МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
Кафедра аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов
КОНСТРУКЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
для студентов 1 курса специальности 061100 всех форм обучения
Рецензенты: д.т.н., проф. Ципенко В.Г., д.т.н., проф. Калугин В.Т. Ефимова М.Г.
Основы авиации. Часть 2. Конструкция и основные функциональные системы летательных аппаратов: Учебное пособие. – М.: МГТУГА, 2005. 52 с., 1 табл., 32 ил., лит.: 5 наим.
Данное учебное пособие издается в соответствии с учебным планом для студентов 1 курса специальности 061100 дневного и заочного обучения.
Рассмотрено и одобрено на заседаниях кафедры 15.03.05 и методического совета 29.03.05.
Учебное пособие «Конструкция и основные функциональные системы летательных аппаратов» является продолжением пособия по дисциплине «Основы авиации, часть 1» и предусмотрено учебным планом подготовки студентов 1 курса специальности 061100.
Настоящее учебное пособие, основываясь на знаниях, полученных студентами в первой части курса, дает представление о конструкции основных частей самолета, принципах функционирования некоторых его систем и общих подходах к проектированию ЛА.
Вторая часть курса «Основы авиации» направлена на формирование у студентов представления о том, что создание современной авиакосмической техники невозможно без прогресса в области конструирования. Опыт, накопленный во многих отраслях машиностроения, позволяет создавать конструкции минимальной массы, обладающие необходимыми прочностью и жесткостью. Применение новых материалов и технологических методов, более точных методик прочностных расчетов направлено на создание конструкций, обладающих высокой эффективностью и экономичностью при эксплуатации.
Летательный аппарат – это сложная техническая система с развитой иерархической структурой, состоящая из множества простых и сложных систем, подсистем, конструктивных элементов и агрегатов, объединенных множеством перекрестных связей. Ниже на рисунке приведена упрощенная структурная схема летательного аппарата. В настоящем пособии будут рассмотрены все составные части этой структурной схемы за исключением двигательной установки.
1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
1.1 Основные конструкционные материалы
Материалы, используемые при создании ЛА, должны отвечать определенным требованиям, среди которых:
высокие прочностные характеристики, сохраняющиеся в широком диапазоне температур и внешних воздействий;
хорошие технологические свойства (возможность применения различных видов обработки при производстве);
невысокая стоимость самого материала и его обработки.
Планер современного ЛА и элементы его системы управления в настоящее время выполняются в основном из алюминиевых сплавов. Для наиболее нагруженных участков применяются высокопрочные легированные стали, титановые сплавы и др. Кроме того, применяются и неметаллические материалы: стекло и углепластики, оргстекло, полимерные наполнители, а в последнее время, и композиционные материалы.
Выбор того или иного материала в каждом конкретном случае определяется конструктивными и технологическими и экономическими требованиями.
Внешние нагрузки и реакции опор
Нагрузки, действующие на ЛА. Нормы прочности и жесткости
Для обеспечения безопасности полетов конструкция ЛА должна быть достаточно прочной в эксплуатации в течение всего срока службы ЛА. При оценке прочности ЛА рассматриваются следующие эксплуатационные условия: маневренный полет и полет в неспокойном воздухе, а также движение по ВПП. Действие нагрузок на конструкцию проявляется по-разному в зависимости от их значения, характера приложения и количества повторений.
Большие, но редко возникающие, нагрузки могут вызвать остаточные деформации и разрушение конструкции. Небольшие, но часто повторяющиеся нагрузки, могут привести к усталостным повреждениям конструкции.
Требования к прочности ЛА, направленные на обеспечение безопасности полетов, содержатся в Нормах летной годности самолетов (НЛГС). Это свод основных обязательных требований к прочности, жесткости и долговечности конструкции. НЛГС устанавливают ситуации нагружения, опасные для конструкции самолета, и их предельные параметры. Для гражданских самолетов в СССР было разработано несколько редакций НЛГС, которые являлись государственным стандартом и соответствовали тре-
бованиям ИКАО (International Civil Aviation Organization). В настоящее вре-
мя Межгосударственный авиационный комитет (МАК), основной задачей которого является обеспечение безопасности полетов самолетов ГА, разработал обязательные к выполнению Авиационные правила (АП), которые с
одной стороны являются логическим развитием НЛГС, а с другой стороны, приведены в соответствие аналогичным правилам других стран мира.
К конструкции ЛА предъявляется требование выдерживать (без разрушений) нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации, а элементы конструкции не должны иметь при этом остаточных деформаций.
Нагрузка (или перегрузка), при которой ЛА (или его часть) разрушается, называется нагрузкой или разрушающей перегрузкой . Она должна быть больше максимально допустимой в эксплуатации нагрузки или перегрузки , называемой максимальной .
Коэффициент безопасности .
ЛА – способность воспринимать, не разрушаясь, внешние нагрузки. Расчет на прочность проводят по разрушающей перегрузке:
YnG fnG fY
Для расчета конструкции на прочность из всех нагрузок выбирают наибольшие. Предельные нагрузки (в направлении действия подъемной силы) и устанавливаются тактико-техническими требованиями, зависят от класса ЛА и регламентируются НЛГС.
ЛА – способность противостоять деформациям от нагрузок. Расчеты на жесткость производятся с целью определения деформаций, возникающих в конструкции. Деформации могут существенно изменить картину обтекания ЛА, снизить эффективность органов управления, привести к возникновению автоколебаний и, следовательно, к разрушению конструкции.
регламентируют нагрузку, при которой не возникает потери устойчивости обшивки и остаточных деформаций конструкции.
При расчете на прочность и анализе работы конструкции внешние силы, действующие на ЛА и укрепленные на нем агрегаты в полете и при движении ЛА по земле (см. рис. 1.2.6), подразделяют на поверхностные и массовые.
К поверхностным силам относятся:
распределенные воздушные нагрузки, приложенные к обшивке крыла. Это связанные с наружным обтеканием аэродинамические силы и статические нагрузки от давления внутри крыла;
поверхностные нагрузки, действующие на агрегаты, прикрепленные к крылу, и передающиеся через узлы крепления агрегатов с крылом. Это могут быть тяга двигателей, нагрузки от шасси при движении по земле и т.п.;
К массовым силам относятся:
распределенные нагрузки, действующие на массу конструкции и приложенные непосредственно к каждому ее элементу;
сосредоточенные силы, передающиеся на планер от прикрепленных к нему агрегатов (двигатели, шасси и т.д.).
При анализе работы под нагрузкой любого элемента конструкции необходимо установить:
а) какие внешние нагрузки действуют на конструкцию и каким образом они к ней приложены;
б) что является опорой для конструкции и каким образом нагрузка передается с конструкции на опору;
в) что происходит внутри конструкции при ее нагружении.
Любое внешнее силовое воздействие на конструкцию (независимо от физической природы сил) должно быть уравновешено эквивалентным силовым противодействием (третий закон Ньютона). Одну из взаимоуровновешенных сил, действующих на самолета, принято называть внешней силой, а другую силой реакции опоры.
При воздействии внешних нагрузок на конкретный элемент конструкции, он может изменять свои формы и размеры (т.е. деформироваться). В зависимости от характера приложения нагрузок деформация может иметь различные виды: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг.
При растяжении материала прочные межатомные связи, соединяющие атомы недеформированного тела, создают большие внутренние силы противодействия внешней нагрузке. Под действием внешних сил частицы материала конструкции будут перемещаться до тех пор, пока между внешними и внутренними силами не установится равновесие, называемое деформированным состоянием. Мерой воздействия внешних сил на атомы вещества, которые могут удаляться друг от друга (при растяжении) или сближаться (при сжатии) является напряжение.
Рис. 1.2.1. Диаграмма напряжений
Характер работы конструкции под нагрузкой во многом определяется выбором конструкционных материалов. Одной из основных характеристик материала конструкции является диаграмма растяжения (кривая деформирования – рис. 1.2.1) – зависимость напряжений и деформаций удлинения, по-
лучаемая в результате испытаний образцов материала на удлинение. На диаграмме (см. рис. 1.2.1) до точки А рост напряжения идет без разрушения межатомных связей, а в интервале от т. А до т. D межатомные связи постепенно разрушаются, что приводит к значительному местному утонению образца. В т. D происходит разрушение образца.
Наличие в материале микротрещин, вкраплений инородных материалов, а также резкие изменения однородности формы конструкции (вырезы, риски и т.д.) нарушают постоянство напряжений и резко снижают несущую способность конструкции.
При сжатии межатомные расстояния под действием нагрузки уменьшаются, межатомные силы отталкивания растут, и атомы стремятся «выскользнуть» из-под нагрузки в боковом направлении. Разрушение различных конструктивных элементов происходит по-разному, что определяется в основном формой и пропорциями этих элементов. На рис. 1.2.2 показаны различные виды деформированных состояний при сжатии. На рис. 1.2.2а и 1.2.2б приведены примеры потери устойчивости стержнем при различных условиях закрепления его концов в случае воздействия на него небольших нагрузок. При этом стержень сначала только упруго изгибается, при дальнейшем же увеличении нагрузки изогнутый стержень разрушается. Это называется общей потерей устойчивости. На рис. 1.2.2в показана местная потеря устойчивости тонкостенным цилиндром.
Для увеличения несущей способности конструкции, работающей на сжатие, ей придают форму, способную выдержать большие усилия сжатия без потери устойчивости. Например, плоский лист можно заменить гофрированным или криволинейным.
Пример сдвига (или среза) заклепочного соединения приведен на рис. 1.2.3. Сдвиг возникает тогда, когда внешние силы смещают два параллель-
ных плоских сечения элемента конструкции одно относительно другого при неизменном расстоянии между ними, и напряжения сдвига служат мерой сопротивления сдвигу одной части твердого тела относительно другой.
При сдвиге внешней нагрузке противостоят только диагональные межатомные связи, работающие на растяжение-сжатие.
Деформация чистого сдвига заключается в изменении прямых углов. Нагружение, например, тонкого листа сдвигающими усилиями по вертикальным кромкам при достижении критических усилий сдвига может привести к потере устойчивости при сдвиге – гофрированию. Причиной разрушения конструкции являются появляющиеся и развивающиеся в процессе эксплуатации трещины, которые возникают из-за несовершенства атомнокристаллической пространственной решетки.
Схема нагружения кручением показана на рис. 1.2.4. Внешние силы, образующие момент относительно оси элемента конструкции, вызывают его деформацию, которая заключается в плоском повороте поперечных сечений друг относительно друга. Продольная линия, нанесенная на поверхность элемента конструкции, нагруженной кручением, принимает форму винтовой линии.
Наиболее рациональным конструктивным элементом, предназначенным для восприятия кручения, является тонкостенная оболочка (см. рис.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УЛЬЯНОВСКОЕ
ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ
ГРАЖДАНСКОЙ
АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)
Конструкция
и ОСНОВЫ
эксплуатации.
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
1.
Классификация воздушных судов
2.
Нагрузки, действующие на самолет
3.
Крыло самолета
4.
Фюзеляж и оперение самолетов
5.
Гидравлическая система самолёта
6.
Шасси самолёта
7.
Управление самолетом
8.
Вибрации и аэроупругость самолёта
9.
Топливная система самолёта
10.
Системы кондиционирования воздуха и
автоматического
регулирования давления
11.
Противообледенительная система самолёта
12.
Противопожарное оборудование самолёта
13.
Силовая установка
14.
Транспортное оборудование современных
грузовых самолётов
15.
Бытовое оборудование
Библиографический
список
Классификация воздушных судов
Самолётом называется летательный
аппарат тяжелее воздуха, подъёмная сила
которого создается неподвижным
относительно других частей летательного
аппарата крылом при его поступательном
движении в воздухе.
К основным частям самолёта относятся:
крыло, фюзеляж, оперение, силовая
установка, шасси (рис.1.1)
Рис. 1.1. Основные части самолета
Взаимное пространственное расположение
частей самолёта и его различных устройств
называется компоновкой самолёта.
Самолёт
имеет ряд функциональных систем, которыми
называется совокупность взаимосвязанных
изделий, предназначенных для выполнения
заданных общих функций. К основным
функциональным системам самолетов
гражданской авиации можно отнести:
Все самолеты можно классифицировать
по следующим конструктивным признакам
(рис. 1.2):
Рис.
1.2. Классификация самолетов по
конструктивным признакам
По количеству крыльев делят на
монопланы, т.е. самолёты с одним крылом,
и бипланы, т.е. самолёты с двумя крыльями,
расположенными одно над другим.
По
расположению крыла относительно фюзеляжа
различают низкоплан, среднеплан и
высокоплан.
По типу фюзеляжа делят
на однофюзеляжные и двухбалочные.
Фюзеляжи, не несущие оперения, называют
гондолами. Оперение в этом случае
поддерживается двумя балками, и самолёты
при этом называют двухбалочными.
В
зависимости от расположения оперения
различают:
1) самолёты стандартной
схемы, у которых стабилизатор и киль
размещаются в хвостовой части фюзеляжа;
2)
самолёты схемы «утка», у которых
горизонтальное оперение расположено
впереди крыла;
3) самолёты типа
«бесхвостка», у которых горизонтальное
оперение отсутствует.
Большинство
современных самолётов выполнено по
первой схеме, которая имеет следующие
конструктивные разновидности:
Переднее расположение горизонтального
оперения при использовании схемы «утка»
повышает его эффективность, исключая
его затенение впереди находящимся
крылом.
В зависимости от типа шасси
различают сухопутные, гидросамолеты и
амфибии.
Шасси сухопутных самолётов
бывают колёсными и лыжными.
Гидросамолеты
разделяются на лодочные и поплавковые.
По
количеству опор шасси самолёты
подразделяются на трёхопорные с передней
опорой, трёхопорные с хвостовой опорой
и «велосипедного» типа. Наиболее
распространенной в настоящее время
является трёхопорная схема с передней
опорой, которая предотвращает капотирование
и «козление» самолёта.
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:
mо
–
взлетная масса самолета; mк
–
масса конструкции самолета; mп.н
–
масса полезной (коммерческой) нагрузки;
mс.н
–
масса снаряжения и оборудования,
которое обеспечивает определенные
условия комфорта полезной нагрузки на
борту; mо.у
–
масса оборудования управления,
которое обеспечивает эксплуатацию
самолета в заданных условиях; mс.у
–
масса силовой установки,
обеспечивающей необходимую скорость
полета для доставки полезной нагрузки
за время Т
на
расстояние L;
mт
–
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 исиловая
установка
(двигатель
и топливная система) образуют собственно
самолет, т. е. транспортную (несущую)
систему.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
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).
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» («Space Shuttle») 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.
Соседние файлы в папке Фюзеляж_1
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
К основным частям самолёта относятся: крыло, фюзеляж, оперение, силовая установка, шасси.
Взаимное пространственное расположение частей самолёта и его различных устройств называется компоновкой самолёта.
Самолёт имеет ряд функциональных систем, которыми называется совокупность взаимосвязанных изделий, предназначенных для выполнения заданных общих функций. К основным функциональным системам самолетов гражданской авиации можно отнести:
— гидравлическую и воздушную системы;
— управление самолетом;
— топливную систему;
— системы кондиционирования и автоматического регулирования давления в гермокабине;
— противообледенительную систему;
— противопожарную систему;
— бытовое и сантехническое оборудование;
— погрузочно-швартовочное оборудование грузового самолета.
Все самолеты можно классифицировать по следующим конструктивным признакам:
— по числу и расположению крыльев;
— по типу фюзеляжа;
— по форме и расположению оперения;
— по типу, количеству и расположению двигателей;
— по типу и расположению шасси.
По количеству крыльев делят на монопланы, т.е. самолёты с одним крылом, и бипланы, т. е. самолёты с двумя крыльями, расположенными одно над другим.
По расположению крыла относительно фюзеляжа различают низкоплан, среднеплан и высокоплан.
По типу фюзеляжа делят на однофюзеляжные и двухбалочные. Фюзеляжи, не несущие оперения, называют гондолами. Оперение в этом случае поддерживается двумя балками, и самолёты при этом называют двухбалочными.
В зависимости от расположения оперения различают:
— самолёты стандартной схемы, у которых стабилизатор и киль размещаются в хвостовой части фюзеляжа;
— самолёты схемы «утка», у которых горизонтальное оперение расположено впереди крыла;
— самолёты типа «бесхвостка», у которых горизонтальное оперение отсутствует.
Большинство современных самолётов выполнено по первой схеме, которая имеет следующие конструктивные разновидности:
— однокилевое оперение;
— разнесенное вертикальное оперение;
— V-обpазное оперение;
— Т-образное оперение.
Переднее расположение горизонтального оперения при использовании схемы «утка» повышает его эффективность, исключая его затенение впереди находящимся крылом.
В зависимости от типа шасси различают сухопутные, гидросамолеты и амфибии.
Шасси сухопутных самолётов бывают колёсными и лыжными.
Гидросамолеты разделяются на лодочные и поплавковые.
По количеству опор шасси самолёты подразделяются на трёхопорные с передней опорой, трёхопорные с хвостовой опорой и «велосипедного» типа. Наиболее распространенной в настоящее время является трёхопорная схема с передней опорой, которая предотвращает капотирование и «козление» самолёта.
В полете на самолёт действуют следующие силы: тяга двигателя, сила тяжести, подъемная сила и лобовое сопротивление. Последние две силы относятся к аэродинамическим.
Разнообразные силы, действующие на самолет, делят:
— по характеру приложения на статические (не изменяющиеся в течение длительного периода времени) и динамические (быстро меняющиеся в процессе их действия на самолет);
— по характеру распределения на сосредоточенные (приложенные на небольшом участке конструкции, точечно) и распределенные по длине, поверхности и объему конструкции;
— по величине и направлению.
Удобно все силы, действующие на самолет, объединить в две группы — поверхностные и массовые. К поверхностным силам относятся аэродинамические силы и сила тяги, а к массовым — сила тяжести и инерционные силы.
Основной системой координат, используемой в динамике полета, является скоростная (подвижная) система координат, движущаяся вместе с самолетом. Начало этой системы координат находится в центре масс самолета. Силы обычно раскладываются по трём осям: х — по направлению движения, y — перпендикулярно оси «Ох» в плоскости симметрии самолета; z — перпендикулярно плоскости «хОy» и направлена по правому крылу.
При горизонтальном полёте с постоянной скоростью подъемная сила уравновешивает вес самолета, а сила тяги — силу сопротивления.
Если подъемная сила больше силы тяжести, самолет набирает высоту, если меньше — снижается.
Если тяга больше силы лобового сопротивления, самолет движется ускоренно, если меньше — замедленно.
Дополнительная аэродинамическая сила стабилизатора уравновешивает пикирующий момент вокруг центра тяжести, создаваемый подъёмной силой Y.
На других этапах полёта (взлёт, набор высоты, снижение, посадка) и при выполнении эволюций (манёвров) самолетом схема сил, действующих на него, будет сложнее.
Коэффициентом перегрузки, или просто перегрузкой, называют отношение суммы поверхностных сил к произведению массы самолета на ускорение свободного падения.
Перегрузка — величина векторная. Ее направление совпадает с направлением равнодействующей поверхностных сил. На практике обычно пользуются не полной перегрузкой, а её проекциями на оси системы координат.
Продольная перегрузка может быть как положительной, так и отрицательной. Положительная перегрузка, определяемая тяговооруженностью, для современных самолетов с турбореактивными двигателями обычно не превышает 0,7—0,8. Отрицательная перегрузка, определяемая сопротивлением, также может достигать значений, близких к единице, например при одновременном выпуске тормозных щитков и дросселировании двигателей в полете.
Тяговооруженностью самолёта называется отношение тяги силовой установки (суммарной тяги двигателей) к его весу. Тяговооруженность пассажирских воздушных судов составляет 0,3—0,35.
В горизонтальном прямолинейном полете с постоянной скоростью подъемная сила равна весу самолета, тяга равняется силе аэродинамического сопротивления, боковая аэродинамическая сила равна нулю, поэтому поперечная перегрузка равна единице, а продольная и боковая — нулю.
Сопротивляемость организма перегрузкам зависит от величины и направления последних, времени их воздействия, от физического состояния организма. Человек, прошедший специальную тренировку, переносит перегрузки значительно лучше, чем нетренированный. Человеческий организм по-разному переносит перегрузки, действующие в различных направлениях: лучше всего переносятся перегрузки в направлении грудь-спина или спина-грудь (n = 12), хуже — в направлении голова—ноги (n = 6) и совсем плохо — в направлении ноги—голова (n = 3), т. к. при этом кровь приливает к голове и вызывает быструю потерю сознания. Величина переносимых человеком перегрузок зависит от времени их воздействия. Если перегрузки кратковременны, то допустимая величина их значительно увеличивается.
В ожидаемых условиях эксплуатации максимальные перегрузки, действующие на ВС гражданской авиации, не должны превышать 2—2,5.
К современным самолетам предъявляются весьма разнообразные и зачастую противоречивые требования. Одним из основных является требование наименьшего веса и достаточной прочности, поскольку повышение прочности обычно связано с утяжелением конструкции, а облегчение конструкции — с понижением прочности.
Под прочностью самолета принято понимать способность его конструкции воспринимать, не разрушаясь, определенные внешние нагрузки.
Под эксплуатационной нагрузкой, действующей на самолёт, понимают ожидаемое наибольшее значение нагрузки, которое может достигаться на предельно допустимых режимах.
Число, показывающее во сколько раз разрушающие нагрузки больше эксплуатационных, называется коэффициентом безопасности.
Чем больше коэффициент безопасности, тем надежнее конструкция, но тем больше ее полетная масса, поэтому на практике стараются использовать минимальные значения коэффициента безопасности.
Основное назначение коэффициента безопасности состоит в том, чтобы исключить появление остаточных деформаций в элементах конструкции при эксплуатационных нагрузках. Обычно для ВС гражданской авиации коэффициент безопасности равен 1,5—2. Сравнительно небольшая величина коэффициента безопасности в авиационной технике по сравнению с другими областями техники обуславливает повышенные требования к точности расчетов на прочность авиационных конструкций, к качеству применяемых материалов, к технологии изготовления и ремонту авиационной техники.
Конец ознакомительного фрагмента.
