2.2 Фюзеляж

Действующие нагрузки.

Фюзеляж является основной частью конструкции самолета и предназначен для соединения в одно целое всех его частей, а также для размещения экипажа, пассажиров, оборудования и грузов.

В полете на фюзеляж действуют аэродинамические силы, распределенные по его поверхности, сосредоточенные силы от закрепленных на фюзеляже шасси и двигателей, массовые нагрузки от оборудования и грузов, нагрузки от избыточного давления в гермокабине, а также массовые и аэродинамические нагрузки от оперения. При расчете на прочность фюзеляж рассматривают как балку, опорами которой являются лонжероны крыла. Определяющими нагрузками являются избыточное давление и аэродинамические силы, действующие на оперение.

Аэродинамическая сила, действующая на горизонтальное оперение Y_г.о., во всех сечениях фюзеляжа вызывает изгибающий момент M_{из г.о.} и поперечную силу Q_г.о., которые действуют в вертикальной плоскости. Поскольку точка приложения силы R_{y г.о.}лежит в плоскости симметрии фюзеляжа, крутящего момента от ее действия не возникает. Изгибающий момент в сечении равен произведению эродинамической силы на расстояние от этого сечения до линии действия силы: M_{из г.о.}= R_{y г.о.}* L₁. Следовательно, наибольший изгибающий момент возникает у узлов крепления фюзеляжа к крылу. От действия изгибающего момента нагружаются обшивка и стрингеры: в верхней части эти элементы работают на растяжение, в нижней на сжатие. В результате в обшивке и стрингерах возникают нормальные напряжения_г.о., которые имеют наибольшее значение в элементах, наиболее удаленных от оси фюзеляжа.

Поперечная сила Q_г.о.во всех сечениях одинакова и равна силе R_{y г.о.} Поперечная сила вызывает в обшивке фюзеляжа касательные напряжения_г.о..

На вертикальное оперение при отклонении руля направления действует аэродинамическая сила Y_в.о.. Эта сила действует в горизонтальной плоскости и нагружает хвостовую часть фюзеляжа поперечной силой Q_в.о., равной силе Y_в.о., и изгибающим моментом M_из.в.о.= Y_в.о.*L₂. Кроме того, сила Y_в.о.нагружает фюзеляж крутящим моментом M_кр.= Y_в.о.* h, где h - расстояние от точки приложения силы до продольной оси фюзеляжа.

Изгибающий момент Mиз.в.о. создает в обшивке и стрингерах фюзеляжа напряжения растяжения и сжатия _в.о.. Поперечная сила Q_в.о.нагружает верхнюю и нижнюю части обшивки касательными напряжениями_q, а крутящий момент вызывает по всему контуру обшивки касательные напряжения_кр. При одновременном действии сил Y_г.о.и Y_в.о.напряжения, возникающие в силовых элементах конструкции фюзеляжа, алгебраически суммируются.

Массовые нагрузки от оборудования и грузов определяются с учетом возникающих в криволинейном и неравномерном полете перегрузок. Кроме того, при посадке самолета на фюзеляж действуют собственные массовые нагрузки, которые вызывают изгибающий момент и поперечную силу в вертикальной плоскости, а при посадке со сносом и в горизонтальной плоскости. Аэродинамические силы, распределенные по поверхности обшивки, на общую прочность фюзеляжа оказывают незначительное влияние, поскольку они по поперечным сечениям практически самоуравновешиваются. Однако местные воздушные нагрузки могут быть большими, особенно на выступающих частях фюзеляжа. Эти воздушные нагрузки являются исходными для расчета крепления обшивки, крышек лючков и люков. Обычно при проектировании прочность фюзеляжа проверяется в соответствии со всеми расчетными случаями нагружения крыла, оперения, двигательной установки, со всеми взлетными и посадочными случаями нагружения. Кроме того, рассчитывают случаи аварийного приземления самолета (посадка с убранным шасси, посадка на воду и другие).

Фюзеляж.

Фюзеляж самолета цельнометаллической конструкции представляет собой сигарообразную тонкостенную балку с цилиндрической частью в середине диаметром 3,8 м. Внутренний объем фюзеляжа используется для размещения кабины экипажа, пассажирского салона, оборудования и уста­новки среднего двигателя. Снаружи к фюзеляжу крепятся крыло, хвосто­вое оперение, пилоны боковых двигателей и передняя нога шасси, убираю­щаяся внутрь фюзеляжа. Силовая схема фюзеляжа полумонококового типа состоит из каркаса и обшивки, работающей на изгиб и кручение. Каркас имеет большое количество стрингеров и шпангоутов (62 стринге­ра с набором продольных балок и лонжеронов и 74 основных, 11 промежуточных шпангоутов). Длина фюзеляжа 32.91 м.

Шпангоуты 1, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 22, 25А, 27, 29, 35, 37, 40, 42, 43, 44, 49, 54, 58, 59, 62, 66, 70 и 71 являются силовыми. Они воспринимают нагрузки от давления наддува, крепления шасси (передней опоры), крышек грузовых люков, дверей, крыла, оперения, пилонов дви­гателей. Остальные шпангоуты служат для поддерживания обшивки при работе, для крепления различных деталей оборудования.

Технологически основной каркас фюзеляжа делится на носовую часть шп. 1-16, среднюю - шп. 16-59, хвостовую - за 59 шпангоутом.

Компоновка фюзеляжа. Фюзеляж самолета Як-42 состоит из гермети­ческой кабины и негерметических отсеков. Герметическая кабина фюзе­ляжа расположена между шпангоутами 1 - 59. Негерметические отсеки расположены в передней и задней частях фюзеляжа. В герметичной час­ти фюзеляжа между шпангоутами 1 и 7 расположена кабина экипажа, меж­ду шпангоутами 7 и 15 находятся передний левый технический отсек, буфет и гардероб экипажа, передний тамбур с левой входной дверью и правой служебной дверью, передний туалет и гардероб. Средняя часть фюзеляжа между шпангоутами 15 и 56 занята пассажирским салоном, да­лее до шпангоута 59 расположен задний туалет и гардероб. В хвостовой негерметичной части фюзеляжа за шпангоутом 59 рас­положены входной трап с нишей, задний технический отсек и средний двигатель с воздухозаборником. Под полом кабины экипажа и пассажир­ской кабины в фюзеляже расположены: в носовой части - ниша передней опоры шасси, в средней части - передний и задним грузовые отсеки и симметрично оси самолета две ниши колес основных опор шасси.

Носовая часть каркаса фюзеляжа включает в себя шпангоуты I-16, набор стрингеров и лонжеронов, подфонарную раму, нишу передней опоры шасси, каркас пола и усиления проемов правей и левой бортовых дверей. Шпангоут 1 силовой (основной) герметичный, служит для креп­ления носового радиопрозрачного кока. На передней стенке шпангоута крепится станция "Гроза-42" и гидроцилиндр носового кока. Шпангоут 7 является задней стенкой кабины экипажа. В стенке шпангоута сделан проем для прохода в кабину экипажа. К нижним участкам шпанго­утов 7, 6, 9, 10 крепятся балки ниши передней опоры с фитингами кре­пления амортстойки и складывающегося подкоса опоры. Шпангоуты 11 и 13 являются силовыми элементами дверных проемов и во­спринимают нагрузки от дверей, возникающие вследствие перепада дав­лений. Большинство несиловых шпангоутов типовые,S- образного сече­ния, гнутые из листового дюраля, с отверстиями облегчения и под ком­муникации, имеют вырезы под стрингеры. Между шпангоутами 2 и 16 на уровне пола приклепаны поперечные и продольные балки, которые являет­ся каркасом пола. В верхней части каркаса между шпангоутамиIи 7 расположена подфонарная рама, которая служит основанием фонаря каби­ны экипажа. Ниша передней опоры шасси расположена между шпангоутами 4 и 10 (рис. 2). В нижнем участке стенки шпангоута 4 и в боковых стенках ниши передней опоры сделаны люки для подхода к элементам управления самолетом и агрегатам оборудования, расположенным под по­лом кабины экипажа. Все три люка закрываются герметическими крышками.

Средняя часть каркаса фюзеляжа включает в себя шпангоуты 16 -59, стрингеры и набор лонжеронов и балок, подкреплявших каркас обшивку фюзеляжа в местах вырезов под ниши для колес основных опор шас­си, под крышки грузовых люков, двери и крышки аварийных выходов. Несиловые шпангоуты имеют типовую конструкцию S- образного сечения. Шпангоуты, 37 и 44 силовые, по ним осуществляется стыковка крыла с фюзеляжем, Под полом пассажирского салона находятся два грузовых от­сека, для размещения багажа пассажиров. Первый отсек расположен меж­ду шпангоутами 16 и 35, второй - между шпангоутами 50 и 58. Для заг­рузки багажа по правому борту фюзеляжа сделаны два люка, закрывающие­ся сдвижными крышками. Проемы под грузовые люки образованы силовыми шпангоутами 22, 25А, 54, 58, а также верхними и нижними лонжеронами. В стенке шпангоута 35 сделан герметичный люк для подхода из грузово­го отсека к коммуникациям. В нижней части фюзеляжа между шпангоута­ми 44 и 49 симметрично оси самолета расположены две ниши под колеса основных опор шасси. Шпангоут 59 силовой является задней стенкой гермокабины. Воспринимает большие усилия от наддува в гермокабине, а также усилия от передних балок пилонов боковых двигателей и капота воздухозаборника среднего двигателя. Шпангоут 59 состоит из стенки, переднего и заднего обводов, соединенных между собой лентой, шести вертикальных балок, поперечных диафрагм и профилей. Стенка состоит из нескольких частей. Передний обод выполнен из двух уголковых про­филей, задний из дюраляS- образного сечения. По шпангоуту 59 осу­ществляется стык средней части каркаса фюзеляжа с хвостовой. Обшивка стыкуется на ленте, стрингеры и лонжероны - на фитингах заклепками и болтами.

Хвостовая часть каркаса фюзеляжавключает в себя шпангоуты 59 - 73, стрингеры и набор лонжеронов и балок, подкрепляющих каркас фюзеляжа в районе вырезов и г местах крепления киля, среднего двига­теля с воздухозаборником и пилонов боковых двигателей. На участке шпангоутов 59 и 65 в верхней части каркаса сделан вырез под канал воздухозаборника среднего двигателя, а внизу на участке шпангоутов 62 - 68 вырез под трап и нишу. Шпангоуты 60, 61, 63, 64 выполнены в виде ободовS- образного сечения и вырезаны сверху под канал воздухозаборника. Шпангоут 62 силовой выполнен в виде ободаS-образного профиля, имеет стенку сделанную из листового дюраля, нару­жный и внутренний пояса - из уголковых профилей. К шпангоуту 62 кре­пятся пилоны боковых двигателей, трап, узлы крепления страхового поя­са техника в период обслуживания силовой установки (среднего двига­теля). Шпангоут 66 силовой, служит для крепления киля по первому лонжерону. Шпангоут состоит из стенок, наружного и внутреннего поясов. Пояса выполнены из профилей уголкового сечения, стенка химически фрезерованная к подкреплена стойками. Шпангоут 68 является задней зашивкой ниши над трапом. Шпангоут представляет собой гнутуюS-образного сечения стенку. Нижняя часть шпангоута имеет выштамповку под опорный каток трапа, усилена профилями и двумя вертикальными ба­лками, к которым крепится замок убранного положения трапа. Шпангоут 70 силовой служит для крепления киля по третьему лонжерону, а также хвостового кока фюзеляжа. Шпангоут установлен наклонно к оси фюзеляжа. Шпангоут состоит из двух частей: верхней и нижней. Верхняя часть шпангоута представляет собой фитинг, отштампованный из материа­лаAК-6: нижняя часть клепанной конструкции состоит из стенки, наружного и внутреннего поясов. Шпангоут имеет ленту с фестонами сты­ка стрингеров. В нижней части шпангоута установлена опора под дом­крат. Шпангоут 71 силовой служит для крепления киля по второму лон­жерону. Шпангоут состоит из стенки, наружного и внутреннего поясов, состыкованных из трех частей. Стенка химически фрезерованная, пояса выполнены из профилей.

Стрингерный набор фюзеляжаразрезной, состоит из прессован­ных профилей различного сечения (уголкового,Z- образного и др.), расположен от шпангоута 7 по всей длине фюзеляжа и прерывается в пе­ресечении с силовыми шпангоутами в местах вырезов под окна, двери, аварийные выходы, люки.

Обшивка фюзеляжавыполнена в виде отдельных панелей, панели обшивки представляют собой дюралевые листы толщиной 1,2 - 4 мм с при­клепанными и приваренными к ним стрингерами и частями промежуточных шпангоутов. Сварка применена при сборке панелей в средней части фю­зеляжа между шпангоутами 16 и 59, клепка в носовой и хвостовой час­тях фюзеляжа. Панели соединяются между собой с силовыми шпангоутами и лонжеронами потайными заклепками. В обшивке и элементах каркаса фюзеляжа для стока конденсированной влаги просверлены дренажные отверстия диаметром 4, 5, и 8 мм.

Для придания планеру необходимой аэродинамической формы, умень­шения аэродинамического сопротивления, защиты выступающих частей, закрытия зазоров и мест сочленения агрегатов на самолете установлены:

- носовой кок;

- зализ между фюзеляжем к крылом;

- хвостовой кок;

- обтекатель руля направления.