элемент прочности крыла самолета или двери авто

Как летает самолет

Самолет может подняться в воздух, в том случае, если подъемная сила, возникающая при обтекании крыла воздухом превысит силу тяжести.

Для того, чтобы поднять самолет в воздух и получить требуемую подъемную силу, необходимо обеспечить обтекание крыла потоком воздуха, значит самолету для полета необходима скорость.

Самолет разбегается по взлетной полосе и, когда величина подъемной силы будет выше силы тяжести отрывается от земли. Попробуем разобраться, как возникает подъемная сила?

Аэродинамическая сила

При обтекании потокам воздуха пластины, расположенной параллельно линиям тока из-за разности давлений и сил трения, возникает аэродинамическая сила. В данном случае обтекание пластины потоком воздуха симметричное.

Несимметричным оно станет в том случае, если пластину наклонить, возникающая аэродинамическая сила будет направлена под углом к потоку. Угол наклона пластины называют углом атаки.

Разложим аэродинамическую силу на две составляющие:

При увеличении аэродинамической силы будут возрастать как вертикальная, так и горизонтальная составляющая.

Подъемная сила позволяет поднять самолет, а сила лобового сопротивления действует против направления его движения, то есть тормозит его.

Возникновение подъемной силы на крыле самолета

Наиболее благоприятным будет вариант, при котором, при малой силе сопротивления подъемная сила будет большой. Это позволит снизить потребную мощность двигателей, и расход топлива. Для этого создаются крылья несимметричного профиля.

Подъемная сила возникает при несимметричном обтекании профиля крыла потоком воздуха.

Струйки потока обтекают крыло сверху и снизу по разному.

При обтекании верхней выпуклой поверхности крыла из-за инертности струйки воздуха сжимаются, и в соответствии с уравнением неразрывности, скорость движения частиц воздуха.

В результате разницы давлений под крылом и над крылом возникает подъемная сила. Когда подъемная сила будет больше силы тяжести самолет взлетает.

Механизация крыла

Увеличение подъемной силы связано и с увеличением силы лобового сопротивления. Чем выше скорость самолета, тем сильнее сила лобового сопротивления будет тормозить его. Поэтому для полета на больших скоростях необходимо крыло, не вызывающее значительное лобовое сопротивление, подъемная сила у такого него также будет невелика, но когда самолет набрал высоту большая подъемная сила и не нужна.

Для полета на малых скоростях необходимо такое крыло, которое обеспечит максимальную подъемную силу, сила лобового сопротивления такого крыла выше, но на малых скоростях это не так критично.

Получается, что для того, чтобы взлетать на малой скорости, а проводить полет на большой скорости, самолету нужны крылья с разным профилем, или, как минимум, крыло с разными характеристиками. Получить необходимые характеристики на разных этапах полета помогают элементы механизации крыла:

Закрылок

Отклоняемый элемент механизации, расположенный на задней кромке крыла называют закрылком.

Выпуск закрылков позволяет значительно увеличить подъемную силу,при этом возрастает и сила лобового сопротивления.

Закрылки позволяют самолету взлететь на меньшей скорости, и совершать полет на малых скоростях.

Для набора скорости в полете сопротивление необходимо уменьшить, поэтому сначала угол наклона закрылков уменьшается, а затем они и вовсе убираются. В убранном закрылок составляет часть профиля крыла.

В режиме посадки, возрастающее сопротивление при выпуске закрылков позволяет снизить скорость самолета, а возросшая подъемная сила обеспечивает устойчивый полет при снижении скорости.

Предкрылок

Элемент механизации крыла, расположенный на его передней кромке, предназначенный для управления пограничным слоем называют предкрылком. Различают фиксированные предкрылки, жестко связанные с крылом и автоматические предкрылки, которые могут быть прижаты к крылу или выдвинуты в зависимости от угла атаки.

Щиток

Наклон щитка позволяет увеличить подъемную силу. Возрастающее сопротивление позволяет снизить пробег при посадке самолета.

Элементы управления

Вертикальное оперение позволяет обеспечить балансировку, устойчивость и управляемость самолета.

Оперение самолета составляют из неподвижные и подвижные элементы:

Действие рулей основано на изменении аэродинамической силы, при изменении угла наклона по отношению к направлению движения потока воздуха. При изменении угла наклона возникает аэродинамической силы, которая, благодаря плечу относительно центра тяжести самолета, создает вращающий момент.

Руль высоты

При перемещении руля высоты в противоположном направлении, нос самолета опускается вниз, угол тангажа становится отрицательным, самолет пикирует.

Руль направления

При изменении положения руля направления, за счет возникающей аэродинамической силы, появляется момент, поворачивающий самолет относительно нормальной оси. С помощью руля направления можно изменяется угол рысканья самолета.

Руль направления чаще всего используется для корректировки курса самолета при разбеге или пробеге при посадке.

Элероны

Вид криволинейного полета, служащий для изменения направления называют виражом. Для осуществления виража самолет необходимо изменить угол крена, сделать это позволяют элероны.

Элемент управления самолета, расположенный на задней кромке крыла называют элероном.

При крене самолета, из-за изменения режима обтекания крыла, создается центростремительная сила и самолет начинает двигаться по кривой, но демпфирующий момент вертикального оперения противодействует развороту. Для выполнения виража необходимо не только накренить самолет, но и отклонить руль направления в сторону виража, увечить тягу двигателя.

Источник

Строение крыла самолета — разбираемся в общих чертах

Крылья самолета — одни из важнейших его составляющих. Именно они обеспечивают подъемную аэродинамическую силу самолету. Элементов у крыла самолета есть несколько. У каждого из них — своя отдельная функция, которая позволяет крылу правильно работать. На заре авиации инженеры понимали его важность для самолета.

Геометрические характеристики крыла

Геометрические характеристики — перечень параметров, понятий и терминов используемых для проектирования крыла и определения наименований его элементов:

Размах крыла (L) — расстояние между двумя плоскостями, параллельными базовой плоскости самолёта и касающимися концов крыла. Хорда несущей поверхности крыла — отрезок прямой взятый в одном из сечений крыла плоскостью, параллельной базовой плоскости самолёта, и ограниченный передней и задней точками профиля. Местная хорда крыла (b(z)) — отрезок прямой на профиле крыла, соединяющий переднюю и заднюю точки контура профиля в заданном сечении по размаху крыла. Длина местной хорды крыла (b(z)) — длина отрезка линии проходящей через заднюю и переднюю точки аэродинамического профиля в местном сечении по размаху крыла. Центральная хорда крыла (b0) — местная хорда крыла в базовой плоскости самолёта, получаемая продолжением линии передней и задней кромок крыла до пересечения с этой плоскостью. Длина центральной хорды крыла (b0) — длина отрезка между точками пересечения передней и задней кромок крыла базовой плоскостью самолёта. Бортовая хорда крыла (bб) — хорда по линии разъёма крыла и фюзеляжа в сечении крыла, параллельном базовой плоскости самолёта. Концевая хорда крыла (bк) — хорда в концевом сечении крыла, параллельном базовой плоскости самолёта. Базовая плоскость крыла — плоскость содержащая центральную хорду крыла и перпендикулярная базовой плоскости самолёта. Площадь крыла (S) — площадь проекции крыла на базовую плоскость крыла, включая подфюзеляжную часть крыла и наплывы крыла. Контрольное сечение крыла — условное сечение крыла плоскостью, параллельной базовой плоскости крыла (z = const). Кривизна крыла — переменное отклонение средней линии аэродинамических профилей от их хорд; характеризуется относительной вогнутостью профиля (отношением максимального отклонения средней линии от хорды к длине хорды). Срединная поверхность крыла — образуемая совокупностью всех средних линий профилей крыла по размаху; обычно задаётся некоторыми законами изменения вогнутости профиля и крутки крыла по размаху; при постоянной величине крутки крыла и нулевой кривизне профилей из которых составлено крыло, срединная поверхность представляет собой плоскость. Удлинение крыла (λ) — относительный геометрический параметр, определяемый как отношение: λ = L²/S; Сужение крыла (η) — относительный геометрический параметр крыла, определяемый как отношение: η = b0/bк; Геометрическая крутка крыла — поворачивание хорд крыла по его размаху на некоторые углы (по закону φкр = f(z)), которые отсчитываются от плоскости, за которую обычно принимают базовую плоскость крыла (при условии если угол заклинения крыла по бортовой хорде равен нулю). Применяется для улучшения аэродинамических характеристик, устойчивости и управляемости на крейсерском режиме полёта и при выходе на большие углы атаки. Местный угол геометрической крутки крыла (φкр(z)) — угол между местной хордой крыла и его базовой плоскостью, причём угол φкр(z) считается положительным, когда передняя точка местной хорды выше задней очки той же хорды крыла.

Фюзеляж самолёта

Основной частью самолета является фюзеляж. На нем закрепляются остальные конструктивные элементы: крылья, хвост с оперением, шасси, а внутри размещается кабина управления, технические коммуникации, пассажиры, грузы и экипаж воздушного судна. Корпус самолёта собирается из продольных и поперечных силовых элементов, с последующей обшивкой металлом (в легкомоторных версиях – фанерой или пластиком).

Требования при проектировании фюзеляжа самолёта предъявляется к весу конструкции и максимальным характеристикам прочности. Добиться этого позволяет использование следующих принципов:

Фюзеляж пассажирского самолёта

Прочность корпуса самолёта обязана обеспечивать противодействие нагрузкам при различных полётных условиях, в том числе:

К основным типам конструкции корпуса самолёта относят плоский, одно,- и двухэтажный, широкий и узкий фюзеляж. Положительно зарекомендовали себя и используются фюзеляжи балочного типа, включающие варианты компоновки, которые носят название:

Важно! Равномерное распределение нагрузки на все части самолёта осуществляется за счёт внутреннего каркаса фюзеляжа, который представлен соединением различных силовых элементов по всей длине конструкции.

Части крыла самолёта

Крыло можно разделить на три части: левую и правую полуплоскости или консоли и центроплан. Фюзеляж может быть сделан несущим (например, на самолётах Су-27, F-35, Су-57). Полуплоскости в свою очередь могут включать наплыв крыла и законцовку. Часто встречается выражение «крылья», но оно ошибочно по отношению к моноплану, так как крыло одно и состоит из двух полуплоскостей. В редких случаях и моноплан может иметь 2 крыла, например, Ту-144 имел дополнительное убирающееся переднее крыло.

Предкрылки. Основные функции.

Предкрылки – отклоняемые поверхности на передней кромке крыла. По своему строению и функциям они схожи с закрылками Фаулера – отклоняются вперед и вниз, увеличивая кривизну и немного площадь, образуют щель, для прохода воздушного потока к верхней кромке крыла, чем способствуют увеличению подъемной силы. Предкрылки, просто отклоняемые вниз, которые не создают щели называются отклоняемыми носками и только увеличивают кривизну крыла.

Спойлеры и их задачи.

Спойлеры. Перед рассмотрением спойлеров, следует заметить, что при создании дополнительной подъемной силы всеми вышеперечисленными устройствами создается дополнительное лобовое сопротивление, что ведет к понижению скорости. Но это происходит как следствие повышения подъемной силы, в то время как задача спойлеров – конкретно значительное повышение лобового сопротивления и прижимание самолета к земле после касания. Соответственно это единственное устройство механизации крыла, которое находится на верхней его поверхности и отклоняется вверх, чем и создается прижимная сила.

А зачем же нужно увеличивать подъемную силу? Вообще требуется не столько увеличение подъемной силы, сколько уменьшение скорости самолета, по крайней мере в гражданской авиации. А поскольку эти две величины непосредственно связаны, потому и происходит одно за счет другого.

Уменьшение скорости необходимо при взлете и посадке для обеспечения большей безопасности и уменьшения длины взлетной полосы. Кроме того, боевым самолетам довольно часто при выполнении того или иного маневра необходимо очень быстро увеличить либо уменьшить подъемную силу, для чего и служит механизация крыла.

Авиадвигатели

Благодаря постоянному совершенствованию авиационных силовых агрегатов продолжается развитие современного самолётостроения. Первые полёты не могли быть длительными и совершались исключительно с одним пилотом именно потому, что не существовало мощных двигателей, способных развить необходимую тяговую силу. За весь прошедший период авиацией использовались следующие типы двигателей самолёта:

Важно! Перечень двигателей, разрабатываемых авиаконструкторами, вышеуказанным перечнем не ограничивается. В разное время неоднократно принимались попытки создавать различные вариации силовых агрегатов. В прошлом веке даже велись работы по конструированию атомных двигателей в интересах авиации. Опытные образцы были опробованы в СССР (ТУ-95, АН-22) и США (Convair NB-36H), но были сняты с испытания в связи с высокой экологической опасностью при авиационных катастрофах.

Форма крыла

Одна из основных проблем при конструировании новых самолётов — выбор оптимальной формы крыла и его параметров (геометрических, аэродинамических, прочностных и т. п.).

Прямое крыло

Пример аппарата с прямым крылом

Основным достоинством прямого крыла является его высокий коэффициент подъёмной силы даже при малых углах атаки. Это позволяет существенно увеличить удельную нагрузку на крыло, а значит уменьшить габариты и массу, не опасаясь значительного увеличения скорости взлёта и посадки. Данный тип крыла применяется в дозвуковых и околозвуковых самолётах с реактивными двигателями. Ещё одним достоинством прямого крыла является технологичность изготовления, позволяющая удешевить производство.

Недостатком, предопределяющим непригодность такого крыла при звуковых скоростях полёта, является резкое увеличение коэффициента лобового сопротивления при превышении критического значения числа Маха.

Стреловидное крыло

Стреловидное крыло получило широкое распространение благодаря различным модификациям и конструкторским решениям.

Для избавления от отрицательных моментов используется крутка крыла, механизация, переменный угол стреловидности вдоль размаха, обратное сужение крыла либо отрицательная стреловидность.

Примеры применения: Су-7, Боинг 737, Ту-134 и др.

Крыло с наплывом (оживальное)

Вариация стреловидного крыла. Действия крыла оживальной формы можно описать как спиральный поток вихрей, срывающихся с острой передней кромки большой стреловидности в околофюзеляжной части крыла. Вихревая плёнка вызывает также образование обширных областей низкого давления и увеличивает энергию пограничного слоя воздуха, увеличивая тем самым коэффициент подъёмной силы. Манёвренность ограничивается прежде всего статической и динамической прочностью конструкционных материалов, а также аэродинамическими характеристиками самолёта.

Примеры применения: Ту-144, Конкорд

Обратной стреловидности

Крыло обратной стреловидности

Крыло с отрицательной стреловидностью (то есть со скосом вперёд).

Примеры применения: серийный гражданский HFB-320 Hansa Jet, экспериментальный истребитель Су-47 «Беркут».

Треугольное крыло

Треугольное (дельтавидное англ. delta-wing — получило наименование по начертанию греческой буквы дельта) крыло жёстче и легче как прямого, так и стреловидного и чаще всего используется при скоростях свыше M = 2.

Примеры применения: МиГ-21, HAL Tejas, Mirage 2000 (малой относительной толщины); Gloster Javelin, Avro Vulcan (большой относительной толщины), Avro Canada CF-105 Arrow, Saab 37 Viggen, сверхзвуковые пассажирские Lockheed L-2000, Boeing-2707-300

Трапециевидное крыло

Примеры применения: F/A-18, прототип YF-23.

Эллиптическое крыло

Преимущества: имеет наибольшее аэродинамическое качество среди всех известных типов крыла.

Недостатки: весьма сложно в изготовлении.

Примеры применения: К-7 (СССР), Supermarine Spitfire.

Крыло арочного типа

Автором арочного типа крыла является американский конструктор Уиллард Кастер, который в 1930-х — 1950-х годах разработал и построил несколько экспериментальных самолётов, на которых применил изобретённую им аэродинамическую схему. Её основной особенностью, по замыслу Кастера, была способность полукруглого крыла создавать, благодаря своей форме, дополнительную статическую подъёмную силу. Однако доказать воплощение концепции до жизнеспособных характеристик Кастеру не удалось, и арочное крыло не получило распространения в авиастроении.

Кастер утверждал, что аппарат с таким крылом способен взлетать и подниматься почти вертикально, или зависать, сохраняя скорость железнодорожного транспортного средства.

Толщина крыла

Крыло также характеризуется относительной толщиной (соотношение толщины к ширине), у корня и на концах, выраженной в процентах.

Толстое крыло позволяет отодвинуть момент срыва в штопор (сваливание), и лётчик может маневрировать с бо́льшими углами и перегрузкой. Главное — этот срыв на таком крыле развивается постепенно, сохраняя плавное обтекание потока на большей части крыла. При этом, лётчик получает возможность распознать опасность по возникающей тряске аэроплана и вовремя принять меры. Самолёт же с тонким крылом резко и внезапно теряет подъёмную силу почти на всей площади крыла, не оставляя пилоту шансов.

Примеры: ТБ-4 (АНТ-16), АНТ-20, К-7, Boeing Model 299, Boeing XB-15 (англ.)

Органы управления и сигнализации

Комплекс бортового оборудования, командные и исполнительные устройства самолёта называют органами управления. Команды подаются из пилотной кабины, а выполняются элементами плоскости крыла, оперением хвоста. На разных типах самолётов используются различные типы систем управления: ручная, полуавтоматическая и полностью автоматизированная.

Органы управления, независимо от типа системы управления, разделяют следующим образом:

При применении ручного или полуавтоматического управления воздушным судном пилота можно считать неотъемлемой частью системы. Только он может проводить сбор и анализ информации о положении самолёта, нагрузочных показателях, соответствии направления полёта с плановыми данными, принимать соответствующее обстановке решение.

Для получения объективной информации о лётной обстановке, состоянии узлов самолёта пилот использует группы приборов, назовем основные:

Важно! Измерительные приборы, используемые для мониторинга состояния машины и внешней среды, специально разработаны и адаптированы для сложных условий эксплуатации.

Конструкция крыла

Крыло – один из основных конструктивных элементов самолёта, обеспечивающий создание подъёмной силы для полёта и маневрирования в воздушных массах. Крылья используют для размещения взлётно-посадочных устройств, силового агрегата, топлива и навесного оборудования. От правильного сочетания веса, прочности, жёсткости конструкции, аэродинамики, качества изготовления зависят эксплуатационные и лётные характеристики самолёта.

Основными частями крыла называется следующий перечень элементов:

Конструктивно-силовая схема крыла (наличие и расположение деталей при нагрузочном воздействии) должна обеспечивать устойчивое противодействие силам кручения, сдвига и изгиба изделия. К ней относятся продольные, поперечные элементы, а также внешняя обшивка.

Классификация крыльев самолёта осуществляется в зависимости от конструктивных особенностей и степени работы наружной обшивки, в том числе:

Примыкание крыла к фюзеляжу

Важно! Стыковка частей крыльев, последующее их крепление должны обеспечивать передачу, распределение изгибающего и крутящего моментов, возникающих при различных режимах эксплуатации.

Сверхкритическое крыло

Суперкритический профиль (С. П.), дозвуковой профиль крыла, позволяющий при фиксированном значении коэффициентов подъёмной силы и толщины профиля существенно повысить критическое число Маха. Чтобы увеличить скорость, нужно уменьшать сопротивление профиля крыла путём уменьшения его толщины («сплющить» профиль), но при этом надо сохранить его весовые и прочностные характеристики. Решение нашёл американский инженер Ричард Уиткомб. Он предложил сделать сужающуюся подрезку на нижней поверхности задней части крыла (небольшой плавный отгиб «хвостика» крыла вниз). Расширяющийся в подрезке поток компенсировал смещение аэродинамического фокуса. Использование уплощённых профилей с изогнутой задней частью позволяет равномерно распределить давление вдоль хорды профиля и тем самым приводит к смещению центра давления назад, а также увеличивает критическое число Маха на 10-15 %. Такие профили стали называть сверхкритическими (суперкритическими). Достаточно быстро они эволюционировали в сверхкритические профили 2-го поколения — передняя часть приближалась к симметричной, а подрезка усиливалась. Однако дальнейшее развитие в этом направлении остановилось — ещё более сильная подрезка делала заднюю кромку слишком тонкой с точки зрения прочности. Другим недостатком сверхкритического крыла 2-го поколения был момент на пикирование, который приходилось парировать нагрузкой на горизонтальное оперение. Раз нельзя подрезать сзади — нужно подрезать спереди: решение было столь же гениально, сколько и просто ― применили подрезку в передней нижней части крыла и уменьшили её в задней. Здесь краткая история эволюции аэродинамических профилей в картинках. Сверхкритические профили применяются в пассажирской авиации, обеспечивая наилучшее соотношение экономичности, веса конструкции и скорости полёта.

Взлётно-посадочные системы 2280

Взлёт и посадку считают ответственными периодами при эксплуатации самолёта. В этот период возникают максимальные нагрузки на всю конструкцию. Гарантировать приемлемый разгон для поднятия в небо и мягкое касание поверхности посадочной полосы могут только надёжно сконструированные стойки шасси. В полете они служат дополнительным элементом придания жесткости крыльям.

Конструкция наиболее распространённых моделей шасси представлена следующими элементами:

Стойка шасси самолёта

Сколько колес размещено у самолета? Количество колёс определяется в зависимости от модели, веса и назначения воздушного судна. Наиболее распространённым считают размещение двух основных стоек с двумя колёсами. Более тяжёлые модели – трёх стоечные (размещены под носовой частью и крыльях), четырёх стоечные – две основные и две дополнительные опорные.

Механизация крыла

Основные части механизации крыла

Складывающееся крыло

Сложенная правая консоль крыла Як-38

К конструкции со складывающимся крылом прибегают в том случае, когда хотят уменьшить габариты при стоянке воздушного судна. Наиболее часто такое применение встречается в палубной авиации (Су-33, Як-38, F-18, Bell V-22 Osprey), но и рассматривается иногда для пассажирских ВС (КР-860).

Видео

Описанное устройство самолета даёт лишь общее представление об основных конструктивных составляющих, позволяет определить степень важности каждого элемента при эксплуатации воздушного судна. Дальнейшее изучение требует глубокой инженерной подготовки, наличия специальных знаний аэродинамики, сопротивления материалов, гидравлики и электрооборудования. На производственных предприятиях авиастроения этими вопросами занимаются люди, прошедшие обучение и специальную подготовку. Самостоятельно изучить все этапы создания самолёта можно, только для этого следует запастись терпением и быть готовым к получению новых знаний.

История исследования

Первые теоретические исследования и важные результаты для крыла бесконечного размаха проведены на рубеже XIX—XX веков русскими учёными Н. Жуковским, С. Чаплыгиным, немецким М. Куттой, английским Ф. Ланчестером. Теоретические работы для реального крыла начаты немцем Л. Прандтлем.

Среди полученных ими результатов можно отметить:

Источник