Несущие поверхности самолета

К несущим поверхностям самолетов относят крыло и оперение. Основное назначение несущих поверхностей — создание полезных аэродинамических сил: подъемной силы на крыле, стабилизирующих и уравновешивающих сил на оперении.

Задача проектирования несущих поверхностей состоит в обеспечении необходимых аэродинамических сил на всех режимах полета, взлета и посадки самолета с минимизацией массы конструкции.

К конструкции крыла и оперения предъявляются разнообразные противоречивые требования: заданного ресурса, технологичности, безопасной повреждаемости, ремонтопригодности, герметичности и др.

Одновременно учесть все критерии качества и ограничения при проектировании авиационных конструкций практически невозможно. Поэтому проектирование несущих поверхностей представляет собой решение последовательности сложных оптимизационных задач.

Конструкции крыла и оперения являются наиболее нагруженными и характерными агрегатами планера самолета. Их главная особенность состоит в необходимости передачи больших поперечных сил на большие расстояния в условиях малых строительных высот. Они служат объектом пристального внимания многих авиационных дисциплин, постоянно совершенствуются и порождают новые технические решения и методы проектирования.

Первоначально проектирование авиационных конструкций базировалось в основном на интуиции и носило эвристический характер. В период от зарождения авиации и примерно до начала 30-х годов XX века господствующим был метод “проб и ошибок”. В этот период были созданы весьма совершенные в весовом отношении ферменные и балочноферменные конструкции и предложены многие удачные технические решения, которые надолго вошли в практику самолетостроения как типовые.

Главной заслугой этого периода было создание большого числа самолетов с разнообразными схемами, размерами и конструкциями, что позволило накопить огромный статистический материал и разработать метод проектирования по прототипам. Эти методы постоянно развиваются. Сложившийся за многие годы порядок проектирования авиационных конструкций, который можно назвать “традиционным”, показан на рис. 2.6.1.

Рис. 2.6.1. Традиционный порядок проектирования несущих поверхностей

Целый ряд обстоятельств привел к появлению новой проектной парадигмы, суть которой состоит в использовании технологии точного попадания (conqurrent design), основанной на высокоточном математическом моделировании. Эта технология берет свое начало из задач проектирования несущих поверхностей и наиболее актуальна для них, так как проектирование есть процесс создания нового и именно несущие поверхности отличаются огромным разнообразием и во многих случаях определяют концепцию самолета.

Для создания эффективных современных конструкций несущих поверхностей необходимо полное понимание путей передачи сил внутри них и функций отдельных элементов, а также использование научных методов анализа напряженно-деформированного состояния пространственных конструкций и их оптимизации.

В процессе эксплуатации самолета на земле и в воздухе на него действуют разнообразные нагрузки как по величине, так и по характеру приложения.

Нагрузки имеют вероятностный характер, поскольку на них оказывают существенное влияние такие факторы, как рельеф взлетнопосадочной полосы, состояние атмосферы и действия пилота. В результате обработки статистических данных летных испытаний, анализа летных происшествий и математического моделирования возможных ситуаций, в которые может попасть самолет, определяются характерные варианты нагружения, которые принято называть “расчетными случаями”.

Расчетные случаи описываются в специальных регламентирующих национальных и международных документах. Удовлетворение требованиям норм при проектировании авиационных конструкций является обязательным и проверяется при сертификации самолета. Требования норм направлены на обеспечение безопасной эксплуатации самолетов и находятся в процессе международной унификации.

Случаи нагружения, задаваемые для каждой части самолета нормами прочности, как правило, соответствуют предельным режимам полета или посадки и делятся на полетные и взлетно-посадочные. В каждом полетном случае задается нагружение крыла и в соответствии с ним выявляется нагружение других частей самолета: оперения, фюзеляжа, двигательной установки.

В посадочных случаях задаются нагрузки на шасси и в соответствии с ними выявляется нагружение других частей самолета: фюзеляжа, двигательной установки и крыла (в основном для конструкций, у которых стойки шасси крепятся к крылу).

На рис. 2.6.2 дана зависимость эксплуатационной перегрузки от скоростного напора n^э=ƒ(q) и поляра самолета, где отмечены маневренные случаи нагружения в обозначениях НЛГС. Распределение воздушной нагрузки по крылу задается нормами: по размаху — циркуляцией и по хорде — распределением давления или расчетами, которые могут уточняться по экспериментальным данным.

Рис. 2.6.2. Зависимость n^э=ƒ(q) и поляра самолета

Авиационные конструкции проектируются таким образом, чтобы были обеспечены их прочность, жесткость и ресурс, чтобы в процессе эксплуатации в них не возникали остаточные деформации и в то же время они должны иметь возможно меньшую массу. Для достижения этих целей в рассмотрение вводится расчетная нагрузка путем умножения эксплуатационной нагрузки на коэффициент безопасности ƒ На эту нагрузку должна быть обеспечена статическая прочность конструкции.

Коэффициент безопасности зависит от многих факторов: достоверности знания внешних нагрузок, стабильности технологии производства, сложности узла и т.п.; в настоящее время для кратковременных, редко встречающихся нагрузок и металлических конструкций обычно задают ƒ = 1,5.

Для новых самолетов, особенно с необычной формой крыла или всей аэродинамической схемой, рассматриваются все возможные потенциально опасные случаи нагружения путем математического моделирования и физического эксперимента. Например, для схемы “бесхвостка” с крылом оживальной формы, характерной для сверхзвуковых пассажирских самолетов, таким случаем нагружения является резкое отклонение элевонов вниз, что вызывает большую нагрузку в области задней кромки крыла, в которой строительные высоты малы.

Другим примером может служить экспериментальный самолет-амфибия вертикального взлета и посадки (рис. 2.6.3). Он имеет составное крыло и необычное двухбалочное оперение. Для него рассматривалось более 15 потенциально опасных случаев нагружения, и почти все они оказались определяющими для тех или иных элементов конструкции крыла.

Рис. 2.6.3. Экспериментальный самолет-амфибия вертикального взлета и посадки

Нормами прочности регламентируются также требования по обеспечению безопасности самолета в отношении явлений статической и динамической аэроупругости: дивергенции крыла, реверса рулей, флаттера. Для удовлетворения этим требованиям определяются: необходимая крутильная жесткость крыла и ее соотношение с изгибной жесткостью, взаимное расположение оси жесткости конструкции и линии центров масс сечений крыла и др.