Конструкция и проектирование летательных аппаратов. Фюзеляж


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




Е.Г. ПОДРУЖИН, П.Е. РЯБЧИКОВ, В.М. СТЕПАНОВ


КОНСТРУКЦИЯ
И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
ФЮЗЕЛЯЖ


Учебно-методическое пособие








НОВОСИБИРСК

2011

УДК 629.7.024(075.8)
     П 445

Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент А.Н. Пель канд. техн. наук, доцент В. А. Бернс

Работа подготовлена на кафедре СиВС и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия



            Подружки Е.Г.


П 445 Конструкция и проектирование летательных аппаратов. Фюзеляж : учеб.-метод. пособие / Е.Г. Подружин, П.Е. Рябчиков, В.М. Степанов. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011. - 104 с.
        ISBN 978-5-7782-1744-7
         В пособии приведены описания конструкций планеров реальных самолетов, серийно выпускаемых отечественной авиапромышленностью - МиГ-15 УТИ, МиГ-19, Су-7Б, Су-15, Су-25. На примере этих летательных аппаратов проанализированы и описаны особенности конструктивно-силовых схем их планеров, компоновочных решений для агрегатов и систем бортового оборудования, топливных систем, особенности технологических приемов, использовавшихся при изготовлении агрегатов планера, применявшиеся в конструкциях материалы. Помимо использования в учебном курсе «Конструкция и проектирование летательных аппаратов» пособие будет полезным при выполнении курсовых и дипломных проектов, связанных с проектированием самолетов, поскольку содержит обширный материал, касающийся испытанных практикой схемных решений, примеры конструктивного исполнения наиболее ответственных узлов и агрегатов планера.




ISBN 978-5-7782-1744-7

УДК 629.7.024(075.8)

                       © Подружин Е.Г., Рябчиков П.Е., Степанов В.М.,2011
                                               © Новосибирский государственный технический университет, 2011

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Общие методические указания....................................... 4
   1. Назначение фюзеляжа и требования к нему. Основные параметры............................................. 6
   2. Фюзеляж самолета МиГ -15 УТИ............................... 17
   3. Фюзеляж самолета МиГ-19.................................... 36
   4. Фюзеляж самолета Су-7Б..................................... 52
   5. Ф юзеляж самолета Су-15.................................... 63
   6. Фюзеляж самолета Су-25..................................... 72
Библиографический список........................................ 104

                ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ





   Задачей курса «Конструкция и проектирование летательных аппаратов» является изучение и анализ развития схем летательных аппаратов, изучение основ проектирования самолетов, а также проведение различных конструктивных, технологических усовершенствований. Курс изучается на лекциях, в лаборатории, заканчивается курсовым проектированием и базируется на знании основ аэродинамики, сопротивления материалов и других общетехнических дисциплин.
   Для занятий в лаборатории выделены самостоятельные разделы: крыло, фюзеляж, шасси, оперение и управление, работы по которым выполняются на натурных элементах современных самолетов и требуют первоначального теоретического знакомства с описаниями конструкций агрегатов. Так, в процессе подготовки к лабораторной работе студенты должны по учебнику изучить силовую работу агрегатов, определить их конструктивно-силовую схему и при необходимости повторить смежные вопросы общетехнических курсов. Это позволит сознательно подходить к выполнению работы и получить максимальную пользу. Цель лабораторных работ - приобрести навыки в самостоятельном обосновании и выборе силовых и расчетных схем элементов на базе изучения конкретной конструкции, ее силовой схемы и условий нагружения. В процессе выполнения лабораторных работ предусмотрено решение задач по конструированию и расчету элементов планера самолета.
   Результаты работы в лабораториях оформляются в виде отчета каждым студентом и представляются к следующему занятию. Если отчет выполняется за отведенное для лабораторной работы время, допускается защита по одному отчету всей бригады.

4

   Перед началом занятий проводится опрос, на котором выявляется подготовленность студентов. В случае задолженности по предыдущим работам или определения слабых знаний студент не допускается к очередной работе. Каждая работа рассчитана на выполнение ее группой в 2-3 человека, время, отводимое на занятие, (4 часа) распределяется следующим образом:
   •  ответ на контрольные вопросы и получение задания - 0,5 ч;
   •  изучение конструкции агрегата и выполнение эскиза -2 ч;
   •  разработка конструкции и расчет узла -1,5 ч.
   В отчете дается краткое описание агрегата, его нагружения, конструкции силовых элементов и используемых материалов. Необходимые виды и сечения выполняются в соответствии с требованиями ЕСКД.
   После опроса и защиты отчета преподаватель решает вопрос о защите по данной работе, учитывая при этом активность самостоятельной работы в лаборатории.
   Цель работы - ознакомление с натурными образцами конструкции, конструктивно-силовыми схемами фюзеляжей, их элементами и характером нагружения, сопоставление теоретических конструктивносиловых схем с их практическим исполнением.
   При изучении конструкции и составлении описания необходимо обратить внимание на следующие вопросы:
   •  компоновка, тип и параметры фюзеляжа;
   •     конструктивно-силовая схема изучаемого фюзеляжа, его элементы и их особенности;
   •  характер нагружения элементов конструкции;
   •  способ соединения отсеков фюзеляжа.
Методические указания к выполнению лабораторной работы:
   •  все сечения и эскизы вычерчиваются в масштабе от руки;
   •     составляется краткое техническое описание агрегата (назначение, конструктивно-силовая схема и его нагружение, конструкция и материал элементов);
   •     вычерчивается общий вид и сечение фюзеляжа, поясняющие конструктивно-силовую схему фюзеляжа, его набор и способы соединения элементов, определяется конструктивно-силовая схема фюзеляжа и выполняются расчеты и эскиз стыкового узла.

5

                1. НАЗНАЧЕНИЕ ФЮЗЕЛЯЖА И ТРЕБОВАНИЯ К НЕМУ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ




   В корпусе летательного аппарата размещаются экипаж, система управления, до 70.. .80 % полезной нагрузки, топливо, двигатели и другие агрегаты и грузы, определяемые его назначением. В силовом отношении корпус представляет базу, к которой крепятся крыло, оперение, шасси. В зависимости от назначения и конструктивного исполнения летательного аппарата его корпус (рис. 1.1) может быть выполнен в виде фюзеляжа, лодки, гондолы и даже крыла (у самолетов схемы «летающее крыло»).
   Требования, предъявляемые к фюзеляжу:
   •    аэродинамические - совершенство форм, отсутствие углов и выступов, открытых щелей и отверстий, минимальное увеличение лобового сопротивления за счет интерференции с присоединяемыми частями планера, гладкость поверхности, создание подъемной силы;
   •    конструктивные - прочность, живучесть, жесткость и минимальный вес конструкции;
   •    эксплуатационные - максимальное использование внутренних объемов и механизации, простота монтажа, доступность для осмотра и обслуживания всех частей, легкость ремонта, высокая степень тепло- и звукоизоляции, обеспечение помещений для пассажиров и экипажа вентиляцией и отоплением;
   •    производственно-экономические - простота изготовления и невысокая стоимость, обеспечение высокой технологичности при изготовлении и ремонте;
   •    тактические - удобство размещения экипажа, пассажиров и оборудования, достаточно хороший обзор и обстрел (для военных самолетов) передней и задней полусфер, эффективная защита жизненно важных частей, минимальные моменты инерции и изменение центровки летательного аппарата за счет размещения и использования грузов и топлива.
   Рост скорости полета самолетов сопровождается увеличением удельной нагрузки на крыло, уменьшением его площади (5кр) и относительным увеличением размеров фюзеляжа, поэтому у современных

6

a

б

д

Рис. 1.1. Схемы фюзеляжей самолетов:

а - гондола; б - классическая; в - «летающее крыло»; г - «бесхвостка»; д - лодка (гидросамолет)

7

самолетов до 50 % аэродинамического сопротивления и до 40 % веса планера приходится на фюзеляж.
   Совершенствование внешних форм фюзеляжа прежде всего шло по пути придания ему более обтекаемых очертаний: фонари, турельные установки вписывались в его контур, а поверхность все более тщательно отделывалась, устранялись щели, фюзеляж герметизировался. Уменьшение вредного сопротивления достигалось приданием фюзеляжу оживальной, сигарообразной формы, а мидель (максимальное поперечное сечение) уменьшался, насколько это возможно по условиям компоновки грузов, агрегатов и экипажа. Из аэродинамических соображений оптимальное удлинение фюзеляжа (X) определяется минимумом полного аэродинамического сопротивления. На дозвуковых скоростях - это главным образом сопротивление трения и давления (профильное сопротивление), а на сверхзвуковых сумма волнового сопротивления и сопротивления трения. Для сверхзвуковых самолетов особое значение приобретает удлинение носовой части (Xн.ч), так как на волновое сопротивление главное влияние оказывает форма передней части фюзеляжа.
   По статистике удлинения фюзеляжей имеют следующие значения:

        Дозвуковые самолеты   Сверхзвуковые самолеты  
Легкие      X*        Х]1.ч     X*         Х]1.ч     
           6...7    1,2...1,5 7...10       4...5     
Тяжелые 8...9(М0,7) 1,7...2,0 16...20      5...6     
        10...13 (М  1,7...2,0 16...20      5...6     

   Аэродинамическое качество самолета существенно снижается с увеличением относительной площади миделевого сечения (5Мвд), поэтому для получения заданных объемов для размещения экипажа, грузов у сверхзвуковых самолетов приходится увеличить длину фюзеляжа (Хф) и плечо горизонтального оперения (Д _₀). Практикой самолетостроения выработаны следующие величины сечений (5Мвд):
   • легкие самолеты 1,0.1,7 м²;
   • истребители с ТРД 1,3.5,0 м²;
   • самолеты средней дальности 3,0.. .4.0 м²;
   • дальние (межконтинентальные) 6,0.12 м²;
   • военно-транспортные и аэробусы 6,0.50 м².


8

   Форма поперечного сечения фюзеляжа может быть самой разнообразной - от круглой, прямоугольной и эллиптической до сечений, образованных дугами окружностей разного диаметра, и других очертаний (рис. 1.2).

Прямоугольные с Верхним ободом

Эллиптические

Круглое

Сечение, образован ное дбумя окружностями

Обильные с плоскими дортими

Обильные с сужением кВерху








Рис. 1.2. Типовые формы поперечных сечений фюзеляжей

9

   Круглое сечение выгодно с аэродинамической точки зрения и для кабин с большим избыточным давлением, прямоугольное, квадратное и близкие к ним - для грузопассажирских и военно-транспортных машин, так как более рационально используются внутренние объемы.
   Если форма поперечного сечения заметно не влияет на лобовое сопротивление (Qₓ) самолета, то распределение площадей поперечного сечения по длине, особенно в области трансзвуковых скоростей, влияет очень сильно и определяется взаимным влиянием крыла и фюзеляжа (сопротивлением интерференции).
   С целью уменьшения интерференции планер трансзвуковых и сверхзвуковых самолетов проектируют с учетом «правила площадей». Суть этого правила состоит в том, что закон изменения площади поперечного сечения самолета по длине должен быть подобен закону изменения сечения тела минимального лобового сопротивления.
   Конструктивно это оформляется таким образом. На участках, где расположены крыло, гондолы, оперение, фюзеляж «поджимают» - выполняют меньшего размера, а места переходов закрывают «зализами».
   «Поджатие» фюзеляжа дает максимальный эффект при М = = 0,95...1,05, когда сопротивление уменьшается на 60...80%. При дальнейшем увеличении скорости полета эффект уменьшается, и при М = 1,7...2,0 он уже незначителен.


            НАГРУЖЕНИЕ ФЮЗЕЛЯЖА


   Корпус летательного аппарата, как и все остальные его агрегаты, рассчитывают в соответствии с «Авиационными правилами» (АП) на случаи Нф, Кф, Щ (нагружение носовой части, капотирование, посадка без выпущенного шасси), а также на полетные и посадочные случаи крыла, оперения и шасси. В большинстве случаев фюзеляж нагружается симметрично, и лишь при дифференциальном отклонении управляемых стабилизаторов, при полете со скольжением - несимметрично (наряду с изгибом в двух плоскостях появляется кручение). По характеру действия воздушных сил АП предусмотрено два основных случая нагружения:
   • уравновешенными силами при установившихся режимах полета;
   • маневренными нагрузками при неустановившихся режимах.


10

Силы, действующие на фюзеляж в полете, можно разделить на следующие группы:
   •     аэродинамические силы от воздушного потока, воздействующие непосредственно на фюзеляж;
   •     аэродинамические и массовые нагрузки от крыла, оперения, шасси и других закрепленных на фюзеляже агрегатов (силы тяги двигателей, стартовых ускорителей, тормозных парашютов и т.д.);
   •     нагрузки от веса экипажа, агрегатов, грузов, оборудования и баков с топливом, расположенных в фюзеляже;
   •     распределенная нагрузка от собственного веса конструкции корпуса и топлива (в баках-отсеках);
   •     силы избыточного давления в гермокабинах, воздушных каналах двигателей и отсеках фюзеляжа, включенных в его силовую схему (до 0,9 кг/см²).
   В расчетах фюзеляж представляют двухконсольной, двух-или многоопорной балкой с опорами на лонжеронах крыла. На рис. 1.3 показаны примерные эпюры внутренних силовых факторов, возникающих в поперечных сечениях фюзеляжа, при его нагружении в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Рис. 1.3. Нагружение фюзеляжа

11