Конструкция самолёта

Элементы управления

В конструкции самолета важную роль играют рулевые поверхности. Руль высоты представляет собой подвижный задний элемент стабилизатора. Если этот узел оборудован парой консолей, то и рулей будет два. Они синхронно отклоняются вниз либо вверх, помогают изменять высоту полета планера.

Элероны – это подвижные части консолей крыльев. Они позволяют относительно продольной оси. Работа элементов осуществляется синхронно, отклонение каждой детали происходит в разные стороны.

Руль направления представляет собой активную часть киля, служит для стабилизации аппарата по вертикали. Вращение в противоположную сторону от направления руля происходит до того момента, пока пилот не вернет штурвал в нейтральную позицию.

Крепление агрегатов самолёта 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.

Крепление крыла и стабилизатора

Принципиальной особенностью стыка крыла с фюзеляжем является способ уравновешивания изгибающих моментов консолей крыла в этом стыке. Наиболее рациональным считается уравновешивание изгибающих моментов левой и правой консоли крыла на центроплане, пропущенном через фюзеляж. Для лонжеронных крыльев с этой целью достаточно пропустить через фюзеляж только лонжероны, на которых и произойдёт уравновешивание изгиба.

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

В том случае, когда по компоновочным причинам пропуск через фюзеляж силовых элементов крыла невозможен, замыкание изгибающих моментов слева и справа должно выполняться на силовых шпангоутах фюзеляжа. Такое решение применимо лишь для лонжеронных крыльев, у которых число лонжеронов невелико. Кессонные и моноблочные крылья требуют большого числа силовых шпангоутов для замыкания силовых панелей, что конструктивно выполнить очень трудно. В этом случае следует отказаться от указанных силовых схем крыла и перейти на лонжеронную схему.

Перерезывающая 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 момента обшивка крыла и фюзеляжа соединяется по контуру стыковочным уголковым 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.

Крепление киля

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

Если позволяют условия компоновки, то используется «мачтовая» заделка лонжерона в двух точках, разнесённых по высоте силового шпангоута. 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 избавиться, если силовой шпангоут поставить наклонно к оси фюзеляжа так, чтобы его плоскость являлась продолжением плоскости стенки лонжерона киля. Но такое решение вызывает значительные технологические трудности при изготовлении наклонного шпангоута и сборке фюзеляжа.

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 креплению стабилизатора или крыла.

Вырезы

Центральная часть фюзеляжа самолета включает в себя отверстия под окна, двери, люки, фонари, ниши шасси. Все эти вырезы нарушают замкнутость контура обшивки. Соответственно, существенно снижается устойчивость и прочность каркаса. Для компенсации потерь по контурам отверстий пропускают рамную жесткую окантовку. При небольших размерах вырезов она представляет собой монолитную конструкцию. Ее выполняют из листа, изготовленного штамповкой или иным способом. Крупные отверстия окантовываются по торцам усиленными шпангоутами. В продольном направлении устанавливают бимсы. При этом они не заканчиваются в пределах выреза, а выходят за усиленные шпангоуты. Так обеспечивается жесткая закладка продольных деталей. Ниши шасси закрепляются на усиленных шпангоутах и лонжеронах в нижней части корпуса.

Нагрузки

Разъясняя, что такое фюзеляж самолета (фото, представленное в статье, иллюстрирует его особенности), необходимо сказать о воздействиях, которые он испытывает. При посадке и в полете на этот компонент действуют:

1. Силы, передающиеся от присоединенных компонентов. К ним, в частности, относят крылья, шасси, оперение, силовую установку и пр.
2. Массовое инерционное воздействие оборудования, грузов, агрегатов, которые находятся непосредственно в нем.
3. Аэродинамические силы, которые распределены по поверхности.
4. Инерционное воздействие собственной массы. Его оказывает сама конструкция фюзеляжа самолета.
5. Силы излишнего давления в отсеках оборудования, герметичных кабинах.

Все указанные нагрузки полностью сбалансированы. Рассматривая, что такое фюзеляж самолета в рамках строительной механики, можно представить его в виде коробчатой балки. В любом сечении на нее воздействуют горизонтальные и вертикальные силы, крутящий момент. В герметичных отсеках к ним добавляется излишнее внутреннее давление.

Шпангоуты

Они могут быть усиленными или обычными. Последние обеспечивают сохранность формы поперечного сечения модуля. Усиленные шпангоуты используются на участках скопления больших нагрузок на корпус. На них находятся узлы, стыкующие агрегаты, закрепляющие грузы, крупное оборудование, двигатели и пр. Усиление устанавливают также по границам крупных вырезов в корпусе. Обычные шпангоуты имеют, как правило, рамную конструкцию. Они изготавливаются из штампованного или гибкого листа. Усиленные элементы выполняют в форме замкнутой рамы швеллерного или двутаврового сечения. Касательный поток выступает как опорная реакция. Рама распределяет внешнее воздействие по всему периметру. Сама же она действует на изгиб. Он определяет ее сечение. Конструкция такой рамы монолитная или сборная. На участках установки перегородок усиленный шпангоут зашивают стенкой полностью. Она подкрепляется горизонтальными и вертикальными профилями. Обшивка шпангоута может осуществляться также сферической оболочкой. Подкрепляющие элементы при этом располагаются радиально.

Фюзеляж

А теперь рассмотрим основные конструктивные части лайнера. Начнем с фюзеляжа.

Фюзеляж – это корпус, который состоит из разных частей. В нем размещаются пассажиры, экипаж, здесь есть багажный отсек, куда складываются вещи. Фюзеляж – это достаточно сложная система, которая должна быть прочной и герметичной. Если его обшивка в полете разрушается, то это может привести к человеческим жертвам, поэтому обеспечению герметичности фюзеляжа уделяют много внимания при конструировании судна. Если сильно обобщить, то это герметичная «коробка», где находятся пассажиры, оборудование, груз. Именно эту ее и нужно из точки «А» перегнать в точку «Б».

Крылья

Крылья или крыло (часто в самолетах всего одно крыло, которое ошибочно принимают за два) – устройство самолета, которое обеспечивает аэродинамическую устойчивость лайнера и позволяет им управлять. Благодаря крыльям также обеспечивается аэродинамическая подъемная сила.

Принцип их действия основан на третьем законе Ньютона: частицы воздуха сталкиваются с нижней поверхностью крыла, отскакивают вниз, толкая при этом крыло вверх. Вместе с ним вверх направляется сам самолет. Регулировать подъемную силу позволяют закрылки (оперение) крыльев. Угол их поднятия изменяет пилот из кабины.

Планер

Основная статья: Планер самолёта

Обычно планер самолёта включает фюзеляж, крыло, хвостовое оперение, шасси и гондолы, куда помещают двигательные установки или другие агрегаты. Этот набор элементов характерен для классической конструктивной схемы. Некоторые элементы могут отсутствовать в других конструктивных схемах.

Компоновочные схемы

На сегодняшний день различают следующие компоновочные схемы самолётов:

• классическая компоновка
• бесхвостка
• утка
• летающее крыло
• продольный триплан (с передним и хвостовым горизонтальным оперением)
• тандем (два крыла расположены друг за другом)
• конвертируемая (Ту-144)

Фюзеляж

Основная статья: Фюзеляж

Различные типы фюзеляжей

Фюзеляж является «телом» самолёта. В нём располагаются кабина экипажа, основные топливные баки, системы управления и контроля, пассажирские салоны и багажные отсеки (в пассажирских самолётах) или грузовые отсеки (в грузовых самолётах), оружие (в боевых самолётах) и так далее. Конструктивно-силовая схема фюзеляжа, как правило, состоит из продольных элементов (лонжеронов и стрингеров), поперечных элементов (шпангоутов) и обшивки (металлических (чаще дюралюминиевых) листов).

Пассажирские самолёты разделяют на узко- и широкофюзеляжные. У первых диаметр поперечного сечения фюзеляжа составляет в среднем 2-3 метра. Диаметр широкого фюзеляжа — не менее шести метров. Все широкофюзеляжные самолёты — двухпалубные: на верхней палубе располагаются пассажирские места, на нижней — багажные отсеки. Существуют самолёты с двумя пассажирскими палубами — Airbus A380 и Боинг 747.

Крыло

Основная статья: Крыло самолёта

Ил-76, высокоплан с Т-образным оперением

Крыло является ключевой частью в конструкции самолёта, оно создаёт подъёмную силу: профиль крыла устроен таким образом, что консоль разделяет набегающий на самолёт поток воздуха. Над верхней кромкой крыла образуется область низкого давления, одновременно под нижней — область высокого давления, крыло «выталкивается» наверх, и самолёт поднимается.

Крыло чаще всего крепится к фюзеляжу:

• через центроплан, расположенный в нижней части фюзеляжа у низкопланов (Ил-96, Ту-96, Airbus A380 и Боинг 747)
• или — у высокопланов — в верхней части фюзеляжа (Ил-76, Ан-22, Ан-124-Руслан, Ан-225-Мрия, C-130 Hercules).

Крепление крыла непосредственно к центральной части фюзеляжа без центроплана характерно для боевых самолётов (Ту-22М).
Самолёт также может иметь два, три и более крыла. Чаще всего у самолётов, имеющих два крыла — бипланов — одно крыло крепится к верхней части фюзеляжа, а другое — к нижней (Ан-2).

На крыле установлено множество отклоняющихся меньших консолей (механизации): закрылки, предкрылки, спойлеры, элероны, интерцепторы и другие. Они позволяют регулировать перемещение самолёта в трёх плоскостях, путевую скорость и некоторые другие параметры полёта. На современных самолётах на крыльях часто устанавливаются вертикальные законцовки, уменьшающие завихрения воздуха на кончиках крыла, снижая уровень вибрации, и, как следствие, экономя топливо. Внутри крыльев (у крупных самолётов), как правило, установлены топливные баки. У самолётов-истребителей дополнительные топливные баки нередко подвешиваются к специальным вертикальным консолям-креплениям.

Аэродинамические свойства крыла определяются его геометрией: размахом, площадью, а также углом и направлением стреловидности. Существуют самолёты с изменяемой геометрией крыла (самолёты с крылом изменяемой стреловидности).

Оперение

Основная статья: Оперение (авиация)

Оперение устанавливается в хвостовой или носовой части фюзеляжа. Хвостовое оперение в большинстве случаев представляет собой вертикально расположенный киль (или несколько килей — как правило два киля) и горизонтальный стабилизатор, близкие по конструкции к крылу. Киль регулирует путевую устойчивость самолёта (по оси движения), а стабилизатор — продольную (т. е. устойчивость по тангажу).

Горизонтальное оперение устанавливается на фюзеляже (Ил-86) или на верху киля (T-образная схема (Ту-154, Ил-76)). Киль устанавливается на фюзеляж или в двухкилевой схеме — на обоих кончиках цельного стабилизатора (Ан-225). На некоторых боевых самолётах дополнительное оперение устанавливается в носовой части фюзеляжа (). Для обеспечения достаточной путевой устойчивости на высоких скоростях, сверхзвуковые самолёты имеют непропорционально большой киль (Ту-22М3) или два киля (Су-27, МиГ-25, F-15).

Системы бортового оборудования

Основная статья: Авионика

Колесо в разрезе, видны тормозные диски.

Современные летательные аппараты оснащены весьма сложным и разнообразным оборудованием, которые позволяют выполнять полёты при любых условиях. По действующей документации (Федеральные Авиационные Правила), оборудование летательных аппаратов включает: Авиационное оборудование (АО), Радиоэлектронное оборудование (РЭО), Авиационное вооружение (АВ) — для военных машин.

Системы бортового оборудования большинства летательных аппаратов включают:

• Навигационный (НК), навигационно-пилотажный (НПК) или прицельно-навигационный пилотажный комплекс (ПрНК).
• Автопилот (АП), система автоматического управления (САУ) или комплекс аппаратуры автоматической бортовой системы управления (АБСУ).
• Системы оборудования силовых установок (СУ).
• Система предупреждения о столкновении
• Система бортового электроснабжения (БЭС).
• Противообледенительная система (ПОС)
• Противопожарная система (ППС)
• Приборное оборудование
• Радионавигационное оборудование (РНО)
• Радиосвязное оборудование (РСО)
• Бортовые средства объективного контроля (БСОК)
• Светотехническое оборудование
• Система кондиционирования (СКВ) и жизнеобеспечения
• Высотное и кислородное оборудование
• Аварийно-спасательное оборудование
• Бытовое оборудование

В летательных аппаратах военного назначения могут устанавливаться:

• Радиолокационные и телевизионно-оптические прицельные системы
• Системы радиоэлектронного противодействия
• Системы и ИК-разведки
• Системы закрытой кодированной связи

и многое другое.

Общие сведения

Являясь строительной основой конструкции самолёта, он объединяет в силовом отношении в единое целое все его части. Основным требованием к фюзеляжу является выполнение им своего функционального назначения в соответствии с назначением самолёта и условиями его использования при наименьшей массе конструкции фюзеляжа.

Выполнение этого требования достигается:

• выбором таких внешних форм и значений параметров фюзеляжа, при которых получаются минимальное его лобовое сопротивление и наибольшие полезные объёмы при определившихся габаритах;
• использованием несущих фюзеляжей, создающих значительную (до 40 %) подъёмную силу в интегральных схемах самолёта (например, Ту-160). Это позволяет уменьшить площадь крыла и снизить его массу;
• рациональным использованием полезных объёмов за счёт повышения плотности компоновки, а также за счёт более компактного размещения грузов вблизи 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 самолёта;
• согласованием силовой схемы фюзеляжа с силовыми схемами присоединённых к нему агрегатов. При этом необходимо обеспечить: надёжное крепление, передачу и уравновешивание нагрузок от силовых элементов крыла, оперения, шасси, силовой установки на силовых элементах фюзеляжа; восприятие массовых сил от целевой нагрузки, оборудования и от конструкции фюзеляжа, а также от аэродинамической нагрузки, действующей на фюзеляж, и нагрузки от избыточного давления в гермокабине.
• Должно быть обеспечено удобство подходов к различным агрегатам, размещён­ным в фюзеляже, для их осмотра и ремонта; удобство входа и выхода экипажа и пассажиров, выброса десантников и вооружения, удобство погрузки, швартовки и выгрузки предназначенных для перевозки грузов. Пассажирам и экипажу должны быть обеспечены необходимые жизненные условия и определённый уровень комфорта при полёте на большой высоте, тепло- и звукоизоляция кабин, возможность быстрого и безопасного аварийного покидания самолёта, экипажу — хороший обзор.

Нагрузки, действующие на фюзеляж

В полёте и при посадке на фюзеляж действуют следующие нагрузки:

• силы, передающиеся на фюзеляж от присоединённых к нему частей самолёта — 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, распределённые по поверхности фюзеляжа,
• силы избыточного давления в герметических кабинах, отсеках оборудования, каналах воздухозаборников.

Перечисленные нагрузки с учётом полностью уравновешены на фюзеляже.

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

Классификация

По назначению самолеты подразделяются на гражданские и военные образцы. Главные части первого варианта оборудуются пассажирским или грузовым отсеком. Они занимают большую часть внутренней площади фюзеляжа.

Виды небоевых самолетов:

1. Местные пассажирские перевозчики. Дальность их полета составляет от двух до десяти тысяч километров, а межконтинентальная категория преодолевает свыше 11 тысяч км.
2. Грузовые модели делятся на легкую, среднюю и тяжелую группу. В зависимости от квалификации, они способны транспортировать от 10 до 40 тонн груза.
3. Специальные летательные аппараты. Применяются для санитарных, аграрных, разведывательных, противопожарных нужд, а также в качестве аэрофотосъемочных агрегатов.
4. Учебные модификации.

Военные вариации не имеют такого комфортного оснащения салона. Основную часть фюзеляжа занимают комплексы вооружения, разведывательное оборудование, боеприпасы и специальные вспомогательные средства. Подразделение армейских планеров по классам: военно-транспортные модели, истребители, штурмовики, бомбардировщики, разведчики.

Устройство летательных аппаратов зависит от аэродинамической схемы, по которой они выполнены. Она характеризуется количеством основных элементов и расположением несущих поверхностей. Если носовая у большинства моделей похожа, то расположение и геометрия крыльев, хвостовой части могут сильно разниться.

Основной принцип

В теории нет ничего сложного в устройстве самолета, благодаря которому тот взлетает в воздух. Главный элемент лайнера – это его двигатели, которые обеспечивают большую тягу, позволяющую разогнать машину до огромных скоростей. Именно за счет большой скорости самолет и взлетает. Итак, два двигателя разгоняют машину на взлетно-посадочной полосе, из-за чего самолет набирает высокую скорость. Затем закрылки на крыльях опускаются вниз. Они воспринимают большую нагрузку встречного воздуха, из-за чего возникает большая подъемная сила, которая и отрывает лайнер от земли.

То есть, два двигателя разгоняют самолет, закрылки на крыльях позволяют изменить вектор тяги и направить лайнер вверх. Вот так в двух словах можно описать устройство самолета для чайников.

Шасси

Основная статья: Шасси летательного аппарата

С помощью шасси самолёт осуществляет взлёт и посадку, руление, стоянку. Шасси представляет собой демпферную стойку, к которой крепится колёсная тележка (у гидропланов — поплавок). В зависимости от массы самолёта различается конфигурация шасси. Наиболее часто встречающиеся: одна передняя стойка и две основных (Ту-154, А320), одна передняя и три основных (Ил-96), одна передняя и четыре основных (Боинг 747), две передних и две основных (B-52). Для ранних самолётов было характерно устанавливать две основных стойки и небольшое вращающееся колесо непосредственно под килем без стойки (Ли-2). Также уникальную схему шасси имеет Ил-62: одна передняя стойка, две основных и выдвигающаяся штанга с одной колёсной парой в самом хвосте для устойчивости при разгрузке-погрузке. На самых первых самолётах стоек не было вообще, а колеса крепились на обыкновенную ось.

Колёсные тележки могут иметь различное количество колёсных пар: от одной (А320) до семи ().

Управление поворотом самолёта на земле может осуществляться через привод к передней стойке шасси или дифференциацией режима работы двигателей (у самолётов с более чем одним двигателем). В полёте шасси убираются в специальные отсеки для уменьшения аэродинамического сопротивления.