Конструкция самолета: основные элементы. Проектирование и строительство самолетов

Современные пассажирские и грузовые перевозки просто невозможно представить без самолетов. А ведь за комфортностью и мобильностью этих «железных птиц» стоят десятилетия разработок и тысячи неудачных попыток. Проектированием самолетов и их строительством занимаются лучшие умы авиастроения. Цена ошибки на этом поприще может быть слишком большой. Сегодня мы с вами немного окунемся в мир авиастроения и узнаем, из каких элементов состоит конструкция самолета.

Общая характеристика

В классическом варианте самолет представляет собой планер (фюзеляж, крылья, хвостовое оперение, мотогондолы), оснащенный силовой установкой, шасси и системами управления. Кроме того, неотъемлемой частью современных самолетов является авионика (авиационная электроника), призванная контролировать все органы и системы воздушного судна и в значительной степени упрощать участь пилотов.

Бывают и другие конструктивные схемы, однако они встречаются гораздо реже и, как правило, в военном авиастроении. Так, к примеру, бомбардировщик В-2 сконструирован по схеме «летающее крыло». А яркий представитель самолетостроения в России – истребитель Миг-29 - выполнен по «несущей схеме». В ней понятие «фюзеляж» заменено на «корпус».

Типы самолетов

В зависимости от назначения, самолеты делятся на две крупные группы: гражданские и военные. Гражданские модели подразделяются на пассажирские, грузовые, учебные и машины специального использования.

Пассажирские версии отличаются тем, что большую часть их фюзеляжа занимает специально оборудованный салон. Внешне их можно узнать по большому количеству иллюминаторов. Пассажирские воздушные суда подразделяются на: местные (летают на дистанции менее 2 тыс. км); средние (2-4 тыс. км); (дальние 4-9 тыс. км); и межконтинентальные (более 11 тыс. км).

Грузовые воздушные суда бывают: легкими (до 10 т груза), средними (10-40 т груза) и тяжелыми (более 40 т груза).

Самолеты специального назначения могут быть: санитарными, сельскохозяйственными, разведывательными, противопожарными и предназначенными для аэрофотосъемки.

Учебные модели, соответственно, необходимы для обучения начинающих пилотов. В их конструкции могут отсутствовать вспомогательные элементы, такие как кресла пассажирского салона и прочее. То же самое касается и опытных версий, которые используются при испытаниях самолетов новой модели.

Военные самолеты, в отличие от гражданских, не имеют комфортного салона и иллюминаторов. Все пространство фюзеляжа в них занято системами вооружения, оборудованием для разведки, системами связи и прочими агрегатами. Боевые самолеты подразделяются на: истребители, бомбардировщики, штурмовики, разведчики, транспортные, а также всяческие машин специального назначения.

Фюзеляж

Фюзеляж воздушного судна является основной частью, выполняющей несущую функцию. Именно на него крепятся все элементы конструкции самолета. Снаружи это: крылья с мотогондолами, оперение и шасси, а изнутри – кабина управления, технические помещения и коммуникации, а также грузовой или пассажирский отсек, в зависимости от принадлежности судна. Каркас фюзеляжа собирается из продольных (лонжероны и стрингеры) и поперечных (шпангоуты) элементов, которые впоследствии обшиваются металлическими листами. В легких самолетах вместо металла используется фанера или пластик.

Пассажирские машины могут быть узко- и широкофюзеляжными. В первом случае диаметр поперечного сечения корпуса составляет в среднем 2-3 метра, а во втором – от шести метров. Широкофюзеляжные самолеты имеют, как правило, две палубы: верхнюю - для пассажиров, и нижнюю - для багажа.

При проектировании фюзеляжа особое внимание уделяют прочностным характеристикам и весу конструкции. В этой связи имеют место такие меры:

1. Форма самолета проектируется таким образом, чтобы подъемная сила была максимальной, а лобовое сопротивление воздушным массам – минимальным. Объем и габариты машины должны идеально соотноситься друг с другом.
2. Для увеличения полезного объема корпуса, при проектировании предусматривается максимально плотная компоновка обшивки и несущих элементов фюзеляжа самолета.
3. Крепления силовой установки, взлетно-посадочных элементов и крыловых сегментов стараются сделать максимально простыми и надежными.
4. Места размещения пассажиров и крепления грузов или расходных материалов проектируются таким образом, чтобы в разных условиях эксплуатации самолета его баланс оставался в пределах допустимого отклонения.
5. Места для размещения экипажа должны обеспечивать комфортное управление воздушным судном, доступ к главным приборам навигации и максимально эффективное управление в случае непредвиденных ситуаций.
6. Компоновка самолета выполняется таким образом, чтобы при его обслуживании мастера имели возможность беспрепятственно продиагностировать необходимые узлы и агрегаты самолета и при необходимост, провести их ремонт.

Фюзеляж самолета должен быть достаточно прочным, чтобы противостоять нагрузкам, возникающим в разных полетных условиях, а именно:

1. Нагрузкам, возникающим в точках крепления основных элементов корпуса (крылья, оперение, шасси) во время взлета и приземления.
2. Аэродинамическим нагрузкам, возникающим во время полета, с учетом работы агрегатов, инерционных сил и функционирования вспомогательного оборудования.
3. Нагрузкам, связанным с перепадами давления, которые возникают при летных перегрузках в герметически ограниченных отсеках самолета.

Крыло

Важным конструктивным элементом любого самолета являются крылья. Они создают подъемную силу, необходимую для полета, и позволяют осуществлять маневрирование. Кроме того, крыло самолета используют для размещения силового агрегата, топливных баков, навесного оборудования и взлетно-посадочных устройств. Правильное соотношение веса, жесткости, прочности, аэродинамики и качества изготовления этого конструктивного элемента обуславливает надлежащие летные и эксплуатационные характеристики самолета.

Крыло самолета состоит из таких частей:

1. Корпус, который состоит из каркаса (лонжероны, стрингеры и нервюры) и обшивки.
2. Предкрылки и закрылки, которые обеспечивают взлет и посадку самолета.
3. Интерцепторы и элероны, с помощью которых пилот может менять направление полета самолета.
4. Тормозные щитки, служащие для более быстрой остановки самолета в момент посадки.
5. Пилоны, на которые крепятся силовые установки.

К фюзеляжу крыло крепится через центроплан – элемент, соединяющий правое и левое крыло и частично проходящий через фюзеляж. У низкопланов центроплан располагается в нижней части фюзеляжа, а у высокопланов – в верхней. У боевых машин он может и вовсе отсутствовать.

Во внутренних полостях крыла (у больших судов) обычно устанавливаются баки для топлива. У легких самолетов-истребителей дополнительные топливные баки могут подвешиваться на специальных консольных креплениях.

Конструктивно-силовая схема крыла

Конструктивно-силовая схема крыла должна обеспечивать противодействие силам сдвига, кручения и изгиба, возникающим во время полета. Ее надежность обуславливается использованием прочного каркаса из продольных и поперечных элементов, а также прочной обшивки.

Продольные элементы каркаса крыла представлены лонжеронами и стрингерами. Лонжероны выполняются в виде фермы или монолитной балки. Они размещаются по всему внутреннему объему крыла с определенным интервалом. Лонжероны придают конструкции жесткость и нивелируют воздействие поперечных и сгибающих сил, возникающих на той или иной стадии полета. Стрингеры играют роль компенсатора осевого усилия сжатия и растяжения. Они также нивелируют местные аэродинамические нагрузки и повышают жесткость обшивки.

Поперечные элементы каркаса крыла представлены нервюрами. В данной конструкции они могут выполняться в виде ферм или тонких балок. Нервюры обуславливают профиль крыла и придают его поверхности жесткость, необходимую при распределении нагрузки в момент формирования полетной воздушной подушки. Также они служат для более надежного крепления силовых агрегатов.

Обшивка не только придает крылу необходимую форму, но и обеспечивает максимальную подъемную силу. Наравне с другими элементами каркаса, она увеличивает жесткость конструкции и нивелирует воздействие внешних нагрузок.

Крылья самолетов могут отличаться по конструктивным особенностям и функциональности обшивки. Выделяют два главных типа:

1. Лонжеронные. Отличаются небольшой толщиной обшивки, которая образует замкнутый контур с ребрами лонжеронов.
2. Моноблочные. Основное количество внешней нагрузки распределяется по поверхности толстого слоя обшивки, закрепленного набором стрингеров. В таком случае обшивка может быть как монолитной, так и состоять из нескольких слоев.

Говоря о конструкции крыла, стоит отметить, что его стыковка и последующее крепление должны выполняться таким образом, чтобы в конечном итоге обеспечивалась передача и распределение крутящего и изгибающего моментов, которые могут возникнуть в разных режимах эксплуатации самолетов.

Оперение

Оперение самолета позволяет менять траекторию его движения. Оно может быть хвостовым и носовым (используется реже). В большинстве случаев хвостовое оперение представлено вертикальным килем (или же несколькими килями, обычно их два) и горизонтальным стабилизатором, по конструкции напоминающим крыло уменьшенного размера. Благодаря килю регулируется путевая устойчивость самолета, то есть устойчивость по оси движения, а благодаря стабилизатору – продольная (по тангажу). Горизонтальное оперение может устанавливаться на фюзеляж или поверх килей. Киль, в свою очередь, ставится на фюзеляж. Существуют разные вариации компоновки хвостового оперения, но в большинстве случаев она выглядит именно так.

Некоторые военные самолеты дополнительно оснащаются носовым оперением. Это необходимо для обеспечения должной путевой устойчивости на сверхзвуковых скоростях.

Силовые установки

Двигатель является важнейшим элементом в конструкции самолета, ведь без него воздушное судно не сможет даже взлететь. Первые самолеты летали совсем недолго и могли вмещать всего лишь одного пилота. Причина тому проста – маломощные моторы, не позволяющие развить достаточную тяговую силу. Чтобы самолеты научились перевозить сотни пассажиров и неподъемные грузы, конструкторам всего мира пришлось немало потрудиться.

За всю эволюцию «железных птиц» было использовано немало типов моторов:

1. Паровые. Принцип работы таких двигателей основан на превращении энергии пара в движение, которое передается на винт самолета. Так как паровые моторы имели низкий коэффициент полезного действия, они использовались авиационной промышленностью совсем недолго.
2. Поршневые. Это стандартные моторы внутреннего сгорания, по конструкции напоминающие двигатели автомобилей. Принцип их работы заключается в передаче тепловой энергии в механическую. Простота в изготовлении и доступность материалов обуславливают использование таких силовых установок на некоторых моделях самолетов до настоящего времени. Несмотря на небольшой КПД (около 55%), эти моторы пользуются определенной популярностью благодаря своей неприхотливости и надежности.
3. Реактивные. Такие моторы преобразуют энергию интенсивного сгорания топлива в тягу, необходимую для полета. На сегодняшний день реактивные двигатели используются в строительстве самолетов наиболее широко.
4. Газотурбинные. Принцип работы этих двигателей основан на пограничном нагреве и сжатии газа сгорания топлива, направленного на вращение турбины. Они используются преимущественно в военных типах самолетов.
5. Турбовинтовые. Это один из подвидов газотурбинных моторов. Отличие состоит в том, что энергия, полученная при работе, преобразуется в приводную и вращает винт самолета. Незначительная часть энергии идет на формирование толкающей реактивной струи. Такие моторы применяют главным образом в гражданской авиации.
6. Турбовентиляторные. В этих двигателях реализовано нагнетание дополнительного воздуха, необходимого для полного сгорания горючего, благодаря чему удается достичь максимальной эффективности и экологической благоприятности силовой установки. Моторы такого типа широко применяются в строительстве крупных авиалайнеров.

Мы с вами познакомились с основными типами авиационных двигателей. Список моторов, которые авиаконструкторы когда-либо пытались установить на воздушные суда, рассмотренным перечнем не ограничивается. В разные времена предпринималась масса попыток по созданию всяческих инновационных силовых агрегатов. К примеру, в прошлом веке велись серьезные работы по созданию атомных авиационных моторов, которые не прижились из-за высокой экологической опасности, в случае крушения самолета.

Обычно двигатель устанавливается на крыло или фюзеляж самолета посредством пилона, через который к нему подводятся приводы, топливные трубки и прочее. В таком случае мотор облачают в защитную мотогондолу. Существуют также самолеты, в которых силовая установка находится непосредственно внутри фюзеляжа. На воздушных судах может быть от одного (Ан-2) до восьми (В-52) двигателей.

Управление

Органами управления самолета называют комплекс бортового оборудования, а также командные и исполнительные приборы. Подача команд происходит из кабины пилота, а выполняется элементами крыла и оперения. В разных самолетах могут использовать различные виды систем управления: ручная, автоматизированная и полуавтоматическая.

Независимо от вида системы, рабочие органы подразделяют на основные и дополнительные.

Основное управление. Включает в себя действия, которые отвечают за регулировку режимов полета и восстановление баланса судна в заранее установленных параметрах. К органам основного управления относятся:

1. Рычаги, которые непосредственно управляются пилотом (рули высоты, рули горизонта, штурвал, командные панели).
2. Коммуникации, служащие для соединения управляющих рычагов с исполнительными механизмами.
3. Исполнительные устройства (стабилизаторы, элероны, спойлерные системы, подкрылки и закрылки).

Дополнительное управление. Используется только при взлетном и посадочном режиме.

Независимо от того, ручное или автоматическое управление реализовано в конструкции самолета, только пилот может собирать и анализировать информацию о состоянии систем самолета, показателях нагрузки и соответствии траектории с планом. И что самое главное, только он способен принять решение, максимально эффективное в сложившейся обстановке.

Контроль

Для считывания объективной информации о состоянии воздушного судна и летной обстановки пилот пользуется приборами, разделенными на несколько основных групп:

1. Пилотажные и навигационные. Служат для определения координат, вертикального и горизонтального положения, скорости и линейных отклонений самолета. Кроме того, эти приборы контролируют угол атаки воздушного судна, работу гироскопических систем и другие важные параметры полета. На современных самолетах эти приборы представлены в виде единого пилотажно-навигационного комплекса.
2. Контролирующие работу силовой установки. Данная группа приборов обеспечивает пилота данными о температуре и давлении масла, расходе топливной смеси, частоте вращения коленчатых валов, а также вибрационных показателях.
3. Приборы для наблюдения за работой дополнительного оборудования и систем. Данный комплекс состоит и приборов, датчики которых можно встретить во всех элементах конструкции самолета. К ним относятся: манометры, указатели перепада давления в герметичных кабинах, указатели положения закрылков и прочее.
4. Приборы для оценки состояния окружающей среды. Служат для измерения температуры наружного воздуха, влажности, атмосферного давления, скорости ветра и прочего.

Все приборы, которые служат для контроля состояния самолета и внешней среды? адаптируются к работе в любых погодных условиях.

Взлетно-посадочные системы

Взлет и посадка являются довольно сложными и ответственными этапами полета. Они неизбежно сопряжены с сильными нагрузками, приходящимися на все элементы конструкции. Приемлемый разгон для поднятия многотонного судна в небо и мягкое касание посадочной полосы при его посадке обеспечивает надежно сконструированная взлетно-посадочная система (шасси). Данная система также необходима для стоянки машины и ее руления при езде по аэропорту.

Шасси самолета состоит из демпферной стойки, на которой закреплена колесная тележка (у гидропланов вместо нее используется поплавок). Конфигурация шасси зависит от массы самолета. Чаще всего встречаются такие варианты взлетно-посадочной системы:

1. Две основных стойки и одна передняя (А-320, Ту-154).
2. Три основных стойки и одна передняя (Ил-96).
3. Четыре основных стойки и одна передняя ("Боинг-747").
4. Две основных стойки и две передних (В-52).

На ранних самолетах устанавливали пару основных стоек и заднее вращающееся колесо без стойки (Ли-2). Необычную схему шасси также имела модель Ил-62, которая оснащалась одной передней стойкой, парой основных стоек и выдвигающейся штангой с парой колес в самом хвосте. На первых самолетах стойки не использовали вовсе, а колеса крепились на простые оси. Колесная тележка может иметь от одной (А-320) до семи (Ан-225) колесных пар.

Когда самолет находится на земле, его управление осуществляется посредством привода, которым оснащена передняя стойка шасси. У судов с несколькими двигателями для этих целей может использоваться дифференциация режима работы силовой установки. Во время полета шасси самолета убирается в специально оборудованные отсеки. Это необходимо для уменьшения аэродинамического сопротивления.