Основы конструкции воздушных судов

Из всех видов летательных аппаратов во всем мире получили наибольшее распространение самолеты и вертолеты. Требования, предъявляемые к самоле­там и вертолетам гражданской авиации, определяются Нормами летной годности гражданских самолетов и вертолетов.

И самолеты, и вертолеты должны иметь заданные летные характеристики, такие, как скорость, дальность и продолжительность полета, максимальная вы­сота полета, хорошую устойчивость и управляемость при обеспечении безо­пасности полета. Как транспортное средство самолеты и вертолеты должны иметь хорошие экономические показатели, а как средство перевозки - обеспечивать пассажи­рам достаточный комфорт в полете.

Улучшение экономических показателей самолета или вертолета и повы­шение комфорта для пассажиров - требования противоречивые, так как улуч­шение одних характеристик влечет за собой ухудшение других. Аналогичных примеров можно привести множество. Например, увеличить дальность полета воздушного судна (ВС) можно только за счет увеличения на его борту запаса топлива, вследствие чего уменьшается полезная перевозимая нагрузка.

Поэтому воздушные суда проектируют для выполнения определенных за­дач. Большое влияние на летные характеристики ВС оказывает их так называе­мая компоновка, под которой понимается оптимальный выбор внешних форм и отдельных частей ВС и их взаимного расположения.

Несмотря на принципиальное отличие самолетов от вертолетов, в их кон­струкции можно выделить одни и те же основные элементы: фюзеляж, крыло (у вертолетов - несущий винт), шасси, силовая установка и оперение (только у самолетов),

Фюзеляж (корпус) самолета и вертолета служит для размеще­ния экипажа, пассажиров, груза и оборудования. Для уменьшения лобового сопротивления размеры фюзеляжа не должны быть большими, а форма фюзе­ляжа должна быть обтекаемой. Поверхность фюзеляжа делается гладкой. Фор­ма поперечного сечения может быть круглой, овальной или прямоугольной с закругленными углами. Так, например, самолет Ил-86 имеет круглый фюзеляж диаметром 6,08 м и длиной 59,54 м. Застекленная часть фюзеляжа, обеспечи­вающая обзор экипажу, называется фонарем. Входные двери самолетов чаще всего располагают на боковой поверхности фюзеляжа, а на некоторых типах самолетов - в его нижней части. Фюзеляж самолета часто бывает полностью герметичен, так как необходимо обеспечить жизнедеятельность экипажа и пас­сажиров на больших высотах.

К фюзеляжу самолетов крепятся крыло, оперение, шасси, иногда силовая установка. Фюзеляж самолета несет большую нагрузку, поэтому требования, предъявляемые к фюзеляжам самолетов, сводятся к прочности и жесткости конструкции при минимальной массе, минимальному аэродинамическому сопротивлению, возможности удобного размещения экипажа, пасса­жиров, груза и оборудования, а также удобству эксплуатации и ремонта.

Фюзеляж вертолета, как и фюзеляж самолета, предназначен для размеще­ния в нем экипажа, пассажиров, оборудования и груза. К фюзеляжу вертолета крепятся шасси, рамы двигателей и другие агрегаты. Требования, предъявляе­мые к фюзеляжам вертолетов, аналогичны требованиям, предъявляемым к фюзеляжам самолетов,

Крыло создает подъемную силу, необходимую для полета, обеспе­чивает поперечную устойчивость самолета и часто используется для размеще­ния силовой установки, топливных баков, шасси, оборудования и т.д. От того, насколько хорошо спроектировано крыло, зависят летные характеристики са­молета.

К крылу самолета предъявляется много различных требований. Основны­ми из них являются следующие: крыло должно обладать минимальным лобо­вым сопротивлением при полете с максимальной скоростью; конструкция кры­ла должна соответствовать требованиям существующих норм прочности и обеспечивать полную безопасность полета; крыло должно быть простым в из­готовлении, дешевым и удобным в эксплуатации.

Конструкцию крыла образуют каркас и обшивка. Каркас представляет со­бой систему балок, а обшивка выполняется из листов алюминиевого сплава. На крыло устанавливают рули крена (элероны) и элементы механизации крыла (щитки, закрылки, предкрылки и т.д.), которые служат для увеличения подъем­ной силы крыла на этапах взлета и посадки самолета.

Несущий винт. Несущий винт вертолета заменяет ему не только крыло, но и тянущий винт (тягу реактивного двигателя). В зависимости от наклона тяги несущего винта вертолет может двигаться вперед, назад, в стороны, подни­маться и снижаться под различными углами к горизонту, неподвижно висеть в воздухе, а также поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Несущий винт вертолета обладает еще одним важным свойством. В случае отказа двигателя в полете он может создавать подъемную силу, вращаясь под действием набегающего воздушного потока. Самовращение несущего винта (ав­торотация) позволяет вертолету совершать планирующий (или парашютный) спуск и посадку при неработающем двигателе.

Конструкцию несущего винта образуют лопасти и детали крепления винта к валу двигателя. Количество лопастей винта может быть различным (от двух до восьми).

Шасси предназначено для передвижения ВС по аэродрому. В зави­симости от состояния аэродромов шасси оборудуется колесами, лыжами, по­плавками или даже гусеницами. Шасси вертолета может быть выполнено в ви­де ферм или балок. У большинства современных самолетов после взлета шасси убирается в фюзеляж или крыло. На нескоростных самолетах и вертолетах шасси, как правило, не убирается, однако в последнее время в связи с возраста­нием скоростей полета вертолетов у них тоже стали устанавливать убирающиеся шасси. Воздушные суда с убирающимся шасси имеют меньшее лобовое со­противление, но тяжелее и сложнее по конструкции,

Силовая установка предназначена для создания необ­ходимой в полете тяги. У вертолетов силовая установка, помимо горизонталь­ной тяги, создает еще и подъемную силу.

К авиационной силовой установке предъявляется ряд требований, основ­ными из которых являются: обеспечение летных характеристик ВС, надеж­ность в работе, живучесть (способность функционировать при наличии повре­ждений), быстрый и надежный запуск, безопасность в пожарном отношении, простота в обслуживании и т.д.

Силовая установка самолета и вертолета включает в себя авиационный двигатель, а также ряд систем и устройств, обеспечивающих его работу и из­менение тяги,

Оперение обеспечивает самолету устойчивость, управляемость и балансировку. Обычно оперение размещается в хвостовой части фюзеляжа. Оно состоит из неподвижных и подвижных аэродинамических поверхностей. Неподвижные поверхности служат для создания равновесия (балансировки) и устойчивости. При отклонении подвижных поверхностей возникают аэродина­мические силы и моменты, влияющие на равновесие и управление полетом.

Продольная балансировка, устойчивость и управляемость достигаются го­ризонтальным оперением, а путевая балансировка, устойчивость и управляе­мость обеспечиваются вертикальным оперением. Передняя часть горизонталь­ного оперения, несущая руль высоты, называется стабилизатором, а вертикаль­ного оперения, несущего руль направления, - килем (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Общий вид оперения самолета:

1 – киль, 2 – руль направления, 3 – стабилизатор, 4 – руль высоты.

Сходство внешних форм оперения и крыла, а также сходство нагрузок на эти поверхности самолета приводят к тому, что назначение элементов оперения и крыла оказывается сходным. Поэтому конструкция оперения похоже на конструкцию крыла.

Все самолеты можно разделить на отдельные группы в зависимости от ря­да конструктивных признаков. Основными такими признаками являются: число и расположение крыльев, тип фюзеляжа, тип и расположение оперения, тип шасси, число, тип и расположение двигателей.

По числу крыльев самолеты подразделяют на бипланы и монопланы.

Биплан - это самолет с двумя крыльями, расположенными одно над другим (за это их иногда называют «этажеркой»). В гражданской авиации в настоящее время эксплуатируется только один тип такого самолета - это биплан Ан-2. Не­смотря на ряд преимуществ перед другими типами самолетов, биплан не полу­чил широкого распространения из-за большого лобового сопротивления.

Моноплан представляет собой самолет с одним крылом. Такая схема само­летов в настоящее время является основной. Схема моноплана позволяет уменьшить лобовое сопротивление самолета, установить двигатель на крыле, а само крыло использовать как топливный бак.

По расположению крыла относительно фюзеляжа монопланы подразделя­ются на низкопланы, высокопланы и среднепланы (рис.2.2), Каждая конструк­ция имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с другими схемами.

Рис. 2. Расположение крыла относительно фюзеляжа: а - низколлан, б - высокоплан, в - среднеплан.

Потипу фюзеляжа самолеты подразделяют на однофюзеляжные, двухбалочные и самолеты типа «летающее крыло».

Основная масса самолетов в гражданской авиации однофюзеляжные, Фюзеляжи, которые не несут хвостового оперения, называют гондолами. Опе­рение в этом случае поддерживается двумя балками, и самолеты такого типа называют двухбалочными. Самолет без фюзеляжа называют «летающим кры­лом». Фюзеляж в этом случае заменяет вмонтированная в крыло гондола или само крыло.

По типу и расположению оперения самолеты делят на три основные груп­пы: с нормальным хвостовым расположением оперения, с передним располо­жением оперения (самолет типа «утка») и бесхвостые самолеты типа «ле­тающее крыло».

Все схемы расположения оперения применялись на практике, однако наи­большее распространение в гражданской авиации получил первый тип оперения.

По типу шасси самолеты делят на три группы: сухопутные, гидросамоле­ты и амфибии,

Шасси сухопутных самолетов бывают колесными, лыжными или гусенич­ными (очень редко). Обычно шасси таких самолетов выполняют трехопорными.При этом две опоры размещают под крыльями, а одну - в носовой части фюзеляжа. Для уменьшения лобового сопротивления шасси делают убираю­щимися. Иногда в конструкции шасси предусматривается замена колес лыжами.

У гидросамолетов имеются специальные лодки или поплавки для посадки на воду. Гидросамолеты, оборудованные убирающимися колесными шасси, ко­торые могут совершать посадку как на воду, так и на сушу, называют амфибиями.

По числу двигателей самолеты разделяют на одно-, двух-, трех-, четырех-, шести- и восьмидвигательные, а по типу двигателей - на поршневые, турбо­винтовые и реактивные.

Выбор места установки двигателей на самолете зависит от их числа. Они могут быть размещены на различных частях самолета: на крыле, под крылом, в фюзеляже и на фюзеляже. Основная задача заключается в том, чтобы при размещении двигателей на самолете не нарушались аэродинамиче­ские формы крыла и фюзеляжа. На многих самолетах двигатели находятся на хвостовой части фюзеляжа. Такое расположение двигателей имеет ряд пре­имуществ перед другими схемами их крепления на самолете. В частности, при размещении двигателей сзади значительно снижается уровень шума в пасса­жирском салоне. Вместе с тем, при таком расположении двигателей приходит­ся усиливать хвостовую часть фюзеляжа, а следовательно, и утяжелять ее. Кроме того, удлиняются коммуникации управления двигателями из кабины самолета, что может привести к усложнению этой схемы исходя из требований безопасности полета.

В настоящее время во многих отраслях хозяйства вертолеты используют для решения различных задач. Вертолет может вертикально подниматься и опус­каться, висеть в воздухе, для него не требуется больших, специально подготов­ленных посадочных площадок. Вертолет способен, не производя посадки, под­нимать груз любых габаритов, подвешенный вне кабины, переносить его на зна­чительное расстояние и опускать на требуемое место без посторонней помощи.

Классифицировать вертолеты можно по самым различным признакам, од­нако эта классификация должна отображать прежде всего принципиальные конструктивные отличия одного типа вертолета от другого. Поскольку обяза­тельной частью конструкции вертолета любого типа является несущий винт, наиболее правильной считают классификацию вертолетов по способу компен­сации (гашения) реактивного момента несущего винта.

Реактивный момент несущего винта стремится повернуть фюзеляж верто­лета в сторону, противоположную вращению винта. У одновинтового вертоле­та этот момент компенсируется тягой хвостового (рулевого) винта, а реактив­ные моменты несущих винтов многовинтового вертолета уравновешиваются за счет вращения этих винтов в противоположные стороны и т.д.

По способу компенсации реактивного момента несущего винта различают шесть основных схем вертолетов: одновинтовая с хвостовым руле­вым винтом, двухвинтовая соосная, двухвинтовая продольная, двухвинтовая поперечная, многовинтовая, с реактивными двигателями (или соплами) на лопастях несущего винта.