Материал: Выбор оптимальной по весу и прочности формы поперечного сечения отсека фюзеляжа

Рисунок 1.18 - Гермоотсеки

В конструкциях герметичных отсеков должна быть обеспечена надёжная герметизация по всем заклёпочным и болтовым швам. Герметизация швов обеспечивается прокладыванием между соединяемыми элементами специальных лент, пропитанных герметиком, промазыванием швов невысыхающей замазкой, покрытием швов жидким герметиком с последующей горячей сушкой. В местах стыка листов обшивки используются многорядные заклёпочные швы с малым шагом заклёпок.

С помощью специальных гермоузлов обеспечивается уплотнение выводов проводки управления, трубопроводов, электрожгутов и т. п.

Особое внимание уделяется герметизации фонарей, люков, дверей, окон, что обеспечивается специальными уплотнительными устройствами в виде резиновых лент, жгутов, прокладок, надувных трубок.

Рисунок 1.19 - Гермоузлы

2. Исследование оптимальной формы поперечного сечения фюзеляжа пассажирского самолёта

.1 Возможные формы поперечного сечения

Внешние формы фюзеляжа:

Наивыгоднейшей формой фюзеляжа является осесимметричное тело вращения с плавным сужением в носовой и хвостовой частях. Такая форма обеспечивает минимальную при заданных габаритах площадь поверхности, а значит и минимальную массу обшивки, и минимальное сопротивление трения фюзеляжа.

Круглое сечение тела вращения выгодно по массе и при действии избыточного давления в гермокабинах. Однако по компоновочным и иным соображениям от такой идеальной формы приходится отступать. Так, фонари кабины экипажа, воздухозаборники, антенны радиолокаторов нарушают плавность обводов и приводят к увеличению сопротивления и массы фюзеляжа. Такой же эффект даёт и отступление от плавных форм в хвостовых отсеках фюзеляжа с целью увеличения угла опрокидывания или для укорочения погрузочного люка и рампы.

Поперечное сечение фюзеляжа обычно определяется условиями компоновки грузов, двигателей, пассажирских салонов.

Наивыгоднейшей формой фюзеляжа (рис. 2.1) является осесимметричное тело вращения с плавным сужением в носовой и хвостовой частях. Такая форма обеспечивает минимальную при заданных габаритах площадь поверхности, а значит и минимальную массу обшивки, и минимальное сопротивление трения фюзеляжа. Круглое сечение тела вращения выгодно по массе и при действии избыточного давления в гермокабинах. Однако по компоновочным и иным соображениям от такой идеальной формы приходится отступать. Так, фонари кабины экипажа, воздухозаборники, антенны радиолокаторов нарушают плавность обводов и приводят к увеличению сопротивления и массы фюзеляжа. Такой же эффект дает и отступление от плавных форм в хвостовых отсеках фюзеляжа с целью увеличения угла опрокидывания j или для укорочения погрузочного люка и рампы.

Рисунок 2.1 - Возможные формы поперечного сечения

Поперечное сечение фюзеляжа (рис. 2.2) обычно определяется условиями компоновки грузов, двигателей, пассажирских салонов. Возможные формы сечений показаны на рисунке:

Рисунок 2.2 - Поперечное сечение фюзеляжа

Внешние формы фюзеляжа характеризуются следующими геометрическими параметрами:ф - длина фюзеляжа;ф - диаметр фюзеляжа;м - площадь миделевого (наибольшего) сечения фюзеляжа,

.2 Нагрузки действующие на фюзеляж (типовые эпюры нагрузок действующих на фюзеляж)

В полёте и при посадке на фюзеляж действуют следующие нагрузки:

·        силы, передающиеся на фюзеляж от присоединённых к нему частей самолёта - крыла, оперения, шасси, силовой установки и др.,

·        массовые инерционные силы агрегатов, грузов, оборудования, расположенных в фюзеляже, и инерционные силы от собственной массы конструкции фюзеляжа,

·        аэродинамические силы, распределённые по поверхности фюзеляжа,

·        силы избыточного давления в герметических кабинах, отсеках оборудования, каналах воздухозаборников.

Перечисленные нагрузки с учётом принципа Д’Аламбера полностью уравновешены на фюзеляже.

С точки зрения строительной механики фюзеляж можно рассматривать как коробчатую балку, закреплённую на крыле и загруженную перечисленными выше нагрузками. В любом сечении такой балки действуют вертикальные и горизонтальные составляющие перерезывающих сил, изгибающих моментов, а также крутящий момент. В герметичных отсеках к этим нагрузкам добавляются усилия от избыточного внутреннего давления.

Фюзеляж самолета предназначен для размещения экипажа самолета, полезной нагрузки, оборудования, топлива, двигателей, вооружения и т. д. В силовом отношении фюзеляж связывает между собой другие основные части самолета - крыло, оперение, шасси, силовую установку.

Вес конструкции фюзеляжа составляет около 40% веса всей конструкции самолета, а его аэродинамическое сопротивление - до 50% полного сопротивления самолета.

При общем проектировании фюзеляжа решаются следующие вопросы:

выбор основных параметров и размеров фюзеляжа (рис. 2.3);

выбор формы обводов носовой и хвостовой частей, и формы поперечного сечения;

выбор конструктивно-силовой схемы фюзеляжа и увязка ее с другими агрегатами самолета;

определение веса фюзеляжа.

Рисунок 2.3 - Основных параметров, размеров и обводов фюзеляжа

Выбор основных параметров, размеров и обводов фюзеляжа:

Основными размерами фюзеляжа являются его длина  , диаметр  , площадь миделевого сечения  , длина носовой части  и длина хвостовой части  (рис. 2.3).

Большое влияние на характеристики самолета, особенно на аэродинамические и весовые, оказывают параметры фюзеляжа:  -удлинение фюзеляжа;  - удлинение носовой части;  - удлинение хвостовой части.

Если поперечное сечение фюзеляжа некруглое, то при расчете  вместо  берется эквивалентный диаметр:

.

Выбор параметров фюзеляжа в отрыве от параметров крыла, оперения и шасси является приближенным решением задачи.

Удлинение фюзеляжа. Величина удлинения фюзеляжа и его частей (  ) выбирается в первую очередь из аэродинамических соображений. Невыполнение требований аэродинамики может значительно (на одну-две единицы) уменьшить аэродинамическое качество самолета на основных режимах полета.

От удлинения фюзеляжа, а также от удлинения его носовой и хвостовой частей зависит величина критического значения скорости (  ). При проектировании необходимо учитывать зависимость  фюзеляжа от параметров  . Очевидно, что число  полета для дозвуковых самолетов не должно превышать  фюзеляжа. Данное условие обычно выполняется, так как критическая скорость крыла, как правило, меньше критической скорости фюзеляжа.

Для сверхзвуковых самолетов большое значение приобретает удлинение носовой части фюзеляжа, так как на величину волнового сопротивления главное влияние оказывает форма носовой части тела.

Рисунок 2.4 - Оптимальное удлинение носовой части фюзеляжа сверхзвукового самолета зависит от числа М полета и размеров самолета

-тяжёлые самолёты. 2-лёгкие самолёты.

Из аэродинамических соображений оптимальное значение удлинения фюзеляжа и его частей (как для дозвуковых, так и для сверхзвуковых самолетов) определяется минимумом полного аэродинамического сопротивления.

На дозвуковых скоростях это в основном профильное сопротивление (т. е. сопротивление трения и сопротивление давления), на сверхзвуковых скоростях это сумма волнового сопротивления и сопротивления трения (рис. 2.4). Индуктивное сопротивление от параметров фюзеляжа не зависит.

Однако выбирать значение удлинения фюзеляжа и его частей следует, исходя не только из соображений аэродинамики, но учитывая и такие важные факторы, как вес, компоновка и условия эксплуатации самолета.

Удлинения фюзеляжа современных самолетов имеют следующие значения:

а) дозвуковые самолеты

 = 1,2…1,5;  = 2,0…2,5;

 = 6 …7 - легкие самолеты;

 = 7 … 8 - пассажирские и транспортные самолеты для местных авиалиний;

 = 8 … 9 - средние магистральные пассажирские и тяжелые транспортные самолеты;

б) дозвуковые самолеты (  )

 = 1,7…2,0;  = 3,0…3,2;

 = 10… 13 - тяжелые пассажирские самолеты большой дальности;

в) сверхзвуковые легкие самолеты (истребители)

 = 1,5 …2 - с боковыми воздухозаборниками;

 = 4 ….5, - если двигатели вне фюзеляжа

 = 7….10

г) сверхзвуковые тяжелые самолеты (военные и пассажирские)

 = 5…6;  = 5…7;  = 16…20.

Длина фюзеляжа и площадь миделя. Длина фюзеляжа определяется из условия обеспечения потребных объемов для размещения экипажа, пассажиров, оборудования, вооружения, грузов.

Кроме компоновочных соображений, длина фюзеляжа определяется еще и потребным плечом горизонтального оперения  . Для определения длины фюзеляжа в первом приближении можно воспользоваться следующими статистическими данными:

Форма крыла в плане  крыла  крыла

Прямое 0 9 - 11 0,65 - 0,75

- 8 0,75 - 0,85

Стреловидное 35 - 55 6 - 9 0,8 - 0,95

- 3,5 0,95 - 1,25

Треугольное 60 - 65 2 - 3 1,5 - 2,0

Из условия обеспечения потребного объема для заданной нагрузки длина фюзеляжа определяется по формуле:

или

где  - необходимый объем фюзеляжа;  - коэффициент формы фюзеляжа (по объему), 0,75-0,8 - дозвуковые самолеты; 0,70-0,75 - сверхзвуковые самолеты.

Кроме того, для дозвуковых самолетов в первом приближении длину фюзеляжа можно определять, воспользовавшись связью параметров фюзеляжа и крыла, которая выражается следующей приближенной зависимостью:

где  - удлинение фюзеляжа;  - размах крыла;  - удлинение крыла.

Далее длину фюзеляжа уточняют в процессе компоновки самолета, а также из условия выбора необходимой величины  .

Если выбрана длина фюзеляжа, то длина носовой и хвостовой части определится из соотношений:

При проектировании самолета (особенно сверхзвукового) следует помнить, что площадь миделевого сечения фюзеляжа должна быть минимальной (при выполнении важнейших требований, предъявляемых к компоновке самолета). Минимальная величина площади миделевого сечения отвечает требованиям аэродинамики - уменьшаются силы аэродинамического сопротивления фюзеляжа  и повышается аэродинамическое качество самолета. Аэродинамическое качество самолета зависит от относительной площади миделевого сечения фюзеляжа  (  площадь крыла). При увеличении  качество существенно снижается. Это является одной из причин того, что для сверхзвуковых пассажирских самолетов приходится принимать  = 16-20. Чтобы получить заданный объем фюзеляжа, приходится увеличивать его длину, так как увеличивать диаметр нежелательно (чтобы не увеличивать  ).