10.3. Конструкция и работа основных элементов крыла

Как уже указывалось, крыло самолета-моноплана может рассматриваться как балка, которая под действием нагрузок работает на изгиб, сдвиг и кручение.

Крыло состоит из каркаса и обшивки (рис. 10.8), продольный набор каркаса – из лонжеронов и стрингеров, поперечный набор – из нервюр.

4

3

2

1

Рис. 10.8. Конструктивные элементы силовой системы крыла: 1 – обшивка; 2 – стрингер; 3 – нервюра; 4 – лонжерон

Часть балки крыла, ограниченная передним и задним лонжеронами, называется кессоном.

Лонжерон – это продольная балка, воспринимающая изгибающий момент (полностью или частично) и поперечную силу (рис. 10.9). В самолетных конструкциях применяют балочные (рис. 10.9, а) и реже ферменные (рис. 10.9, б) лонжероны. Балочный лонжерон состоит из двух поясов (верхнего 1 и нижнего 2), связанных между собой стенкой 3 с подкрепляющими стойками 4. Пояса лонжеронов изготавливают из стали, титановых или алюминиевых сплавов, стенки – из листовых материалов.

Пояса лонжеронов нагружаются, соответственно, усилиями сжатия S_сж и растяжения S_раст (рис. 10.9, в), h  0,95H – строительная высота лонжерона (Н – габаритная высота лонжерона).

Нагрузкой стенок лонжерона является поперечная сила Q, вызывающая появление потока касательных сил q_Q в стенках, q_Q = Q/h._. В многолонжеронной конструкции крыла поперечная сила распределяется между лонжеронами пропорционально их жесткости (рис. 10.10).

4 3 2 1 А б в q h Sсж Sраст

Рис. 10.9. Лонжероны:

а – балочной конструкции: 1 – верхний пояс; 2 – нижний пояс; 3 – стенка;

4 – стойка; б – ферменной конструкции; в – уравновешивание поперечной

силы Q и изгибающего момента М в сечении лонжерона [6]

Пояса лонжеронов при восприятии изгибающего момента работают на растяжение и сжатие, а стенки лонжеронов, воспринимая поперечную силу и частично крутящий момент совместно с обшивкой, работают на сдвиг.

Стрингеры – продольные элементы крыла, связанные с обшивкой крыла и нервюрами, предназначены для восприятия осевых усилий растяжения и сжатия при изгибе крыла (см. рис. 10.8). Они воспринимают и местные аэродинамические нагрузки. В конструкциях современных самолетов применяют стрингеры из прессованных и гнутых профилей. Из гнутых профилей изготавливают несиловые стрингеры, а из прессованных – усиленные. Несиловые стрингеры по размаху крыла могут выполняться не сплошными, а из отдельных, не соединенных между собой элементов. Расстояние между стрингерами в крыле обычно составляет 80–160 мм. Наиболее употребительные сечения прессованных стрингеров показаны на рис 10.11.

Нервюры – поперечные элементы каркаса крыла, предназначенные для восприятия аэродинамической нагрузки с обшивки и стрингеров, передачи ее на лонжероны, и предания заданной формы профилю сечения крыла. Нервюры связывают в одно целое элементы продольного набора и обшивку.

Q₁

S_{1 сж}

S_{1 раст}

Q

q_кр

S_{2 сж}

S_{2 раст}

G₂

q_кр

М_кр

М_изг

q₁

q₂

d_ст

Рис. 10.10. Схема нагрузок, возникающих на двухлонжеронном крыле

Рис. 10.11. Формы сечений стрингеров

Нагрузка нервюр (рис. 10.12) – силы, передающиеся от аэродинамической нагрузки прилегающего к нервюре участка обшивки и от стрингеров, связанных с нервюрой (рис. 10.12, а). Равнодействующая этих сил q приложена в центре давления сечения, а так как ЦД не совпадает с ЦЖ, то она вызывает крутящий момент, уравновешивающийся потоком касательных сил со стороны обшивки q_обш (рис. 10.12, б). Сила q стремится переместить нервюру вертикально вверх, но этому препятствуют стенки лонжеронов, в которых развиваются силы реакции R₁ и R₂. Таким образом, нервюры передают действующую на них воздушную нагрузку на обшивку и стенки лонжеронов в своей плоскости.

По конструктивно-силовым схемам нервюры разделяют на балочные и ферменные (рис. 10.13). Наибольшее распространение получили нервюры балочной конструкции, так как они легче ферменных и проще в производстве. Для облегчения нервюр в их стенках делают отверстия, края которых отбортовывают для увеличения жесткости конструкции. С этой же целью иногда на стенках нервюр делают рихтовку или крепят дополнительные профили. Некоторые отличия имеют нервюры, устанавливаемые в местах крепления к крылу каких-либо агрегатов (двигатель, шасси и др.), т. е. в местах действия больших сосредоточенных сил. Такие нервюры в конструктивном выполнении похожи на лонжероны и состоят из двух полок, стенки и подкрепляющих стоек (профилей). Различают нормальные, усиленные и поясные нервюры. Расстояние между нервюрами в крыле обычно составляет 150–500 мм.

б

R₂

ЦЖ

q_обш

Σq

М_кр

q

Σq

ЦД

ЦЖ

ЦД

R₁

Рис. 10.12. Схема нагружения нервюр:

а – аэродинамические силы; б – касательные силы

а

б

а

Рис. 10.13. Типовые конструкции нервюры:

а – балочной; б – ферменной

Обшивка обеспечивает заданную форму поверхности крыла, она может быть неработающей и работающей. В первом случае обшивка в силовую схему крыла не включается, и аэродинамическая нагрузка передается на каркас крыла. Изготавливается такая обшивка из полотна. Работающую обшивку обычно выполняют из алюминиевых сплавов, а в местах, подвергаемых нагреву, а также на сверхзвуковых самолетах используют сталь и титан.

Обшивка может быть одно- или многослойной. Межобшивочное пространство при этом заполняется специальной фольгой или пенопластом (рис. 10.14). Обшивка и заполнитель скрепляются клеем. Толщина такой обшивки достигает 15–20 мм, что позволяет получить большую жесткость конструкции и даже не применять стрингеры.

б

а

Рис. 10.14. Обшивка слоистой конструкции: а – с пористым заполнением; б – с сотовым заполнителем

Рассмотрим совместную работу элементов крыла при воздействии внешней нагрузки (см. рис. 10.10). Аэродинамическая нагрузка, непосредственно воздействующая на обшивку, через заклепочные соединения передается на стрингеры и нервюры в виде распределенной нагрузки. Стрингеры, опирающиеся на нервюры, передают последним свою нагрузку в виде сосредоточенных сил. Нервюры воспринятую воздушную нагрузку и нагрузку от агрегатов, если они установлены в крыле, передают на стенки лонжеронов, а возникающий при этом крутящий момент передается на обшивку через заклепки потоком касательных усилий. Касательные усилия суммируются от нервюры к нервюре и передаются замкнутым контуром обшивки на узлы крепления крыла фюзеляжу. При этом обшивка работает на сдвиг. Стенки лонжеронов, снимая нагрузку с нервюр, работают на сдвиг.

Поперечная сила накапливается постепенно на стенки от нервюры и передается на фюзеляж. Изгибающий момент в каждом поперечном сечении крыла уравновешивается внутренними силами.

Прочность и жесткость крыла обеспечивается применением различных конструктивных силовых схем, из которых наиболее распространены лонжеронная и моноблочная (кессонная). У крыла лонжеронной схемы основная часть изгибающего момента воспринимается лонжеронами и лишь незначительная часть – обшивкой и стрингерами. По количеству лонжеронов в крыле последние подразделяются на одно-, двух- и многолонжеронные.

В однолонжеронной схеме лонжерон обычно устанавливается в месте максимальной толщины профиля (на расстоянии 0,3–0,45 длины хорды от носка крыла), чтобы при максимальной строительной высоте лонжерона получить минимальную массу. В двухлонжеронной схеме крыла передний лонжерон располагается на расстоянии 0,12–0,15 длины хорды от носка крыла, а дальний – на расстоянии 0,5–0,7 длины хорды.

Недостаток крыла лонжеронной схемы – возможность разрушения при незначительном повреждении лонжеронов, т. е. малая живучесть.

Моноблочным называется крыло, изгибающий момент в котором в основном воспринимается стрингерами и обшивкой по всему контуру. Лонжероны в таких конструкциях либо совсем отсутствуют, либо имеют очень слабые пояса. Нервюры устанавливают значительно чаще в моноблочном, чем в лонжеронном крыле. Крыло, в котором изгибающий момент воспринимается частью контура, называется кессонным. Эта конструкция имеет внутренние объемы, достаточные для размещения топлива или каких-либо агрегатов. К положительным качествам подобной схемы следует отнести высокую живучесть крыла, прочность и меньшую массу по сравнению с крылом лонжеронной схемы. Моноблочные крылья в настоящее время получили широкое распространение.

С увеличением скорости полета значительно возрастают местные нагрузки. Для сохранения неизменной формы профиля необходимо повышать жесткость обшивки, что достигается увеличением числа стрингеров, нервюр, а также толщины обшивки.

Рис. 10.15. Крыло из монолитных панелей

Так как крыло современного сверхзвукового самолета имеет малую относительную толщину, то высота стрингеров становится соизмеримой с абсолютной толщиной крыла. В этом случае становится целесообразным крыло собирать из монолитных панелей (рис. 10.15). На некоторых самолетах применяется силовой набор монолитно- ребренного типа из прессованных панелей, также сборно-моно-литного типа, в котором механически обрабатываемые стрингеры крепятся к панелям из крупногабаритных катаных плит.