Энциклопедия Кольера - авиационно-космические конструкции

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ САМОЛЕТОВ

Аэродинамические характеристики. Элементы конструкции самолета должны обладать высокой прочностью, так как они подвержены воздействию больших нагрузок при полете, посадке и движении самолета по земле. В то время как форма стационарных наземных сооружений, например зданий или мостов, может быть определена конструктором из соображений прочности и экономичности, конструкция самолета должна, кроме того, удовлетворять ряду жестких дополнительных требований, в частности аэродинамических. Например, крыло должно выдерживать изгибающие и крутящие силы и моменты, возникающие в результате нестационарного силового воздействия воздушного потока на поверхность крыла. Наиболее эффективно такие нагрузки выдерживает жестко заделанная балка, однако такая конструкция непригодна с точки зрения аэродинамики, согласно которой поперечные сечения крыла должны быть тонкими, хорошо обтекаемыми профилями. Этот пример иллюстрирует важную особенность авиационных конструкций, при проектировании которых наряду с выполнением требований прочности необходимо обеспечивать высокие аэродинамические характеристики.

Весовые характеристики. Второй характерной особенностью авиационно-космических конструкций является стремление снизить их вес до минимально возможного. В противном случае самолет или ракета не сможет взлететь или взять на борт необходимый полезный груз. По этой причине проектирование и расчет авиационно-космических конструкций проводят с такой точностью, что допускается только тот вес, который совершенно необходим для прочности. Столь малый вес конструкции может быть достигнут только в результате использования тонких и удлиненных конструктивных элементов из высокопрочных материалов.

Конструктивные соображения. Таким образом, две основные особенности, которые отличают авиационные конструкции от наземных инженерных сооружений, это влияние аэродинамических нагрузок на форму конструкции и использование исключительно легких удлиненных и тонкостенных элементов из высокопрочных материалов. На различных этапах развития авиации предлагались различные конструктивные решения для самолетов. Существует очевидная связь между оптимальной конструкцией самолета и его скоростью. Интересно отметить, что некоторые конструктивные решения, принятые на ранней стадии развития авиации, оказались приемлемыми и для современных самолетов, летающих в том же диапазоне скоростей. Так, сварной фюзеляж из стальных трубок во время Первой мировой войны был новинкой, позволившей улучшить характеристики истребителей и увеличить скорости их полета до 160 км/ч. Подобные конструкции стали совершенно непригодными для истребителей времен Второй мировой войны, которые летали со скоростями около 640 км/ч. С другой стороны, спортивные самолеты и самолеты для личного пользования, появившиеся намного позднее, редко развивают скорость больше 160 км/ч, и в конструкциях их фюзеляжей успешно применяются свариваемые металлические трубки.

АВИАЦИЯ ДО ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ

На протяжении первых десятилетий развития авиации конструкторы пытались оптимизировать конструкцию самолета путем экспериментирования с различными вариантами и схемами. Оказалось, что многие конструктивные схемы, которые предлагались в заявках на изобретения в 1930-х годах, имели свои прототипы, которые уже предлагались в начале этого столетия, но были отвергнуты и с течением времени забыты. Одна существенная особенность, общая для всех самолетов, построенных до Первой мировой войны, заключалась в том, что на них применялись исключительно тонкие крылья. Тогда считалось, что требуемая подъемная сила может быть достигнута только на очень тонких, плоских или слегка изогнутых аэродинамических поверхностях. Такое тонкое крыло, подобное тонкой пластине, изгибается даже под действием небольшой нагрузки. Для того чтобы обеспечить требуемые жесткость и прочность, крыло подкреплялось наружными расчалками.

Расчалочный моноплан. На раннем этапе развития авиации успешно использовались две компоновочные схемы самолетов расчалочный моноплан (рис. 1,а) и биплан (рис. 2). Примерами монопланов являются самолеты конструкции Альберто Сантоса-Дюмона и Луи Блерио. Бипланы конструировали братья Райт. Простой анализ равновесия сил и моментов показывает, каким образом внешние расчалки и распорки усиливают прочность конструкции. На рис. 1,б видно, что вес G самолета уравновешен подъемной силой Y, возникающей при обтекании крыла воздушным потоком. Подъемная сила приложена на расстоянии d от центра тяжести и создает момент Yd. Этот момент должен быть уравновешен моментом сил реакции, поскольку система крыло расчалка находится в равновесии, как показано на рис. 1,б. Под действием подъемной силы нижняя расчалка натягивается, а верхняя ослабляется. Следовательно, в полете верхняя расчалка не передает никаких усилий на фюзеляж, и силы реакции будут возникать только в месте соединения крыла с нижней расчалкой. Это силы H на рис. 1,б. Их величина может быть вычислена из условия равновесия для моментов: