Теоретические основы самолето- и вертолетостроения


Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




Н.В. КУРЛАЕВ, Г.Г. НАРЫШЕВА, Н.А. РЫНГАЧ





                ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ САМОЛЕТО                И ВЕРТОЛЕТОСТРОЕНИЯ





Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия










НОВОСИБИРСК
2013

УДК 629.735.01(075.8)
      К 933
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент АЛ. Гуськос, технический директор агрегатно-сборочного производства НАЗ им. В.П.Чкалова Ю.В. Ненёв
Работа подготовлена на кафедре самолете- и вертолетостроения
       Курлаев Н.В.
К 933 Теоретические основы самолете- и вертолетостроения: учеб. пособие / Н.В. Курлаев, Г.Г. Нарышева, Н.А. Рынгач. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013.- 100 с.
           ISBN 978-5-7782-2232-8
           В учебном пособии представлены общие сведения о технологии самолета- и вертолетостроения, схемы и структуры производства и технологии, определены типы производства и основные задачи технологического проектирования. Рассмотрены проблемы, связанные со сложностью конструкции самолета, мелко-серийностью производства.
           Показаны методики определения технологичности летательных аппаратов, порядок отработки ее на различных этапах. Рассмотрены методы увязки оснастки в развитии и конкретных примерах. Названы функции технологической подготовки производства и описаны приемы использования систем автоматизации в жизненном цикле производства летательных аппаратов.
           Предназначено для студентов, обучающихся по авиационному направлению.

Курлаев Николай Васильевич Нарышева Галина Геннадьевна Рынгач Николай Анатольевич
       ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ САМОЛЕТО- И ВЕРТОЛЕТОСТРОЕНИЯ
Учебное пособие
Редактор ИЛ. Кескевич
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Корректор И.Е. Семенова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская Компьютерная верстка СИ. Ткачева


Подписано в печать 08.05.2013. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Уч.-изд. л. 5,8. Печ. л. 6,25. Изд. № 68. Заказ № 702. Цена договорная


Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
УДК 629.735.01(075.8)

ISBN 978-5-7782-2232-8                          © Курлаев Н.В., Нарышева Г.Г.,
                                                   Рынгач Н.А., 2013
                                                © Новосибирский государственный технический университет, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ........................................................5
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА.....................7
  1.1. Процесс создания самолета................................7
  1.2. Самолет как объект производства..........................10
  1.3. Последовательность изготовления летательного аппарата....11
  1.4. Схема авиационного производства, производственные подразделения и технические службы предприятия.........................12
  1.5. Структурные составляющие технологии - методы и средства производства..................................................14
  1.6. Специфические особенности самолете- и вертолетостроения.15
  1.7. Процессы производства, их классификация.................22
  1.8. Содержание понятий «производственный процесс» и «технологический процесс».............................................23
  1.9. Структурные составляющие технологического процесса......24
  1.10. Факторы, влияющие на структуру производства................26
  1.11. Объем производства и программа выпуска изделий.........27
  1.12. Типы производства и их технологические признаки. Влияние типа производства на структуру технологического процесса......28
  1.13. Основные требования к разработке технологических процессов.30
2. ОЦЕНКА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ..........................................31
  2.1. Показатели качества изделия и его комплексная оценка. Основные понятия, термины и определения............................31
  2.2. Технологические показатели качества.....................34
  2.3. Критерии оценки технологичности.........................35
  2.4. Основные и дополнительные показатели технологичности....36
  2.5. Количественная оценка технологичности и сравнение конкурирующих вариантов..............................................36
  2.6. Отработка на технологичность на различных этапах проектирования и изготовления..........................................41
  2.7. Содержание и особенности отработки технологичности деталей и сборочных единиц............................................44

3

3. ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ.....48

  3.1. Способы задания поверхности агрегата...................49
  3.2. Теоретические чертежи агрегатов. Координатные плоскости летательного аппарата и его агрегатов.......................50
  3.3. Аналитическое задание поверхностей.....................54
  3.4. Метод радиусографии....................................56
  3.5. Увязка конструкции внутри поперечных сечений агрегата..58
  3.6. Основные шаблоны.......................................61
  3.7. Производственные шаблоны...............................63
  3.8. Комплектность шаблонов.................................65
  3.9. Виды технологических отверстий в шаблонах и их назначение.66
  3.10. Конструктивно-технологические элементы деталей летательных аппаратов...................................................67
  3.11. Методы увязки оснастки................................69
  3.12. Математическое моделирование внешних обводов ЛА.......76
4. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА................77
  4.1. Функции технологической подготовки производства...........80
  4.2. Переход к автоматизированной подготовке производства...86
  4.3. Единая система технологической подготовки производства (ЕСТ1П1), ее содержание и структура.........................98
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................100

    ВВЕДЕНИЕ

   Самолет - летательный аппарат тяжелее воздуха для полетов в атмосфере с помощью силовой установки и крыльев.
   Самолеты различают:
   • по назначению - гражданские, военные;
   •    по типу двигателя - поршневые, турбовинтовые, турбореактивные, ракетные;
   •    по скорости полета - дозвуковые, сверхзвуковые, гиперзвуковые;
   •    по условиям базирования - сухопутные, корабельные, гидросамолеты, самолеты-амфибии;
   •    по длине взлетно-посадочной полосы - вертикальные, укороченные, обычных взлета и посадки;
   •    по достигнутой стадии разработки - экспериментальные, опытные, серийные.
   Первый самолет был построен в России А.Ф. Можайским в 1883 году. Практически авиация стала развиваться в начале XX века. Первый успешный полет самолета американских механиков братьев У. и О. Райт с двигателем внутреннего сгорания был совершен 17 декабря 1903 года. Вслед за этим в Европе, главным образом во Франции, строят самолеты А. Сантос-Дюмон, Ф. Фербер и другие. В России в 1909-1914 годах появились самолеты Я.М. Гаккеля, Д.П. Григоровича, И.И. Сикорского и других. С середины 1920-х годов в самолетостроении начали использовать дуралюмин (первые советские цельнометаллические самолеты были построены А.Н. Туполевым в 1924-1925 годах); к середине 30-х годов произошел окончательный переход от биплана к моноплану. В конце 1930-х годов появился реактивный двигатель. В СССР первый полет на самолете с жидкостным реактивным двигателем был совершен в 1942 году. С начала 1950-х годов реактивные самолеты стали использовать и в гражданской авиации (в СССР - ТУ-104, 1955 год), широко развивалось вертолетостроение, в ВВС появились сверхзвуковые самолеты (см. таблицу).

5

История развития авиации в России

   Этапы истории                 Характеристика этапа              
  Начало XX века    Деревянные конструкции, низкий уровень механи- 
 (1909- 1920 годы)  зации, сборка с подгонкой без применения сбо-  
                    рочной оснастки                                
                    Самолеты смешанной конструкции, цельнометал-   
                    лические планеры, значительное увеличение меха                    нообрабатывающего оборудования, изготовление   
                    деталей из листа, труб, профилей, клепально-   
 1920 - 1940 годы   сборочные работы в сборочной оснастке, кисло-  
                    родно-ацетиленовая, электродуговая, атомно-во- 
                    дородная, электроконтактная сварка. Освоение   
                    плазово-шаблонного метода, поточные конвейер-  
                    ные линии                                      
      Великая       Перенос основной доли предприятий за Урал, по- 
Отечественная война точно-конвейерная сборка, широкая механизация, 
 1941 - 1945 годы   подготовка большого числа кадров               
Послевоенный период Период стагнации                               
 1946 - 1960 годы                                                  
                    Появление реактивной техники, снижение доли    
                    клепальных работ, увеличение механического     
                    производства, применение трехслойных материа-  
                    лов, использование композитов и клеевых соеди- 
  1960- 1980 годы   нений, новых конструкционных металлов (титан,  
                    жаростойкие и жаропрочные сплавы), заполните-  
                    лей. Увеличение насыщенности самолета различ-  
                    ного рода системами привело к росту монтажно-  
                    сборочных и контрольно- испытательных работ    
                    Глобальное применение компьютерной техники     
     1980 -...      (CALS-технологии), высокоэнергетические мето-  
                    ды обработки, переход к независимому методу    
                    производства.                                  

    1.       ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

    1.1. Процесс создания самолета

    Самолетостроение - сложнейшая отрасль отечественной индустрии, вобравшая в себя все передовые достижения российской и мировой науки и техники. Это в известной мере барометр уровня научнотехнического развития общества (наряду с радиоэлектроникой, космонавтикой, атомной энергетикой). Сложность самолета как объекта проектирования определяет специфику процесса его разработки. Для реализации процесса проектирования потребовалось создать специализированные проектные организации - опытно-конструкторские бюро (ОКБ), включающие большое число специалистов в различных технических областях, сложные лабораторные и производственные подразделения.
   Во всем длительном процессе создания самолета, от зарождения идеи до запуска в серийное производство и эксплуатацию, очень важную роль играет его начало, т. е. проектирование.
   Проектирование - это сложный процесс, требующий огромного объема вычислений, графических работ и различного рода исследований. В нем можно выделить ряд этапов, отражающих сложившуюся технологию процесса проектирования.

1.     Выработка требований к самолету (внешнее проектирование - техническое задание)
   Непосредственному проектированию предшествует этап выработки требований к самолету (техническое задание), осуществляемый совместно заказчиком и ОКБ. На этом этапе (иногда его называют внешним проектированием) на основе параметрических исследований перспективных самолетов как элементов транспортной или боевой системы,


7

анализа их взаимодействия с компонентами комплекса, в котором они будут функционировать, прогнозируются потребные общие характеристики будущего самолета. При этом выполняются многовариантные расчеты по определению и оптимизации технико-экономических показателей эксплуатации предполагаемого самолета на намеченной сети авиамаршрутов. В результате этой работы устанавливаются необходимые технико-экономические и тактико-технические характеристики самолета, позволяющие сформулировать требования на его проектирование, т. е. техническое задание (ТЗ). Следует подчеркнуть, что обоснованное задание требований во многом определяет успех программы создания нового самолета.

2.     Разработка технических предложений (предварительное проектирование)
   Цель следующего этапа проектирования, называемого разработкой технических предложений (предварительное проектирование), -это выбор схемы и определение наивыгоднейшего сочетания основных параметров самолета и его систем, обеспечивающих выполнение заданных требований, либо обоснование необходимости их корректировки. На этом этапе на основе анализа ТЗ, идей главного конструктора, опыта конструкторского бюро и рекомендаций НИИ формируется концепция самолета, разрабатывается его аванпроект. При этом определяются в первом приближении основные геометрические, весовые и энергетические характеристики проектируемого самолета, а также формируются законы управления им на различных участках траектории для различных предусмотренных требованиями профилей полета. Это этап синтеза облика и определения основных размеров самолета, в процессе которого связываются воедино различные аспекты проектирования самолета, касающиеся исследования его геометрических, весовых, аэродинамических характеристик, высотноскоростных и дроссельных характеристик двигателей, структуры оборудования и снаряжения, летно-технических данных и траектории полета.
   Выходной продукцией этого этапа являются чертежи общих видов рационального варианта самолета, а также документация о его летнотехнических, экономических и эксплуатационных характеристиках. На основании этих документов компетентные органы принимают решение о целесообразности дальнейшей разработки проекта.


8

3.     Эскизное проектирование
   На этапе эскизного проектирования полученные ранее геометрические, весовые и энергетические параметры самолета воплощаются в конкретную конструктивную компоновку, отвечающую различным, весьма противоречивым требованиям, в том числе эксплуатационным и технологическим.
   В процессе компоновки уточняют центровку самолета, расчету которой предшествует составление весовой сводки на основе прочностных и весовых расчетов агрегатов планера и силовой установки, ведомостей оборудования, снаряжения, грузов и т. д. В процессе эскизного проектирования обычно проводят широкие теоретические и экспериментальные исследования агрегатов и систем самолета. Изготовляют и продувают в аэродинамических трубах модели самолета и его отдельных агрегатов. По результатам этих исследований уточняют аэродинамический расчет, расчеты устойчивости и управляемости, а также характеристик аэроупругости. На основе этих расчетов вносят соответствующие исправления в компоновку самолета, уточняют весовые расчеты. Строят макет самолета, позволяющий произвести взаимную пространственную увязку агрегатов и систем самолета, размещение оборудования, оценить удобство размещения экипажа и пассажиров.
   Итог этого этапа - эскизный проект, который дает информацию об уточненных характеристиках самолета, а также о форме, размерах и взаимном расположении основных агрегатов и функциональных элементов самолета. Макетная комиссия производит комплексную оценку проекта, необходимую для принятия решения о разработке рабочего проекта и его реализации.

4.     Рабочее проектирование
   Рабочее проектирование - заключительный этап собственно процесса проектирования. Он направлен на практическую реализацию заявленных характеристик и параметров самолета. На этом этапе выпускается вся техническая документация, необходимая для изготовления, сборки, монтажа как отдельных агрегатов и систем, так и самолета в целом. Разрабатываются чертежи общих видов агрегатов самолета, сборочные и деталировочные чертежи отдельных его частей. Проводятся: экспериментально-исследовательские работы, связанные с внедрением новых материалов, типов конструкций; статические и динамические прочностные и ресурсные испытания конструкций; стендовые испытания систем оборудования, управления, жизнеобеспечения.


9

При этом уточняются весовые расчеты и расчеты на прочность всех элементов конструкции. Информация, полученная на этом этапе, позволяет уточнить данные о проекте и внести соответствующие коррективы в расчеты, выполненные на предыдущих этапах.
   В процесс проектирования следует также включить изготовление опытных образцов самолетов и их испытания - наземные и летные, поскольку в ходе этих испытаний определяются фактические характеристики самолета и степень удовлетворения тактико-технических требований (ТТТ). На основании этой информации принимается решение о внесении изменений в проект.
   При изготовлении опытных образцов отрабатывается техническая документация и технология изготовления самолета.
   По итогам этого этапа принимается решение о запуске самолета в серийное производство.
   Опыт проектирования показывает, что проектирование самолетов -это сложный, многоэтапный процесс. Существенно здесь то, что этот процесс обычно итерационный, причем итерации осуществляются не только между основными этапами проектирования, но и внутри каждого из них.

    1.2. Самолет как объект производства

     Как объект проектирования и производства, современный самолет - это сложная техническая система с развитой иерархической структурой, большим числом элементов и внутренних связей, возрастающих примерно пропорционально квадрату числа элементов.
   Особенности самолетостроительного производства в первую очередь зависят от габаритных размеров самолета, его назначения и тактико-технических требований к нему. Обычно самолет представляет собой планер и размещенные в нем органы взлета и посадки (шасси), двигатель (двигатели), системы управления самолетом и другие специальные механизмы и приборы. Многие из механизмов и приборов самолета - весьма сложные устройства, значительно отличающиеся друг от друга по конструкции, техническим требованиям к ним и процессам их изготовления, что требует известной специализации конструкторов, технологов и рабочих. Поэтому такие устройства самолета, как двигатели, специальные механизмы и приборы, проектируют и изготовляют на отдельных специализированных предприятиях авиационной промышленности, радиопромышленности и др.


10

   Создание такого сложного изделия, как самолет, стало бы чрезвычайно сложной задачей, если бы в процессе эскизного и технического проектирования его не делили на законченные в конструктивном и технологическом смысле части (рис. 1).


Рис. 1. Принципиальная схема деления в определенной последовательности планера самолета на части

    В самолетостроении принято делить изделие на агрегаты, отсеки, узлы и детали, часто называемые сборочными единицами. В процессе разработки конструкции сначала производят деление планера на агрегаты, узлы и соединительные детали, входящие в планер, затем агрегаты делят на отсеки, узлы и соединительные детали, входящие в агрегаты. После этого отсеки делят на узлы и соединительные детали, входящие в отсеки, и, наконец, узлы отсеков, агрегатов и планера - на составляющие их детали.


    1.3. Последовательность изготовления летательного аппарата

    В результате реализации технологического процесса исходные материалы или полуфабрикаты изменяют формы и размеры, механические или физические свойства, качественные характеристики - свое качественное состояние и др. На основе этих процессов изготовляют разнообразные детали, собирают детали в узлы, узлы - в агрегаты,


11

монтируют и испытывают системы, из агрегатов собирают самолеты (рис. 2).


Рис. 2. Последовательность изготовления самолета


    1.4. Схема авиационного производства, производственные подразделения и технические службы предприятия

    Любое самолетостроительное предприятие независимо от объема производства включает три группы подразделений.
   1.    Подразделения, перерабатывающие исходные материалы в продукцию предприятия. Эту группу называют основным производством предприятия.
   2.    Подразделения, изготовляющие изделия, необходимые для производства продукции предприятия. Эту группу называют вспомогательным производством предприятия.
   3.    Подразделения, обеспечивающие функционирование подразделений основного и вспомогательного производства. Эту группу называют обслуживающим производством предприятия.


12