Для чего нужна обшивка самолета
Раскрой, сшивание, натягивание и крепление полотняной обшивки элементов самолетов и планеров.
Самолетные ткани предназначены для обтягивания крыльев, фюзеляжей и поверхностей управления и после нанесения покрытия служат их обшивкой. Наиболее прочными являются хлопчатобумажная ткань АСТ-100 или льняная ткань АЛВК.
Ткань АМ-93, хлопчатобумажная из мерсеризованной пряжи обладает средней прочностью.
Ткань АМ-100 и льняная АЛЛ обладают наиболее легким весом.
В каждом отдельном случае необходимо следить за тем, чтобы марка применяемой ткани соответствовала указанной в чертеже, утвержденном на выпускаемое изделие.
Для крепления обшивки применяются различные хлопчатобумажные ленты, которые имеют следующее назначение:
Можно применять также зубчатую поверхностную ленту, изготавливаемую из отходов ткани АМ-100.
Для сшивания и крепления самолетных тканей применяются нитки, имеющие следующее назначение:
Для подващивания швейных ниток при ручном шитье применяется натуральный пчелиный воск.
Раскраивание тканей и сшивание полотнищ
Перед раскладыванием ткани на раскройном столе проверить чистоту стола, затем для тканей марок АМ-100, АМ-93 и АСТ-100 определить лицевую сторону, т. е. сторону с более гладкой поверхностью (меньшим ворсом), и разложить ткань на закройном столе так, чтобы при обтягивании лицевая сторона оказалась с внешней стороны. Ткань для раскроя накладывать в несколько слоев.
На верхнем слое ткани произвести разметку по установленным шаблонам, которые располагать на поверхности раскраиваемой ткани в соответствии с технологическими картами раскроя, свода к минимуму отходы ткани. Затем разрезать ткань точно по намеченным контурам.
Перед тем, как сшивать раскроенные полотнища на швейной машине, необходимо проверить правильность натяжения ниток, количество стежков на сантиметр и соответствие номера заправленных ниток марке сшиваемой ткани.
Сшивать на швейной машине отдельные полотнища из самолетных тканей всех марок швом внахлестку с внутренней строчкой
Порядок сшивания этим швом следующий:
Прошивая первую наружную строчку, отогнутое полотнище слегка натягивать, чтобы отгибаемая ткань прижималась к ниткам внутренней строчки (этим избегается образование ребра из свободной складки ткани).
Если ткань имеет совершенно прямую, ровно вытканную и достаточно прочную кромку, можно сшивать полотнища швом внахлестку (рис 3) Порядок сшивания при этом следующий:
У каркасов деталей, подлежащих обтягиванию тканью, все острые углы и металлические части, которые соприкасаются с обшивкой, могут повредить ее в процессе эксплуатации, покрыть тканью или лентой. Это предохранит также защитное грунтовочное покрытие, нанесенное на поверхность элементов каркаса, обтягиваемого тканью, от аэролака при лакировании натянутой ткани.
Полки нервюр обматывать лентой: миткалевой, если полотняная обшивка не крепится на нее, и киперной, если обшивка крепится за намотанную ленту. Работу вести следующим образом:
Большие поверхности элементов вместо ленты обшивать полотнищами из бязи или миткаля. Можно использовать отходы тканей, применяемых в качестве обшивки. Порядок покрытия таких элементов следующий:
Обтягивание тканью элементов самолета
Обтягивать крылья, поверхности управления и другие элементы самолета тремя способами: чехлом, сшитым по форме обтягиваемого каркаса, свободным полотнищем, комбинированным способом (чехлом и свободным полотнищем).
Обтягивание чехлом, сшитым по форме каркаса
Выкроенные по соответствующим шаблонам полотнища сшить машинным швом в виде чехла, имеющего форму обтягиваемого каркаса. Этот способ обтягивания применяют в том случае, когда на каркасе нет выступающих деталей, и обшивка крепится с внешней стороны. Обтягивать крылья скоростных самолетов этим способом не рекомендуется, так как при обтягивании чехлом трудно создать необходимое в этих случаях натяжение ткани.
При обтягивании чехлом необходимо выполнить следующие операции:
При обтягивании свободным полотнищем соблюдать следующий порядок операций:
Комбинированный способ обтягивания тканью (чехлом и полотнищем) применять в тех случаях, когда каркас имеет выступы и обтягивание чехлом всего каркаса затруднительно. При обтягивании комбинированным способом руководствоваться общими положениями, изложенными выше.
Крепление обшивки к нервюрам
Существуют следующие способы крепления обшивки, которые должны соответствовать указаниям чертежа на данное изделие.
Крепление обшивки нитками
Крепление обшивки нитками можно производить следующими способами: сквозной прошивкой, за полку, за укрепительную ленту, машинным швом и через отверстия полки нервюры.
При креплении нитками применять льняные нитки НАР (в 8 ниток). Чтобы ткань не перерезало ниткой, прокладывать между тканью и ниткой по месту крепления усилительную киперную ленту. Ширина ленты зависит от ширины полки нервюры и способа крепления обшивки.
Сквозную прошивку применяют только для крепления полотняной обшивки на крыльях и поверхностях управления нескоростных машин. Процесс крепления заключается в следующем:
Примечание: ширина усилительной киперной ленты должна быть равна ширине полки нервюры
Примечание: нитка должна выйти напротив места входа, отклонений точки выхода не допускать (как например точка И на рис 11).
Крепление за полку нервюры
Примечание: при захлестывании нитки у каждого звена прошивки нитку, как и при перевом прошивании, хорошо подтянуть, чтобы предупредить всякую возможность ее ослабления
Крепление за усилительную ленту
Полотняную обшивку на нижней поверхности крыла и на хвостовом оперении в большинстве случаев крепить, пришивая к киперной ленте, обмотанной вокруг полки нервюры или пришитой к ней. Порядок крепления следующий:
Крепление машинным швом
При креплении машинным швом ткань надо натягивать на каркас крыла дважды:
Такой способ крепления обеспечивает гладкость поверхности обшивки и достаточную ее прочность в месте крепления. Его применяют, как правило, для крепления обшивки к верхней поверхности крыла при натяжении ткани свободным полотнищем.
Крепление через отверстия в полке нервюр
Крепление обшивки винтами
Крепление винтами применять только при металлических нервюрах, полки которых имеют изогнутую форму для утопления элементов крепления. Порядок крепления при этом следующий:
Примечание: места крепления закрыть поверхностными лентами при нанесении аэролака первого покрытия
Крепление обшивки заклепками
Примечание: ленту нарезать из ткани, применяемой для обшивки.
Крепление обшивки фасонной металлической лентой
Примечание: места закрепления обшивки закрыть поверхностными лентами при нанесении аэролака первого покрытия. Ленту нарезать из ткани, применяемой для обшивки
Сшивание полотнищ по краям каркаса
После крепления ткани к нервюрам на верхней и нижней поверхностях конструкции верхнее и нижнее полотнища по месту их временного крепления, сшить швом через край (роликовым).
Контроль качества крепления обшивки
Полотняная обшивка должна быть хорошо прижата к полкам нервюр. Если это условие не будет соблюдено, то в полете при вибрации обшивки, нитки, крепящие ее, перетрутся и обшивка оторвется. Поэтому при приемке крыльев, оперения и фюзеляжей с законченным креплением ткани необходимо тщательно проверять качество крепления ткани к нервюрам. Для этого следует:
Электронная книга Сверхлегкий самолет Beaver RX 550 Plus
КРЫЛАТЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Кандидат технических наук А. ЖИРНОВ, заместитель генерального директора ВИАМа.
— В каждой лопатке турбины реактивного двигателя воплощены самые совершенные металлургические технологии. Стоимость одной монокристаллической лопатки соизмерима с ценой дорогого легкового автомобиля
— Армрестлинг как способ разрешения ученого спора, или Как Н. С. Хрущев летал в Америку
— «Состаренный» материал не значит «старый»
— Как кроили «шубу» для «Бурана»
— От воздействия высоких температур турбинные лопатки защищает плазма
— Склеить можно все что угодно. Нужен только подходящий клей. В небе летают склеенные самолеты, и это не детские модели, а большие транспортные воздушные суда.
Однако материал для новых скоростных самолетов должен был иметь совершенно иные качества. И через некоторое время в лаборатории алюминиевых сплавов ВИАМа (созданной одновременно с открытием института в 1932 году) разработали сплав Д-16, который применялся в самолетостроении почти до середины 80-х годов. Это сплав на основе алюминия с содержанием 4-4,5% меди, около 1,5% магния и 0,6% марганца. Из него можно было делать практически любые детали самолета: обшивку, силовой набор, крыло.
5500- 5800 кгс/см 2 ) и в то же время имеющий хорошую пластичность. У него был один изъян: недостаточная коррозионная стойкость, что, однако, устранялось путем двухступенчатого искусственного старения.
И хотя в настоящее время при посредстве российского правительства между компанией «АЛКОА-РУС» (она теперь называется так), ВИАМом и авиационными конструкторскими бюро достигнуты договоренности о возобновлении выпуска так необходимых нашей авиационной промышленности материалов, процесс восстановления идет крайне медленно и болезненно.
Сплав 1420 можно сваривать. Это его свойство использовали при создании самолета МиГ-29М. Выигрыш в весе при строительстве первых опытных образцов самолета за счет пониженной плотности сплава и исключения большого количества болтовых и клепочных соединений достигал 24%!
Созданные в ВИАМе высокотехнологичные сплавы ВТ-32 и ВТ-35 в отожженном состоянии очень пластичны. Из них можно формовать сложные детали, которые после искусственного старения приобретают чрезвычайно высокую прочность. Когда в начале 1970-х годов в КБ Туполева создавался стратегический бомбардировщик Ту-160, на московском заводе «Опыт» был построен специальный цех для изготовления титановых деталей центроплана. Эти самолеты летают до сих пор, правда, в России их осталось только одна эскадрилья.
Алюминиево-бериллиевые сплавы (их называют АБМ) исследуются и создаются на нашем предприятии уже 27 лет. Первый самолет с использованием такого сплава построил конструктор П. В. Цыбин.
Сплавы АБМ выгодно отличаются от других алюминиевых сплавов более высокой усталостной прочностью и уникальной акустической выносливостью. Сейчас они нашли применение в сварных конструкциях космических аппаратов, в том числе в серии хорошо известных межпланетных станций «ВЕНЕРА».
Интересен и сам бериллий, у которого модуль упругости на 30-40% выше, чем у высокопрочных сталей, а коэффициенты термического расширения близки, что позволило применять его в гироскопах.
В ВИАМе разработана технология изготовления тонкой вакуумно-плотной фольги и дисков и пластин из нее. Разработана технология пайки такой фольги с другими конструкционными материалами, и налажено серийное производство узлов рентгеновских аппаратов как для российских предприятий, так и для зарубежных фирм.
Когда создавался Ульяновский филиал, доля композитных материалов в конструкции отечественных летательных аппаратов была не очень велика. Тем не менее мы потихоньку начали обучать работе технологов, рабочих… Потом настали трудные времена, весь завод находился на грани закрытия, но филиал выжил. Постепенно производство восстанавливалось, и, хотя до сих пор оно наполовину законсервировано, есть несколько заказов на Ту-204, есть заказы из Германии на изготовление «Русланов». А значит, есть поле деятельности для нашей лаборатории.
Другой путь достижения нужных результатов обеспечивают нанотехнологии. В гальванические хромосодержащие ванны вводят наночастицы карбидов и оксидов металлов размером от 50 до 200 нм. Изюминка процесса в том, что сами эти частицы в состав покрытия не входят. Они лишь усиливают активность осаждаемого компонента, создают дополнительные центры кристаллизации, благодаря чему покрытие получается более плотным, более коррозиестойким, обладает лучшими противоэрозионными свойствами.
И в заключение еще об одном уникальном качестве института: в СССР существовала неплохая система, надежно гарантирующая качество конечного продукта предприятия. В ВИАМе эта система сохранилась и поныне. Если конструкторское бюро или частная компания закупают какой-то продукт, перед использованием они предпочитают передать его в ВИАМ на испытание. Нам по-прежнему доверяют.
Раскрой, сшивание, натягивание и крепление полотняной обшивки элементов самолетов и планеров.
Самолетные ткани предназначены для обтягивания крыльев, фюзеляжей и поверхностей управления и после нанесения покрытия служат их обшивкой. Наиболее прочными являются хлопчатобумажная ткань АСТ-100 или льняная ткань АЛВК.
Ткань АМ-93, хлопчатобумажная из мерсеризованной пряжи обладает средней прочностью.
Ткань АМ-100 и льняная АЛЛ обладают наиболее легким весом.
В каждом отдельном случае необходимо следить за тем, чтобы марка применяемой ткани соответствовала указанной в чертеже, утвержденном на выпускаемое изделие.
Для крепления обшивки применяются различные хлопчатобумажные ленты, которые имеют следующее назначение:
Можно применять также зубчатую поверхностную ленту, изготавливаемую из отходов ткани АМ-100.
Для сшивания и крепления самолетных тканей применяются нитки, имеющие следующее назначение:
Для подващивания швейных ниток при ручном шитье применяется натуральный пчелиный воск.
Раскраивание тканей и сшивание полотнищ
Перед раскладыванием ткани на раскройном столе проверить чистоту стола, затем для тканей марок АМ-100, АМ-93 и АСТ-100 определить лицевую сторону, т. е. сторону с более гладкой поверхностью (меньшим ворсом), и разложить ткань на закройном столе так, чтобы при обтягивании лицевая сторона оказалась с внешней стороны. Ткань для раскроя накладывать в несколько слоев.
На верхнем слое ткани произвести разметку по установленным шаблонам, которые располагать на поверхности раскраиваемой ткани в соответствии с технологическими картами раскроя, свода к минимуму отходы ткани. Затем разрезать ткань точно по намеченным контурам.
Перед тем, как сшивать раскроенные полотнища на швейной машине, необходимо проверить правильность натяжения ниток, количество стежков на сантиметр и соответствие номера заправленных ниток марке сшиваемой ткани.
Сшивать на швейной машине отдельные полотнища из самолетных тканей всех марок швом внахлестку с внутренней строчкой (рис 1)
Порядок сшивания этим швом следующий:
Прошивая первую наружную строчку, отогнутое полотнище слегка натягивать, чтобы отгибаемая ткань прижималась к ниткам внутренней строчки (этим избегается образование ребра из свободной складки ткани). Правильное и неправильное отгибание ткани после сшивания первой строчкой показано на Рис 2
Если ткань имеет совершенно прямую, ровно вытканную и достаточно прочную кромку, можно сшивать полотнища швом внахлестку (рис 3) Порядок сшивания при этом следующий:
Рис 3 Шов внахлест
У каркасов деталей, подлежащих обтягиванию тканью, все острые углы и металлические части, которые соприкасаются с обшивкой, могут повредить ее в процессе эксплуатации, покрыть тканью или лентой. Это предохранит также защитное грунтовочное покрытие, нанесенное на поверхность элементов каркаса, обтягиваемого тканью, от аэролака при лакировании натянутой ткани.
Полки нервюр обматывать лентой: миткалевой, если полотняная обшивка не крепится на нее, и киперной, если обшивка крепится за намотанную ленту. Работу вести следующим образом:
Рис 7 Схема пришивания ленты к полке нервюры
Большие поверхности элементов вместо ленты обшивать полотнищами из бязи или миткаля. Можно использовать отходы тканей, применяемых в качестве обшивки. Порядок покрытия таких элементов следующий:
Обтягивание тканью элементов самолета
Обтягивать крылья, поверхности управления и другие элементы самолета тремя способами: чехлом, сшитым по форме обтягиваемого каркаса, свободным полотнищем, комбинированным способом (чехлом и свободным полотнищем).
Обтягивание чехлом, сшитым по форме каркаса
Выкроенные по соответствующим шаблонам полотнища сшить машинным швом в виде чехла, имеющего форму обтягиваемого каркаса. Этот способ обтягивания применяют в том случае, когда на каркасе нет выступающих деталей, и обшивка крепится с внешней стороны. Обтягивать крылья скоростных самолетов этим способом не рекомендуется, так как при обтягивании чехлом трудно создать необходимое в этих случаях натяжение ткани.
При обтягивании чехлом необходимо выполнить следующие операции:
При обтягивании свободным полотнищем (Рис 10) соблюдать следующий порядок операций:
Комбинированный способ обтягивания тканью (чехлом и полотнищем) применять в тех случаях, когда каркас имеет выступы и обтягивание чехлом всего каркаса затруднительно. При обтягивании комбинированным способом руководствоваться общими положениями, изложенными выше.
Крепление обшивки к нервюрам
Существуют следующие способы крепления обшивки, которые должны соответствовать указаниям чертежа на данное изделие.
Крепление обшивки нитками
Крепление обшивки нитками можно производить следующими способами: сквозной прошивкой, за полку, за укрепительную ленту, машинным швом и через отверстия полки нервюры.
При креплении нитками применять льняные нитки НАР (в 8 ниток). Чтобы ткань не перерезало ниткой, прокладывать между тканью и ниткой по месту крепления усилительную киперную ленту. Ширина ленты зависит от ширины полки нервюры и способа крепления обшивки.
Сквозную прошивку применяют только для крепления полотняной обшивки на крыльях и поверхностях управления нескоростных машин. Процесс крепления заключается в следующем:
Примечание: ширина усилительной киперной ленты должна быть равна ширине полки нервюры
Примечание: нитка должна выйти напротив места входа, отклонений точки выхода не допускать (как например точка И на рис 11).
Рис 11 Связывание стежков при сквозной прошивке
Рис 12 Общий вид сквозной прошивки
Крепление за полку нервюры
Способ крепления за полку нервюры применять на верхней поверхности крыльев, когда полка снизу открыта. Схема подобного крепления обшивки показана на Рис 13. Порядок работы следующий:
Примечание: при захлестывании нитки у каждого звена прошивки нитку, как и при перевом прошивании, хорошо подтянуть, чтобы предупредить всякую возможность ее ослабления
Крепление за усилительную ленту
Полотняную обшивку на нижней поверхности крыла и на хвостовом оперении в большинстве случаев крепить, пришивая к киперной ленте, обмотанной вокруг полки нервюры или пришитой к ней. Порядок крепления следующий:
Крепление машинным швом
При креплении машинным швом ткань надо натягивать на каркас крыла дважды:
Такой способ крепления обеспечивает гладкость поверхности обшивки и достаточную ее прочность в месте крепления. Его применяют, как правило, для крепления обшивки к верхней поверхности крыла при натяжении ткани свободным полотнищем.
Крепление через отверстия в полке нервюр
Порядок прошивки указанным способом следующий: (рис 19а)
Рис 19 Крепление обшивки через отверстия полки нервюры
Крепление обшивки винтами
Крепление винтами применять только при металлических нервюрах, полки которых имеют изогнутую форму (рис 20) для утопления элементов крепления. Порядок крепления при этом следующий:
Примечание: ленту нарезать из такни, применяемой для обшивки.
Примечание: места крепления закрыть поверхностными лентами 6 и 7 (рис 20) при нанесении аэролака первого покрытия
Крепление обшивки заклепками
Крепление обшивки заклепками производить по задней кромке обтягиваемого агрегата (например, руль поворота и др.). Сначала надо подготовить каркас, т. е. обшить обод 1 (рис 21) тканью 2 и обтянуть его тканью 3. после этого произвести крепление обшивки в следующем порядке:
Примечание: ленту нарезать из ткани, применяемой для обшивки.
Крепление обшивки фасонной металлической лентой
Для крепления обшивки этим способом металлические полки нервюр должны иметь специальную форму (рис 22а). Порядок крепления при этом следующий:
Примечание: места закрепления обшивки закрыть поверхностными лентами при нанесении аэролака первого покрытия. Ленту нарезать из ткани, применяемой для обшивки
Сшивание полотнищ по краям каркаса
После крепления ткани к нервюрам на верхней и нижней поверхностях конструкции верхнее и нижнее полотнища по месту их временного крепления, сшить швом через край (роликовым).
Рис 23 СШивание полотнищ по краям каркаса
По окончании сшивания полотнищ по краям каркаса и крепления обшивки у лючков и отверстий удалить все булавки и гвоздики, которыми временно закрепляется ткань.
Контроль качества крепления обшивки
Полотняная обшивка должна быть хорошо прижата к полкам нервюр. Если это условие не будет соблюдено, то в полете при вибрации обшивки, нитки, крепящие ее, перетрутся и обшивка оторвется. Поэтому при приемке крыльев, оперения и фюзеляжей с законченным креплением ткани необходимо тщательно проверять качество крепления ткани к нервюрам. Для этого следует:
О конструктивно-силовых схемах элементов планера самолета. Часть 1. Фюзеляж.
Здравствуйте!
Начнем с моих странных ассоциаций 🙂.
Думаю, что очень многие люди возрастом старше среднего (может и помоложе тоже) помнят старый детский фильм, снятый по книге Л.И.Лагина «Старик Хоттабыч». Ни в кино, ни в книжке конечно ничего не говорится о конструктивно-силовых схемах самолетов :-), однако определенные ассоциации у меня все же в голове обозначились.
Хоттабыч тогда «наколдовал» очень красивый телефон из цельного куска мрамора. Забавно, однако работать такой аппарат именно по причине «мраморности» естественно не мог, хотя и выглядел роскошно.
Похожесть момента заключается в том, что ведь и самолет можно сделать из «цельного куска чего-нибудь». Однако, при этом он так же, как неработающий мраморный телефон, вряд ли сможет выполнять какие-либо полезные функции. Очень вероятно, что и летать он тоже не сможет.
Это только небольшие и сильно упрощенные модели самолетов времен того же фильма мальчишки (и я в их числе :-)) делали из цельных деревянных дощечек. Летали они неплохо, но это были всего лишь модели. Полет ради самого полета.
Любой самолет, от простейшего кукурузника до современного дальнемагистрального лайнера или скоростного истребителя, – это есть летательный аппарат тяжелее воздуха на службе у человека. Исходя из такого определения, он должен обладать несколькими, так сказать, фундаментальными качествами.
Это, во-первых, хорошие аэродинамические свойства, в основе своей означающие достаточную (лучше побольше :-)) подъемную силу и минимальное аэродинамическое сопротивление. Во-вторых, достаточная возможность для самолета уверенно нести не только самого себя со всеми своими агрегатами и системами, но и полезную нагрузку в виде различных грузов, пассажиров или же вооружения.
При этом как полезная нагрузка, так и все собственно самолетное оборудование должно быть размещено так, чтобы максимально возможно не ухудшать первое качество.
Самолет в процессе эксплуатации находится под действием различных силовых факторов. Это силы аэродинамические, возникающие в полете, массовые нагрузки под действием собственного веса элементов, а также усилия от устройств, агрегатов и грузов внутри самолета и так или иначе подвешенных снаружи.
А посему, третьим необходимым качеством должна быть достаточная прочность конструкции и ее жесткость, обеспечивающие безопасную и уверенную эксплуатацию летательного аппарата как на различных режимах полета, так и на земле. При этом она должна вступать в наименее возможное противоречие с первыми двумя качествами.
Этот элемент является в некотором роде функциональным центром всей конструкции самолета, собирая ее части воедино. Он воспринимает все типы вышеуказанных силовых воздействий, усилия от присоединенных к нему крыла, оперения и агрегатов, а также от избыточного внутреннего давления воздуха.
Существует несколько конструктивно-силовых схем фюзеляжа.
На заре развития авиации, в предвоенные и военные годы (1-я и 2-я мировая война) достаточно широко был распространен ферменный тип конструктивно-силовой схемы. Фюзеляж сам по себе представлял пространственную ферму жесткого или же так называемого жестко-расчалочного типа. Силовые элементы такой конструкции – это стойки, лонжероны, раскосы, расчалки, распорки, различные расчалочные ленты и ферменные пояса.
Элементы ферменного каркаса фюзеляжа.
На первых «этажерках» (например, самолетах типа «Фарман») он вообще не был похож на фюзеляж в общепринятом сейчас понимании. Простая безобшивочная ферма для соединения всех частей аэроплана воедино в определенном порядке. Материалом для нее служило дерево.
Техническая ткань ПЕРКАЛЬ.
В этой области она применяется и по сей день, а в первой половине 20-го века использовалась в качестве внешней обшивки самолетов. При этом перкаль пропитывали специальными лаками (типа эмалита), что придавало ей определенную влагостойкость, а также влаго- и воздухонепроницаемость.
Две любопытные детали. 1.Слово « перкаль » в русском языке женского рода (ткань), но применительно, в частности, к авиации распространено употребление его в мужском роде. То есть перкаль – «он». 2. Перкаль в свое время получил смешное, но очень меткое прозвище «детская пеленка авиации».
В качестве фюзеляжной обшивки также применялось дерево, в облегченном варианте, конечно. Это мог быть, например, клеенный деревянный шпон или фанера малых толщин, иногда для некоторых элементов конструкции бакелитовая (дельта-древесина).
Однако, ферменная конструктивно-силовая схема имела недостатки, которые в процессе довольно бурного развития авиации в конечном итоге все-таки отодвинули ее на задний план.
Обшивка таких фюзеляжей, иначе еще называемая «мягкой», конечно же была не всегда достаточно прочной. Но главное в том, что такая обшивка не работает, как силовой элемент в комплексе с ферменной конструкцией и не включена в силовую схему фюзеляжа (неработающая обшивка).
Она воспринимает только местные аэродинамические нагрузки с частичной передачей их на ферменный каркас, то есть является дополнительным элементом конструкции, обладающим ощутимой добавочной (лишней) массой, но не делающей вклада в общую силовую работу.
В общем-то, основной ее задачей является формирование более-менее обтекаемых аэродинамических поверхностей, то есть по сути уменьшение лобового сопротивления с возможной попыткой образовать некоторые замкнутые внутренние полости в фюзеляже, которым можно было бы найти полезное применение.
Мягкая обшивка самолета Sopwith Pup.
Кроме того, приемлемой долговечностью и сохранностью в процессе эксплуатации под действием атмосферных факторов мягкая обшивка тоже не отличалась. Особенно это касалось полотна. И, если военные самолеты не обладали большим сроком службы во многом из-за специфики их применения, то набиравшая обороты гражданская и транспортная авиация однозначно требовала аппараты с более длительным сроком использования.
Да и попытка использовать внутренние полости тоже была малоэффективна. В пространственной ферме достаточно сложно компоновать грузы и внутреннее оборудование из-за неизбежного наличия подкосов, растяжек и др., что, конечно, делает практически невозможным нынешнее применение таких фюзеляжей на большинстве «серьезных» самолетов, за исключением отдельных моделей легкомоторной или спортивной авиации.
В середине 20-х годов, когда самолеты уже, можно сказать, научились летать, стальных ферменных каркасов строилось уже больше, чем деревянных. При этом обшивка чаще всего была все еще полотняная или фанерная. Да и в качестве материала для дополнительных силовых элементов частенько использовалось дерево.
Но уже в начале 1910-х годов строились первые цельнометаллические самолеты. Как в конструкции, так и в материалах существовало определенное разнообразие, несмотря на единичные, по сути дела, экземпляры таких летательных аппаратов.
В первом варианте фюзеляж не имел обшивки. Самолет полетел не сразу, однако в мае 1912 года это все-таки произошло. В дальнейшем он летал относительно успешно, пока в январе 1913 года не произошла катастрофа с гибелью пилота. Аппарат попал в штопор.
Однако, в течение этого же года самолет восстановили, несколько изменив его конструкцию (добавились кили). Фюзеляж получил полотняную обшивку и аэроплан продолжил полеты.
Цельностальной самолет Junkers J 1.
Вместо него достаточно массово строили следующий самолет Юнкерса –J4 (или Junkers J I (римская цифра)). Он тоже был цельнометаллическим, но не цельностальным, потому что задняя часть ферменного фюзеляжа и обшивка крыла и оперения была сделана не из стали.
Самолет Junkers JI (J4).
Название происходило от конструкции фюзеляжа, в основе которой была стальная труба, а на ней уже «вешались» все остальные элементы. В качестве обшивки использовались листы алюминия. Фюзеляж имел обтекатели и защитные кожухи.
Самолет Ponche-Primard Tubavion.
Самолет, построенный в 1911 году, летать отказывался по причине большой массы и слабосильного мотора. После того, как с него сняли все кожухи, некоторые колеса шасси и еще кое-какие детали, он все же полетел в марте 1912 года. В дальнейшем обшивка крыла все-таки была заменена на полотняную.
Улучшенный вариант самолета Ponche-Primard Tubavion.
Масса всегда была и остается одним из основных критериев возможностей самолета. Делать элементы конструкции, обладающие традиционной прочностью металла и легкостью дерева было мечтой любого тогдашнего энтузиаста от авиации. Именно поэтому на первые позиции стал выходить не так давно освоенный в массовом производстве алюминий.
Первоначально были попытки использования чистого алюминия в виде листов для обшивки, вместо полотна. Пример – вышеупомянутые аэропланы Tubavion и Junkers J I. Однако, чистый алюминий – металл, как известно, мягкий и непрочный, и несмотря на его очень соблазнительное качество — легкость, применение его в виде материала для силовых (работающих) элементов крайне малопродуктивно.
Например, на самолете Junkers J I обшивка была алюминиевая из листов толщиной 0,09 мм. Она была гофрирована для упрочнения и возможности восприятия некоторых нагрузок, но деформировалась и разрывалась даже при нажатии рукой, в частности во время перекатывания аппарата по земле.
Дюралевая задняя часть ферменного фюзеляжа и алюминиевая обшивка самолета Junkers J I.
Дюралюминий значительно выгоднее алюминия в массовом и прочностном отношении. То есть практически при той же массе этот сплав обладает значительно большей твердостью, прочностью и жесткостью. Марок этого сплава достаточно много, в том числе и в разных странах. Отличия марок могут быть как в составе элементов, так и в технологии изготовления (термообработка). Однако, в основном это сплавы состоящие из легирующих добавок ( медь – около 4,5%, магний – около 1,5% и марганец – около 0,5%) и самого алюминия.
А начиналось все с первой половины 1922 года, когда в СССР был получен первый советский алюминиевый сплав, пригодный для авиастроения и не уступающий по характеристикам тогдашним немецким сплавам.
Самолет АНТ-2, построенный полностью из кольчугалюминия.
Появление в достаточно широкой эксплуатации дюралюминия сделало возможным выполнить обшивку в конструктивно-силовой схеме с ферменным фюзеляжем более прочной и долговечной. Для некоторых моделей самолетов листы дюраля делались гофрированными с целью повышения ее устойчивости.
Гофрированная обшивка самолета ТБ-1.
Гофрированная обшивка самолета Junkers-52
С развитием подходов к авиационному конструированию, освоением новых материалов и приобретением опыта появилась возможность разработки новых типов конструктивно-силовых схем, в которых обшивка уже становилась полностью рабочим элементом ( рабочая обшивка ).
В частности… Крутящий момент от вертикального оперения нагружает обшивку всего контура, создавая в ней касательные напряжения. Вертикальная сила от стабилизатора воспринимается обшивкой боковых поверхностей фюзеляжа параллельных действию силы — работа на сдвиг.
Изгибающий момент стабилизатора воспринимается обшивкой и подкрепляющими элементами верхней и нижней части фюзеляжа (растяжение-сжатие). Поперечная сила от киля также нагружает верхнюю и нижнюю части фюзеляжа, параллельные действию силы, вызывая в них касательные напряжения.
Нагрузки, действующие на балочный фюзеляж.
Она может быть достаточно мощной и жесткой и какие-либо дополнительные поперечные силовые элементы обычно не требуются и могут устанавливаться только в местах, где есть какая-то дополнительная сосредоточенная нагрузка, то есть какие-либо внешние подвески, присоединение крыла или каких-либо агрегатов (обычно это шпангоуты), в местах вырезов в фюзеляже или же в местах, где соединяются отдельные листы обшивки (чаще всего стрингеры).
То есть фюзеляжи самолетов по сути дела могут быть без работающего каркаса. Первые такие образцы появились уже в 1910-х годах. Это были самолеты чаще всего спортивной направленности, то есть для достижения больших скоростей. С этой целью использовались заглаженные фюзеляжи круглого сечения, имеющие ощутимо меньшее лобовое сопротивление по сравнению с ферменными.
Реплика самолета Deperdussin Monocoque.
Фюзеляж состоял из двух продольных половин, каждая из которых выклеивалась из трех слоев деревянного шпона в специальных формах в виде раковин (или скорлупы). Далее эти половины соединялись, склеивались между собой и обклеивались тканью.
Монококовые фюзеляжи достаточно дороги в изготовлении, и окончательно они потеснили ферменные только после Второй мировой войны, когда исчезла необходимость быстрого выпуска большого количества боевых самолетов.
Однако типичный монокок, хорошо воспринимая растяжение и изгиб, гораздо хуже работает на сжатие (зависит от толщины и жесткости обшивки конечно), поэтому подавляющее большинство фюзеляжей современных самолетов построено с внутренним подкрепляющим силовым набором. Такие конструктивно-силовые схемы носят название полумонокок (услиленный монокок), и в них обшивка работает совместно с продольным набором силовых элементов.
Полумонококовые конструкции, в свою очередь, бывают двух видов: балочный стрингерный (стрингерный полумонокок) и балочный лонжеронный (лонжеронный полумонокок).
Стрингерный полумонокок. Фюзеляж самолета ATR-72.
На рисунке (из материалов ЦНИТ СГАУ) показаны действие усилий (перерезывающие силы, изгибающий и крутящий моменты), воспринимаемых лонжеронным фюзеляжем (общая картина).
Нагрузки, воспринимаемые в балочной лонжеронной схеме.
Основная масса современных самолетов, как уже говорилось, имеют фюзеляжи типа полумонокок. Лонжеронный вариант достаточно выгоден для военных самолетов с двигателем в хвостовой части фюзеляжа. В этом случае в фюзеляже удобно размещать узлы крепления двигателя, делать вырезы между лонжеронами под необходимые полезные объемы ( кабина, топливные баки, агрегаты) без нарушения целостности главных силовых элементов.
Стрингерные фюзеляжи выгодны для транспортных и пассажирских самолетов. Однако вырезы в таких фюзеляжах нарушают целостность силовых элементов, поэтому в таких местах требуется усиление каркаса.
Фюзеляж самолета В-17G. Стрингерный полумонокок.
Самолет Hawker Typhoon MkIB.
Так как плюсы и минусы есть у всех типов и вариантов конструкций, то, в принципе, возможно их совмещение в определенном смысле в пределах одного летательного аппарата. Количество и сечение стрингеров, сечение лонжеронов и толщина обшивки может меняться в разных местах фюзеляжа. Все зависит от типа, предназначения, параметров летательного аппарата и его оборудования.
Силовая конструкция самолета Су-26.
Существует еще один тип конструктивно-силовой схемы, применявшийся в 30-х годах при изготовлении самолетов, правда значительно реже классических схем. Это так называемая геодезическая конструкция планера, то есть фюзеляжа и крыла.
В этой конструкции силовые элементы, воспринимающие нагрузки, располагаются вдоль геодезических линий. Для фюзеляжа, который по форме близок к цилиндру – это винтовые линии (спирали) и окружности. В итоге образуется сетчатая конструкция с узлами соединения элементов в многочисленных точках пересечения.
Бомбардировщик Vickers Wellington.
Боевые повреждения фюзеляжа самолета Vickers Wellington.
Кроме того, она в отличие от ферменной схемы полностью оставляет свободными все внутренние полости фюзеляжа, что былохорошим плюсом особенно для больших самолетов. Также при постройке такой конструкции легче было соблюсти требуемые аэродинамические формы без больших затрат на приспособления и инструменты.
По такой схеме, например, был построен британский бомбардировщик Vickers Wellington (производился в 1936-1945 годах). Однако, обшивка в этой схеме была неработающая (на Веллингтоне полотняная). С ростом скоростей полета она не выдерживала аэродинамических нагрузок, и профиль крыла деформировался. Это стало одной из причин отказа от такой схемы уже в послевоенное время.
Немного более конкретно о силовых элементах.
Профили стрингеров и лонжеронов.
Изготавливаются из готовых профилей различной конфигурации, как замкнутой, так и разомкнутой и могут иметь различные уровни прочности. Материал — дюралюминий различных марок (например Д16 и В95), в зависимости от конкретных преобладающих условий работы стрингера.
Лонжероны (балки). В общем-то похожи на стрингеры, но имеют более мощное сечение. Часто являются одним из основных конструктивных элементов, не только фюзеляжа, но и крыла и хвостового оперения, применяются, в принципе во многих инженерных конструкциях, а не только в авиации. Многие наверняка слышали о об автомобильных лонжеронах.
Бимс в конструкции полумонокока.
Основная функция – восприятие изгибающего момента и осевых сил, т.е. работа на растяжение-сжатие.Однако, лонжерон коробчатого сечения может участвовать и в восприятии крутящего момента. Лонжероны могут быть цельными или составными, состоящими из нескольких профилей. Материал – алюминиевые сплавы и сталь различных марок.
К вспомогательному продольному силовому набору можно отнести также полы, в частности в отсеках транспортных самолетов и салонах пассажирских самолетов, основу которых составляют силовые балки.
Шпангоуты. У этого элемента две основные функции. Первая – формирование и сохранение формы фюзеляжа, точнее его поперечного сечения. Для этого предназначены нормальные шпангоуты. Они подкрепляют обшивку, то есть нагружаются внешним аэродинамическим или внутренним избыточным давлением, приходящимся на обшивку фюзеляжа. Шаг их расположения выбирается из соображений ее наиболее эффективной работы. Обычно это интервал от 150 до 600мм.
Фюзеляж-полумонокок самолета Sukhoi Superjet 100. Нормальные шпангоуты и стрингеры.
Примеры усиленных рамных шпангоутов.
Силовые шпангоуты обычно изготавливаются в виде рамы ( рамные ), которая может быть сборной или монолитной. Сама рама работает на изгиб, распределяя внешнюю нагрузку по периметру обшивки. В любом сечении такой рамы действует и перерезывающая сила.
Усиленный рамный шпангоут с узлами крепления крыла к фюзеляжу.
Первый случай хорош с точки зрения улучшения аэродинамики, так как отсутствуют вертикальные заклепочные швы и, соответственно, уменьшается аэродинамическое сопротивление. Однако, при этом обшивка с ростом нагрузок быстрее теряет устойчивость.
Чтобы эти возможности повысить для монокока есть только один способ – увеличить толщину обшивки, а значит и массу всей конструкции. Если самолет большой, то это увеличение может быть значительным. Это основная причина невыгодности фюзеляжа такого типа.
Толщина обшивки может также изменяться в разных сечениях фюзеляжа в зависимости от наличия вырезов (особенно это касается стрингерных фюзеляжей), или гермоотсеков с избыточным давлением.
Кроме того она может зависеть от места расположения обшивки на фюзеляже. Например, при воздействии собственной весовой нагрузки верхняя часть обшивки фюзеляжа работает на растяжение всей своей площадью совместно со стрингерами, а нижняя часть при этом на сжатие только площадью, подкрепленной стрингерами, поэтому и потребная толщина сверху и снизу может быть разная.
Фрезерованные панели обшивки самолета Sukhoi Superjet 100.
Такого рода конструктивные узлы обладают большей усталостной прочностью, равномерным распределением напряжений. Отсутствует необходимость многоместной герметизации, как в заклепочных соединениях. Кроме того улучшается аэродинамика из-за снижения сопротивления в результате гораздо меньшего количества заклепочных швов.
Что касается материалов, то самым распространенным и универсальным, как уже говорилось выше, остается дюралюминий различных марок, более или менее приспособленный для различных условий работы и конструктивно-силовых схем и элементов летательных аппаратов.
В заключение картинки, которые не поместились в текст.
Шпангоуты фюзеляжа самолета F-106 Delta Dart (усиленные рамные и нормальные).
Рамные силовые шпангоуты фюзеляжа самолета F-16 с узлами крепления оборудования.
Силовой шпангоут для гермоотсека самолета Sukhoi Superjet 100.
Усиленный шпангоут в виде стенки гермоотсека.
Составные рамные шпангоуты.
Стрингеры и шпангоуты самолета Вoeing-747.
Ферменный каркас фюзеляжа самолета Piper PA-18.
Самолет Piper PA-18.
Типы конструкции фюзеляжей.
Фюзеляж самолета Supermarine Spitfire. Полумонокок.
Фюзеляжи самолетов Vickers Wellington в заводском цеху.
12 Комментариев: О конструктивно-силовых схемах элементов планера самолета. Часть 1. Фюзеляж.
Юрий, а Вы знаете английский?
Было бы просто замечательно, если для всех ключевых авиа-терминов Вы могли бы составить русско-английские пары.
Технические переводчики сказали бы Вам отдельное СПАСИБО…
Русский и английский языки являются официальными языками ИКАО. Для всех языков ИКАО существуют официальные словари специальных терминов, так как в авиации вольное толкование приводит к человеческим смертям. Эти словари есть в интернете. Ищите и пользуйтесь. У меня есть парочка, если нужно — пишите.
Благодарю! Подробно и доступно! Готовлюсь к занятию в детском саду, нашла нужную информацию. Удачи Вам!
Интересно :-)… Какие моменты из этой статьи оказались полезными для детсадовцев?
Здравствуйте, Юрий! На занятии по конструированию ко Дню Победы решила научить воспитанников выполнять модель планера (год назад посещала мастер-класс педагога по авиамоделированию, и мы, взрослые люди, с удовольствием собирали и запускали такие модели). На занятиях дети нередко задают вопросы, и, чтоб не попасть впросак, приходится заниматься саморазвитием 🙂 Еще раз спасибо!
Огромное спасибо за статью! Я давно стал проявлять интерес к тому, из чего сделаны «стены, крыша и пол» самолета! Все очень ярко и качественно расписано у вас!
Уж не помню, в каком из заводских музеев видел фюзеляж И-16 с деревянными шпангоутами …
Фюзеляжи самолетов Vickers Wellington уж больно Шуховскую башню напоминают.)))))
Спасибо за статью. Я о геодезическая схеме в авиации даже не знал. Век живи, век учись.)
Спасибо за информацию, не только эту статью, но и множество других столь же познавательных и интересных.
Не являюся специалистом в областе авиации, но имею с ней дело по причине работы.
Повышаю компетентность в областе благодаря вашим статьям!
Ещё раз спасибо!