Меню

Конструктивно силовая схема стабилизатора



Формы оперения.

Формы поверхностей оперения определяются теми же параметрами, что и формы крыла — удлинением, сужением, углом стреловидности, аэродинамическим профилем и его относительной толщиной. Как и у крыла различают трапециевидное, овальное, стреловидное и треугольное оперение.

Схема оперения определяется числом его поверхностей и их взаимным расположением. Наиболее распространены следующие схемы:

схема с центральным расположением вертикального оперения в плоскости симметрии самолета; горизонтальное оперение в этом случае может располагаться как на фюзеляже, так и на киле на любом удалении от оси самолета. Схему с расположением ГО на конце киля принято называть Т-образным оперением,

схема с разнесенным вертикальным оперением; две его поверхности могут крепиться по бокам фюзеляжа или на концах ГО; при двухбалочной схеме фюзеляжа поверхности ВО устанавливаются на концах фюзеляжных балок; на самолетах типа «утка», «бесхвостка», «летающее крыло» разнесенное ВО устанавливается на концах крыла или в средней его части,

V-образное оперение, состоящее из двух наклонных поверхностей, выполняющих функции и горизонтального и вертикального оперения. Из-за малой эффективности и сложности управления такое оперение широкого применения не получило.

Требуемая эффективность оперения обеспечивается правильным выбором форм и расположения его поверхностей, а также численных значений параметров этих поверхностей. Чтобы избежать затенения органы оперения не должны попадать в спутную струю крыла, гондол и других агрегатов самолета.

Более позднее наступление волнового кризиса на оперении достигается увеличенными по сравнению с крылом углами стреловидности и меньшими относительными толщинами. Избежать флаттера и бафтинга можно известными мерами устранения этих явлений аэроупругости.

Эффективность горизонтального и вертикального оперения определяется их коэффициентами статических моментов Аго и Аво.

Нагрузки оперения.

На органы оперения в полете действуют распределенные аэродинамические силы, величина и закон распределения которых задаются нормами прочности или определяются продувками. Массовыми инерционными силами оперения ввиду их малости обычно пренебрегают. Рассматривая работу элементов оперения при восприятии внешних нагрузок, по аналогии с крылом следует различать общую силовую работу агрегатов оперения как балок, в сечениях которых действуют перерезывающие силы, изгибающие и крутящие моменты, и работу местную от воздушной нагрузки, приходящейся на каждый участок обшивки с подкрепляющими ее элементами.

Конструктивно-силовые схемы оперения.

Различные агрегаты оперения отличаются друг от друга назначением и способами закрепления, что вносит свои особенности в силовую работу и влияет на выбор их конструктивно-силовых схем. Рассмотрим отдельно особенности устройства и силовой работы основных агрегатов оперения (стабилизатора, киля, управляемого стабилизатора, руля и элерона).

Стабилизаторы и кили.

Имеют полную аналогию с крылом как по составу и конструкции основных элементов — лонжеронов, продольных стенок, стрингеров, нервюр, так и по типу силовых схем. Для стабилизаторов вполне успешно используются лонжеронная, кессонная и моноблочная схемы, а для килей последняя схема применяется реже из-за определенных конструктивных трудностей при передаче изгибающего момента с киля на фюзеляж. Контурный стык силовых панелей киля с фюзеляжем в этом случае требует установки большого числа силовых шпангоутов или установки на фюзеляже в плоскости силовых панелей киля мощных вертикальных балок, опирающихся на меньшее число силовых шпангоутов фюзеляжа. У стабилизаторов можно избежать передачи изгибающих моментов на фюзеляж, если лонжероны или силовые панели левой и правой его поверхностей связать между собой по кратчайшему пути в центральной его части. Для стреловидного стабилизатора это требует перелома оси продольных элементов по борту фюзеляжа и установки двух усиленных бортовых нервюр. Если продольные элементы такого стабилизатора без перелома осей доходят до плоскости симметрии самолета, то кроме бортовых силовых нервюр, передающих крутящий момент, потребуется еще одна силовая нервюра в плоскости симметрии самолета.

Источник

Горизонтальное хвостовое оперение.

Теперь о горизонтальном хвостовом оперении. Оно также имеет две основные функции, первую можно охарактеризовать как балансировочную. Для того чтобы понять что тут к чему, можно провести простой эксперимент. Необходимо взять какой-либо длинный предмет, например линейку и положить ее на один вытянутый палец так, чтобы она не падала и не клонилась ни назад, ни вперед, т.е. найти ее центр тяжести. Итак, теперь у линейки (фюзеляжа) есть крыло (палец), уравновесить ее вроде не сложно. Ну а теперь необходимо представить, что в линейку закачиваются тонны топлива, садятся сотни пассажиров, загружается огромное количество груза.

Читайте также:  Тойота камри замена резинок стабилизатора

Естественно, все это загрузить идеально относительно центра тяжести просто невозможно, однако есть выход. Необходимо прибегнуть к помощи пальца второй руки и поместить его сверху от условно задней части линейки, после чего сдвинуть «передний» палец к заднему. В итоге получилась относительно устойчивая конструкция. Можно еще сделать по другому: поместить «задний» палец под линейку и сдвинуть «передний» вперед, в сторону носовой части. Оба этих примера показывают принцип действия горизонтального хвостового оперения.

Более распространен именно первый тип, когда горизонтальные стабилизаторы создают силу, противоположную по направлению к подъемной силе крыльев. Ну и вторая их функция – управление по оси тангажа. Здесь все абсолютно также как и с вертикальным оперением. В наличии отклоняемая задняя кромка профиля, которая управляется из кокпита и увеличивает либо уменьшает силу, которую создает горизонтальный стабилизатор благодаря своему аэродинамическому профилю. Здесь следует сделать оговорку, относительно отклоняемой задней кромки, ведь некоторые самолеты, особенно боевые, имеют полностью отклоняемые плоскости, а не только их части, это касается и вертикального оперения, однако принцип работы и функции от этого не меняются.

Виды горизонтальных хвостовых оперений.

А теперь о том, почему конструкторы отходят от классической схемы. Сейчас самолетов огромное количество и их предназначение вместе с характеристиками очень сильно отличается. И, по сути, здесь необходимо разбирать конкретный класс самолетов и даже конкретный самолет в отдельности, но чтобы понять основные принципы будет достаточно нескольких примеров.

Первый — уже упоминаемый Ан-225, имеет двойное вынесенное вертикальное оперение по той причине, что он может нести на себе такую объемную вещь как челнок Буран, который в полете затенял бы в аэродинамическом плане единственный вертикальный стабилизатор, расположенный по центру, и эффективность его была бы чрезвычайно низкой. Т-образное оперение Ту-154 также имеет свои преимущества. Поскольку оно находится даже за задней точкой фюзеляжа, по причине стреловидности вертикального стабилизатора, плечо силы там самое большое (здесь можно опять прибегнуть к линейке и двум пальцам разных рук, чем ближе задний палец к переднему, тем большое усилие на него необходимо), потому его можно сделать меньшим и не таким мощным, как при классической схеме. Однако теперь все нагрузки, направленные по оси тангажа передаются не на фюзеляж, а на вертикальный стабилизатор, из-за чего тот необходимо серьезно укреплять, а значит и утяжелять.

Кроме того, еще и дополнительно тянуть трубопроводы гидравлической системы управления, что еще больше прибавляет вес. Да и в целом такая конструкция более сложная, а значит менее безопасная. Что же касается истребителей, почему они используют полностью отклоняемые плоскости и парные вертикальные стабилизаторы, то основная причина — увеличение эффективности. Ведь понятно, что лишней маневренности у истребителя быть не может.

Формы оперения самолётов (вид спереди): а — крестовидная; б и в — Т-образные; г и д — двухкилевые; е — трёхкилевая; ж и з — V-образные.

4.2. Нагрузки, действующие на хвостовое оперение:

4.3. Конструктивно-силовая схема хвостового оперения. Работа силовых элементов хвостового оперения в полёте:

Различные агрегаты оперения отличаются друг от друга назначением и способами закрепления, что вносит свои особенности в силовую работу и влияет на выбор их конструктивно-силовых схем. Рассмотрим отдельно особенности устройства и силовой работы основных агрегатов оперения (стабилизатора, киля, управляемого стабилизатора, руля и элерона).

Стабилизаторы и кили имеют полную аналогию с крылом как по составу и конструкции основных элементов — лонжеронов, продольных стенок, стрингеров, нервюр, так и по типу силовых схем. Для стабилизаторов вполне успешно используются лонжеронная, кессонная и моноблочная схемы, а для килей последняя схема применяется реже из-за определенных конструктивных трудностей при передаче изгибающего момента с киля на фюзеляж. Контурный стык силовых панелей киля с фюзеляжем в этом случае требует установки большого числа силовых шпангоутов или установки на фюзеляже в плоскости силовых панелей киля мощных вертикальных балок, опирающихся на меньшее число силовых шпангоутов фюзеляжа. У стабилизаторов можно избежать передачи изгибающих моментов на фюзеляж, если лонжероны или силовые панели левой и правой его поверхностей связать между собой по кратчайшему пути в центральной его части. Для стреловидного стабилизатора это требует перелома оси продольных элементов по борту фюзеляжа и установки двух усиленных бортовых нервюр. Если продольные элементы такого стабилизатора без перелома осей доходят до плоскости симметрии самолета, то кроме бортовых силовых нервюр, передающих крутящий момент, потребуется еще одна силовая нервюра в плоскости симметрии самолета.

Читайте также:  Почему не работает стабилизатор теплоком

На виде в плане имеет стреловидную или треугольную форму. Ось вращения управляемого стабилизатора может быть перпендикулярной к плоскости симметрии самолета или располагаться под углом к ней.

Положение оси вращения выбирается так, чтобы усилия от шарнирного момента на до- и сверхзвуковых скоростях полета были бы минимальными. Крепление управляемого стабилизатора к фюзеляжу выполняется с помощью вала и двух подшипников.
Возможны две схемы крепления вала:

· вал жестко закреплен на стабилизаторе, а подшипники крепятся на фюзеляже

Источник

Проектирование конструкции киля и стабилизатора

Особенностью киля и стабилизатора является значительное нагружение заднего лонжерона (или стенки) сосредоточенными силами в узлах подвески рулей. В соответствии с распределением давлений по хорде, задаваемым нормами прочности при нагруз­ках, возникающих при маневрах, задняя часть нагружена больше, чем передняя.

Конструктивно-силовые схемы киля и стабилизатора выбира­ются как из условия компоновки самого оперения, так и из усло­вия его увязки с компоновкой фюзеляжа. Технологически выгодно, чтобы конструкция киля и стабилизатора была аналогична кон­струкции крыла. В этом случае освоенные уже процессы изго­товления и сборки могут частично повторяться, и стоимость кон­струкции уменьшается.

Стабилизатор работает аналогично крылу. Изгибающий момент, действующий на стабилизатор, так же как и в крыле, во многих конструкциях воспринима­ется центропланом и не передается на фюзеляж. Стыковые узлы лонжеронов стабилизатора полностью идентичны узлам крыла. По силовой увязке с фюзеляжем киль несколько отличается от крыла и стабилизатора. Изгибающий момент, действующий на киль, передается на фюзеляж, вызывая в нем кручение и изгиб. Наличие дополнительных нижних килей несколько уменьшает суммарный крутящий момент, действующий на фюзеляж.

На большинстве даже нескоростных самолетов киль выпол­няется стреловидной формы, что объясняется стремлением увели­чить расстояние между его центром давления и центром масс самолета . Это несколько увеличивает массу киля, но сни­жает массу фюзеляжа благодаря уменьшению действующего на него крутящего момента. Переднюю часть киля — так называе­мый форкиль — из-за его криволинейности целесообразно выпол­нять заодно с фюзеляжем (а иногда вообще отдельно) легкой кон­струкции и соединять с килем при окончательной сборке.

Полностью съемный форкиль используют для подхода к элементам управления, монтируемым в зоне форкиля. Некоторые конструктивно-силовые схемы киля представлены на рис.2. Киль может быть как лонжеронной, так и кессонной конструкции; в послед­нем случае осложняется его увязка с фюзеляжем. На рис.2, а и б показаны кили лонжеронных схем, на рис.2, в — лонжеронной схемы с внутренним подкосом. Конструктивно схема на рис. 2,а представляет двухлонжеронную конструкцию (иногда вместо переднего лонжерона может быть установлена стенка, но это хуже из условия живучести). Нервюры киля расположены перпендикулярно стенке переднего или зад­него лонжеронов, и имеют открытую малку поясов. В зоне под­вески руля направления установлены усиленные нервюры, так же как и по борту фюзеляжа. Панели обшивки могут быть выполнены как стрингер­ной, так и монолитной конструкции. Концевой обтекатель киля состоит из мембран, закрепленных на отформованной обшивке и бортовой нервюре, присоединенной с помощью анкерных гаек к законцовке киля. Для удобства сборки и ремонта желательно предусматривать в его конструкции съемные панели, позволяющие просматривать и при необходи­мости ремонтировать элементы внутреннего набора. В представ­ленной на рис.2,а конструктивно-силовой схеме при расчете бортовой нервюры необходимо учитывать дополнительную на­грузку, вызываемую моментом М 2, возникающим из-за стреловидности киля в зоне крепления его лонжеронов к шпангоутам, которые способны воспринимать только момент М 1 действующий в их плоскости.

Момент М 2 совместно с крутящим моментом, дей­ствующим на киль, должна воспринять бортовая нервюра и пере­дать в виде поперечных сил на узлы стыка лонжеронов, работая при этом на срез и изгиб.

В схеме, приведенной на рис.2,б, киль однолонжеронной конструкции стыкуется с косым шпангоутом, расположенным в плоскости лонжерона киля. В этой конструкции бортовая нер­вюра передает на стыковые узлы только крутящий момент. Из­гибающий момент полностью воспринимает шпангоут и в виде поперечных и осевых сил передает на обшивку фюзеляжа. Но технологически косой шпангоут нецелесообразен, так как под­ходит к различным сечениям фюзеляжа с переменной малкой, и поэтому его установка вызывает ряд трудностей.

Читайте также:  Шевроле орландо замена стоек стабилизатора

На рис.2,в приведена схема киля с внутренним подкосом, расположенным перпендикулярно к оси фюзеляжа и передающим на силовой шпангоут фюзеляжа весь изгибающий момент от киля. В этой схеме подкос является дополнительной опорой для перед­него лонжерона, поэтому изгибающий момент по переднему лон­жерону в зоне его стыка с фюзеляжем становится равным нулю, а в зоне подхода подкоса имеет максимум. Поэтому наибольшее сечение поясов лонжерона должно быть в точке его крепления к подкосу, после чего пояса лонжеронов можно постепенно умень­шать, оставляя только слабые полки для крепления к обшивке.

Стык киля с фюзеляжем в передней точке осуществляется через проушину, передающую только силу. При креплении зад­него лонжерона в месте его стыка с подкосом можно использовать шарнирное соединение. Тогда задний лонжерон превращается в стенку и передает к месту стыка только силу. Если задний лон­жерон способен передать изгибающий момент, то в зоне стыка возникает дополнительная составляющая момента М 2 (рис.2,а), которую должна воспринять бортовая нервюра. Тяжелые самолеты в отдельных случаях имеют трехлонжеронный киль с большой хордой. При большой хорде носка киля бы­вает целесообразно устанавливать в передней части дополнитель­ную стенку (рис.2,г). К этой стенке носок крепится на анкерных гайках и в нем монтируется система противообледнения.

На некоторых скоростных самолетах встречается двухкилевая схема, при которой кили разнесены по отношению к фюзеляжу или расположены на концах крыла. Конструктивно-силовая схема киля при этом не меняется. На килях, устанавливаемых на крыле, часто отказываются от рулей направления, а делают поворотной часть киля. В этом случае нижняя часть киля выполняется не­подвижной, жестко связанной с крылом. Она состоит из двух или трех лонжеронов и нескольких нервюр.

При двухлонжеронной схеме (рис.3) неподвижная часть киля может крепиться к крылу четырьмя узлами, закрепленными на поясах лонжеронов. Ответные узлы на крыле устанавливают поверх его обшивки (в неподвижной части киля) и связывают с лонжеронами крыла и усилен­ными нервюрами при помощи специальных фитингов. В двух усиленных нервюрах 3, 4 запрессовываются подшипники 6, 7, в которых перемещается ось вращения 1 поворотной части киля. Ось управляется при помощи качалки 2, расположенной внутри крыла. В подвижной части киля жестко заделанная ось снимает с подвижной части все нагрузки, а именно — изгибающий момент, поперечную силу и крутящий (шарнирный) момент, так что на все эти нагрузки ось должна быть рассчитана. Опорные нервюры получают нагрузки от подшипников и, работая на изгиб и срез, передают их на два лонжерона и на обшивку. У борта неподвижной части киля эти нагрузки через стыковые узлы передаются на крыло и восприни­маются его силовыми элементами (лонжеронами и нервюрами). Подвижная часть киля 5 выполняется аналогично схеме цельно­поворотного горизонтального оперения (ЦПГО) с заделанной в нем осью.

На некоторых самолетах применяется разнесенное оперение с шайбами, определенная специфика приводит к ряду преимуществ. Наличие шайб на концах стабилизатора повышает его эффектив­ность. Кили не попадают в поток заторможенного воздуха от фюзеляжа. Для нескоростных самолетов повышается эффектив­ность килей за счет обтекания их струей воздуха от винтов двига­телей.

Конструктивная силовая схема такого оперения (рис.4) состоит из трапециевидного стабилизатора 2, закрепленного че­тырьмя узлами 3 на фюзеляже самолета. Стабилизатор двухлон­жеронной схемы, на его концах установлены узлы 4 подвески ки­лей 1. Все узлы выполнены в виде проушин, закрепленных на

лонжеронах и нервюрах. Ответные узлы установлены на фюзеляже и на килях. Стабилизатор снабжен рулем высоты 6 и двумя трим­мерами 5. Кили двухлонжеронной конструкции 7 имеют эллипти­ческую форму. К килю на трех узлах 8 (два крайних и один сред­ний) подвешивается руль направления 11. Конструкция руля од- нолонжеронная с двумя балансирами 12, выполненными в виде рога. На руле установлены триммер 10 и сервокомпенсатор 9.

Источник