Конструкция самолётов

- должно быть обеспечено  удобство подходов к различным  агрегатам, размещенным в фюзеляже, для их осмотра и ремонта; удобство входа и выхода экипажа и пассажиров, выброса десантников и вооружения, удобство погрузки, швартовки и выгрузки предназначенных для перевозки грузов.

- пассажирам и экипажу должны  быть обеспечены необходимые жизненные условия и определенный уровень комфорта при полете на большой высоте и возможность быстрого и безопасного аварийного покидания самолета, экипажу - хороший обзор.

К основным требованиям (как и для  остальных агрегатов самолета) относится обеспечение достаточных прочности и жесткости конструкции фюзеляжа при минимальной ее массе, высокой технологичности конструкции, а для военных самолетов - еще и высокой боевой живучести.

Внешние формы фюзеляжа характеризуются формой поперечного сечения и видом фюзеляжа сбоку. Формы поперечного сечения фюзеляжа зависят от назначения и условий применения самолета и его компоновки (рис. 50).

Наибольшее распространение  получили круглая форма 1 поперечного сечения фюзеляжа и специальные формы 2 и 3, составленные из двух пересекающихся окружностей разных диаметров. Это объясняется тем, что фюзеляж с круглой формой поперечного сечения имеет меньшую поверхность при заданном объеме и, следовательно, меньшее сопротивление трения. Кроме того, обшивка фюзеляжа круглого сечения при избыточном внутреннем давлении работает только на растяжение, не испытывая изгибных напряжений.

Фюзеляжи с формами  сечений 2 и 3 занимают промежуточное положение: у них меньшее сопротивление трения, чем при других формах 4…7, но в месте пересечения окружностей они от избыточного давления Dр нагружаются изгибом. Если эти места на противоположных бортах фюзеляжа соединить горизонтальными жесткостями (например, балками пола), то они разгрузят фюзеляж от изгиба, а сами будут работать на растяжение или сжатие.

Фюзеляж с прямоугольными формами сечений типа 5, 6, 7 с овальными сводами удобнее для размещения грузов (особенно в контейнерах). Такие фюзеляжи создают большее аэродинамическое сопротивление и они нагружались бы изгибом, если бы использовались для высотных полетов с избыточным давлением внутри фюзеляжа. И, наконец, эллиптическое сечение 4. Оно имеет меньшее сопротивление и удобнее для более полного использования внутренних объемов.

На рис. 50, г показаны поперечные сечения фюзеляжа самолёта F-4. Их “нетипичность” определяется размещением в фюзеляже двух двигателей (сечения 11 и 12) и воздухозаборников (сечение 10). Формы сечений 8 и 9 обеспечивают лётчику лучший обзор.

   

Рис. 50. Формы поперечных сечений фюзеляжа, параметры и  формы его носовой и хвостовой частей

Вид фюзеляжа сбоку определяется назначением самолета, требованием наименьшего сопротивления, конкретным размещением в данном фюзеляже экипажа, оборудования и целевой нагрузки, а также формой в плане крыла, схемой и расположением оперения, силовой установки и т.д. Требованию наименьшего сопротивления соответствует фюзеляж в виде осесимметричного тела с плавным сужением в носовой и хвостовой частях.

Основными геометрическими параметрами фюзеляжа (рис. 50, б) являются: l_Ф - длина, d_Ф - диаметр, l_Н.Ч -длина носовой части, l_ХВ.Ч - длина хвостовой части. В число параметров фюзеляжа входят также площадь миделевого (наибольшего) сечения – S_М.Ф, удлинение фюзеляжа _Ф=l_Ф/d_Ф и удлинение носовой и хвостовой частей _Н.Ч=l_Н.Ч./d_Ф и _ХВ.Ч=l_ХВ.Ч/d_Ф. При некруглой форме поперечного сечения эквивалентный диаметр фюзеляжа

D_Ф.Э = 2

,

а характерными размерами  фюзеляжа будут наибольшие его высота Н или ширина В.

Для многих типов самолетов d_Ф и S_М.Ф могут определяться однозначно. Например, для истребителей - по размерам двигателя (двигателей), расположенного в фюзеляже, размерам кабины экипажа, для бомбардировщиков - по размерам бомбоотсека, для транспортного самолета - по максимальным габаритам транспортируемых грузов, для пассажирских самолетов - по числу пассажиров в одном ряду и т.д.

Длина фюзеляжа l_Ф, при определенном значении d_Ф связана однозначно с удлинением фюзеляжа _Ф. Влияние _Ф на характеристики фюзеляжа противоречиво. С точки зрения строительной механики фюзеляж можно рассматривать как двухопорную балку с двумя консолями. Опоры - узлы крепления крыла к фюзеляжу. Поэтому увеличение длин консолей при увеличении _Ф приводит к увеличению изгибающих моментов на фюзеляже и его утяжелению, но при увеличении _Ф уменьшается сопротивление фюзеляжа. Уменьшение _Ф за счет уменьшения l_Ф или увеличения d_Ф приводит к уменьшению нагруженности фюзеляжа и напряжений в его силовых элементах от изгибающего момента, но с увеличением d_Ф очень быстро растут напряжения в гермокабине от избыточного давления Dр. При достаточном увеличении d_Ф (5м и более) в пассажирском самолете появляется возможность иметь две палубы для размещения пассажиров.

Относительное удлинение  фюзеляжа для дозвуковых самолётов (М<0,7) может быть - =6…9, для околозвуковых самолётов (М=0,8…0,9) - =9…12 и для сверхзвуковых самолётов (М>1) =14…22.

 

Гермокабина представляет собой наибольшую часть фюзеляжа. Герметичность фюзеляжа достигается  уплотнением заклёпочных швов. Для  этого используют многорядные заклёпочные  швы. Между листами обшивки, стрингерами, шпангоутами и силовыми элементами, окантовывающими вырезы, прокладывают эластичные тиоколовые ленты и синтетические плёнки типа «бутафоль». Заклёпочные швы покрывают тиоколовой самовулканизирующейся замазкой.

Компоновку фюзеляжа рассмотрим на примере самолета Ил-76 (см. рис. 51).

 

1) Носовая часть, до 1-го шп. - отсек радиолокационной  станции.

2) С 1-го по 14 шп. - кабина экипажа. Кабина представляет собой двухпалубный отсек. На верхней палубе расположена кабина пилотов, на нижней - кабина штурмана. В кабине пилотов размещены рабочие места командира ВС, второго пилота, бортинженера и радиста. У задней стенки кабины (у 14 шп.) - сиденья бортоператора и проверяющего. Под полом кабины штурмана отсек радиолокатор, закрытый радио прозрачным обтекателем. Обе кабины имеют фонари. В фонаре кабины пилотов имеются две сдвижные форточки. На потолке кабины пилотов между 13-14 шпангоутами расположен аварийно-эксплуатационный люк с крышкой, открываемой вовнутрь. На нижней палубе между 11-14 шпангоутами по левому борту расположен туалет с входом из грузовой кабины.

3) Между 11-18 шпангоутами  под полом кабины штурмана  и грузовой кабины расположен  негерметичный отсек передней  опоры шасси.

4) Между 14-67 шпангоутами  - грузовая кабина (ГК). Пол ГК между  14-56 шпангоутами горизонтальный, а далее до 67 шп. – наклонный (рампа). По бортам ГК расположены:

- между 15-17 шпангоутами  входные двери;

- между 23-24 шп. аварийные  люки №1;

- между 50-51 шп. окна;

- между 58-60 шп. (на расстоянии 2,3 м от пола рампы) аварийные люки N 2;

В передней части  ГК расположено рабочее место  старшего бортоператора, две погрузочные  лебедки, два ящика для швартовочных цепей и замков цепей. На стенке 14 шпангоута закреплены шкафы для  технической документации и бытовые  шкафы. По верху ГК слева и справа от 15 до 67 шпангоута подвешены два монорельса, на каждом из которых установлено по два электротельфера. В полете тельферы должны находиться на рельсах между 16-24 шпангоутами и зафик-сированны стопорными устройствами. ГК оканчивается гермостворкой. Она имеет дверь для прохода в хвостовую часть фюзеляжа, две ниши для парашютов, сбрасываемых в полете грузов и два рельса, являющихся продолжением рельсов грузовой кабины при открытой гермостворке. Под полом ГК - два герметичных необогреваемых багажных отсека: передний между 18-35, задний между 51-56 шпангоутами. Передний багажник имеет два люка: справа по борту между 22-24 шп. и снизу фюзеляжа между 29-31 шп. Задний багажник имеет люк снизу фюзеляжа между 53-54 шп. Крышки люков багажников открываются наружу. Ручки крышек после закрытия замков запираются ключами.

5) Между 35-51 шпангоутами  под полом ГК - негерметичный отсек  основных опор шасси.

6) В верхней части средней части фюзеляжа между 29-41 шпангоутами крепится центроплан крыла. Нижняя обшивка центроплана служит потолком грузовой кабины. Узлы крепления крыла к фюзеляжу закрыты негерметичным зализом. В передней части зализа между 18-29 шпангоутами расположены контейнер спасательного плота, отсек агрегатов системы кондиционирования воздуха, рулевой привод и другие элементы управления предкрылками. В средней части зализа между центропланом и фюзеляжем (29-41 шп.) отсеки агрегатов гидравлической и топливной систем. В задней части зализа (41-45 шп.) расположены гидроотсек, агрегаты управления закрылками, элеронами и спойлерами.

7) В нижней части фюзеляжа снаружи (между 26-62 шп.) – несъемный обтекатель, который закрывает узлы крепления стоек основных опор шасси. В левой части обтекателя расположены отсек ВСУ с управляемой створкой воздухозаборника и выхлопным каналом, агрегаты системы запуска двигателей на земле, аккумуляторы и фара освещения хвостового оперения. В правой части обтекателя размещены аккумуляторы, два штуцера и шиток заправки самолета топливом, ручной насос централизованного слива отстоя топлива из топливных баков. Средняя часть обтекателя (31-56 шп.) закрывает колеса основных опор шасси в убранном положении. В ней размещены радионавигационная аппаратура, створки колес основных опор шасси и ниша люка N 3 заднего багажника.

8) В хвостовой части фюзеляжа снизу размещены средняя и боковые створки грузового люка. В верхней части между шпангоутами 76-86 размещены автономные рулевые машины и другие агрегаты управления самолетом. Между 83-85 шпангоутами в подкилевой жесткости имеется отверстие килевого лаза для вы-хода на горизонтальное оперение с целью осмотра его в полевых и аэродромных условиях.

9) Задняя часть фюзеляжа - хвостовой кок является аэродинамической законцовкой фюзеляжа. В нижней части ее имеется вырез под среднюю створку грузолюка, а на 95 шпангоуте установлены кронштейны навески средней створки. Компоновку фюзеляжа пассажирского самолета можно рассмотреть на примере Ту-154М:

6. Нагружение  фюзеляжа. Основные конструктивно-силовые  элементы фюзеляжа, их нагружение.

 

Во время полёта на фюзеляж действуют следующие силы:

- силы, передающиеся  на фюзеляж от прикрепленных  к нему агрегатов самолета - крыла,  оперения, силовой установки, шасси.  Эти силы для каждого из  случаев нагружения любого из j-х агрегатов самолета будут разными. Поэтому прочность фюзеляжа должна проверяться на все случаи нагружения, определяемые нормами прочности для каждой из частей самолета, крепящихся к фюзеляжу и передающих на него свои нагрузки;

- вес грузов и агрегатов,  расположенных в фюзеляже, а также  вес элементов конструкции фюзеляжа. Эти силы Р_i для каждого агрегата (груза) определяются с учетом значений перегрузок и коэффициентов безопасности.

- аэродинамические силы (разрежения или давления), распределенные по поверхности фюзеляжа. Эти силы на выступающих частях фюзеляжа могут достигать больших значений (например, над фонарем сила разрежения может достигать 80...10 кН/м). Однако аэродинамические силы практически самоуравновешены в сечениях фюзеляжа и могут являться расчетными для проверки прочности крепления обшивки и крышек люков и лючков к каркасу фюзеляжа. Так, например, для лючка диаметром 250 мм при интенсивности аэродинамической нагрузки 40 кН/м² сила, стремящаяся сорвать лючок,

Р = (40 ∙ 10^-4) p25²/4 » 2 кН;

- силы избыточного давления в герметических кабинах фюзеляжа, каналах воздухозаборников и специальных отсеках. Эти силы являются расчетными для местной прочности фюзеляжа. Избыточное давление Dр в герметических кабинах вентиляционного типа может достигать для военных самолетов 0,03...0,04 МПа, а у пассажирских самолетов - до 0,06...0,07 МПа. В кабинах регенерационного типа Dр = 0,1 МПа.

Кроме нагрузок, встречающихся  при нормальной эксплуатации самолета, нормами прочности рассматриваются  также особые случаи, связанные, например, с вынужденной посадкой самолета с убранным шасси на грунт или воду и др.

Расчётную схему фюзеляжа можно как двухопорную балку. Роль опор здесь выполняют узлы крепления  крыла к фюзеляжу (рис. 51).

На некоторые части  фюзеляжа действуют массовые нагрузки от расположённых в нём грузов или от прикреплённых к нему агрегатов:

,

здесь , - масса груза или конструкции агрегата; - перегрузка, определяемая для груза, агрегата или отдельной части конструкции фюзеляжа в центре масс по нормам прочности ( - эксплуатационная перегрузка и - коэффициент безопасности).

Кроме этого на фюзеляж  могут действовать аэродинамические силы, действующие на оперение.

В итоге под действием массовых и аэродинамических сил фюзеляж деформируется, т.е. образуются вертикальные поперечные перерезывающие силы, вертикальные (относительно оси ОZ) и горизонтальные (относительно оси ОY) изгибающие моменты, также крутящий момент (относительно оси ОХ) (рис. 52).

Крутящий момент в  фюзеляже образуется при повороте руля направления, в каком-либо направлении  в вертикальном оперении ( , здесь расстояние (плечо) между осью фюзеляжа - и центром масс) (рис. 53).