11.2. Конструктивно-силовые схемы агрегатов планера самолета

Как уже отмечалось, состав конструктивно-силовых элементов, обеспечивающих требуемую прочность и жесткость конструкции, схему их расположения и взаимосвязи, принято называть конструктивно-силовой схемой (КСС) агрегата.     Основные силовые элементы конструкции (обшивка, стрингеры, лонжероны, стенки, нервюры, шпангоуты) обеспечивают прочность и жесткость конструкции агрегатов планера самолета при действии силовых факторов - изгиба, сдвига, кручения.

Рис. 11.9. Классификация КСС агрегатов планера

Вспомогательные (неосновные) силовые элементы служат для соединения, стыковки и местного усиления основных элементов и передачи на них местных нагрузок. К ним относятся узлы стыка, кронштейны навески рулевых поверхностей, приборные рамы, соединительные детали установки оборудования и грузов - фитинги (англ. fitting от fit - прилаживать, монтировать, собирать) и т. д.
КССагрегатов планера принято классифицировать (рис. 11.9) по типу силовых элементов, воспринимающих изгибающий момент, который является определяющим среди силовых факторов. Масса конструктивных элементов, участвующих в работе на изгиб, составляет основную часть массы силовой конструкции.
Вферменных КСС продольные и поперечные силовые элементы ( плоские фермы) в соединении образуют пространственную ферму, воспринимающую все силовые факторы, в том числе и изгибающий и крутящий моменты. Элементы фермы работают на растяжение-сжатие. Обшивка в конструкциях с ферменной КСС чаще всего несиловая, т. е. не участвует в работе на изгиб и кручение, а служит только для формирования обводов агрегата и передачи на ферму распределенной аэродинамической нагрузки.
   В балочных КСС конструктивным элементом, воспринимающим изгиб, является плоская (лонжерон) или пространственная пустотелая (кессон) балка.
Вмоноблочном крыле (оперении) мощная силовая обшивка является основным силовым элементом, воспринимающим все виды нагрузок. Работая на растяжение-сжатие, обшивка воспринимает весь изгибающий момент. Конструктивно обшивка несущих поверхностей выполняется однослойной - в виде гладкого (не подкрепленного стрингерами) листа или с достаточно частым продольным подкреплением. Она может быть и многослойной.
Конструкция фюзеляжа типа монокок (франц. monocoque - от греч. monos - один, единый и франц. coque - скорлупа), или балочно-обшивочная (скорлупно-балочная), в силовом отношении аналогична моноблочному крылу. Обшивка обычно гладкая, и стрингеры устанавливаются только для соединения отдельных листов обшивки фюзеляжа.
Имея достаточно большую собственную жесткость, обшивки в моноблочном крыле и фюзеляже типа монокок практически не требуют поперечного подкрепления, поэтому в таких конструкциях нервюры и шпангоуты устанавливаются только в местах приложения сосредоточенных нагрузок.
Вфюзеляжах типа полумонокок восприятие внешних силовых факторов обеспечивается совместной работой продольных элементов и обшивки.
Встрингерно-балочном фюзеляже (стрингерный полумонокок) изгибающий момент воспринимается растяжением-сжатием сводов несущей обшивки, подкрепленной стрингерами.
Влонжеронно-балочном фюзеляже (лонжеронный полумонокок) обшивка, подкрепленная стрингерами, работает только на сдвиг, воспринимая крутящий момент и перерезывающую силу. Изгибающий момент воспринимают продольные балки. Работу такой конструкции под нагрузкой мы рассмотрели ранее (см. раздел 11.1, рис. 11.5).
Работа под нагрузкойкессонного крыла аналогична работе стрингерно-балочного фюзеляжа и моноблочного крыла. От моноблочного кессонное крыло отличается наличием лонжеронов, на которые опираются своды подкрепленной стрингерами несущей обшивки, играющей основную роль в восприятии изгибающего момента. В несущих поверхностях кессонного типа лонжероны, работая на изгиб, воспринимают 20-40% действующего изгибающего момента, остальное воспринимает обшивка.
В несущих поверхностяхлонжеронной (лонжеронно-балочной) конструктивно-силовой схемы весь действующий на конструкцию изгибающий момент воспринимается лонжеронами. Подкрепленная стрингерами обшивка вместе со стенками лонжеронов образует замкнутый контур, работающий на сдвиг и кручение.
В зависимости от количества и расположения продольных элементов в конструкции несущих поверхностей приняты определения КСС: однолонжеронное крыло с задней стенкой (работу такой конструкции мы рассмотрели в разделе 11.1, рис. 11.1, 11.2); двухлонжеронное крыло с передней стенкой; трехлонжеронный кессон; многостеночное моноблочное крыло и т. д.
Здесь еще раз отметим, что, как и всякая классификация, классификация КСС является весьма условной. Так, моноблочное и кессонное крыло достаточно близки по схеме восприятия и передачи нагрузок, здесь все зависит от распределения материала между обшивкой и продольными элементами, их конструктивного оформления и условий закрепления на опоре (фюзеляже).
   Условия стыковки крыла с фюзеляжем, собственно, и определяют КСС крыла. Жесткая обшивка и подкрепляющие ее стрингеры способны воспринимать сжимающие и растягивающие нагрузки и в любой конструкции крыла вдали от заделки участвуют (в меру своей несущей способности) в работе крыла на изгиб.

Рис. 11.10. Стыковка лонжеронного крыла с фюзеляжем

При креплении крыла только по лонжеронам (моментными узлами) и стенкам (шарнирными узлами) на силовые шпангоуты 1 фюзеляжа (рис. 11.10) обшивка и стрингеры прерываются у борта фюзеляжа на усиленной бортовой нервюре 2 и, не имея опоры в межлонжеронном пространстве, практически "выключаются" из работы крыла на изгиб в зоне А, т. е. потоки усилий с обшивки и стрингеров перераспределяются на пояса лонжеронов 3 на расстоянии по размаху, примерно равном межлонжеронному расстоянию.

Сравните схему работы зоны А со схемой, изображенной на рис. 10.8.

Кессонные и моноблочные крылья обязательно имеют центроплан 1 (рис. 11.11) - расположенную внутри фюзеляжа пустотелую балку (кессон), соединяющую в единую конструкцию левую 2 и правую 3 консоли крыла. На центроплане, силовой набор которого аналогичен силовому набору консолей, силами N, сжимающими верхнюю и растягивающими нижнюю панель центроплана, взаимно уравновешиваются изгибающие моменты, действующие на консоли крыла: М_изг = NH. На силовые шпангоуты фюзеляжа с крыла через шарнирные узлы крепления передаются только перерезывающая сила Q в виде сил Р₁ и Р₂ и крутящий момент М_кр в виде пары сил Р₃:

Q = Р₁ + Р₂; М_кр = Р₃В.

   Возможны различные конструктивно-технологические решения взаимной увязки (соединения) таких крыльев с фюзеляжем, например:

Рис. 11.11. Центроплан в конструкции кессонных и моноблочных крыльев и схема передачи сил и моментов с крыла на фюзеляж

- центроплан и консоли выполняются как единое целое и вставляются в нишу (проем, вырез) фюзеляжа для стыковки с силовыми шпангоутами;
- центроплан "врезан" в конструкцию фюзеляжа, а консоли стыкуются с центропланом в зоне бортовой нервюры разъемным или неразъемнымконтурным стыком, связывающим по контуру нервюры все силовые элементы консоли (обшивку, стрингер, пояса и стенки лонжеронов) с аналогичными силовыми элементами центроплана.
В любом случае центроплан "перерезает" основные силовые элементы фюзеляжа, нарушая регулярность его конструктивно-силовой схемы, что требует введения в нее дополнительных силовых элементов - продольных и поперечныхбимсов (англ. beams - множ. число от beam - балка, перекладина), силовых рам и шпангоутов, окантовывающих вырез в продольном и поперечном направлениях и увязанных с основной (регулярной) КСС фюзеляжа.
Ниши для уборки шасси, грузовые люки, иллюминаторы, люки для монтажа и обслуживания оборудования оказывают существенное, а в некоторых случаях определяющее влияние на КСС несущих и ненесущих частей самолета.
Форма в плане несущих поверхностей также во многом определяет их КСС.
На рис. 11.12 в качестве примера представлены некоторые КСС лонжеронных стреловидных и треугольных крыльев.

Рис. 11.12. КСС стреловидных и треугольных крыльев

Здесь:
а) стреловидное крыло двухлонжеронной схемы, лонжероны расположены по образующим (вдоль размаха) крыла на равных процентах хорд (например, передний - на 20%, задний - на 65%) и крепятся к силовым шпангоутам фюзеляжа моментными узлами. В корневой части такого крыла требуется установка мощных силовых бортовой 1 и корневой 2 нервюр, поскольку плоскости стенок лонжеронов не лежат в плоскостях стенок силовых шпангоутов фюзеляжа и это затрудняет передачу на борт фюзеляжа изгибающего момента с крыла;
б) однолонжеронное стреловидное крыло с подкосной балкой (внутренним подкосом) и задней стенкой 3. Лонжерон 1 крепится к силовому шпангоуту фюзеляжа шарнирным узлом и не передает на фюзеляж изгибающий момент. Внутренний подкос 2 - это фактически лонжерон, установленный в плоскости силового шпангоута, к которому он крепится моментным узлом, передавая изгибающий момент кратчайшим путем. В такой КСС можно обойтись без установки силовых нервюр в корневой части крыла, что позволяет организовать между лонжероном и подкосом большой вырез (нишу), например на нижней поверхности крыла, для уборки основной стойки шасси.
в) многолонжеронное треугольное крыло с лонжеронами, идущими по равным процентам хорд (сходящимися к концу крыла);
г) многолонжеронное крыло с переломом осей лонжеронов на силовой нервюре 1, что позволяет передать на борт фюзеляжа изгибающий момент кратчайшим путем.
Необходимость поворота несущих поверхностей (крылоизменяемой стреловидности, цельноповоротное оперение) привела к разработке разнообразных специфических КСС этих агрегатов.
Из всего многообразия возможных КСС и конструктивно-технологических решений в процессе проектирования должны быть выбраны те, которые наилучшим образом удовлетворяют всему комплексу требований, предъявляемых к конструкции ЛА.