Дизайн на въздухоплавателни средства: основните елементи. Проектиране и изграждане на самолети

Съвременните пътнически и товарни превози е просто невъзможно да си представим без самолети. Но зад комфорта и мобилността на тези "железни птици" са десетилетия на развитие и хиляди неуспешни опити. Дизайнът на въздухоплавателните средства и тяхното строителство са ангажирани в най-добрите умове на авиационната индустрия. Цената на грешката в това поле може да е твърде висока. Днес ще се потопим в света на авиационното инженерство и ще научим какви елементи се състои от дизайна на самолета.

Общи характеристики

В класическата версия на самолета е планер (фюзелаж, крила, опашка, гондола), оборудван с електроцентрала, шаси и системи за управление. В допълнение, неразделна част от модерните самолети е авионика (авионика), предназначена да контролира всички органи и системи на самолета и значително опростява положението на пилотите.

Има и други схеми на проектиране, но те са много по-рядко срещани и по правило във военната авиационна промишленост. Така например, бомбардировачът B-2 е проектиран по схемата „летящо крило“. Ярък представител на самолета в Русия - боецът МиГ-29 - се изработва според "схемата на превозвача". В него понятието "фюзелаж" се заменя с "тяло".

Видове въздухоплавателни средства

В зависимост от дестинацията, самолетите се разделят на две големи групи: цивилни и военни. Цивилните модели са разделени на машини за пътници, товари, обучение и специална употреба.

Версиите на пътниците се различават във факта, че по-голямата част от техния корпус се заема от специално оборудвана кабина. Външно те могат да бъдат разпознати от голям брой прозорци. Пътническите самолети се разделят на: местни (летят на разстояние по-малко от 2 хил. Км); средно (2-4 хил. км); (дълги разстояния 4-9 хил. км); и междуконтинентални (над 11 хил. км).

Товарни самолети са: леки (до 10 тона товари), средни (10-40 тона товари) и тежки (повече от 40 тона товари).

Самолетите със специално предназначение могат да бъдат: санитарни, селскостопански, разузнавателни, противопожарни и предназначени за въздушна фотография.

Модели за обучение , съответно, са необходими за обучение на пилоти-начинаещи. В техния дизайн може да няма допълнителни елементи, като например седалки в купето и т.н. Същото се отнася и за експерименталните версии, които се използват за тестване на самолета на новия модел.

Военните самолети, за разлика от цивилните, нямат удобна каюта и илюминатори. Цялото пространство на фюзелажа в тях е заето от оръжейни системи, разузнавателна техника, комуникационни системи и други звена. Бойни самолети разделени на: бойци, бомбардировачи, самолети за нападение, разузнаване, транспорт, както и всякакви превозни средства със специално предназначение.

фюзелаж

Фюзелажа на самолета е основната част, която изпълнява функцията на превозвача. Към него са прикрепени всички конструктивни елементи на самолета. Отвън са: крила с двигателни гондоли, опашка и шаси, а отвътре - контролна кабина, технически помещения и комуникации, както и товарно или пътническо отделение, в зависимост от принадлежностите на кораба. Рамката на фюзелажа се сглобява от надлъжни (лонжерони и стрингери) и напречни (рамки) елементи, които впоследствие са обвити с метални листове. В леките самолети се използва шперплат или пластмаса вместо метал.

Леките автомобили могат да бъдат тесни и широки. В първия случай диаметърът на напречното сечение на делото е средно 2-3 метра, а във втория - от шест метра. Самолетите с широко тяло обикновено имат две палуби: горната е за пътници, а долната е за багаж.

При проектирането на фюзелажа се обръща специално внимание на якостните характеристики и теглото на конструкцията. В това отношение има такива мерки:

1. Формата на самолета е проектирана така, че подемната сила да е максимална, а фронталната устойчивост на въздушни маси е минимална. Обемът и размерите на машината трябва да са идеално свързани помежду си.
2. За да се увеличи ефективният обем на корпуса, проектът осигурява най-плътното разположение на кожата и носещите елементи на корпуса на самолета.
3. Монтажите на електроцентралата, елементите за излитане и кацане и сегментите на крилата се опитват да направят възможно най-прости и надеждни.
4. Местата за настаняване на пътниците и обезопасяването на стоки или консумативи са проектирани така, че в различни експлоатационни условия на въздухоплавателното средство балансът му да остава в границите на толерантност.
5. Мястото за настаняване на екипажа следва да осигури удобен контрол на въздухоплавателното средство, достъп до основните навигационни инструменти и най-ефективното управление в случай на непредвидени ситуации.
6. Разположението на въздухоплавателното средство се извършва по такъв начин, че при обслужването му, капитаните имат възможност свободно да диагностицират необходимите компоненти и възли на самолета и, ако е необходимо, да ги поправят.

Фюзелажът на въздухоплавателното средство трябва да бъде достатъчно здрав, за да издържи натоварванията, възникващи при различни условия на полет, а именно:

1. Натоварванията, които възникват в точките на закрепване на основните елементи на корпуса (крила, опашка, шаси) по време на излитане и кацане.
2. Аеродинамични натоварвания, възникващи по време на полета, като се вземат предвид работата на блоковете, инерционните сили и работата на спомагателното оборудване.
3. Натоварвания, свързани с спадане на налягането, които се получават по време на претоварване на полета в херметически затворени отделения на въздухоплавателното средство.

крило

Крилата са важен структурен елемент на всяко въздухоплавателно средство. Те създават необходимата за полета сила на повдигане и позволяват маневриране. В допълнение, крилото на въздухоплавателното средство се използва за настаняване на енергийния блок, резервоарите за гориво, приспособленията и устройствата за излитане и кацане. Правилното съотношение на теглото, твърдостта, якостта, аеродинамиката и качеството на производството на този конструктивен елемент определя правилните полетни и експлоатационни характеристики на самолета.

Крилото на въздухоплавателното средство се състои от следните части:

1. Тялото, което се състои от рамка (рангоуми, стрингери и ребра) и покритие.
2. Летките и клапите, които осигуряват излитане и кацане на самолета.
3. Прехващачи и елерони, чрез които пилотът може да промени посоката на полета на самолета.
4. Спирачни накладки, служители за по-бързо спиране на въздухоплавателното средство по време на кацане.
5. Пилони, на които са монтирани електроцентрали.

Крилото е прикрепено към фюзелажа през централната част - елемент, свързващ дясното и лявото крило и частично преминаващ през фюзелажа. При ниски равнини, централното крило се намира в долната част на фюзелажа, а за високите равнини се намира в горната част. При бойните превозни средства може да липсва напълно.

Във вътрешните кухини на крилото (в големи съдове) обикновено са монтирани горивни резервоари. В леки изтребители, допълнителни резервоари за гориво могат да бъдат окачени на специални конзолни стойки.

Структурно силово крило

Структурната схема на крилата трябва да осигурява устойчивост на срязващи, усукани и огъващи сили, възникващи по време на полета. Надеждността му се дължи на използването на масивна рамка, изработена от надлъжни и напречни елементи, както и трайно покритие.

Надлъжните елементи на рамката на крилото са представени от рамена и стрингери. Джагите са направени във формата на ферми или монолитни греди. Те се поставят върху целия вътрешен обем на крилото с определен интервал. Дъновете дават на конструкцията твърдост и изравняват въздействието на напречните и огъващите сили, възникващи в определен етап на полета. Стрингерите играят ролята на компенсатор за аксиална компресия и напрежение. Те също нивелират местните аеродинамични натоварвания и увеличават твърдостта на кожата.

Напречните елементи на крилото са представени с ребра. В този дизайн те могат да бъдат направени под формата на ферми или тънки греди. Ребрата определят профила на крилото и придават на повърхността му твърдостта, необходима за разпределението на товара в момента на формиране на летателната въздушна възглавница. Те служат и за по-надеждно закрепване на силовите агрегати.

Корпусът не само придава на крилото необходимата форма, но и осигурява максимална сила на повдигане. Наред с други елементи на рамката, тя увеличава твърдостта на конструкцията и елиминира ефектите от външни натоварвания.

Крилата на самолета могат да се различават по дизайн и функционалност на кожата. Има два основни типа:

1. Spar. Различават се в малката дебелина на кожата, която образува затворен контур с ръбовете на страничните елементи.
2. Моноблок. Основното количество външен товар се разпределя по повърхността на дебел покривен слой, фиксиран с комплект стрингери. В този случай, кожата може да бъде или монолитна, или съставена от няколко слоя.

Що се отнася до конструкцията на крилото, заслужава да се отбележи, че докингът и последващото им закрепване трябва да се извършват по такъв начин, че в крайна сметка да се осигури предаването и разпределението на моментите на въртящ момент и огъване, които могат да възникнат при различни режими на работа на ВС.

перушина

Опълчението на самолета ви позволява да промените траекторията на неговото движение. Може да бъде опашка и нос (използва се по-рядко). В повечето случаи опашната перка е представена от вертикален кил (или няколко кила, обикновено два) и хоризонтален стабилизатор, който прилича на по-малко крило в конструкцията. Благодарение на кила, стабилността на земята на самолета се регулира, т.е. стабилността по оста на движение, а благодарение на стабилизатора - надлъжната (във височина). Хоризонталната опашка може да се монтира на фюзелажа или на върха на киловете. Килът на свой ред се поставя върху фюзелажа. Има различни варианти на оформлението на опашката, но в повечето случаи изглежда така.

Някои военни самолети са допълнително оборудвани с нос. Това е необходимо, за да се гарантира правилното движение при свръхзвукови скорости.

Електроцентрали

Двигателят е съществен елемент в дизайна на самолета, защото без него самолетът дори не може да излети. Първи самолет летяха само за кратко време и можеха да настанят само един пилот. Причината за това е проста - двигатели с ниска мощност, които не позволяват да се развие достатъчно теглителна сила. За да научат как да транспортират стотици пътници и тежки товари, дизайнерите от целия свят трябваше да работят усилено.

През цялата еволюция на "желязната птица" бяха използвани много видове мотори:

1. Steam. Принципът на работа на такива двигатели се основава на превръщането на енергията на парата в движение, която се предава на витлото на самолета. Тъй като парните двигатели имат ниска ефективност, те са използвани от авиационната индустрия за много кратко време.
2. Бутала. Това са стандартни двигатели с вътрешно горене, по дизайн наподобяващи автомобилни двигатели. Принципът на тяхната работа се състои в прехвърляне на топлинна енергия към механична. Лекотата на производство и наличието на материали определят досега използването на такива електроцентрали на някои модели самолети. Въпреки малката ефективност (около 55%), тези двигатели определено са популярни поради своята непретенциозност и надеждност.
3. Реактивен. Такива двигатели превръщат енергията на интензивно изгаряне на гориво в тяга, необходима за полета. днес реактивни двигатели най-широко използвани в изграждането на самолети.
4. Газови турбини. Принципът на работа на тези двигатели се основава на граничното нагряване и компресия на горивния газ, насочен към въртене на турбината. Те се използват предимно във военни типове самолети.
5. Самолетите с турбореактивни двигатели. Това е един от подвидовете на газотурбинни двигатели. Разликата се състои във факта, че енергията, получена по време на работа, се преобразува в задвижване и върти витлото на самолета. Малка част от енергията отива към образуването на бутащ струя. Такива двигатели се използват главно в гражданската авиация.
6. Турбовитлови. В тези двигатели се осъществява инжектирането на допълнителен въздух, необходим за пълното изгаряне на горивото, благодарение на което е възможно да се постигне максимална ефективност и екологичност на централата. Двигателите от този тип се използват широко при изграждането на големи самолети.

Срещнахме се с основните типове авиационни двигатели. Списъкът на двигателите, които дизайнерите на самолети някога са се опитвали да инсталират на самолет, не се ограничава до този списък. В различни моменти са правени много опити да се създадат всички видове иновативни енергийни единици. Например, през миналия век се извърши сериозна работа по създаването на атомни самолетни двигатели, които не се утвърдиха поради голяма опасност за околната среда в случай на самолетна катастрофа.

Обикновено, двигателят се монтира на крилото или на фюзелажа на самолета през пилон, през който се привеждат към него задвижвания, горивни тръби и др. В този случай двигателят е облечен в предпазна гондола. Има и самолети, в които електроцентралата е разположена директно в корпуса. Самолетът може да бъде от един (Ан-2) до осем (Б-52) двигатели.

управление

Контролът на самолета се нарича комплекс от бордово оборудване, както и командни и изпълнителни устройства. Командите се доставят от пилотската кабина и се изпълняват от крило и опашка. Различните равнини могат да използват различни видове системи за управление: ръчни, автоматизирани и полуавтоматични.

Независимо от вида на системата, работните органи са разделени на първични и вторични.

Основно управление . Тя включва действия, които са отговорни за регулиране на режимите на полета и възстановяване на баланса на кораба в предварително зададените параметри. Основните органи за управление включват:

1. Лостове, които се контролират директно от пилота (асансьори, кормила на хоризонта, волан, командни панели).
2. Комуникации, които служат за свързване на лостовете за управление с актуатори.
3. Задвижващи механизми (стабилизатори, елерони, спойлери, крила и клапи).

Допълнително управление . Използва се само в режим на излитане и кацане.

Независимо от това, дали при проектирането на въздухоплавателното средство е внедрен ръчен или автоматичен контрол, само пилотът може да събира и анализира информация за състоянието на системите на въздухоплавателното средство, показателите за натоварване и съответствието на траекторията с плана. И най-важното, само той е в състояние да вземе решение, което е възможно най-ефективно в настоящата ситуация.

контрол

За да прочете обективна информация за състоянието на въздухоплавателното средство и полетната ситуация, пилотът използва инструменти, разделени на няколко основни групи:

1. Полет и навигация. Те се използват за определяне на координатите, вертикалната и хоризонталната позиция, скоростта и линейните отклонения на самолета. В допълнение, тези инструменти контролират ъгъла на атака на самолета, работата на жироскопичните системи и други важни параметри на полета. На съвременните самолети, тези устройства са представени под формата на един самолетен навигационен комплекс.
2. Надзор на работата на електроцентралата. Тази група инструменти осигурява на пилота данни за температурата и налягането на маслото, разхода на гориво, честотата на въртене на коляновия вал и индикатори за вибрации.
3. Инструменти за наблюдение на работата на допълнително оборудване и системи. Този комплекс се състои от инструменти, чиито сензори се намират във всички конструктивни елементи на самолета. Те включват: манометри, индикатори за спад на налягането в затворени кабини, индикатори за положението на клапаните и т.н.
4. Инструменти за оценка на състоянието на околната среда. Те се използват за измерване на външната температура, влажността, атмосферното налягане, скоростта на вятъра и други неща.

Всички устройства, които служат за наблюдение на състоянието на въздухоплавателното средство и външната среда? адаптират се към работата при всякакви метеорологични условия.

Системи за кацане

Излитането и кацането са доста сложни и решаващи фази на полета. Те неизбежно включват силни натоварвания върху всички елементи на конструкцията. Приемливо ускорение за повдигане на многотонен съд до небето и меко докосване на пистата по време на кацането му се осигурява от надеждно проектирана писта (шаси). Тази система е необходима и за паркирането на автомобила и неговото рулиране по време на движение около летището.

Стълбището на самолета се състои от амортизационна стойка, на която е закрепена колесната количка (за поплавъци се използва поплавък). Конфигурацията на шасито зависи от теглото на самолета. Най-често има такива опции за системата за кацане:

1. Две основни рафтове и едно предно (А-320, Ту-154).
2. Три основни стойки и един фронт (IL-96).
3. Четири основни рафта и един фронт ("Боинг 747").
4. Две основни стойки и две отпред (B-52).

На ранен самолет бяха монтирани двойка основни подпори и задно въртящо се колело без стойка (Li-2). Една необичайна схема на шасито също имаше модел IL-62, който беше оборудван с един преден стълб, чифт основни колони и прибиращ се прът с чифт колела в самата опашка. На първия самолет рафтовете не се използват изобщо, а колелата са монтирани на прости оси. Количката с колела може да има от един (А-320) до седем (Ан-225) колесни комплекта.

Когато самолетът е на земята, неговото управление се осъществява с помощта на задвижване, което е оборудвано с преден колесник. За кораби с множество двигатели за тази цел може да се използва диференциация на режима на работа на електроцентралата. По време на полета шасито на самолета се прибира в специално оборудвани отделения. Това е необходимо за намаляване на аеродинамичното съпротивление.