Системы и компоновка летательного аппарата

При проектировании ЛА прежде всего вырабатывается его концепция (от лат. conceptio – понимание, система представлений) – ведущий замысел, основной конструктивный принцип, который закладывается в проект и позволяет надеяться на возможность выполнения ТЗ, поставленного заказчиком, в соответствии с заданными критериями эффективности.
На этой стадии проектирования основное внимание уделяется формированию облика ЛА. Выбирается схема, оцениваются возможные летно-технические характеристики ЛА как транспортной (несущей) системы, намечаются состав и функциональные возможности систем (оборудования) ЛА, обеспечивающих специфику выполняемой ЛА задачи, оговоренной ТЗ на проект, определяется в первом приближении взлетная масса самолета, которая (см. главу 9) может служить (при прочих равных условиях) критерием эффективности при выборе проектного решения.
Создание ЛА – это сложный, многоступенчатый процесс. В результате нескольких итераций (от лат. iteratio – повторение) – циклических проработок проекта с возрастающей детализацией и точностью – с системных позиций согласованно решаются все вопросы и создается техническая документация, регламентирующая все этапы жизненного цикла ЛА.
В основе проектирования с системных позиций лежит предположение о возможности расчленения системы на составляющие ее относительно самостоятельные подсистемы (системы нижнего уровня).
В качестве таких систем при проектировании самолета обычно выделяют системы, приведенные на схеме (рис. 1.4), которая иллюстрирует также функциональную связь систем самолета с требованиями ТЗ и характерными массами самолета. На схеме используются следующие обозначения: m_о– взлетная масса самолета; m_к– масса конструкции самолета; m_п.н– масса полезной (коммерческой) нагрузки; m_с.н– масса снаряжения и оборудования, которое обеспечивает определенные условия комфорта полезной нагрузки на борту; m_о.у– масса оборудования управления, которое обеспечивает эксплуатацию самолета в заданных условиях; m_с.у– масса силовой установки, обеспечивающей необходимую скорость полета для доставки полезной нагрузки за время Т на расстояние L; m_т– масса топлива на борту.

На этом же рисунке показан в одинаковом масштабе внешний вид двух пассажирских самолетов, иллюстрирующий изменение облика и размеров самолетов за последние годы.
Планер самолета (крыло с рулевыми поверхностями (элеронами), корпус самолета – фюзеляж (франц. fuselage, от fusele – веретенообразный, fuseau – веретено), горизонтальное оперение с рулями высоты, вертикальное оперение с рулями направления), система управления самолетом и взлетно-посадочные устройства (шасси; взлетно-посадочная механизация крыла – закрылки и предкрылки) определяют в основном облик и компоновку самолета.
Планер самолета, система управления, взлетно-посадочные устройства и силовая установка (двигатель и топливная система) образуют собственно самолет, т. е. транспортную (несущую) систему.

1.4. Функциональная связь систем и характерных масс самолета с требованиями ТЗ.

Остальные системы определяют специфику (тип) самолета, т. е. обеспечивают выполнение самолетом основной задачи, сформулированной ТЗ на проектирование.
Пассажирское бортовое или специальное оборудование и системы кондиционирования и индивидуального жизнеобеспечения создают необходимые условия комфорта и обслуживания полезной нагрузки.
Системы спасения и десантирования и системы защиты (противопожарная, антиобледенительная) обеспечивают выживаемость полезной нагрузки и самолета в целом в аварийной ситуации.
Пилотажно-навигационное и радиотехническое оборудование обеспечивает навигацию и пилотирование самолета в заданных условиях эксплуатации.
Энергетическое оборудование (электрические, гидравлические и газовые системы) обеспечивает функционирование основных систем самолета.
На рис. 1.5 в качестве примера показаны общий вид и укрупненная компоновочная схема самолета Ил-114 (ОКБ им. С.В. Ильюшина). В самолете, как и в любой другой системе, нет резких функциональных границ между подсистемами (системами нижнего уровня). Взаимосвязи между подсистемами достаточно сложны, поэтому границы между ними размыты. Одна из основных задач при проектировании – максимально точно и

1.5. Общий вид и укрупненная компоновочная схема самолета Ил-114.

объективно определить роль каждой системы и описать взаимосвязи этой системы с другими системами в процессе функционирования. Проследим только некоторые группы связей между системами самолета.
1. Сила тяги двигателя, входящего в состав силовой установки, передается на конструкцию планера самолета. Двигатель получает воздух от воздухозаборников по воздуховодным каналам, а топливо – из баков-отсеков. Воздухозаборники, воздуховодные каналы и баки-отсеки органически входят в силовую конструкцию планера самолета.
2. С вала двигателя снимается мощность для привода генераторов электроэнергии. От компрессора двигателя отбирается горячий воздух для подачи его в кабину и приборные отсеки (система кондиционирования) и для борьбы с обледенением конструкции (система защиты).
3. Электротехническое оборудование вырабатывает электроэнергию для работы практически всех систем самолета (например, радиостанций, освещения пассажирских салонов, привода подкачивающих насосов в топливных баках, электромеханизмов в системе управления).
4. Пилотажно-навигационное оборудование выдает информацию практически для всех систем самолета (например, для системы управления работой силовой установки и управления рулевыми поверхностями при автоматическом пилотировании самолета).

1.6. Укрупненная компоновочная схема орбитального космического комплекса "Мир".

На рис. 1.6 в качестве примера показана укрупненная компоновочная схема постоянно действующего орбитального космического комплекса на базе орбитальной станции «Мир» (базовый модуль) 3, дооснащенной состыковавшимися с ним на орбите технологическими и исследовательскими модулями «Кристалл» 7, «Природа» 5, «Квант» 2, «Квант 2» 4, «Спектр», который на рисунке не виден (его загораживают панели солнечных батарей 6 базового модуля «Мир»).
Связь орбитального комплекса «Мир» с Землей осуществляется с помощью одноразовых транспортных кораблей «Союз ТМ» 1 для доставки на орбиту и возвращения на Землю экипажей и грузов и «Прогресс» для доставки грузов, а также американского многоразового орбитального корабля (многоразового космического самолета) «Спейс Шаттл» («SpaceShuttle») 9, стыкующегося с комплексом через универсальный стыковочный узел 8.
Даже первое знакомство с этими типичными для современного уровня развития авиационной и ракетно-космической техники летательными аппаратами дает представление о сложности проблем, которые приходится решать специалистам, работающим в ОКБ, НИИ и авиакосмической промышленности.

Глава 2

ИНЖЕНЕРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Целью проектирования авиационного (или любого другого технического) комплекса является разработка и создание новых, ранее не существовавших объектов, взаимодействие которых в процессе их эксплуатации приведет к желаемому результату.
В самом общем виде системное проектирование предполагает, что объект проектирования (авиационный комплекс или любой его компонент), его модель (представление проектировщика об этом объекте), собственно процесс проектирования и результат этого процесса (техническая документация, обеспечивающая организацию и осуществление всех этапов жизненного цикла ЛА) формируются как системы, т. е. обладают системными свойствами.
Организация процесса проектирования предполагает создание совокупности методологических средств и мероприятий для подготовки и обоснования решений по определенной сложной проблеме, которые оформляются в виде программы разработки. Совокупность этих средств и мероприятий, разграничение их между собой определяются, с одной стороны, объективно существующей их относительной самостоятельностью, а с другой стороны – исследовательскими возможностями исполнителей программы разработки – проектировщиков, их целями, позициями, представлениями об объекте проектирования.
Усложнение задач, которые должны решаться с помощью современных ЛА, расширяет номенклатуру и повышает уровень требований ТЗ, предъявляемых к ЛА, приводит к необходимости применения в проектировании, конструировании, производстве и эксплуатации ЛА новейших достижений как непосредственно авиационных направлений науки и техники, так и смежных отраслей.
Зачастую выполнение поставленного ТЗ возможно только за счет решений, находящихся на уровне изобретений как в целом по ЛА, так и по отдельным его компонентам, системам.
Работа в этих условиях выдвигает ставшие уже традиционными высокие требования к общетеоретической и специальной инженерно-технической подготовке специалистов для конструкторских бюро и НИИ авиационно- космического профиля.
Мастерство специалиста приходит с опытом работы, а комплекс знаний, необходимый для начала этой творческой, созидательной работы, будущие инженеры получают в специальных высших инженерно-технических учебных заведениях.
Слово «инженер» произошло от французского ingenieur, а оно от латинского ingenium – ум, изобретательность. Слово ingenious впервые было применено к некоторым военным машинам во II веке. Человека, который мог создавать такие машины, стали называть ingeniator – изобретатель.
Уровень инженерной подготовки проектировщика определяет и его цели, позиции, представления об объекте проектирования, и его исследовательские возможности.