Структурные ограничения
Окна пассажирских кабин чаще всего круглые или эллиптические, так как вырезы для них в обшивке дают наименьшую концентрацию напряжений. Шаг окон определяется расстоянием между шпангоутами фюзеляжа. Остекление обычно двойное или тройное, наружные и внутренние стекла рассчитываются на полное избыточное давление.
Вырезы в обшивке фюзеляжа под окна компенсируются окантовками – рамами. Герметизация стекол по контуру обеспечивается различными уплотнителями. Пример остекления кабины показан на рис. 7, б.
Для уменьшения шума в кабинах применяется звукоизоляция, являющаяся одновременно теплоизоляцией. Она состоит из нескольких слоев звукоизолирующего материала с воздушным промежутком между ними и наружной декоративной отделки кабины.
Тема 2. Крыло (2 часа) jar Ref. No. 021 01 03 00 Крылья
Крыло является важнейшей частью самолета, предназначенной для создания аэродинамической подъемной силы. Кроме того, крыло играет важную роль в обеспечении поперечной устойчивости и, с помощью расположенных на нем элеронов, поперечной управляемости. Внутренние объемы крыла используются для размещения топлива, различного оборудования с коммуникациями. В носке крыла часто устанавливают противообледенительную систему. К крылу крепятся средства механизации и нередко главные ноги шасси, гондолы двигателей.
Нагрузки
На крыло в полете, при взлете и посадке самолета действуют следующие нагрузки:
распределенные по поверхности аэродинамические нагрузки от аэродинамических сил;
распределенные по поверхности массовые нагрузки от массы конструкции крыла;
сосредоточенные нагрузки от массы агрегатов и грузов, размещенных в крыле и подвешенных под крылом;
сосредоточенные нагрузки от немассовых сил (тяги двигателей, нагрузки от шасси при посадке самолета и пр.), приложенные в узлах крепления агрегатов.
На неустановившихся режимах полета при выполнении маневра, во время взлета и посадки самолета на крыло будут действовать дополнительно еще и инерционные массовые силы.
Структурные элементы и материалы
Сочетание силовых элементов, обеспечивающих прочность и жесткость конструкции под действующими на нее нагрузками, называются силовой схемой конструкции. Крыло самолета состоит из каркаса и обшивки. В состав каркаса входят элементы продольного набора – лонжероны, стрингеры и элементы поперечного набора – нервюры (рис. 8).
Рис. 8. Конструктивная схема крыла 1 – обшивка; 2 – лонжерон; 3 – стрингер; 5 – соединение.
Лонжерон (французкое longeron, от longer – идти вдоль) – это продольная балка, воспринимающая полностью или значительную часть изгибающего момента крыла и поперечной силы. Но весу лонжероны составляют 25-50% веса крыла или 4-5% взлетного веса самолета, т.е. примерно равны весу шасси и в 2-3 раза больше веса оперения.
Силовые элементы лонжеронов изготавливаются из высокопрочных алюминиевых сплавов, сталей, титановых сплавов, композиционных материалов. Соединение всех элементов лонжерона производится сваркой или чаще - клепкой.
Конструктивные схемы лонжеронов подразделяются на (рис. 9):
балочные;
ферменные;
смешанные.
В конструкции крыльев современных самолетов обычно применяются лонжероны балочного типа, реже – ферменного и ферменно-балочного типа.
Рис. 9. Конструктивные схемы лонжеронов: а – балочный; б – смешанный (ферменно-балочный из труб); в – ферменный (раскосно-стоечный из профилей)
1 – верхний пояс; 2 – нижний пояс; 3 – стенка; 4 – стойка; 5 - подкос; 6 – ребро жесткости; 7 – раскос; 8 – стыковочные узлы.
Стрингеры являются простейшими конструктивными элементами продольного набора крыла. Вес набора стрингеров составляет 5-20% веса крыла. Стрингеры используются для подкрепления обшивки. Они крепятся к обшивке и к нервюрам и предназначены для восприятия осевых усилий растяжения и сжатия при изгибе крыла. Стрингеры также воспринимают и местную воздушную нагрузку, которая передается обшивкой на стрингеры через заклепочные соединения и вызывают появление поперечной силы, которая уравновешивается реакциями на связях стрингера с нервюрой. При этом сами стрингеры работают на поперечный изгиб. Основными нагрузками, определяющими прочность стрингера, являются продольные усилия.
Рис. 10. Типовые сечения стрингеров
а - пресованные; б - гнутые профили; в – формы стрингера для придания жесткости задней кромки крыла
Конструктивно выполняются в виде гнутых или прессованных профилей различного сечения. В современных крыльях в качестве стрингеров применяются профили самых разнообразных сечений (рис. 10). рациональный профиль и размеры стрингера определяются, прежде всего, особенностью требований, предъявляемых к конструкции крыла, и степенью участия обшивки и лонжеронов в восприятии нагрузок крыла.
Нервюры являются элементами поперечного набора каркаса крыла и предназначены для восприятия аэродинамической нагрузки с обшивки и стрингеров, передачи её на лонжероны и придания заданной формы профиля сечения крыла. Нервюры связывают в одно целое элементы продольного набора и обшивку.
По конструкции и выполняемым функциям нервюры разделяются на:
нормальные;
усиленные;
Нормальные нервюры служат для сохранения формы профиля крыла, а также для восприятия и передачи местной воздушной нагрузка на обшивку и продольные элементы т.е. работают только от аэродинамических сил.
Усиленные нервюры воспринимают, кроме аэродинамических нагрузок, еще сосредоточенные силы от агрегатов. Их устанавливают в местах крепления стоек шасси, узлов навески рулей, щитков, закрылков, а также в разъемах, у вырезах, у мест перелома осей продольного набора крыла Аэродинамические нагрузки при расчете усиленных нервюр учитываются не всегда.
По конструкционной схеме нервюры различают (рис. 11):
балочные (с одной или двумя стенками);
рамные;
ферменные;
ферменно-балочные.
Рис. 11. Конструктивные схемы нервюр
а – балочная; б – рамная; в – ферменная; г – ферменно-балочная
Всякая нервюра состоит из следующих элементов: верхнего и нижнего поясов, одной или двух стенок (ферменная нервюра вместо стенок имеет решетку, состоящую из стоек и раскосов). Рамные нервюры выполняются из двух половин по хорде, не связанных друг с другом.
Обшивка крыла предназначена для создания и сохранения внешней формы крыла. Обшивка воспринимает:
местную воздушную нагрузку и передает ее на элементы продольного и поперечного набора крыла;
крутящий момент МКР, образуя замкнутый контур совместно со стенками лонжеронов, работая на сдвиг;
часть изгибающего момента в системе балки крыла, работая со стрингерами на растяжение.
Поверхность обшивки должна быть очень гладкой, допустимая шероховатость не более 5 мкм. С этой целью на обшивку наносится лакокрасочное покрытие с последующей полировкой.
Обшивка, при необходимости, должна обеспечивать герметичность конструкции. Перетекание воздуха через щели в стыках обшивки увеличивает сопротивление крыла и ухудшает его аэродинамические качества.
В современном самолетостроении преимущественное распространение получила жесткая металлическая обшивка, как наиболее полно удовлетворяющая требованиям аэродинамики, прочности, жесткости и массы. Обшивка чаще всего выполняется из листов алюминиевых сплавов и имеет толщину от 0,5 мм в слабо нагруженных местах (у конца крыла) до 10 мм в сильно нагруженных местах (в корневой части крыла). В последнее время все шире начинают использоваться обшивки из композиционных материалов (КМ) - стекло-, угле-, боропластики.
У самолетов с небольшими скоростями полета (Ан-2, Як-18Т) участки крыла имеют полотняную (неработающую) обшивку из хлопчатобумажных или синтетических тканей, которая в силовую схему крыла не включается.