Лекция 9 Назначение фюзеляжа и требования к нему

Фюзеляж самолета предназначен для размещения экипажа, оборудова­ния и целевой нагрузки. В фюзеляже может размещаться топливо, шасси, двигатели. Яв­ляясь строительной основой конструкции самолета, он объединяет в силовом отношении в одно целое все его части.

Относительная (по отношению к массе самолета) масса фюзеляжа = 0,08...0,15.

Основным требованием к фюзеляжу является выполнение им своего функцио­нального назначения в соответствии с назначением самолета и условиями его использо­вания при наименьшей массе конструкции фюзеляжа. Выполнение этого требования до­стигается:

выбором таких внешних форм и значений параметров фюзеляжа, при которых получа­ются его минимальное лобовое сопротивление и наибольшие полезные объемы при опре­делившихся габаритах;

использованием несущих фюзеляжей, создающих значительную (до 40 %) подъемную силу в интегральных схемах самолета. Это позволяет уменьшить площадь крыла и снизить его массу;

рациональным использованием полезных объемов за счет повышения плотности ком­поновки, а также за счет более компактного размещения грузов вблизи ЦМ. Последнее способствует уменьшению массовых моментов инерции и улучшению характеристик ма­невренности, а сужение диапазона изменения центровок при различных вариантах за­грузки, выгорании топлива, расходе боеприпасов обеспечивает большую стабильность ха­рактеристик устойчивости и управляемости самолета;

согласованием силовой схемы фюзеляжа с силовыми схемами присоединенных к нему агрегатов. При этом необходимо обеспечить: надежное крепление, передачу и уравнове­шивание нагрузок от силовых элементов крыла, оперения, шасси, силовой установки на силовых элементах фюзеляжа; восприятие массовых сил от целевой нагрузки, оборудо­вания и от конструкции фюзеляжа, а также от аэродинамической нагрузки, действующей на фюзеляж, и нагрузки от избыточного давления в гермокабине.

Должно быть обеспечено удобство подходов к различным агрегатам, размещенным в фюзеляже, для их осмотра и ремонта; удобства входа и выхода экипажа и пассажиров, выбро­са десантников и вооружения, удобство погрузки, швартовки и выгрузки предназначенных для перевозки грузов. Пассажирам и экипажу должны быть представлены необходимые жизнен­ные условия и определенный уровень комфорта при полете на большой высоте и возможность быстрого и безопасного аварийного покидания самолета, экипажу — хороший обзор.

К основным требованиям (как и для остальных агрегатов самолета) относится обеспе­чение достаточных прочности и жесткости конструкции фюзеляжа при минимальной ее массе, высокой технологичности конструкции, а для военных самолетов — еще и высокой боевой живучести.

Внешние формы фюзеляжа

Внешние формы фюзеляжа определяются требованиями аэродинамики и назначением самолета. Поперечное сечение фюзеляжа может быть прямоугольным, круглым, овальным и комбинированным. Каждая из этих форм имеет свои преимущества и недостатки.

В аэродинамическом отношении лучшим является круглый фюзеляж, так как по сравнению с другими он при одинаковом объеме имеет наименьшую поверхность, а следовательно, и наименьшее сопротивление трения.

При среднем расположении крыла получается и малое сопротивление интерференции. Круглая форма целесообразна для герметизированных отсеков фюзеляжа, так как криволинейная обшивка имеет более высокие критические напряжения.

К преимуществам прямоугольного фюзеляжа следует отнести большую простоту изготовления и возможность лучшего использования внутренних объемов для размещения пассажиров, грузов, оборудования и т.п.

Основными формами поперечного сечения фюзеляжей современных самолетов являются круглая или комбинированная.

При виде сбоку форма фюзеляжа, как правило, несимметричная. В носовой части размещается кабина пилота.

У одноместных самолетов фонарь кабины выполняется в виде надстройки. Высота фонаря должна обеспечить требуемый обзор, а очертания его должны быть выбраны с учетом получения наименьшего сопротивления.

У тяжелых самолетов габаритные размеры фюзеляжа позволяют вписать кабину пилота в обводы фюзеляжа,

но для улучшения обзора передняя часть фонаря образует уступ.

Форма хвостовой части фюзеляжа (рис.1) во многом определяется необходимостью размещения тех или иных грузов, агрегатов и т.п.

Так, на рисунке1а показана форма фюзеляжа, в хвостовой части которого расположен турбореактивный двигатель, на рисунке 1б – форма фюзеляжа транспортного самолета, у которого для упрощения погрузки и разгрузки больших грузов (автомобилей, танков и т.п.) люк расположен в задней части фюзеляжа.

Очертания хвостовой части фюзеляжа при виде сбоку выбираются из условий обеспечения посадочного угла атаки _пос при наименьшей высоте шасси и обеспечения необходимого выноса горизонтального оперения ,

чтобы исключить его попадание в спутную струю крыла (рис.1в).

При виде сверху фюзеляж имеет симметричную форму. У самолетов, летающих на больших околозвуковых и сверхзвуковых скоростях, фюзеляж в зоне сопряжения с ним крыла очень часто «поджат», т.е. выполняется с соблюдением «правила площадей» с целью получения наименьшего лобового сопротивления (рис.2).

 

 

Рис.1 Рис.2

 Носовая часть фюзеляжей сверхзвуковых самолетов делается заостренной, с тем, чтобы обеспечить возникновение присоединённых косых скачков, дающих меньшее сопротивление. Кроме фонаря кабины пилота фюзеляж может иметь и ряд других надстроек: стрелковые башни, прицельные станции и т.д.

 Фюзеляж характеризуется следующими основными параметрами:

 - длиной ;

 - диаметром миделевого сечения , или высотой и шириной миделевого сечения;

 - удлинением , здесь  где – площадь миделевого сечения.

Площадь миделевого сечения фюзеляжа при выполнении требований размещения в нем кабин, агрегатов, грузов

и т.п. должна быть минимальной. Для одноместных самолетов миделево сечение определяется либо размерами кабины пилота, либо размерами двигателя, если последний расположен в фюзеляже; для тяжелых самолетов – размерами пассажирской или грузовой кабины или размерами отсеков для размещения тех или иных агрегатов оборудования и т.п.

Длина фюзеляжа определяется требованиями получения необходимого плеча горизонтального оперения, требованиями центровки и компоновки самолета.

Большое влияние на лобовое сопротивление фюзеляжа оказывает его удлинение. Лобовое сопротивление фюзеляжа складывается из сопротивления трения, сопротивления давления и волнового сопротивления. При докритических скоростях полета большую часть лобового сопротивления составляет сопротивление трения, величина которого пропорциональна площади поверхности фюзеляжа. Поэтому увеличение длины фюзеляжа при заданной площади миделевого сечения, т.е. увеличение _ф, приводящее к увеличению площади его поверхности, вызывает рост лобового сопротивления.

С точки зрения минимума лобового сопротивления желательно, чтобы удлинение фюзеляжей таких самолетов находилось в пределах _ф= 4...8, если при этом удовлетворяются требования компоновки и центровки.

При числах М > М_* основную часть сопротивления фюзеляжа составляет волновое сопротивление.

Увеличение удлинения фюзеляжа приводит к снижению волнового сопротивления. Поэтому для сверхзвуковых самолетов наиболее выгодным является удлинение _ф= 10...12.

К габаритным размерам фюзеляжа, его форме в поперечном сечении и при виде сбоку и в плане часто предъявляются противоречивые требования. Задача конструктора состоит в выборе оптимального варианта, наиболее полно отвечающего назначению самолета и обеспечивающего получение хороших аэродинамических характеристик.