Для чего нужен киль на самолете
Стабилизатор самолета
Стабилизатор самолета выступает в качестве несущей хвостовой поверхности и отвечает за продольную устойчивость воздушного судна.
В отличие от крыльев он имеет симметрично выпуклый профиль по двум поверхностям. Таким образом есть возможность управлять рулями высоты в разных условиях их положения. В случае несимметричного профиля обтекание стабилизатора не будет одинаковым, а за ним и рули высоты при опускании или поднятии будут обтекаться неодинаково.
Стоит отметить, что устройство стабилизатора практически ничем не отличается от устройства крыла. Он состоит из двух лонжеронов (заднего и переднего), раскосов, нервюр, передней кромки, расчалок, обода и мелких деталей. Его конструктивная особенность заключается в том, что задний лонжерон выступает в качестве детали, формирующей заднюю кромку. Рули высоты подвешены к заднему лонжерону.
Лонжероны стабилизатора имеют коробчатую форму. Причем на некоторых конструкциях У-2 лонжероны делаются цельными: задний – однотаврового сечения, передний – двутаврового.
Коробчатые лонжероны более легкие, но производить их сложнее. По направлению к консолям сечение лонжеронов уменьшается. В соответствии с профилем стабилизатора задний лонжерон имеет немного большую высоту.
Через задний лонжерон проходит 7 вильчатых болтов, предназначенных для установки стабилизатора и подвески рулевой высоты. Передний лонжерон имеет 2 болта, которые крепят на фюзеляже стабилизатора.
Нервюры устроены точно таким же образом, как и нервюры крыла: основные нервюры коробчатого типа, простые облегчены (они имеют одну стенку с облегчающими прорезями). Полки нервюр стабилизатора в отличие от нервюр крыла состоят не из сосны, а из липы. Другое их отличие состоит в том, что у них нет хвостовой части.
Что касается раскосов стабилизатора самолета, то они представляют собой те же коробчатые нервюры, но поставленные под наклоном. Они сходятся посредине заднего лонжерона в общий узел.
Для жесткости стабилизатор самолета расчален четырехмиллиметровой проволокой.
Обход стабилизатора, как и обход крыльев, состоит из кольчугалюминиевых швеллерных полос, имеющих толщину в 0,8 мм. Обход – это продолжение передней кромки стабилизатора самолета и составляет с ним единое целое.
Стабилизатор устанавливается в щели между фюзеляжем и нижней частью киля. В центральной части его переднего лонжерона для крепления стабилизатора установлены 2 вертикальных вильчатых болта, которые соединяются на верхних лонжеронах фюзеляжа ушковыми болтами. Задний лонжерон крепится 1 горизонтальным вильчатым болтом, который прикрепляется на отверстии металлической гребенки, установленной на лонжероне киля.
В местах соединения раскосов с лонжеронами помещены все 3 вильчатых болта.
Снизу стабилизатор поддерживается с помощью четырех подкосов (по 2 с каждой стороны). Они сделаны из стальной трубы и имеют эллипсовидное сечение. Подкосы крепятся на стабилизаторе под основными нервюрами, где на всех сторонах стабилизатора сформировались два пролета, а к нижнему лонжерону на узлах последнего полета. У самолетов 1936 года выпуска усиленные ушки подкосов.
На конце подкосов находится вильчатый болт, с помощью которого регулируется их длина во время установки на фюзеляж стабилизатора.
Передние подкосы короче задних, что соответствует сужению хвостовой части, и имеют на обоих концах регулировочные болты, в то время как на переднем подкосе есть только 1 регулировочный болт, находящийся на верхнем конце.
Стабилизатор неуправляемый в полете, но на земле его можно отрегулировать и установить под определенным установочным углом. В лонжероне киля для установки стабилизатора имеется гребенка с отверстиями.
Установка стабилизатора на конкретный угол в лонжероне киля осуществляется через гребенку с отверстиями. То или иное отверстие для установки выбирается с учетом нагрузки самолета, тем самым создавая необходимые для равновесия самолета условия.
Киль – орган путевой устойчивости, который позволяет воздушному судну самостоятельно сохранять заданное ему направление полета. В том случае, если самолет во время полета отклонится в какую-то сторону (к примеру, из-за сильного порыва ветра), то киль, восприняв давление воздуха боковыми стенками, будет стремиться вернуть лайнер к прямолинейному полету. Хвост противодействует стремлению самолета сбиваться с курса и «рыскать» в стороны.
Киль поставлен неподвижно и находится в плоскости продольной симметрии воздушного судна. Один его лонжерон поставлен вертикально, другой – под наклоном. Также он состоит их трех нервюр, раскосов, стрингеров и обшивки (материи и фанеры).
Изменять положение киля ни на земле перед полетом, ни в полете нельзя, поскольку лонжерон киля выступает замыкающей стойкой фюзеляжа.
Наклонно поставленным лонжероном образована передняя часть киля. На нижнем конце лонжерона надета обжимка из стали, выступающая в роли переднего узла крепления.
Вертикальный лонжерон представлен в виде сплошного бруска. Верхняя его часть крепит детали киля, а нижняя связывает фермы задней части фюзеляжа.
Вертикальный и наклонный лонжероны соединены тремя горизонтальными нервюрами, которые образуют форму профиля киля. Основание киля составляет нижняя нервюра, по этой причине она более широкая. Срезанную форму имеет киль в верхней части, что сделано для прохода компенсатора руля направления.
Внизу вертикального лонжерона для присоединения к фюзеляжу надеты две обоймы, выступающие узлами крепления.
К вертикальному лонжерону подвешен руль направления посредством 4 шарниров точно такого же устройства, какое имеют рули высоты.
Киль легкого самолета
Киль летательного аппарата – часть хвостового оперения самолета. Назначение, требования, и техническое описание киля. Конструктивно–силовая схема киля. Нормирование нагрузок. Проектировочные расчеты. Построение эпюр. Проектировочный расчет на прочность.
Курсовая работа по дисциплине:
Конструирование изделий из композиционных
Киль легкого самолета
1. Назначение киля и требования к нему………………………………..………3
2. Техническое описание киля………………………………..………………….3
5. Проектировочные расчеты…………………………………………………. 7
II. Проектировочный расчет на прочность……………………………………10
Список используемой литературы……. ……………………..……………….13
1. Назначение киля и требования к нему
К оперению самолета относятся горизонтальное и вертикальное оперение.
К вертикальному оперению самолета предъявляются следующие основные требования:
— наименьшее лобовое сопротивление;
— возможно меньшее затенение оперения крылом, фюзеляжем, гондолами двигателей, а также одной части оперения другой;
— исключение возможности возникновения вибраций;
— простота монтажа и демонтажа оперения на самолете.
2. Техническое описание киля
Киль представляет собой консольную балку. К задней кромке киля на шарнирах крепится руль направления полёта.
В конструкцию киля входят два лонжерона. Первый располагается позади носка киля, а второй перед передней кромкой руля направления. Первый лонжерон необходим для крепления киля к хвостовой части фюзеляжа, обычно здесь используются шарнирные узлы крепления, которые устанавливаются на поясах лонжеронов.
На заднем (втором) лонжероне расположены узлы навески руля направления.
Лонжероном воспринимаются изгибающий момент и перерезывающие силы. Пояса лонжерона берут осевые усилия от изгибающего момента, а стенки погонные касательные усилия от перерезывающей силы. Кроме этого в стенке лонжерона могут действовать погонные усилия от крутящего момента. Крутящий момент воспринимается только замкнутыми контурами.
Этот лонжерон целесообразно размещать в месте максимальной строительной высоты. Обычно это совпадает с местом положения оси вращения.
4. Нормирование нагрузок
Самолет имеет двухкилевое ВО установленное симметрично относительно плоскости хорд крыла.
Общая площадь вертикального оперения:
Площадь одного вертикального оперения
Максимально допустимая скорость полета
Максимально допустимый скоростной напор
Во всех случаях нагружения распределение нагрузок по размаху оперения принимается пропорционально хордам, а нагрузки параллельные хордам, из-за малой величины не учитываются.
Расчетный случай: маневренная нагрузка.
Нагрузка вертикального оперения, возникающая при маневре в горизонтальной плоскости, мо-жет быть определена по формуле
В соответствии с АП23 п.23.445 «Разнесенное (двухкилевое) вертикальное оперение» 65% вычисленной нагрузки приходиться на один киль.
Удельная нагрузка на вертикальное оперение (нагрузка на единицу площади) равна:
В соответствии с «Нормами прочности спортивных планеров» эксплуатационная удельная нагрузка меньше 800н/м 2 не берется.
Нагрузка ки-ля рассчитывается пропорционально его площади:
Нагрузка по размаху (высоте) киля распределяется пропорционально его хорде:
Распределение нагрузки по хорде вертикального оперения в случае маневренной нагрузки и остановки двигателей произво-дится так, как показано на рисунке:
5. Проектировочные расчеты
Для киля центр давления
Определение изгибающих моментов и перерезывающих сил киля.
Расчет ведем с концов киля. Для левого участка (рис. 5.) имеем:
Привет студент
Конструкция оперения
Конструкция основных частей оперения — стабилизатора и киля — обычно подобна. Одинаковы по конструкции также рули высоты и рули направления. На крупных самолетах стабилизаторы выполняются, как правило, разъемными. Киль может быть изготовлен за одно целое с фюзеляжем или в виде отдельной части. Каркас оперения современных самолетов, как правило, выполняется металлическим. Обшивка киля и стабилизатора обычно жесткая (дюралюминиевая). Рули самолетов малых дозвуковых скоростей обшиваются полотном, что уменьшает их вес и упрощает конструкцию. На самолетах больших скоростей обшивка рулей так же, как и каркас, металлическая.
Киль и стабилизатор. На небольших самолетах киль и стабилизатор делают чаще всего двухлонжеронными. На тяжелых самолетах киль и стабилизатор обычно моноблочной конструкции с работающей обшивкой (рис. 59).
Основные элементы силового набора (лонжероны, стенки, стрингеры, нервюры) конструктивно выполняются так же, как у крыла, и выполняют те же функции, т. е. изгиб воспринимается поясами лонжеронов, стрингерами и частично обшивкой; поперечная сила воспринимается стенками лонжеронов; кручение — замкнутым контуром; обшивка — стенки лонжеронов. Стабилизатор и киль крепятся к фюзеляжу при помощи узлов на лонжеронах и шпангоутах. Для крепления (подвески) рулей стабилизатор и киль имеют специальные кронштейны с универсальными и одноосевыми шарнирами. На рис. 60 показан типовой узел подвески руля.
Рули и элероны (рули крена).
Рули и элероны, как правило, выполняются однолонжеронными с набором стрингеров и нервюр.
Для увеличения жесткости передней части руля иногда устанавливается стенка (вспомогательный лонжерон).
В современном самолетостроении используют три характерных типа рулей для самолетов с различной скоростью полета: руль с трубчатым лонжероном, руль с жестким носком и руль с жесткой обшивкой для самолетов больших скоростей. В руле любого типа набор нервюр собирает воздушную нагрузку с поверхности руля и передает ее на лонжерон и контур кручения, а также на жесткую заднюю кромку.
В первой схеме нервюры руля всю собранную ими нагрузку передают только на лонжерон, а поскольку он трубчатый, то может успешно работать и на изгиб, и на кручение.
Во второй схеме силы с нервюр передаются на стенку балочного лонжерона, загружая его поперечным изгибом, а момент с нервюр передается на контур, образованный стенкой лонжерона с жестким носком. Этот контур и работает на кручение. В этой схеме функции распределяются следующим образом: поперечный изгиб воспринимается балочным лонжероном, а кручение — контуром силового носка.
В третьей схеме (рис. 61) подобное же распределение функций, но крутящий момент передается здесь на весь контур обшивки, а не только на носок.
В соответствии с той или иной схемой передачи сил осуществлены силовые связи элементов руля между собой. Для рулей первой схемы нервюры связаны только с лонжероном заклепками по его окружности.
Рули второй и третьей схем имеют связь нервюр со стенками лонжеронов и контуром кручения. Эта связь обеспечивается заклепками, болтами и иногда клеем.
В целях лучшего использования обшивки для восприятия изгибающего момента и сохранения формы профиля применяют рули с пенопластовым или сотовым заполнителем. Они обладают высокой жесткостью при малом весе.
Триммеры (рис. 62) представляют собой вспомогательную рулевую поверхность, устанавливаемую на задней части основного руля. С помощью триммеров обеспечивается балансировка самолета относительно всех его осей при изменении центровки и режима полета. Отклонение триммера производится независимо от отклонения руля обычно при помощи специальных необратимых самотормозящихся электромеханизмов, включаемых в нужный момент пилотом двусторонним нажимным переключателем. Триммер руля высоты, как правило, управляется при помощи тросового механического устройства. Сущность работы триммера можно пояснить следующим примером. При отказе одного из двигателей самолета появляется разворачивающий момент, противодействие которому может быть создано отклонением руля поворота. Длительный полет самолета с отклоненным рулем утомителен для пилота. Отклоняя триммер в сторону, противоположную отклонению руля, нагрузку, передающуюся на ноги пилота, можно уменьшить до сколько угодно малой величины. Компенсирующий момент от триммера, противодействующий шарнирному моменту, возникает вследствие большого плеча силы, приложенной к триммеру, хотя сама сила и невелика. Величину шарнирного момента при этом можно записать в следующем виде:
где Rp и Rтр — аэродинамические силы, приложенные соответственно к рулю и триммеру; а и Ь — плечи этих сил относительно оси вращения руля.
При наличии отклоняемых стабилизатора и киля надобность в установке триммера на этих поверхностях отпадает. Триммер, состоящий из диафрагмы, лонжерона и обшивки, делается цельнометаллическим. Крепление к рулю — шарнирное.
Используемая литература: «Основы авиации» авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ
Киль самолета: расположение, конструкция
Даже человек, сроду не видевший моря, наверняка знает напутствие: «Семь футов под килем». И вопросов тут не возникает. Киль у корабля – важнейшая конструктивная часть, на которой крепятся многие детали его корпуса. Но знает ли кто-то о том, где расположен и для чего служит киль самолета?
Что это такое?
Это «орган» устойчивости, который позволяет сохранять летательному аппарату заданный курс. В отличие от кораблей, киль самолета является неотъемлемой частью вертикального оперения хвоста. Внизу фюзеляжа никакого киля у летательных машин нет! Но есть одна тонкость. Дело в том, что эта часть намертво соединена с силовыми элементами фюзеляжа, а потому что-то общее в морском и воздушном термине все же есть. Так где находится киль у самолета? Проще говоря, это вертикальная часть хвоста.
Ставится он неподвижно, закрепляется в трех точках, симметричных осевой линии самолета. На вид эта деталь имеет форму идеальной трапеции. Как правило, киль самолета состоит из лонжеронов, нервюр и обшивки. Схема эта классическая, мало изменившаяся с момента появления первых самолетов. Передний лонжерон ставится наклонно (как правило).
Схемы расположения
Чаще всего киль бывает одинарным, но в некоторых случаях его делают двойным и даже тройным (на винтомоторных бомбардировщиках). В последнем случае это требуется для обеспечения высокой курсовой устойчивости тяжелой машины. Кстати говоря, все самолеты по месту расположения киля делятся на три типа:
Разумеется, последние две разновидности более характерны для «сообщества» военных самолетов, так как подобное размещение киля необходимо для придания летательному аппарату особо высокой маневренности.
В некоторых случаях используют еще более сложные конструкции. Например, подкилевые гребни (они же – подфюзеляжные кили). Они применяются на некоторых сверхзвуковых самолетах, где сохранение идеальной устойчивости во время полета жизненно необходимо. Таким образом, под килем самолета (это где, мы уже выяснили) есть дополнительный и массивный наплыв. Чаще встречается ситуация, когда горизонтальное оперение хвоста вообще приходится переносить на самый верх киля. Такое случается, если двигатели установлены в кормовой части самолета. Подобную схему, к примеру, можно увидеть на отечественных грузопассажирских самолетах «Ил».
Для чего он нужен?
Как известно, безветренная погода – невероятная редкость, которая случается не чаще пары раз за год. В большинстве случаев ветер есть, причем его сила и направление могут кардинально различаться. Когда самолет летит, порывы ветра могут сильно воздействовать на направление и курс. Летательный аппарат должен быть устроен так, чтобы самостоятельно возвращаться в устойчивое положение. Только в этом случае возможен безопасный полет.
Основное назначение
Главное правило конструирования киля – разместить его так, чтобы он ни при каких условиях не попадал в спутную струю от крыла. В противном случае возможно резкое нарушение курсовой устойчивости, а в наиболее тяжелых ситуациях – физическая деформация и разрушение всего хвостового оперения. Итак, основное назначение киля – сохранение путевой устойчивости.
Конструкция многих самолетов такова, что деталь эта – подвижная. Регулируя величину отклонения киля, экипаж контролирует курсовое направление. Исключение – военные самолеты, на которых за изменение направления полета отвечают двигатели с контролируемым вектором тяги. В их случае делать подвижный киль самолета (фото его есть в статье) глупо, так как перегрузки при маневрировании таковы, что он просто разрушится.
Какие виды устойчивости обеспечиваются килем?
Различают три типа устойчивости, ради сохранения которых в конструкцию самолета входит киль:
Разберемся со всеми этими разновидностями подробнее. Итак, путевая устойчивость. Следует помнить, что в случае потери продольной устойчивости фюзеляжа в полете, самолет все равно продолжит некоторое время лететь вперед за счет инерционной силы. После этого воздушный поток начинает набегать на заднюю часть летательного аппарата, которая лежит позади центра тяжести. Киль в этом случае препятствует возникновению вращающего усилия, вынуждающего самолет вращаться вокруг своей оси.
Продольная устойчивость. Предположим, самолет летит в нормальном режиме, центр тяжести совпадает с центром приложения давления к его фюзеляжу. В этот момент на его фюзеляж также действуют разнонаправленные силы, которые стремятся развернуть корпус летательного аппарата. Подъемная сила и сила тяжести действуют одновременно. Киль самолета (фото этой детали вы увидите в статье) обеспечивает равновесие, которое в данном конкретном случае является весьма неустойчивым. Нормальный полет без хвостового оперения, киля и стабилизаторов невозможен.
Прочие виды устойчивости
Поперечная устойчивость. В общем-то, этот фактор является логичным продолжением предыдущего свойства. Когда на крыло и поперечные стабилизаторы киля действуют разнонаправленные силы, они «стараются» опрокинуть самолет. Противодействует этому форма крыльев: если посмотреть на них издали, то они напоминают букву «У» с сильно разведенными верхними «рожками». Такая форма обеспечивает самостоятельную коррекцию положения летательного аппарата в пространстве. Киль при этом помогает сохранению поперечной устойчивости.
Заметим, что у самолетов с обратной стреловидностью крыла нужда в киле не столь велика… на высоких скоростях. Если она падает, то нарастание сил противодействия происходит в геометрической прогрессии. А потому для этих машин очень важен максимально прочный и легкий киль, который может сопротивляться столь высоким нагрузкам. А как его можно получить? Расскажем и об этом.
Особенности создания современных самолетов
В настоящее время специалисты Росавиации и их зарубежные коллеги делают упор на создание деталей самолетов (в том числе и киля) из крупногабаритных деталей, изготовленных из новейших композитных материалов.
Доля этих соединений в конструкции современных летательных аппаратов неуклонно растет. Согласно сведениям от специалистов, их объемная доля уже достигает от 25% до 50%, а маленькие некоммерческие самолеты и вовсе могут состоять из пластика и композитов на 75%. Отчего такой подход получил столь широкое распространение в авиации? Дело в том, что тот же киль самолета «Боинг», изготовленный из полимерных «сплавов», имеет очень малый вес, очень высокую прочность и такой ресурс, которого, используя стандартные материалы, достичь просто нереально.
Основные материалы
Наиболее оправдано использование композитов в конструкции не только хвостового оперения, но также крыльев и силовых элементов фюзеляжа, которые должны быть не только очень прочными, но и достаточно гибкими. В противном случае не исключена вероятность разрушения конструкции под действием полетных нагрузок.
Но так было не всегда. Так, гордость советского авиастроения, самолет «Ту-160», он же «Белый лебедь» или «Блэк-джек», имеет киль из… титановых сплавов. Столь специфический и чрезвычайно дорогой материал был выбран из-за огромных нагрузок на конструкцию этой машины, которая до сего дня оставляет за собой титул самого тяжелого бомбардировщика, стоящего на вооружении. Но все же столь кардинальный подход к созданию киля – редкость, а потому сегодня конструкторам куда чаще приходится иметь дело с более простыми композитными материалами.
Какие задачи приходится решать при создании композитного киля
В процессе разработки отечественным конструкторам пришлось решать целый спектр сложных задач:
Прочие особенности
В производственный процесс было внедрено новейшее программное обеспечение (FiberSim), которое позволяет добиться максимально высоких степеней автоматизации. Кроме того, теперь киль самолета, конструкция которого описана в статье, можно изготовить по таким технологиям, где практически отсутствуют чертежи. Изготовление этой детали при таком подходе выглядит следующим образом:
Кроме того, современный подход к производству килей предполагает следующее:
Передовые методы создания хвостового оперения самолета «МС-21»
В не столь далеком прошлом авиационную промышленность буквально ошеломило заявление отечественных разработчиков о том, что они занимаются разработкой абсолютно нового самолета, «МС-21». Его необычность в том, что почти за три последних десятилетия это первая отечественная машина для рейсов внутри страны. При его изготовлении были апробированы многие новейшие технологии, которые во многом коснулись инновационных особенностей киля и всего хвостового оперения.
Разрабатывая и выпуская кессон киля самолета «МС-21», отечественные специалисты смогли добиться следующего:
Прочие особенности
Благодаря использованию новых технологий и методик, трудоемкость создания хвостового оперения и киля удалось снизить на 50-70%. Сегодня государственные испытания прошло уже более четырех тысяч деталей киля и хвостового оперения.
Главное достижение – была разработана надежная и простая технология выпуска деталей кессона киля размером 7,6 х 2,5 м. В настоящее время их уже начали поставлять на Иркутский авиационный завод. Изготавливают их из современных композитных материалов, причем особенности этого процесса уже успели заинтересовать ведущих зарубежных производителей авиационной техники.
Современные проблемы
Для чего мы столько времени провели, обсуждая современные способы разработки и постройки киля? Дело в том, что еще с 60-х годов прошлого века стало окончательно понятно, что дальнейшее увеличение скоростных показателей самолетов возможно только в том случае, если повышать их прочность и внедрять в производство совершенно новые разновидности полимерных материалов. Проблема летательных аппаратов последних поколений в том, что их конструкция (и киль в особенности) сильно подвержена «усталости». Из-за этого примерно к 70-м годам прошлого века были разработаны многочисленные методики контроля состояния крыла и хвостового оперения.
Требования к производству также высоки. Каждую партию деталей подвергают жесточайшим перегрузкам на вибрационных стендах, испытывают температурами и давлением. И это неудивительно, так как малейшая трещинка впоследствии чревата гибелью сотен пассажиров.
Вот вы и узнали, где у самолета киль и для чего он нужен!