Глава 11 элементы конструкции планера самолета

Масса планера составляет основную часть массы конструкции самолета и, следовательно, существенным образом влияет на эффективность самолета.    Очевидно, что масса конструкции планера самолета зависит от его назначения и летно-технических характеристик.Так, например, на долю конструкции планера приходится:- 25-32% взлетной массы дозвуковых пассажирских магистральных самолетов;- 29-31% взлетной массы дозвуковых пассажирских самолетов местных авиалиний;- 32-34% взлетной массы спортивно-пилотажных самолетов;- 18-28% взлетной массы бомбардировщиков;- 28-32% взлетной массы истребителей.    При определенных геометрических параметрах и уровне внешних нагрузок масса планера определяется, в основном, уровнем конструкторской проработки.    Выбор рациональных конструктивно-силовых схем агрегатов, форм поперечных сечений элементов конструкции и материалов при максимальном использовании их физико-механических свойств в сочетании с эффективными технологическими процессами позволяет создать в процессе разработки и производства конструкцию,массакоторой не превосходитлимитную(франц.limite, от лат.limes- граница, предел), т. е. массу конструкции, определенную на начальных этапах проектирования в соответствии с уравнением весового баланса.

11.1. Примеры конструктивно-технологических решений

 Несущие части самолета (крыло, горизонтальное и вертикальное оперение) в конструктивно-силовом отношении представляют собой тонкостенную пространственную балку, способную воспринимать действующие на нее внешние нагрузки: местную воздушную нагрузку, распределенные и сосредоточенные массовые силы - и передавать их на опору (фюзеляж) посредством внутренних силовых факторов: перерезывающих сил, изгибающих и крутящих моментов. Отметим здесь, что в отличие от внутренней перерезывающей силы соответствующая ей внешняя сила называется поперечной.    Следовательно, в конструкции несущих частей самолета обязательно должны быть следующие силовые элементы:       - обшивка, подкрепленная набором продольных и поперечных элементов, воспринимающая местную воздушную нагрузку;       - балка с мощными поясами и тонкими стенками, подкрепленными стойками, передающая перерезывающую силу и изгибающий момент;       - тонкостенный замкнутый контур, передающий крутящий момент;       - узлы крепления, передающие эти усилия с крыла (горизонтального и вертикального оперения) на опору (фюзеляж).    Относительная масса крыла в среднем m_кр=m_кр/m₀=0,08 0,14, что составляет 30-50% массы конструкции планера самолета.    Относительная масса оперения в среднем m_оп=m_оп/m₀=0,015 0,025.    Рассмотрим конструкцию несущих поверхностей на примере простейшей конструкции крыла (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Простейшая конструкция крыла (пример)

"Тонкая" обшивка 1 подкреплена продольными элементами - стрингерами 6 и поперечными элементами - нервюрами 4.
Нервюры являются основными элементами, обеспечивающими форму крыла заданного профиля.
Усиленные (силовые) нервюры установлены в местах узлов навески элерона и закрылка. Усиленные нервюры располагаются также в местах установки на крыле стоек шасси, пилонов двигателей и т. д. Назначение силовых нервюр - передать (распределить) на тонкостенные элементы крыла (и прежде всего на обшивку и продольные стенки) большие сосредоточенные силы, прикладываемые к нервюрам в узлах навески закрылков, элеронов и других агрегатов.
Усиленные нервюры, как и обычные (нормальные) нервюры, работают на изгиб в своей плоскости. Конструктивно они могут быть выполнены как балки (с поясами, работающими на растяжение-сжатие (нанормальные напряжения), и стенкой, работающей на сдвиг) или как фермы.
Лонжерон 9 воспринимает поперечную силу стенкой 3, работающей на сдвиг (от внутренней перерезывающей силы), и изгибающий момент поясами (полками) 2, работающими на растяжение-сжатие.
Замкнутый контур, воспринимающий кручение, образован обшивкой на носке крыла 5 и стенкой лонжерона 3 (первый контур), стенкой лонжерона 3, верхней обшивкой 13, специальной задней стенкой 12 и нижней обшивкой 10 (второй контур).
Стенка 12, не имеющая мощных поясов, работает на сдвиг и способна передавать часть перерезывающей силы, действующей на крыло.
Для передачи нагрузок с крыла на фюзеляж служитмоментный узел 8 на лонжероне 9 и шарнирный (безмоментный узел) 11 на стенке 12.
Усиленнаябортовая нервюра 7 "снимает" крутящий момент с замкнутого тонкостенного контура и через узлы 8 и 11 передает на фюзеляж.

Рис. 11.2. Схема передачи сил и моментов с крыла на фюзеляж

Таким образом, внутренние силовые факторы, действующие в крыле, - перерезывающая сила Q, изгибающий момент М_изг и крутящий момент М_кр передаются на опору (фюзеляж) через стыковые узлы (моментные и безмоментные). Схема передачи сил и моментов в стыковых узлах представлена на рис. 11.2:

Р₁ + Р₂ = Q; NH = М_изг;

Р₃В = М_кр.

Помня об условности понятий "внешняя нагрузка" и "опорная реакция", можно рассматривать силы Р₁, Р₂ и Р₃ как нагружающие крыло (см. рис. 11.1) сосредоточенные силы, которые с помощью усиленной бортовой нервюры 7, лонжерона 9, стенки 12 и далее с помощью стрингеров и нормальных нервюр "распределяются" по обшивке и уравновешиваются распределенной аэродинамической и массовой нагрузкой.    Конструкция других несущих поверхностей строится по тем же принципам, что и конструкция крыла.    Ненесущие части самолета (фюзеляж, мотогондолы) в конструктивно-силовом отношении аналогичны крылу.    Это тонкостенные пространственные оболочки, нагруженные "внешней" местной нагрузкой на обшивку (аэродинамические нагрузки, избыточное давление в гермокабине, массовые нагрузки от конструкции), которые воспринимают и передают (уравновешивают) внешнюю нагрузку перерезывающими силами, изгибающими и крутящими моментами.

Рис. 11.3. Простейшая конструкция фюзеляжа (пример)

Следовательно, конструкция фюзеляжа формируется из силовых элементов, аналогичных силовым элементам крыла.
Относительная масса фюзеляжа в среднем m_ф=m_ф/m₀=0,08 0,12, что составляет 30-40% массы конструкции планера самолета.
Пример простейшей конструкции фюзеляжа приведен на рис. 11.3.
Стрингеры 2 подкрепляют обшивку фюзеляжа в продольном, а обычные (нормальные) шпангоуты 4 - в поперечном направлении, обеспечивая необходимую форму его обводов.
Усиленные (силовые) шпангоуты устанавливаются в конструкции фюзеляжа в местах стыковки с фюзеляжем крыла (шпангоуты 1 и 3), горизонтального оперения, вертикального оперения, а также в других местах, где к конструкции фюзеляжа прикладываются большие сосредоточенные силы (от оборудования, контейнеров с грузами, шасси, двигателей и т. д.).
На силовых шпангоутах имеются узлы, к которым прикладываются сосредоточенные силы.
Усиленные шпангоуты, как и обычные (нормальные) шпангоуты, в силовом отношении представляютплоскую раму, работающую в своей плоскости на изгиб, сдвиг, растяжение и сжатие.

Рис. 11.4. Шпангоуты в хвостовой части фюзеляжа

Конфигурация и размеры поясов и стенок (рис. 11.4) выбираются в соответствии с действующими нагрузками для обеспечения необходимой прочности и жесткости. Так, размеры поясов и стенок нормальных кольцевых шпангоутов1 и 4 будут меньше, чем соответствующие размеры силового кольцевого шпангоута 3, к которому крепится лонжерон киля. При прочих равных условиях жесткость глухого шпангоута 2 (шпангоута со сплошной стенкой) будет, естественно, больше, чем жесткость кольцевого шпангоута. Однако по условиям компоновки установка глухих шпангоутов во многих случаях невозможна.
Поперечные нагрузки на фюзеляж передаютсясводами обшивки (рис. 11.5), в которой возникают касательные (сдвиговые) напряжения, "текущие" по контуру сечения обшивки и своими проекциями на соответствующие направления формирующие перерезывающие силы в поперечных сечениях фюзеляжа. Так, в верхнем и нижнем сводах обшивки возникают перерезывающие силы от внешних нагрузок на фюзеляж, действующих в горизонтальной плоскости, например от сил на вертикальном оперении самолета. В боковых сводах обшивки возникают перерезывающие силы от внешних нагрузок, действующих на фюзеляж в вертикальной плоскости, например от сил на горизонтальном оперении самолета.

Рис. 11.5. К пояснению силовой схемы фюзеляжа

Мощные продольные элементы (лонжероны, балки) фюзеляжа совместно со сводами обшивки образуют балку, способную воспринимать изгибающий момент. Мощные продольные элементы, являясь в этом случае поясами, работают на растяжение-сжатие. Своды обшивки, выполняющие в этом случае роль стенки балки, работают на сдвиг.
Крутящий момент воспринимаетсязамкнутым контуром обшивки фюзеляжа.
Конструкция мотогондол, гондол для уборки шасси на крыле и других ненесущих частей самолета аналогична конструкции фюзеляжа.
Промышленность предоставляет конструкторам широкий спектр полуфабрикатов и технологических процессов, позволяющих создавать тонкостенные конструкции.
Из плоских листовыхзаготовок методами гибки, прокатки, штамповки, обтяжки без нагрева (холодная обработка) или с нагревом (горячая обработка) ведется формообразование обшивок, стрингеров (гнутые стрингеры), стенок лонжеронов, стенок усиленных нервюр и шпангоутов или целиком нормальных нервюр и шпангоутов.
Прессованные профили различного поперечного сечения используются для изготовления стрингеров, полок (поясов) лонжеронов, нервюр и шпангоутов.

Рис. 11.6. Монолитная нервюра

 Механическая обработка (резка, фрезерование и т. д.), химическая обработка (например, размерное травление или химическое фрезерование, т. е. снятие с заготовки части металла за счет химической реакции), электрохимическая, ультразвуковая и плазменная резка позволяют в процессе производства получать заданные в чертежах конструкции сложной формы с рациональным распределением материала.
Различными методамиточного литья и горячей штамповки получают не только отдельные простые монолитные элементы конструкции типа узлов навески рулей, стыковых узлов, но и крупногабаритные сложнофасонные объемные элементы типа каркасов остекления кабины экипажа, силовых нервюр.
Монолитная (цельноштампованная) центральная часть (находящаяся между лонжероном и задней стенкой) силовой нервюры (рис. 11.6) наряду с мощными поясами1 имеет тонкую стенку 2 с окантованными отверстиями облегчения 3 и высокие тонкие ребра жесткости (стойки) 4 и требует после штамповки минимальной механической обработки только по поверхностям стыковки с обшивкой, стенкой лонжерона и задней стенкой.

Рис. 11.7. Прессованная панель

Монолитные прессованные панели (рис. 11.7) с продольными подкрепляющими элементами (стрингерами) различной конфигурации при прочих равных условиях имеют большую жесткость, чем сборные панели, и позволяют резко уменьшить количество соединяемых деталей.
Различныепроцессы формообразования в сочетании с термической, термохимической, термомеханической обработкой и образованием на поверхности элементов конструкции защитных покрытий позволяют получить необходимые физико-механические свойства материала конструкции и защитить ее от неблагоприятных воздействий внешней среды.
Процессы деформирования поверхностных слоев материала элементов конструкции (например, с помощью дробеструйной обработки - бомбардировки поверхности детали потоком дробинок, летящих с большой скоростью) за счет воздействия на распределение дислокаций в материале обеспечивают повышение усталостной прочности отдельных элементов конструкции, например монолитных панелей крыла.
Для соединения отдельных элементов конструкции при сборке применяются заклепки, болтовые соединения (механический крепеж), сварка, пайка, склейка или их комбинации.
Клеесварные или клееклепаные швы значительно упрощают герметизацию конструкции.

Рис. 11.8. Панель с сотовым заполнителем

С помощью сварки, пайки, склейки получают также многослойные, чаще - трехслойные панели ("сандвичи", англ. sandwich - бутерброд), в которых (рис. 11.8) два разнесенных слоя силовой обшивки связаны легким заполнителем. Заполнителем служат пористые пенопласты или, чаще, - соты, выполненные из металлической или неметаллической фольги толщиной 30-100 мкм. Сотовые заполнители имеют, как правило, шестигранные соты с размером ячейки 3-6 мм.
Соты резко увеличивают несущую способность тонких обшивок при сжатии, предотвращая местную и общую потерю устойчивости , что позволяет сократить число продольных и поперечных подкрепляющих элементов.
Таким образом, выбор тех или иных конструктивно-технологических решений, с одной стороны, зависит от конструктивно-силовой схемы агрегата, определяющей, в основном, его прочность и жесткость, а с другой - оказывает существенное влияние на выбор конструктивно-силовой схемы.