Здравствуйте авиаторы и не только! Добро Пожаловать на канал Пилот-Инженер! В прошлой статье мы разобрали основные нагрузки, действующие на самолет в полете. Это необходимое введение к теме конструкции самолета, рекомендуем с ним ознакомится! Сегодня мы узнаем что такое Конструктивно-Силовая схема Самолета (КСС), из чего состоит и зачем нужна. И так, полетели!
Для того чтобы лучше понять тему, необходимо немного поговорить о такой науке как сопромат. Дорогие студенты технических специальностей, я вижу, как у вас начался нервный тик, но не закрывайте эту вкладку. Все не так сложно на самом деле, ведь сопромат решает вполне конкретные инженерные задачи и все это применимо на практике. Так вот не вдаваясь в теорию сопротивления материалов, скажу, что для того, чтобы любая конструкция, в том числе и самолет, оставалась работоспособной, она должна обладать определенной прочностью и жесткость.
Прочность - это свойство конструкции выдерживать нагрузки без разрушения, а жесткость - выдерживать их без существенного изменения формы, ведь, например, если крыло самолета сильно прогнется в полете, то оно потеряет свои аэродинамические свойства и самолет упадет. Предлагаю немного уточнить термин "жесткость" именно в том смысле, как это понимается в авиации. При приложении нагрузки деформация всегда есть, у всех конструкций и материалов. И бетонные мосты деформируются и алмазы, вопрос лишь в величине деформации, которая много от чего зависит. Для того чтобы не скатываться ко всяким там модулям и удельным величинам, можно сказать, что в авиации под жесткостью подразумевают возврат к исходному состоянию после снятия нагрузки, что величина деформации не оказывает существенного влияния на аэродинамические и динамические характеристики летательного аппарата, что эта деформация - всегда упругая, и ни в коем случае - не пластическая.
Так вот, для того чтобы обеспечить эту самую прочность у самолета есть определенный набор силовых элементов, каркас, или как говорят инженеры это конструктивно-силовая схема самолета. На самолет в полете действуют различные нагрузки. Это аэродинамическая сила, вес агрегатов и конструкций, перегрузки, ветры и так далее (подробнее в нашей статье).
Раньше, до конца второй мировой войны, самолеты имели ферменную конструкцию, по аналогии с мостами и подъемными кранами. В таком варианте каркас состоит из полых трубок, которые расположены так, чтобы воспринимать нагрузки по всем направлениям. Сверху они просто затягивались тканью, фанерой или металлическими листами.
Такая конструкция достаточно проста в изготовлении, но имеет ряд недостатков, среди которых большая масса из-за того, что обшивка не включена в силовую схему, а лишь прикрывает ферму, а также все эти стержни не позволяют нормально компоновать груз и оборудование внутри самолета, занимая почти все пространство. Сегодня ферменные фюзеляжи остались лишь на спортивных самолетах и в малой авиации, где важна простота изготовления.
Переходим к более современным конструктивным решениям (Фюзеляжи типа монокок и полумонокок, кессонные, моноблочные и лонжеронные крылья).
Рассмотрим основные силовые элементы планера самолета. Для того, чтобы их увидеть нужно снять обшивку. Это и есть первый элемент.
Обшивка служит для восприятия крутящих моментов, перерезывающей силы, а также для обеспечения аэродинамического обтекания и соблюдения профилей самолета. Под обшивкой находится силовой набор, который схематично похож на решетку. Это не спроста. Ведь он должен воспринимать силы и моменты как в продольном, так и в поперечном направлениях.
Фюзеляж самолета образуют шпангоуты.
Шпангоуты - это силовые элементы, которые обеспечивают форму сечений фюзеляжа, его обводы, а также воспринимают крутящий момент. Если проводить аналогию с живой природой, то это “ребра” самолета. Шпангоуты также есть у ракет, подводных лодок, цистерн, а пришли они в авиацию из кораблестроения. К усиленным шпангоутам крепятся консоли крыла, иногда шасси и различное оборудование. Шпангоуты соединяются между собой стрингерами и лонжеронами.
Стрингеры подкрепляют обшивку, воспринимают растяжение и сжатие.
В крыле (также может быть и в фюзеляже) есть лонжерон.
Лонжерон - это продольный силовой элемент, который работает на изгиб и воспринимает перерезывающую силу.
По сути, в большинстве самолетов именно на лонжерон приходится большая часть веса самолета в полете, ведь крыло создает подъемную силу и удерживает самолет в воздухе. Он располагается по всей длине крыла или фюзеляжа и представляет собой балку, чаще всего таврового сечения (двутаврового), то есть состоит из стенки и двух полок.
Растягиваясь и сжимаясь, полки воспринимают изгибающий момент, а стенка воспринимает перерезывающую силу.
Поперечный элемент конструкции крыла это нервюры. Они представляют собой листовые детали в форме профиля крыла (всем известной “капельки").
Они обеспечивают с одной стороны как раз поддержание заданной формы профиля крыла, а с другой препятствуют закручиванию крыла от действия аэродинамических нагрузок. Ну и так же крыло подкрепляют уже известные нам стрингеры. Сверху все закрывается обшивкой, которая также воспринимает часть нагрузок. В зависимости от того какой элемент воспринимает основную в процентном отношении нагрузку, все схемы условно делят на следующие типы:
Крыло: Бывает лонжеронным (где основную часть изгибающего момента воспринимает лонжерон или лонжероны), кессонным (где основной элемент - кессон - это обшивка подкрепленная стенками) или моноблочная, состоящая из одной оболочки (обшивки)
Фюзеляж: Помимо ферменного, бывает типов: Монокок (основной элемент - обшивка), Полумонокок (обшивка подкреплена шпангоутами и стрингерами).
Как вы видите, эта классификация весьма условна, ведь существует множество вариантов комбинаций, "миксов" этих схем. Например в кессонном крыле может быть лонжерон с ослабленными полками, а в фюзеляже стрингер иногда трудно отличить от лонжерона. Но это и не важно, ведь главное то, что каждая конструкция проектируется под конкретный самолет, соответственно требованиям к нему и его задачам и является компромиссом между прочностью и массой каркаса. Конструкторы и прочнисты рассчитывают оптимальные форму, материал, количество и расположение силовых элементов, принимая во внимание множество факторов. Благодаря современным компьютерам эти расчеты можно провести быстрее и точнее, чем раньше, тем самым экономя время и материал.
Повторим все силовые элементы, чтобы лучше их запомнить:
- Шпангоуты
- Стрингеры
- Лонжероны
- Нервюры
- Обшивка
Сегодня мы познакомились с конструктивно силовой схемой самолета, узнали основные элементы, из которых она состоит. До новых встреч на канале Пилот-Инженер!