Тема 2_Нагрузки воздушного судна

Тема 2. Нагрузки воздушного судна. Перегрузки.

Литература:

Г.А.Никитин Г.А., Бакланов Е.А. Основы авиации. М.: Транспорт, 1990.

Житомирський Г.И. Конструкция самолетов. М.: Машиностроение, 1992.

Нагрузка на ВС- это совокупность внешних воздействий на самолет, вызывающих деформации и изменение напряженного состояния его конструкции. Помимо внешних поверхностных нагрузок учитываются и объемные силы, вызванные перегрузкой.

Силы, действующие на самолет в полете.

В полете на самолет действуют следующие силы: тяга двигателя, аэродинамические - подъемная сила и лобовое сопротивление, сила тяжести. Некоторые из них иногда могут отсутствовать, например сила тяги при неработающих двигателях.

Разнообразные силы, действующие на самолет, различаются:

- по характеру приложения на статические, неизменяющиеся в течение длительного периода времени, и динамические, быстро меняющиеся в процессе их действия на самолет;

- по характеру распределения на сосредоточенные, приложенные на небольшом участке конструкции (точечно), распределенные по длине, поверхности и объему конструкции;

- по величине и направлению

Удобно все силы, действующие на самолет, объединить в две группы - поверхностные и массовые; к поверхностным силам отнести аэродинамические силы и силу тяги, а к массовым - силы тяжести и инерционные.

Скоростные оси координат для самолета

Из условия равновесия сил, действующих на самолет, следует, что равнодействующая поверхностных сил равна равнодействующей массовых сил.

Основной системой координат, используемой в динамике полета, является скоростная (подвижная) система координат, движущаяся вместе с самолетом. Начало этой системы координат находится в центре масс самолета. Силы обычно раскладываются на три составляющие: (см. рис. 1.2.) Х - по направлению скорости движения самолета «Ох», Y - перпендикулярно оси «Ох» в плоскости симметрии самолета; Z - перпендикулярно плоскости «Оy» и направлена по левому крылу.

В случае горизонтального полета подъемная сила У уравновешивает вес самолета G, а сила тяги P - силу сопротивления Q.

Если подъемная сила больше силы тяжести самолет набирает высоту, если меньше – снижается. Если тяга больше силы лобового сопротивления, самолет движется ускоренно, если меньше - замедленно.

На других этапах полёта (взлёт, набор высоты, снижение, посадка) и при выполнении эволюций (манёвров) самолетом схема сил, действующих на самолёт, будет несколько сложнее.

Понятие перегрузки.

Коэффициентом перегрузки, или просто перегрузкой, называют отношение суммы поверхностных сил к силе тяжести самолета:

Перегрузка - величина векторная. Ее направление совпадает с направлением равнодействующей поверхностных сил. На практике обычно пользуются не полной перегрузкой, а ее проекциями на оси системы координат.

Перегрузкой в данном направлении называют отношение проекции равнодействующей поверхностных сил на это направление к силе тяжести самолета.

Зная перегрузку и вес, можно определить силы, действующие на самолет.

Предельная (располагаемая) продольная перегрузка определяется максимально возможным значением избыточной тяги или сопротивления.

Продольная перегрузка может быть как положительной, так и отрицательной. Положительная перегрузка, определяемая тяговооруженностью, для современных самолетов с турбореактивными двигателями обычно не превышает 0,7-0,8. Отрицательная перегрузка, определяемая сопротивлением, также может достигать значений, близких к единице, например при одновременном выпуске тормозных щитков и дросселировании двигателей в полете. Тяговооруженностью самолёта называется отношение тяги силовой установки (суммарной тяги двигателей) к его весу. Тяговооруженность пассажирских самолетов составляет 0,3-0,35.

Приближенно можно считать, что при полете вертикальная перегрузка создается только подъемной силой самолета. Предельная поперечная перегрузка при этом опре-деляется максимально возможным значением отношения подъемной силы к весу самолета, продольная (или тангенциальная) перегрузка - разницей между силой тяги двигательной установки и силой аэродинамического сопротивления, деленной на вес самолета, боковая перегрузка – боковой аэродинамической силой, деленной на вес самолета:

В горизонтальном прямолинейном полете с постоянной скоростью подъемная сила равна весу самолета, тяга равняется силе аэродинамического сопротивления, боковая аэродинамическая сила равна нулю, поэтому поперечная перегрузка

равна 1, а продольная и боковая - нулю.

Сопротивляемость организма перегрузкам зависит от величины и направления последних, времени их воздействия, от физического состояния организма. Человек, прошедший специальную тренировку, переносит перегрузки значительно лучше, чем нетренированный. Человеческий организм по-разному переносит перегрузки, действующие в различных направлениях. Лучше всего человек переносит перегрузки в направлении грудь-спина или спина-грудь (n = 12), хуже в направлении голова-ноги (n = 6), и совсем плохо в направлении ноги-голова (n = 3), так как при этом кровь приливает к голове и вызывает быструю потерю сознания. Величина переносимых человеком перегрузок зависит от времени их воздействия. Если перегрузки кратковременны, то допустимая величина их значительно увеличивается.

При болтанке самолет испытывает значительные перегрузки. Нагрузки при этом могут вызвать недопустимые деформации и оказаться опасными для прочности отдельных частей самолета. В атмосфере значительные массы воздуха непрерывно находятся в движении, часто образуют мощные вертикальные и горизонтальные потоки.

При попадании самолета в турбулентную атмосферу его начинает покачивать, бросать вверх, вниз, в стороны.

Поскольку скорости порывов обычно малы по сравнению со скоростью полета самолета, перегрузки самолета от горизонтального порыва получаются незначительными.

С увеличением высоты полета плотность воздуха падает и перегрузка при болтанке (при прочих равных условиях) уменьшается. С увеличением скорости полета (до чисел М = 1-1,5) перегрузка возрастает. Для уменьшения ее в неспокойном воздухе скорость нужно снижать. Однако чрезмерное снижение последней также нежелательно, так как при этом самолет переводится на большие углы атаки, а в условиях полета в болтанку это опасно из-за возможности выхода при восходящем порыве на закритические углы атаки и сваливания на крыло. Таким образом, при полете в турбулентной атмосфере скорость самолета по условиям прочности нужно снижать, а по условиям безопасности полета - увеличивать. С увеличением полетного веса самолета при полете в болтанку перегрузка уменьшается, но, вместе с тем, нагрузка крыла возрастает.

Очевидно, что нагрузка от порывов не должна превышать максимальную нагрузку (подъемную силу) на которую рассчитана конструкция крыла.

Для транспортных самолетов нагрузка крыла при болтанке опасна с точки зрения общей прочности. Поэтому, если ожидается полет в болтанку, загружать самолет по возможности меньше. Величины перегрузок при болтанке зависят от скорости полета и скорости порыва. Если перегрузки рассчитывать по максимально возможным значениям этих скоростей, то они получаются весьма большими. Обеспечение прочности самолета по этим условиям ведет к утяжелению его конструкции и ухудшению летно-технических данных.

Учет упругости конструкции самолета приводит к необходимости рассмотреть динамическое нагружение, которое может носить ударный или вибрационный характер. Первый случай имеет место при воздействии на конструкцию одиночного порыва, второй - при воздействии циклической последовательности, т.е. группы порывов, следующих один за другим с определенной частотой. Большие перегрузки создают большие нагрузки на конструкцию самолета и поэтому для обеспечения возможности полета с такими перегрузками необходимо усиливать конструкцию самолета, увеличивая ее вес.

Все эти обстоятельства заставляют особенно внимательно определять допустимые максимальные значения перегрузок, действующих на самолет.

Используя понятие о перегрузке, легко определить нагрузки, действующие на самолет и его агрегаты. Если известны значения перегрузок, то достаточно умножить их величины на вес самолета, чтобы получить значения нагрузок, действующих на самолет в направлении действующих перегрузок.

Некоторые особенности нагружения и расчета самолета на прочность.

К современным воздушным судам предъявляются весьма разнообразные и зачастую противоречивые требования. Одним из основных является требование наименьшего веса и достаточной прочности, поскольку повышение прочности обычно связано с утяжелением конструкции, а облегчение конструкции – с понижением прочности.

Под прочностью воздушного судна принято понимать способность его конструкции воспринимать, не разрушаясь, определенные внешние нагрузки.

нагрузки, действующие на конструкцию, разделяют на статические и динамические.

Действие воздушных нагрузок в горизонтальном и криволинейном полете обычно рассматривают как статическое. Объясняется это тем, что нагрузки возникают и снимаются постепенно, а действуют по сравнению с распространением деформаций более продолжительное время.

Динамическое нагружение происходит, например, при посадке, движении самолета по неровному грунту, внезапном порыве воздуха в полете и т.п. Динамические нагрузки могут носить ударный или вибрационный характер.

Первый вид нагружения имеет место в случае, когда отношение периода изменения нагрузки к периоду собственных колебаний конструкции значительно меньше единицы. Второй вид динамических нагрузок - это вынужденные колебания конструкции под действием периодических сил. В недалеком прошлом прочность самолета независимо от характера действующих сил обеспечивалась по статическому нагружению (при условии устранения опасных вибраций), а учет динамического характера нагружения осуществлялся выбором соответствующей величины коэффициента безопасности. В последние годы специально выявляют динамические нагрузки, которые часто бывают определяющими при расчете прочности частей самолета.

Расчет статической прочности конструкции летательного аппарата проводят на расчетную и эксплуатационные нагрузки. Под эксплуатационной нагрузкой понимают ожидаемое наибольшее значение нагрузки, которое может достигаться в нормальной эксплуатации на предельно допустимых режимах.

Расчет самолета на прочность производится по разрушающим нагрузкам, поэтому их называют также расчетными. Число, показывающее во сколько раз расчетные нагрузки больше эксплуатационных, называется коэффициентом безопасности.

Чем больше коэффициент безопасности, тем надежнее конструкция, но тем больше ее полетная масса, поэтому на практике стараются использовать минимальные значения коэффициента безопасности.

Основное назначение коэффициента безопасности состоит в том, чтобы исключить появление остаточных деформаций в элементах конструкции при эксплуатационных нагрузках. Обычно для самолетных конструкций принимают коэффициент безопасности равным 1,5-2. Сравнительно небольшая величина коэффициента безопасности в авиационной технике по сравнению с другими областями техники обуславливает повышенные требования к точности расчетов на прочность авиационных конструкций, к качеству применяемых материалов, к технологии изготовления и ремонту авиационной техники.

Нормами прочности регламентируются величины и характер нагрузок, используемых в расчетах на прочность, а также при проведении испытаний самолетов и его основных частей. Нормы прочности задают основные случаи нагружения самолетов, которые представляют собой однозначно заданные предельные режимы полета или посадки. В каждом из этих случаев задается величина нагрузки, ее направление и распределение. Прочность каждой части самолета проверяется для нескольких случаев, чтобы выявить наиболее тяжелые условия нагружения всех основных элементов. От выбора максимальной эксплуатационной перегрузки зависит практически вся совокупность летно-технических показателей самолета. Величина перегрузки определяет также расчетное значение нагрузки и существенно влияет на вес конструкции. Зная величину эксплуатационной перегрузки, можно определить подъемную силу крыла. Помимо этого для расчета прочности нужно еще знать закон распределения этой силы по размаху и хордам крыла, а также величину коэффициента безопасности для перехода к расчетной нагрузке.

Испытания самолета (нормы прочности).

Хотя современные методы расчета на прочность достаточно надежны, тем не менее, применение принципиально новых силовых схем, не проверенных на практике, а также, трудности учета таких факторов, как неточное соблюдение технологии и допусков на приготовление деталей и узлов, делают статические испытания основным средством проверки прочности и рациональности конструкции.

В программу испытаний включаются все случаи нагружения, предусмотренные требованиями к прочности и являющиеся расчетными для основных частей самолёта.

Статические испытания самолёта проводятся, как правило, до 100% расчетных нагрузок или до разрушения. Прочность тех панелей и элементов конструкции самолёта, для которых расчет показывает существенное влияние повышенных температур, проверяется статическими испытаниями, как с нагревом, так и без нагрева.

Во всех случаях, когда возможны усталостные разрушения, требуется испытывать конструкции на динамические нагрузки. Испытаниям подвергают как отдельные элементы конструкции, так и самолет в целом. Цель этих испытаний - выявить наиболее слабые элементы для усиления их и, благодаря этому, предотвращения катастрофических случаев усталостных разрушений.

При летных испытаниях определяют фактические величины нагрузок и деформаций самолета, закон распределения внешних сил, специальными исследованиями выявляют склонность конструкции к опасным вибрациям. Испытания на вибрацию обычно носят контрольный характер, т.е. либо выясняют скорость начала вибраций, либо проверяют, чтобы во всем диапазоне скоростей полета, включая и максимальную, не наступали опасные вибрации.

При испытаниях опытных самолётов и первых испытаниях серийных самолётов производится подробный анализ всех разрушений, имевших место в процессе испытаний, и с учетом сравнения свойств материала в местах разрушений с кондиционными и геометрических размеров с указанными в чертежах делается вывод о достаточной прочности конструкции или о необходимости или желательности изменений в конструкции или в технологии изготовления.

Ресурс конструкции самолёта устанавливается по ресурсу конструктивных элементов, разрушение или появление повреждений в которых может непосредственно привести к катастрофической ситуации. Если для отдельных элементов конструкции, которые могут быть заменены в процессе эксплуатации, имеется свой ресурс, для конструкции в целом ресурс устанавливается без учета ресурса этих элементов.

Ресурсом называется наработка от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до прекращения или приостановки эксплуатации.

Наработка - это продолжительность эксплуатации самолёта в полёте и наземных условиях, выражаемая в часах налёта, числе полётов/посадок или других единицах.

Назначенный ресурс - суммарная наработка самолета, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

После заводских, государственных и эксплуатационных испытаний самолёт проходит сертификацию - установление соответствия типа самолёта, его двигателей и оборудования действующим нормам лётной годности.

Нормы лётной годности - это документ, содержащий государственные требования к воздушным гражданским судам, их двигателям и оборудованию по безопасности полётов

Ожидаемые условия эксплуатации - это условия, включающие в себя область расчетных условий, определенных нормами летной годности, эксплуатационных ограничений, а также рекомендуемых режимов полёта, установленных для данного типа самолета при его сертификации.

Особая ситуация - это ситуация, возникающая в полёте в результате воздействия неблагоприятных факторов или их сочетаний и приводящая к снижению безопасности полёта. По степени опасности особые ситуации разделяются на:

- усложнение условий полёта;

- сложную ситуацию;

- аварийную ситуацию;

- катастрофическую ситуацию.