная. Стекловолокно является прекрасным электроизолятором. Углеродное волокно проводит электричество, однако не так хорошо, как алюминий. Следовательно, внешний слой композитной обшивки должен обладать дополнительной электро-проводностью. Это обычно достигается с помощью металлической сетки, вмонтированной в обшивку. Чаще всего используются алюминиевые или медные сетки — алюминий для стекловолокна, медь для углеродного волокна. Любой структурный ремонт поверхностей, защищённых от удара молнии, должен включать в себя восстановление металлической сетки.
В том случае, если конструкция композитного самолёта предполагает наличие внутренней радиоантенны, в молниезащитной сетке должны быть оставлены специальные «окна». Внутренние радиоантенны иногда используются в композитных самолётах, поскольку стекловолокно прозрачно для радиоволн (в то время как углеродное волокно — нет).
Будущее композитных материалов. В течение нескольких десятилетий после окончания Второй мировой войны композитные материалы заняли важное место в авиационной промышленности. Благодаря своей универсальности и сопротивляемости коррозии, а также хорошему соотношению прочности и веса изделия, композитные материалы позволяют реализовать самые дерзкие и инновационные дизайнерские идеи. Использующиеся в самых различных самолётах — от лёгкого моноплана «Циррус SR-20» до авиалайнера «Боинг 787» — композитные материалы играют в авиаиндустрии значительную роль, и их применение будет только расширяться (рис. 2-17).