Projektowanie statków powietrznych: główne elementy. Projektowanie i budowa samolotów

23.06.2019

Współczesny transport pasażerski i towarowy jest po prostu niemożliwy do wyobrażenia bez samolotów. Ale za wygodą i mobilnością tych "żelaznych ptaków" składają się dziesięciolecia rozwoju i tysiące nieudanych prób. Projektowanie samolotów i ich budowa są zaangażowane w najlepsze umysły przemysłu lotniczego. Koszt błędu w tym polu może być zbyt wysoki. Dzisiaj zanurzymy się w świecie inżynierii lotniczej i poznajemy elementy, z których składa się konstrukcja samolotu.

Ogólna charakterystyka

W klasycznej wersji samolotu jest szybowiec (kadłub, skrzydła, ogon, gondola), wyposażony w elektrownię, podwozie i układy sterowania. Ponadto integralną częścią współczesnych samolotów jest awionika (awionika), zaprojektowana do kontrolowania wszystkich narządów i systemów samolotu i znacznie upraszczająca los pilotów.

Struktura samolotu

Istnieją inne schematy projektowe, ale są one znacznie mniej powszechne i, co do zasady, w przemyśle lotnictwa wojskowego. Na przykład bombowiec B-2 został zaprojektowany zgodnie ze schematem "latającego skrzydła". Jasny przedstawiciel samolotu w Rosji - myśliwiec MiG-29 - jest wykonany według "schematu przewoźnika". W nim pojęcie "kadłuba" zastępuje się pojęciem "ciało".

Rodzaje samolotów

W zależności od przeznaczenia, samoloty są podzielone na dwie duże grupy: cywilną i wojskową. Modele cywilne są podzielone na maszyny pasażerskie, ładunkowe, szkoleniowe i specjalne.

Wersje pasażerskie różnią się tym, że większość ich kadłuba zajmuje specjalnie wyposażona kabina. Zewnętrznie można je rozpoznać po dużej liczbie okien. Samoloty pasażerskie dzielą się na: lokalne (latające w odległości mniejszej niż 2 tysiące km); średnia (2-4 tys. km); (odległość 4-9 tys. km); i międzykontynentalne (ponad 11 tysięcy km).

Ładunek samolotowy to: lekki (do 10 ton ładunku), średni (10-40 ton ładunku) i ciężki (ponad 40 ton ładunku).

Samolot specjalnego przeznaczenia może być: sanitarny, rolniczy, rozpoznawczy, przeciwpożarowy i przeznaczony do fotografii lotniczej.

Modele szkoleniowe , odpowiednio, są niezbędne do szkolenia początkujących pilotów. W ich konstrukcji mogą nie być elementy pomocnicze, takie jak siedzenia w kabinie pasażerskiej i tak dalej. To samo dotyczy wersji eksperymentalnych, które są używane do testowania samolotu nowego modelu.

Samoloty wojskowe, w przeciwieństwie do cywilów, nie mają wygodnej kabiny i iluminatorów. Cała przestrzeń kadłuba w nich jest zajęta przez systemy uzbrojenia, sprzęt rozpoznawczy, systemy łączności i inne jednostki. Bojowy samolot podzielone na: myśliwce, bombowce, samoloty szturmowe, rozpoznawcze, transportowe, a także wszelkiego rodzaju pojazdy specjalnego przeznaczenia.

Kadłub

Kadłub samolotu jest główną częścią, która pełni funkcję przewoźnika. Jest do niego przymocowane wszystkie elementy konstrukcyjne samolotu. Na zewnątrz są: skrzydła z gondolą silnikową, ogon i podwozie, a od wewnątrz - kabina sterownicza, pomieszczenia techniczne i łączność, a także przedział ładunkowy lub pasażerski, w zależności od wyposażenia statku. Rama kadłuba jest złożona z elementów podłużnych (pręty i podłużnice) i poprzecznych (ram), które są następnie osłonięte blachą. W samolotach lekkich zamiast metalu stosuje się sklejkę lub plastik.

Kadłub samolotu

Samochody osobowe mogą być wąskie i szerokie. W pierwszym przypadku średnica przekroju skrzyni wynosi średnio 2-3 metry, aw drugim - od sześciu metrów. Lotnicze samoloty mają zazwyczaj dwie talie: górna jest przeznaczona dla pasażerów, a dolna - dla bagażu.

Podczas projektowania kadłuba zwraca się szczególną uwagę na właściwości wytrzymałościowe i ciężar konstrukcji. W związku z tym istnieją takie środki:

  1. Kształt samolotu jest tak skonstruowany, że siła podnoszenia jest maksymalna, a frontalny opór wobec mas powietrza jest minimalny. Objętość i wymiary maszyny powinny być ze sobą idealnie powiązane.
  2. Aby zwiększyć efektywną objętość kadłuba, projekt zapewnia najbardziej gęsty układ skóry i elementy nośne kadłuba samolotu.
  3. Wierzchołki elektrowni, elementy startu i lądowania oraz segmenty skrzydła starają się uczynić tak prostym i niezawodnym, jak to tylko możliwe.
  4. Miejsca zakwaterowania pasażerów i zabezpieczania towarów lub materiałów eksploatacyjnych są zaprojektowane w taki sposób, aby w różnych warunkach działania samolotu jego bilans pozostawał w granicach tolerancji.
  5. Przestrzeń dla pomieszczeń załogi powinna zapewniać komfortowe sterowanie samolotem, dostęp do głównych przyrządów nawigacyjnych i najbardziej efektywne zarządzanie w przypadku nieprzewidzianych sytuacji.
  6. Rozplanowanie samolotu odbywa się w taki sposób, że podczas jego obsługi, kapitanowie mają możliwość dowolnego diagnozowania niezbędnych komponentów i zespołów samolotu oraz, w razie potrzeby, ich naprawy.

Kadłub samolotu musi być wystarczająco mocny, aby wytrzymać obciążenia powstające w różnych warunkach lotu, a mianowicie:

  1. Obciążenia, które występują w punktach mocowania głównych elementów kadłuba (skrzydła, ogon, podwozie) podczas startu i lądowania.
  2. Obciążenia aerodynamiczne powstające podczas lotu, biorąc pod uwagę pracę jednostek, siły bezwładności i działanie urządzeń pomocniczych.
  3. Obciążenia związane z spadkami ciśnienia, które występują podczas przeciążenia w hermetycznie zamkniętych przedziałach samolotu.

Skrzydło

Skrzydła są ważnym elementem konstrukcyjnym każdego samolotu. Tworzą siłę nośną potrzebną do lotu i pozwalają na manewrowanie. Ponadto skrzydło samolotu służy do pomieszczenia jednostki napędowej, zbiorników paliwa, przystawek oraz urządzeń do startu i lądowania. Prawidłowy stosunek masy, sztywności, wytrzymałości, aerodynamiki i jakości produkcji tego elementu konstrukcyjnego determinuje właściwy lot i charakterystykę operacyjną samolotu.

Skrzydło samolotu

Skrzydło samolotu składa się z następujących części:

  1. Ciało, które składa się z ramy (pręty, struny i żebra) i poszycia.
  2. Listwy i klapy, które zapewniają start i lądowanie samolotu.
  3. Interceptory i lotki, przez które pilot może zmienić kierunek lotu samolotu.
  4. Klocki hamulcowe, pracowników do szybszego zatrzymania samolotu w momencie lądowania.
  5. Pylony, na których zamontowane są elektrownie.

Skrzydło jest przymocowane do kadłuba przez środkową część - element łączący prawe i lewe skrzydło i częściowo przechodzący przez kadłub. W przypadku niskich płaszczyzn środkowe skrzydło znajduje się na dole kadłuba, a dla wysokich płaszczyzn znajduje się u góry. W pojazdach bojowych może być całkowicie nieobecny.

W wewnętrznych wnękach skrzydła (w dużych zbiornikach) zwykle montuje się zbiorniki paliwa. W lekkich samolotach myśliwskich dodatkowe zbiorniki paliwa można zawiesić na specjalnych wspornikach wspornikowych.

Skrzydło mocy strukturalnej

Konstrukcja skrzydła strukturalnego powinna zapewniać odporność na siły ścinające, skręcające i zginające powstające podczas lotu. Jego niezawodność wynika z zastosowania solidnej ramy wykonanej z elementów wzdłużnych i poprzecznych, a także z trwałego poszycia.

Podłużne elementy ramy skrzydła są reprezentowane przez drzewce i podłużnice. Drzewce są wykonane w postaci wiązarów lub belek monolitycznych. Są one umieszczane na całej objętości wewnętrznej skrzydła z pewną przerwą. Pręty nadadzą sztywności konstrukcji i wyrównają wpływ sił poprzecznych i zginających powstających na danym etapie lotu. Stringery pełnią rolę kompensatora dla osiowej kompresji i napięcia. Wyrównują również lokalne obciążenia aerodynamiczne i zwiększają sztywność skóry.

Rodzaje samolotów

Poprzeczne elementy ramy skrzydła są przedstawione za pomocą żeber. W tym projekcie mogą być wykonane w postaci kratownic lub cienkich belek. Żebra określają profil skrzydła i nadają jego powierzchni sztywność niezbędną do rozłożenia obciążenia w momencie formowania poduszki powietrznej. Służą również do bardziej niezawodnego mocowania jednostek napędowych.

Obudowa zapewnia nie tylko niezbędny kształt skrzydła, ale także zapewnia maksymalną siłę podnoszenia. Wraz z innymi elementami ramy zwiększa sztywność konstrukcji i eliminuje wpływ obciążeń zewnętrznych.

Skrzydła samolotu mogą różnić się cechami konstrukcyjnymi i funkcjonalnością skóry. Istnieją dwa główne typy:

  1. Spar. Różnią się niewielką grubością skóry, która tworzy zamkniętą pętlę z krawędziami bocznych elementów.
  2. Monoblock. Główna ilość ładunku zewnętrznego jest rozłożona na powierzchni grubej warstwy plateru ustalonej przez zestaw podłużnic. W tym przypadku skóra może być monolityczna lub składa się z kilku warstw.

Mówiąc o konstrukcji skrzydła, warto zauważyć, że jego dokowanie i późniejsze mocowanie muszą być wykonywane w taki sposób, aby ostatecznie zapewnić transmisję i dystrybucję momentu obrotowego i momentów zginających, które mogą wystąpić w różnych trybach działania samolotu.

Upierzenie

Unieruchomienie statku powietrznego pozwala zmienić trajektorię jego ruchu. Może być ogon i nos (używane rzadziej). W większości przypadków płetwa ogonowa jest reprezentowana przez pionowy kil (lub kilka kilów, zwykle dwa) i poziomy stabilizator, który przypomina mniejsze skrzydło w konstrukcji. Dzięki kilowi ​​stabilność gruntu samolotu jest regulowana, czyli stabilność wzdłuż osi ruchu, a dzięki stabilizatorowi - podłużna (w skoku). Poziomy ogon może być zainstalowany na kadłubie lub na wierzchu stępki. Stępka z kolei jest umieszczona na kadłubie. Istnieją różne warianty układu składania ogona, ale w większości przypadków wygląda to w ten sposób.

Niektóre samoloty wojskowe są dodatkowo wyposażone w nos. Jest to konieczne, aby zapewnić właściwy przesuw przy prędkościach naddźwiękowych.

Elektrownie

Silnik jest istotnym elementem w konstrukcji samolotu, ponieważ bez niego samoloty nie mogą nawet wystartować. Pierwszy samolot leciały przez krótki czas i mogły pomieścić tylko jednego pilota. Powód tego jest prosty - silniki o niskiej mocy, które nie pozwalają na uzyskanie wystarczającej siły pociągowej. Aby samoloty nauczyły się transportu setek pasażerów i ciężkich ładunków, projektanci całego świata musieli ciężko pracować.

Lekki samolot

W ciągu całej ewolucji "żelaznych ptaków" stosowano wiele typów silników:

  1. Steam. Zasada działania takich silników opiera się na zamianie energii pary w ruch, która jest przenoszona na śmigło samolotu. Ponieważ silniki parowe miały niską sprawność, były one wykorzystywane przez przemysł lotniczy przez bardzo krótki czas.
  2. Tłok. Są to standardowe silniki spalinowe o konstrukcji przypominającej silniki samochodowe. Zasada ich pracy polega na przekazywaniu energii cieplnej do mechanicznej. Łatwość produkcji i dostępność materiałów decyduje o wykorzystaniu takich elektrowni w niektórych modelach samolotów do tej pory. Pomimo małej wydajności (około 55%), silniki te są zdecydowanie popularne ze względu na ich bezpretensjonalność i niezawodność.
  3. Reaktywny. Takie silniki zamieniają energię intensywnego spalania paliwa na ciąg niezbędny do lotu. Dzisiaj silniki odrzutowe stosowane w budowie statków powietrznych najszerzej.
  4. Turbiny gazowe. Zasada działania tych silników opiera się na granicznym ogrzewaniu i sprężaniu gazu spalinowego, mającego na celu obracanie turbiny. Używane są głównie w wojskowych typach samolotów.
  5. Turboprop. Jest to jeden z podgatunków silników turbinowych. Różnica polega na tym, że energia uzyskana podczas pracy jest przekształcana w napęd i obraca śmigło samolotu. Niewielka część energii idzie do utworzenia strumienia pchającego. Takie silniki są używane głównie w lotnictwie cywilnym.
  6. Turbofan. W tych silnikach realizowane jest wtłaczanie dodatkowego powietrza, niezbędnego do całkowitego spalania paliwa, dzięki czemu można osiągnąć maksymalną wydajność i przyjazność dla środowiska elektrowni. Silniki tego typu są szeroko stosowane w budowie dużych samolotów.

Spotkaliśmy się z głównymi rodzajami silników lotniczych. Lista silników, które projektanci samolotów kiedykolwiek próbowali zainstalować na pokładzie samolotu, nie jest ograniczona do tej listy. W różnych czasach podejmowano wiele prób stworzenia wszelkiego rodzaju innowacyjnych bloków energetycznych. Na przykład w ubiegłym stuleciu poczyniono poważne prace nad stworzeniem atomowych silników lotniczych, które nie zapuściły korzeni z powodu wysokiego zagrożenia środowiskowego w przypadku katastrofy lotniczej.

Zwykle silnik jest montowany na skrzydle lub kadłubie samolotu przez pylon, przez który są doprowadzane napędy, rury paliwowe itp. W tym przypadku silnik jest ubrany w ochronną gondolę. Istnieją również samoloty, w których elektrownia znajduje się bezpośrednio w kadłubie. Samolot może być z jednego (An-2) do ośmiu (B-52) silników.

Zarządzanie

Sterowanie samolotu nazywa się kompleksem urządzeń pokładowych, a także urządzeń dowodzenia i wykonawczych. Polecenia są dostarczane z kokpitu i są wykonywane przez elementy skrzydłowe i ogonowe. Różne samoloty mogą korzystać z różnych typów systemów sterowania: ręcznego, automatycznego i półautomatycznego.

Testy samolotów

Bez względu na rodzaj systemu, organy robocze są podzielone na podstawowe i wtórne.

Główne zarządzanie . Obejmuje działania, które są odpowiedzialne za dostosowanie trybów lotu i przywrócenie równowagi statku w ustawionych wcześniej parametrach. Główne organy zarządzające obejmują:

  1. Dźwignie sterowane bezpośrednio przez pilota (windy, stery wysokości, kierownica, tablice sterownicze).
  2. Komunikacja, która służy do łączenia dźwigni sterujących z siłownikami.
  3. Napędy (stabilizatory, lotki, układy spoilera, klapy i klapy skrzydłowe).

Dodatkowe zarządzanie . Używane tylko w trybie startu i lądowania.

Niezależnie od tego, czy zaimplementowano sterowanie ręczne czy automatyczne w projekcie samolotu, tylko pilot może zbierać i analizować informacje o stanie systemów statku powietrznego, wskaźnikach obciążenia i zgodności trajektorii z planem. A co najważniejsze, tylko on jest w stanie podjąć decyzję, która jest jak najbardziej efektywna w obecnej sytuacji.

Kontrola

Aby odczytać obiektywne informacje o stanie samolotu i sytuacji lotu, pilot wykorzystuje instrumenty podzielone na kilka głównych grup:

  1. Lot i nawigacja. Służą do określania współrzędnych, pozycji pionowej i poziomej, prędkości i odchyleń liniowych statku powietrznego. Ponadto te instrumenty kontrolują kąt natarcia samolotu, działanie systemów żyroskopowych i inne ważne parametry lotu. W przypadku nowoczesnych samolotów urządzenia te są przedstawiane w formie pojedynczego kompleksu nawigacji lotniczej.
  2. Nadzór nad pracą elektrowni. Ta grupa przyrządów dostarcza pilotowi dane dotyczące temperatury i ciśnienia oleju, zużycia paliwa, częstotliwości obrotu wału korbowego i wskaźników drgań.
  3. Przyrządy do monitorowania pracy dodatkowych urządzeń i systemów. Ten kompleks składa się z instrumentów, których czujniki można znaleźć we wszystkich elementach konstrukcyjnych samolotu. Należą do nich: manometry, wskaźniki spadku ciśnienia w zamkniętych kabinach, wskaźniki położenia klapek i tak dalej.
  4. Przyrządy do oceny stanu środowiska. Służą do pomiaru temperatury zewnętrznej, wilgotności, ciśnienia atmosferycznego, prędkości wiatru i innych rzeczy.

Wszystkie urządzenia, które służą do monitorowania stanu samolotu i środowiska zewnętrznego? przystosować się do pracy w każdych warunkach pogodowych.

Systemy lądowania

Start i lądowanie to dość złożone i kluczowe fazy lotu. Nieuchronnie wiążą się z dużymi obciążeniami we wszystkich elementach konstrukcji. Akceptowane przyspieszenie do podnoszenia wielotonowego statku do nieba i delikatne dotknięcie drogi startowej podczas lądowania zapewnia niezawodnie zaprojektowany pas startowy (podwozie). System ten jest również niezbędny do parkowania samochodu i jego kołowania podczas jazdy po lotnisku.

Podwozie samolotu

Podwozie samolotu składa się ze stojaka z klapami, na którym zamocowany jest wózek z kołami (w przypadku pływaków zamiast niego używany jest pływak). Konfiguracja podwozia zależy od ciężaru samolotu. Najczęściej są takie opcje dla systemu lądowania:

  1. Dwa główne stojaki i jeden przód (A-320, Tu-154).
  2. Trzy główne stojaki i jeden przód (IL-96).
  3. Cztery główne stojaki i jeden przód ("Boeing 747").
  4. Dwa główne stojaki i dwa przednie (B-52).

We wczesnych samolotach zainstalowano parę głównych rozpór i tylne koło obrotowe bez stojaka (Li-2). Nietypowy układ podwozia miał również model IL-62, który był wyposażony w jeden przedni słup, parę głównych słupów i wysuwany drążek z parą kół w samym ogonie. Na pierwszym statku powietrznym regały nie były w ogóle używane, a koła były montowane na prostych osiach. Wózek na kółkach może mieć od jednego (A-320) do siedmiu (An-225) zestawów kołowych.

Kiedy samolot znajduje się na ziemi, jego sterowanie odbywa się za pomocą napędu, który jest wyposażony w przedni podwozie. W przypadku statków z wieloma silnikami do tego celu można zastosować rozróżnienie trybu pracy elektrowni. Podczas lotu podwozie samolotu schodzi do specjalnie wyposażonych przedziałów. Jest to konieczne, aby zmniejszyć opór aerodynamiczny.