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 _кр= m _кр/ m ₀= 0,08 ¸0,14, что составляет 30-50% массы конструкции планера самолета.
Относительная масса оперения в среднем _оп= m _оп/ m ₀= 0,015 ¸0,025.
Рассмотрим конструкцию несущих поверхностей на примере простейшей конструкции крыла (рис. 11.1).

"Тонкая" обшивка 1 подкреплена продольными элементами - стрингерами 6 и поперечными элементами - нервюрами 4.
Нервюры являются основными элементами, обеспечивающими форму крыла заданного профиля.

Рис. 11.1. Простейшая конструкция крыла (пример)

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 сосредоточенныесилы, 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 (на нормальные 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 служит моментный узел 8 на лонжероне 9 и шарнирный (безмоментный узел) 11 на стенке 12.
Усиленная бортовая 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:

Р ₁ + Р ₂ = Q; NH = М _изг;

Р ₃ В = М _кр.

Помня об условности понятий "внешняя нагрузка" и "опорная реакция", можно рассматривать силы Р ₁, Р ₂ и Р ₃ 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 _ф= m _ф/ m ₀= 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 представляют плоскую 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 шпангоутов 1 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 передаются сводами обшивки (рис. 11.5), в которой возникают касательные (сдвиговые) напряжения, "текущие" по контуру сечения обшивки и своими

Рис. 11.5. К пояснению силовой схемы фюзеляжа

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.

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 воспринимается замкнутым 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 листовых заготовок 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 методами точного 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 поясами 1 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.
Различные процессы 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.

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.
КСС агрегатов 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.
В ферменных 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.
В моноблочном 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.
В фюзеляжах типа полумонокок восприятие внешних силовых факторов обеспечивается совместной работой продольных элементов и обшивки.
В стрингерно-балочном фюзеляже (стрингерный полумонокок) изгибающий момент воспринимается растяжением-сжатием сводов несущей обшивки, подкрепленной стрингерами.
В лонжеронно-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 нагрузкой кессонного 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 поверхностях лонжеронной (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 Р ₁ и Р ₂ и крутящий момент М _кр в виде пары сил Р ₃:

Q = Р ₁ + Р ₂; М _кр = Р ₃ В.

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 неразъемным контурным 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 поперечных бимсов (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 (крыло изменяемой 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.