Надо Знать

добавить знаний



Фюзеляж



План:


Введение

Фюзеляж

Фюзеляж ( фр. fuselage , От fuseau "веретено") - корпус летательного аппарата. Связывает между собой крылья, оперение и (иногда) шасси. Фюзеляж самолета предназначен для размещения экипажа, оборудования и полезной нагрузки. В фюзеляже может размещаться топливо, шасси, двигатели. Отдельно рассматривается схема компоновки летающее крыло, в утолщенной части которого и размещается все, что обычно размещают в фюзеляже.


1. Общие сведения о фюзеляж

Так как фюзеляж является основой конструкции самолета, он объединяет в силовом отношении в единое целое все части. К фюзеляжу, при сохранении наименьшей массы, относится ряд основных требований [1] :

  • минимальный лобовое сопротивление;
  • рациональное использование внутренних объемов;
  • обеспечение необходимого обзора из кабины пилотов и экипажа;
  • простота загрузки и разгрузки;
  • надежная герметизация и теплозвукоизоляция, необходимое вентилязия, отопления и освещения кабин.

Выполнение этих требований достигается:

  • выбором таких внешних форм и значений параметров фюзеляжа, при которых получаются минимальный лобовое сопротивление и самый полезный объем при определенных габаритах;
  • использованием несущих фюзеляжей, создающих значительную (до 40%) подъемную силу в интегральных схемах самолета. Это позволяет уменьшить площадь крыла и снизить его массу;
  • рациональным использованием полезных объемов за счет повышения плотности компоновки, а также за счет более компактного размещения грузов вблизи центра масс (ЦМ). Последнее способствует уменьшению массовых моментов инерции и улучшению характеристик маневренности, а сужение диапазона изменения центровок при различных вариантах загрузки, выгорании топлива, расходе боеприпасов обеспечивает большую стабильность характеристик устойчивости и управляемости самолета;
  • согласованию силовой схемы фюзеляжа с силовыми схемами присоединенных к нему агрегатов. При этом необходимо обеспечить: надежное крепление, передачу и уравновешивания нагрузок от силовых элементов крыла, оперения, шасси, силовой установки на силовые элементы фюзеляжа; восприятия массовых сил от целевого нагрузки, оборудования и от конструкции фюзеляжа, а также от аэродинамической нагрузки, действующей на фюзеляж, и нагрузки от избыточного давления в гермокабины.
  • обеспечением удобство подходов к различных агрегатов, расположенных в фюзеляже, для их осмотра и ремонта; удобство входа и выхода экипажа и пассажиров, выброса десанта и вооружения, удобство загрузки, швартовки и выгрузки предназначенных для перевозки грузов. Пассажирам и экипажу забезпечуются необходимые жизненные условия и определенный уровень комфорта при полете на большой высоте, тепло-и звукоизоляция кабин, возможность быстрого и безопасного аварийного покидания самолета, экипажа - хороший обзор из кабины.

2. Внешние формы фюзеляжа

Лучшей формой фюзеляжа является осесимметричных тело вращения с плавным сужением в носовой и хвостовой частях. Такая форма обеспечивает минимальную при заданных габаритах площадь поверхности, а значит и минимальную массу обшивки, и минимальное сопротивление трения фюзеляжа. Круглое сечение тела вращения выгодно по массе и при действии избыточного давления в гермокабины. Однако из компоновочных и другим соображениям от такой идеальной формы приходится отступать. Так, фонари кабины экипажа, повитрозаборникы, антенны радиолокаторов нарушают плавность обводов и приводят к увеличению сопротивления и массы фюзеляжа. Такой же эффект дает и отступление от плавных форм в хвостовых отсеках фюзеляжа с целью увеличения угла опрокидывания или для укорочения грузового люка и рампы.

Поперечное сечение фюзеляжа обычно определяется условиями компоновки грузов, двигателей, пассажирских салонов.


3. Нагрузки, действующие на фюзеляж

В полете и при посадке на фюзеляж действуют следующие нагрузки:

  • сил, передающихся на фюзеляж от присоединенных к нему частей самолета - крыла, оперения, шасси, силовой установки и др..;
  • массовые инерционные силы агрегатов, грузов, оборудования, расположенных в фюзеляже, и инерционные силы от собственной массы конструкции фюзеляжа;
  • аэродинамические силы, распределенные по поверхности фюзеляжа;
  • силы избыточного давления в герметичных кабинах, отсеках оборудования, каналах повитрозаборников.

Все перечисленные нагрузки с учетом принципа д'Аламбера полностью уравновешено на фюзеляже.

С точки зрения строительной механики фюзеляж можно рассматривать как коробчатую балку, закрепленную на крыле и нагруженную вышеперечисленными нагрузками. В любом сечении такой балки действуют вертикальные и горизонтальные составляющие перерезая сил, изгибающих моментов, а также крутящий момент. В герметичных отсеках к этим нагрузкам добавляются усилия от избыточного внутреннего давления.


4. Конструктивно-силовые схемы фюзеляжа

Рациональной конструкцией, способной воспринимать все вышеперечисленные нагрузки при минимальной собственной массе, есть тонкостенный пространственная оболочка, подкрепленная изнутри силовым каркасом. Рациональность такой оболочки обеспечивается полноценным использованием ее рабочей обшивки как при восприятии местного аэродинамической нагрузки, внутреннего избыточного давления, так и в общей силовой работе, которая заключается в том, что обшивка воспринимает всю перерезая силу, весь крутящий момент и участвует в восприятии изгибающих моментов. Оболочка, подкрепленная каркасом наилучшим образом удовлетворяет и требования удобства компоновки, обеспечения технологической простоты, а также живучести и эксплуатационной технологичности. С точки зрения силовой работы такая оболочка рассматривается как тонкостенная коробчатая балка, вследствие чего силовую схему подобных фюзеляжей принято называть балочной.

Фюзеляже ферменной конструкции, которые использовались ранее, неизбежно проигрывают по массе балочной конструкции в связи с тем, что обшивка ферменных фюзеляжей полностью исключена из общей силовой работы, воспринимая только местное воздушное нагрузки и являясь, таким образом, дополнительным конструктивным элементом, который увеличивает массу конструкции. Пространственная ферма чрезвычайно затрудняет и компоновку грузов в фюзеляже. Все это привело к тому, что ферменные фюзеляже в наше время [ Когда? ] полностью вытеснены балочными и их применение оправдано лишь на легких тихоходных самолетах "малой" авиации. Поэтому в дальнейшем ферменные фюзеляжи не рассматриваются.

Балочные фюзеляжи делятся на три основные разновидности:

  • лонжеронная
  • стрингерний
  • обшивочный

Продольный набор балочного фюзеляжа состоит из лонжеронов и стрингеров. Лонжерон отличается от стрингера формой и большей площадью поперечного сечения. Обшивочный фюзеляж продольного набора не имеет. Поперечный набор фюзеляжа состоит из шпангоутов, обеспечивающих сохранение при деформациях заданной формы поперечного сечения оболочки и передачу на обшивку распределенных и сосредоточенных нагрузок. В местах приложения к фюзеляжу больших сосредоточенных сил устанавливаются усиленные шпангоуты.

В балочных фюзеляжах перерезая сила любого направления полностью воспринимается обшивкой, в которой возникает поток касательных усилий. Закон распределения этих усилий по контуру оболочки зависит от направления внешней нагрузки и от формы поперечного сечения фюзеляжа.

Крутящий момент также полностью воспринимается обшивкой. Поток касательных усилий в этом случае равномерно распределен по периметру оболочки, имеющей, как правило, однозамкнутий контур поперечного сечения. Восприятие изгибающих моментов фюзеляжа определяется типом балочного фюзеляжа. В местах вырезов в оболочке устанавливаются силовые окантовки, обеспечивающие передачу всех усилий в зоне выреза.


4.1. Лонжероны и стрингеры

Продольные элементы каркаса проходят, как правило, по всей длине фюзеляжа. Совместно с обшивкой они воспринимают нормальные усилия при изгибе фюзеляжа. Простые стрингеры и лонжероны обычно изготавливаются из прессованных или гнутых профилей различного сечения. Лонжероны отличаются от стрингеров большей жесткостью.

При больших нагрузках могут использоваться составные лонжероны, состоящих из нескольких соединенных между собой профилей.

Для окантовки больших вырезов в фюзеляже часто используются лонжероны коробчатого сечения - бимсы, которые состоят из прессованных профилей, связанных между собой стенками и обшивкой.


4.2. Шпангоуты

Делятся на нормальные и усиленные. Нормальные обеспечивают сохранение формы поперечного сечения фюзеляжа. Усиленные шпангоуты устанавливаются в местах передачи на фюзеляж больших сосредоточенных нагрузок. На них располагаются стыковые узлы агрегатов, узлы крепления грузов, двигателей, крупного оборудования, перегородки гермовидсикив и т.п. Силовые шпангоуты могут устанавливаться по границам больших вырезов в фюзеляже. Нормальные шпангоуты обычно имеют рамную конструкцию и изготавливаются штамповкой или гибкой из листа.

Усиленные шпангоуты выполняются в виде замкнутой рамы обычно двутаврового или швеллерного сечения. Рама шпангоуту распределяет внешнюю нагрузку по периметру обшивки, поток касательных усилий в которой является опорной реакцией для рамы. Сама рама работает на изгиб, который в основном определяет ее сечение. Кроме того, в любом сечении рамы действуют перерезая и нормальная силы. Конструктивно такая рама изготавливается сборной или монолитной. В местах установки перегородок силовой шпангоут полностью зашивается стенкой, подкрепленной вертикальными и горизонтальными профилями, или сферической оболочкой с радиально расположенными подкрепляющими элементами.


4.3. Обшивка

Изготавливается из металлических листов, которые формируются по профилю поверхности фюзеляжа и затем крепятся к каркасу. Стыки листов располагаются на продольных и поперечных элементах каркаса. Применяется, особенно для обшивочный фюзеляжей, применение монолитных оребренных панелей и слоистой обшивки с легким, конечно сотовым, заполнителем. В последнее время получает распространение обшивка из композиционных материалов.

4.4. Соединение элементов каркаса и обшивки

Возможны три способа соединения обшивки с каркасом:

  • обшивка крепится только к стрингеров;
  • обшивка крепится и к стрингеров, и в шпангоутов;
  • обшивка крепится только к шпангоутов.

В первом случае есть только продольные заклепочные швы, а поперечные швы отсутствуют, что улучшает аэродинамику фюзеляжа. Однако, незакрепленная на шпангоутах обшивка теряет устойчивость при меньших нагрузках, что приводит к увеличению массы конструкции. Чтобы избежать этого часто обшивку связывают с шпангоутом дополнительной накладкой - компенсатором. Третий способ крепления используется только в обшивочный (безстрингерних) фюзеляжах.


4.5. Стыковые соединения отсеков фюзеляжа

Стыки отсеков фюзеляжа балочно-лонжеронной схемы выполняются с помощью стыковых узлов, расположенных только на лонжеронах - точечный стык. Конструктивно для этого используются узлы типа "ухо-вилка" или узлы фитинговой схемы.

Балочно-стрингерни фюзеляже стыкуются по принципу контурного стыка с расположением стыковых фитингов по всему периметру стыкового шпангоуту с обязательным силовым связыванием обшивки и всех стрингеров частей фюзеляжа стыкуются. Балочно-обшивочные фюзеляжи обычно соединяются фланцевым стыком, обеспечивающий силовой связь обшивок частей, соприкасающихся по всему контуру. Это по сути, контурный стык с единым стыковым элементом - углом, лентой и т.п.


5. Крепление агрегатов самолета к фюзеляжу

Узлы крепления агрегатов к фюзеляжу устанавливаются на усиленных шпангоутах, которые выполняют роль жесткого диска, обеспечивая распределение сосредоточенных нагрузок по всему периметру оболочки фюзеляжа. Для передачи сосредоточенных нагрузок продольного направления стыковые узлы агрегатов должны быть связаны с усиленными продольными элементами фюзеляжа. Для уменьшения массы конструкции фюзеляжа всегда желательно уменьшать число усиленных шпангоутов, размещая на одном шпангоуте узлы крепления нескольких агрегатов.


5.1. Крепление крыла и стабилизатора

Принципиальной особенностью стыка крыла с фюзеляжем является способ уравновешивания изгибающих моментов консолей крыла в этом стыке. Рациональным считается уравновешивание изгибающих моментов левого и правого крыла на центроплане, пропущенном через фюзеляж. Для лонжеронной крыла с этой целью достаточно пропустить через фюзеляж только лонжероны, на которых и произойдет уравновешивание изгиба.

Для кессонных и моноблочных крыльев через фюзеляж обязательно должны пропускаться целиком все силовые панели крыла.

В том случае, когда компоновочных причин пропуск через фюзеляж силовых элементов крыла невозможен, замыкание изгибающих моментов слева и справа должно выполняться на силовых шпангоутах фюзеляжа. Очевидно, что такое решение применимо лишь для лонжеронных крыльев, в которых число лонжеронов невелико. Кессонные и моноблочные крылья требуют большого числа силовых шпангоутов для замыкания силовых панелей, конструктивно выполнить очень сложно. В этом случае следует отказаться от указанных силовых схем крыла и перейти на лонжеронной схему.

Перерезая сила крыла с каждой его половины должна передаваться на фюзеляж. С этой целью стенки лонжеронов и дополнительные продольные стенки крыла стыкуются с силовыми шпангоутами. На эти же силовые шпангоуты обычно опираются и бортовые нервюры крыла, которые, собирая с замкнутого контура крыла крутящий момент, передают его на эти опорные шпангоуты. Часто для передачи крутящего маменту, обшивка крыла и фюзеляжа соединяется по контуру стыковочным угловым профилем.

Крепление стабилизатора к фюзеляжу принципиально ничем не отличается от схемы стыковки крыла. Ось вращения управляемого стабилизатора обычно закрепляется на одном или двух силовых шпангоутах фюзеляжа.


5.2. Крепление киля

Крепление киля к фюзеляжу требует обязательной передачи его изгибающего момента на фюзеляж. С этой целью каждый лонжерон киля соединяется с силовым шпангоутом стинковои или рамной конструкции.

Если позволяют условия компоновки, то можно использовать "Мачтовый" закладки лонжерона в двух точках, разнесенных по высоте силового шпангоуту. Стреловидный лонжерон киля имеет излом в точке пересечения с силовым шпангоутом, что требует обязательной постановки в этом сечении бортовой усиленной нервюры или усиленной балки на фюзеляже. От них можно отказаться, если силовой шпангоут поставить наклонно к оси фюзеляжа так, чтобы плоскость была продолжением плоскости стенки лонжерона киля. Но такое решение имеет значительные технологические трудности при изготовлении пожилого шпангоута и сборке фюзеляжа.


5.3. Крепление шасси и двигателей к фюзеляжу

Крепление двигателей к фюзеляжу осуществляется как внутри к усиленным элементам каркаса, так и снаружи на специальных пилонах. Крепление пилонов к фюзеляжу подобно крепления стабилизатора или крыла.

6. Вырезы в фюзеляже

Вырезы под двери, окна, фонари, люки, ниши шасси, боевая нагрузка нарушают замкнутость контура оболочки фюзеляжа и резко снижают ее крутильных и изгибную жесткость и прочность. Компенсировать эти потери можно путем создания по контуру выреза достаточно жесткой рамной окантовки. При малых размерах выреза такая окантовка создается в виде монолитной конструкции, полученной штамповкой из листа или другими способами изготовления.

Большие вырезы окантовываются по торцам силовыми шпангоутами, а в продольном направлении усиленными лонжеронами или бимсами, которые не должны заканчиваться в пределах выреза, а продолжаться за силовые шпангоуты, обеспечивая жесткое закладки этих продольных элементов.

Крепление шасси выполняется к усиленным шпангоутов и продольных балок в нижней части фюзеляжа. Обшивки киля и фюзеляжа обычно соединяются стыковочным уголком по контуру киля.


7. Гермовидсикы

В гермокабины при полете на больших высотах поддерживается избыточное давление до 40 - 60 кПа. Рациональной формой гермовидсику, что обеспечивает его минимальную массу, является сферическая или немного проигрывая ей - цилиндр со сферическими днищами. Шпангоут на стыке цилиндра со сферическим сегментом за счет перелома обшивки воспринимает достаточно большие сжимающие нагрузки и должен быть усилен. Обшивка в таких отсеках при нагрузке избыточным давлением полностью избавлена ​​от изгибных деформаций и работает только на растяжение.

Однако, из компоновочных соображений иногда приходится отступать от этих рациональных форм, неизбежно приводит к увеличению массы конструкции. Плоские и близкие к ним панели для обеспечения необходимой изгибной жесткости при восприятии избыточного давления должны иметь достаточно мощное подкрепление в виде продольных и поперечных ребер (балок) или изготавливаться в виде трехслойных конструкций.

В конструкциях герметичных отсеков должна быть обеспечена надежная герметизация по всем заклепочных и болтовых швам. Герметизация швов обеспечивается прокладкой между элементами специальных лент, пропитанных герметиком, промазыванием швов невысыхающим мастикой, покрытием швов жидким герметиком с последующей горячей сушкой. В местах стыка листов обшивки используются многорядные заклепочные швы с малым шагом заклепок.

С помощью специальных гермовузлив обеспечивается уплотнение выходов проводки управления, трубопроводов и др..

Особое внимание уделяется герметизации фонарей, люков, дверей, окон, обеспечивается специальными уплотнительными устройствами в виде резиновых лент, жгутов, прокладок, надувных трубок.


Примечания

  1. Гребеньков А. Конструкция самолетов: Учеб. пособие для авиационных вузов. - М. Машиностроение, 1984. - 240 с.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам