Часть 5. Конструкция крыла и фюзеляжа самолета

В этой лекции мы узнаем, как нужно проектировать крыло и фюзеляж самолета, какие конструктивные схемы используются.

Конструкция крыла

Крыло является одной из главных частей самолета. При своем поступательном движении в воздухе крыло создает подъемную силу, необходимую для полета самолета, а также обеспечивает его поперечную устойчивость и управляемость.

Знание величины и направления действующих сил позволяет провести расчет крыла на прочность (при проектировании или расчете норм летной годности). На крыло в полете действуют аэродинамические силы, инерционные силы, распределенные силы тяжести конструкции крыла, сосредоточенные силы тяжести грузов, агрегатов, прикрепленных к крылу (двигатели, баки с горючим, шасси, оборудование и т.д.).

http://pandia.org/text/77/496/23004230-2.php

 

 - распределенные аэродинамические силы крыла,  - распределенные силы тяжести конструкции крыла, ,  - сосредоточенные силы тяжести двигателя и агрегатов.

 

Сосредоточенные силы тяжести от двигателей и агрегатов определяются формулой

,

где  - масса агрегата,  - ускорение свободного падения,  - коэффициент разрушающей перегрузки, определяемый по нормам прочности.

Все эти нагрузки воспринимают силовой каркас крыла и обшивка. По конструктивно-силовой схеме крылья делятся на ферменные, лонжеронные, кессонные.

Конструкция крыла ферменного типа включает пространственную ферму, воспринимающую силовые факторы, нервюры и обшивку, передающую аэродинамическую нагрузку на нервюры. В настоящее время крыло ферменного типа практически не применяется.

http://avia-simply.ru/konstruktivno-silovie-shemi-samoleta-fuzeljag/

 

Лонжеронное крыло включает один или несколько продольных силовых элементов — лонжеронов, которые воспринимают изгибающий момент. Лонжероны передают нагрузку на шпангоуты фюзеляжа самолёта с помощью моментных узлов. Каркас крыла лонжеронного типа – это совокупность продольного и поперечного силовых наборов. Продольный набор состоит из лонжеронов и стрингеров. Поперечный набор составляют нервюры.

http://fly-history.ru/books/item/f00/s00/z0000004/st010.shtml

 

Лонжерон – балка или ферма, расположенная по всей длине крыла – предназначен для работы на изгиб (воспринимает часть изгибающего момента и перерезывающей силы).

Стрингеры – продольные элементы крыла, связанные с обшивкой и нервюрами. Служат для подкрепления обшивки, воспринимают осевые нагрузки (от растяжения и сжатия при изгибе крыла).

Нервюра – поперечный силовой элемент крыла, предназначенный для придания крылу формы и жесткости в поперечном сечении. Нервюры – опоры стрингеров, увеличивают их устойчивость. Нервюры воспринимают местные аэродинамические нагрузки.

Обшивка может быть мягкая (полотняная) или жесткая (листовой дюралюминий или титановый сплав).

Кессонным крылом называется двухлонжеронное крыло с жесткой обшивкой, в котором пояса лонжеронов воспринимают почти весь изгибающий момент, а на кручение работает замкнутый контур, образованный стенками лонжеронов и средней частью верхней и нижней обшивки. Если лонжероны вырождаются до стенок, а изгибающий момент полностью воспринимается панелями обшивки. В таком случае конструкцию называют моноблочной. Силовые панели включают обшивку и подкрепляющий набор в виде стрингеров или гофра. Подкрепляющий набор служит для обеспечения отсутствия потери устойчивости обшивки от сжатия и работает на растяжение-сжатие вместе с обшивкой. Кессонная конструкция крыла требует наличия центроплана, к которому крепятся консоли крыла. Консоли крыла стыкуются с центропланом при помощи контурного стыка, обеспечивающего передачу силовых факторов по всей ширине панели.

http://cnit.ssau.ru/virt_lab/krilo/il28/d6_2.htm

 

С точки зрения обшивки, конструкции крыльев разделяются на два класса – с неработающей и работающей обшивкой.

Неработающая обшивка использовалась только на крыльях ферменного типа. Иногда на них использовалась даже тканевая обшивка.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Обшивка_летательного_аппарата

Полотняная обшивка крыла

 

Лонжеронные, кессонные и моноблочные крылья используют работающую жесткую обшивку. Для моноблочного крыла обшивка вообще является основным конструктивно-силовым элементом. Крылья с работающей обшивкой можно разделить на крылья с листовой обшивкой, крылья со сложной обшивкой и крылья с монолитными панелями.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Junkers_Ju_52

Работающая обшивка крыла

 

Основное отличие в массе лонжеронных и кессонных крыльев определяется разницей массы силового набора крыла при одинаковой нагрузке.

В лонжеронном крыле к теоретической массе силовых поясов, определяемой нагрузкой, необходимо добавить массу обшивки и подкрепляющих ее стрингеров, которые хотя и не участвуют в работе на изгиб, но необходимы как конструктивные элементы для образования внешней поверхности крыла.

У кессонных крыльев такой конструктивной «неработающей» добавки не будет, т.к. силовая панель выполняет одновременно обе функции - и силовую, и конструктивную.

Практика проектирования показывает, что для скоростных, тяжелых самолетов выгоднее по массе кессонная схема, а для небольших и тихоходных самолетов - меньшую массу имеет лонжеронное крыло.

В лонжеронных крыльях достаточно просто, без заметного увеличения массы конструкции можно делать любые вырезы для размещения в них различных грузов, оборудования, вооружения, шасси. В кессонных крыльях даже небольшие вырезы существенно нарушают его силовую работу и требуют значительного увеличения массы конструкции за счет дополнительных местных усилений. Поэтому иногда по компоновочным и эксплуатационным соображениям конструктору приходится отказываться от более выгодной кессонной схемы и переходить на лонжеронную.

Живучесть кессонного крыла выше из-за распределения силового материала по большей поверхности. В таком крыле местные повреждения конструкции приводят к меньшей потере прочности, чем у лонжеронных крыльев, у которых повреждение одного пояса лонжерона может вывести из строя все крыло. Это свойство благоприятно влияет и на повышение ресурса самолета, делая его конструкцию менее чувствительной к усталостным повреждениям конструкции.

Толстые панели кессонных крыльев обеспечивают высокое качество поверхности, меньшие деформации и искажения заданного контура крыла под нагрузкой. Это дает меньшее сопротивление и более стабильные аэродинамические качества кессонных крыльев по сравнению с лонжеронными.

 

Конструкция фюзеляжа