Что относится к структурной схеме самолета

Что относится к структурной схеме самолета

САМОЛЕТ КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Самолеты относятся к классу летательных аппаратов, использующих аэродинамический принцип полета. Они расходуют энергию запасенного топлива для создания движущей, подъемной и управляющих сил с помощью воздушной среды. В настоящее время это самый распространенный тип летательных аппаратов с огромным потенциалом дальнейшего развития, так как освоенная область скоростей и высот полета, в которой возможна реализация аэродинамического принципа полета, очень мала, а потребности общества в таких летательных аппаратах постоянно возрастают.

Как объект проектирования современный самолет представляет собой сложную техническую систему с развитой иерархической структурой, большим числом элементов и внутренних связей, возрастающих примерно пропорционально квадрату числа элементов. Так, планер современного широкофюзеляжного самолета состоит более чем из миллиона деталей.

В любом самолете можно выделить ряд функциональных подсистем, определяющих в совокупности его полезные свойства. Это: подсистема создания подъемной силы, подсистема, обеспечивающая устойчивость и управляемость самолета на заданной траектории, подсистема обеспечения движущей силы, подсистемы обеспечения целевой функции, жизнеобеспечения, обеспечения управления и навигации в различных условиях полета и др. Каждая из таких подсистем может включать в себя комплекс простых и сложных систем и отдельных элементов.

Расчленение самолета на подсистемы, удобное для изучения и анализа, отнюдь не означает, что они полностью автономны. Системы самолета взаимосвязаны и взаимообусловлены. Например, в настоящее время для сверхзвуковых маневренных самолетов широкое применение находят так называемые интегральные схемы, основанные на объединении крыла, фюзеляжа, силовой установки, систем управления и устойчивости с целью достижения максимальной эффективности.

Рис. 1.1. Функционально-структурная схема самолета в авиационном комплексе

С другой стороны, самолет сам по себе – это техническое устройство, средство, мертвое вне действия, вне производства. И только как элемент более сложной системы, включающей самолетные парки и летные экипажи, технические средства и персонал для подготовки самолета к полету, технические средства и персонал для обеспечения полета, самолет способен выполнять определенные задачи. Следовательно, самолет является подсистемой сложной системы более высокого иерархического уровня – авиационного комплекса, под которым понимается органическое сочетание людских и материальных ресурсов и действиями которого вырабатывается определенный полезный для общества эффект. Функционально-структурная схема самолета как элемента авиационного комплекса представлена на рис. 1.1. Авиационный комплекс, в свою очередь, является элементом транспортной системы или системы обороны страны.

Отмеченная специфика самолета диктует необходимость применения системного подхода к его проектированию. Теоретической базой такого подхода является наука – системотехника.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Под проектированием самолета понимается процесс разработки технической документации, которая обеспечивает возможность промышленного изготовления нового самолета, отвечающего заданным требованиям, и позволяет осуществлять его надежную эксплуатацию в заданных условиях.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САМОЛЕТОВ

Разработка проекта самолета требует интеграции знаний в области физики, математики, аэродинамики, устойчивости и управляемости, технологии и материаловедения, экономики, двигателестроения, черчения и конструирования, строительной механики и других прикладных и фундаментальных наук. Вместе с тем проектирование самолета не может базироваться только на сумме знаний перечисленных выше дисциплин. Это самостоятельная научно-техническая дисциплина, имеющая свою внутреннюю логику, свои законы и методы.

Ведущиеся до сих пор дискуссии о том, что же такое проектирование – наука или искусство – лишь отражают уровень наших знаний о законах, формирующих облик самолета, типы и параметры его подсистем.

Под моделью понимается такая мысленно представленная и формально описанная (абстрактная) или материально реализованная (физическая) система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам необходимую информацию об этом объекте.

Существуют два типа моделей – физические и математические.

Физические модели имеют ту же физическую природу, что и оригинал. Физическое моделирование дает наиболее полное представление об исследуемых явлениях, однако оно часто связано со значительными затратами времени и средств.

Математические модели основываются на идентичности математического описания процессов в модели и оригинале; они делятся на аналитические и численные модели.

Аналитические модели позволяют провести исследования в наиболее общем виде, однако возможности их построения ограничиваются известными трудностями, в основном связанными с необходимостью существенного упрощения рассматриваемого явления. Как правило, аналитическое моделирование применяется для анализа сравнительно несложных явлений.

Наиболее универсальный метод математического моделирования – численное, осуществляемое с помощью ЭВМ. Численное моделирование в настоящее время является основным инструментом исследования сложных систем.

Хотя процессу инженерного анализа и свойственны творческие черты, все же этот вид деятельности в основном опирается на здравый смысл и специальные знания. Он носит более узкий характер, чем изобретательство. Эти два процесса отличаются в том отношении, что изобретательство направлено на поиск возможных решений, и целью его является создание возможно большего числа альтернатив (Альтернатива – необходимость выбора между исключающими друг друга возможностями; в тексте – каждая из этих возможностей.). Инженерный же анализ направлен на изучение этих решений, и целью его является получение фактических результатов по каждой из рассматриваемых альтернатив.

Третья составляющая инженерного проектирования – принятие решений есть процесс выбора одной альтернативы из многих, наилучшей из них. Этот процесс характеризуется следующими чертами:

1) Наличие цели. Если ее нет, то не возникает потребность в принятии решения;

Читайте также:  Как закрыть решетку радиатора

2) Наличие альтернативных линий поведения. Это означает, что существует несколько способов достижения цели. С различными альтернативами связаны различные вероятности успеха и различные затраты, причем не всегда достоверно известные. Поэтому принятие решения зачастую сопряжено с неопределенностью;

3) Необходимость учета существенных факторов (ограничений) – геометрических (габариты и форма устройства), весовых, прочностных, экономических и т.д.

После того, как четко сформулирована цель (определена целевая функция), необходимо составить возможно более полный перечень возможных решений, поскольку от полноты и качества этого перечня зависит качество решения. После этого составляется перечень существенных ограничений, которые должны быть учтены при принятии решения. Процесс принятия решения, как правило, многошаговый, в котором каждый последующий шаг сужает область поиска, ограничивая как число возможных вариантов решения задачи, так и число факторов, которое следует учитывать. Это весьма трудоемкий процесс, соединяющий в себе науку и искусство. Поэтому очень важно уметь приводить сложный процесс принятия решения к задаче, которую можно решать с помощью математических методов с использованием ЭВМ. Это достигается, если принятие решения основывается на исходных количественных факторах, то есть когда этот процесс удается формализовать. В этом случае принятие решения базируется на количественных методах оптимизации. Представив поставленную цель в виде целевой функции γ = γ (х1, х2, . хn), где х1, х2, . хn – независимые параметры, определяющие характеристики проектируемого объекта, можно свести задачу принятия решения к оптимизационной задаче отыскания экстремума целевой функции.

При подготовке и принятии решения проектировщик сталкивается с необходимостью компромиссного выбора или, иными словами, с поиском условного оптимума. К тому же очень часто исходные факторы носят не количественный, а качественный характер, что затрудняет поиск оптимума. При этом инженеру часто приходится принимать решения и двигаться дальше, не будучи уверенным в том, что принимаемое им решение является наилучшим. Альтернатива, возможно, пригодная лишь на первый случай, должна быть принята, прежде чем ее можно будет проанализировать и оптимизировать. Поэтому среди качеств, необходимых инженеру-проектировщику, не последнюю роль играет способность принимать решение в сложных ситуациях.

Анализ проектирования как творческого процесса позволяет квалифицировать его как итерационный процесс, в котором три его составляющих неразрывно связаны. Общая схема этого процесса представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема процесса проектирования.

Существенным в этой схеме является то, что синтез новых технических объектов осуществляется на основе многократного повторения анализа для различных вариантов проектных альтернатив (наборов входных параметров).

Оптимизация в процессе проектирования играет двоякую роль, обеспечивая, с одной стороны, определение в рамках выбранной альтернативы наивыгоднейшего сочетания проектных параметров и, с другой стороны, – выявление наилучшей, в известном смысле, альтернативы из рассматриваемых.

САМОЛЕТ КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Самолеты относятся к классу летательных аппаратов, использующих аэродинамический принцип полета. Они расходуют энергию запасенного топлива для создания движущей, подъемной и управляющих сил с помощью воздушной среды. В настоящее время это самый распространенный тип летательных аппаратов с огромным потенциалом дальнейшего развития, так как освоенная область скоростей и высот полета, в которой возможна реализация аэродинамического принципа полета, очень мала, а потребности общества в таких летательных аппаратах постоянно возрастают.

Как объект проектирования современный самолет представляет собой сложную техническую систему с развитой иерархической структурой, большим числом элементов и внутренних связей, возрастающих примерно пропорционально квадрату числа элементов. Так, планер современного широкофюзеляжного самолета состоит более чем из миллиона деталей.

В любом самолете можно выделить ряд функциональных подсистем, определяющих в совокупности его полезные свойства. Это: подсистема создания подъемной силы, подсистема, обеспечивающая устойчивость и управляемость самолета на заданной траектории, подсистема обеспечения движущей силы, подсистемы обеспечения целевой функции, жизнеобеспечения, обеспечения управления и навигации в различных условиях полета и др. Каждая из таких подсистем может включать в себя комплекс простых и сложных систем и отдельных элементов.

Расчленение самолета на подсистемы, удобное для изучения и анализа, отнюдь не означает, что они полностью автономны. Системы самолета взаимосвязаны и взаимообусловлены. Например, в настоящее время для сверхзвуковых маневренных самолетов широкое применение находят так называемые интегральные схемы, основанные на объединении крыла, фюзеляжа, силовой установки, систем управления и устойчивости с целью достижения максимальной эффективности.

Рис. 1.1. Функционально-структурная схема самолета в авиационном комплексе

С другой стороны, самолет сам по себе – это техническое устройство, средство, мертвое вне действия, вне производства. И только как элемент более сложной системы, включающей самолетные парки и летные экипажи, технические средства и персонал для подготовки самолета к полету, технические средства и персонал для обеспечения полета, самолет способен выполнять определенные задачи. Следовательно, самолет является подсистемой сложной системы более высокого иерархического уровня – авиационного комплекса, под которым понимается органическое сочетание людских и материальных ресурсов и действиями которого вырабатывается определенный полезный для общества эффект. Функционально-структурная схема самолета как элемента авиационного комплекса представлена на рис. 1.1. Авиационный комплекс, в свою очередь, является элементом транспортной системы или системы обороны страны.

Отмеченная специфика самолета диктует необходимость применения системного подхода к его проектированию. Теоретической базой такого подхода является наука – системотехника.

Читайте также:  Как украсить серую кухню

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-23; Нарушение авторского права страницы

Основные элементы летательного аппарата:

  • Крыло — создаёт при поступательном движении самолёта необходимую для полёта подъёмную силу.
  • Фюзеляж — является «телом» самолёта.
  • Оперение — несущие поверхности, предназначенные для обеспечения устойчивости, управляемости и балансировки самолёта.
  • Шасси — взлётно-посадочное устройство самолёта.
  • Силовые установки — создают необходимую тягу.
  • Системы бортового оборудования — различное оборудование, которое позволяет выполнять полёты при любых условиях.

Части крыла самолета

В общем случае крыло самолета состоит из центропланной части, консолей (левой и правой) и механизации крыла. Также крыло можно разделить на две части, левое и правое полукрыло. Часто встречается термин «крылья», но он ошибочен по отношению к моноплану.

Принцип действия

Крыло, обтекаемое потоком воздуха, создаёт в нём возмущения, приводящие к отклонению воздушной массы потока вниз. Согласно закону сохранения импульса, это приводит к возникновению подъемной силы, направленной в противоположную сторону, т.е вверх. [1]

Одним из популярных объяснений принципа действия крыла является ударная модель Ньютона: частицы воздуха, сталкиваясь с нижней поверхностью крыла, стоящего под углом к потоку, упруго отскакивают вниз («скос потока»), толкая крыло вверх. Данная модель учитывает закон сохранения импульса, но полностью игнорирует обтекание верхней поверхности крыла, вследствие чего она даёт заниженную величину подъёмной силы.

В другой популярной модели возникновение подъёмной силы приписывается разности давлений на верхней и нижней сторонах профиля, возникающей согласно закону Бернулли. Обычно рассматривается крыло с плоско-выпуклым профилем: нижняя поверхность плоская, верхняя — выпуклая. Набегающий поток разделяется крылом на две части — верхнюю и нижнюю, — при этом верхняя часть вынуждена проходить более длинный путь, чем нижняя, вследствие выпуклости крыла. Исходя из условия о неразрывности потока, делается заключение, что скорость потока сверху крыла должна быть больше, чем снизу, что вызывает разность давлений и подъёмную силу. Однако, данная модель противоречит закону сохранения импульса, так как поток после крыла считается невозмущённым и неотклонённым. Кроме того, эта модель не объясняет возникновение подъёмной силы на двояко-выпуклых симметричных или на вогнуто-выпуклых профилях, когда потоки сверху и снизу проходят одинаковую длину.

Для устранения этих недостатков идеализации необходимо искусственно вводить циркуляцию скорости потока, что приводит к теореме Жуковского. Циркуляция скорости позволяет учесть скос потока и позволяет получать правильные результаты при расчётах.

Одной из главных проблем вышеприведённых объяснений является то, что они не учитывают вязкость воздуха, то есть перенос энергии и импульса между отдельными слоями потока (что и является причиной циркуляции). Так как этот перенос происходит со скоростью звука, то при расчёте дозвукового обтекания необходимо учитывать полное поле скоростей потока. Например, существенное влияние на крыло может оказать поверхность земли, «отражающая» возмущения потока, вызванные крылом и возвращающая часть импульса обратно — см. экранный эффект.

Также в приведённых объяснениях не раскрывается детальный механизм передачи энергии от крыла к потоку, то есть совершения работы самим крылом. Хотя верхняя часть воздушного потока действительно имеет повышенную скорость, геометрическая длина пути не имеет к этому отношения — это вызвано взаимодействием слоёв неподвижного и подвижного воздуха и верхней поверхности крыла. Поток воздуха, следующий вдоль верхней поверхности крыла, «прилипает» к ней и старается следовать вдоль этой поверхности даже после точки перегиба профиля — эффект Коанды. Благодаря поступательному движению крыло совершает работу по разгону этой части потока. Достигнув точки отрыва у задней кромки, воздух продолжает своё движение вниз по инерции вместе с массой, отклонённой нижней поверхностью крыла, что в сумме вызывает скос потока и возникновение реактивного импульса. Вертикальная часть этого импульса и вызывает подъёмную силу, уравновешивающую силу тяжести, горизонтальная же часть уравновешивается лобовым сопротивлением.

В реальности, обтекание крыла является очень сложным трёхмерным нелинейным и зачастую нестационарным процессом. Подъёмная сила крыла зависит от его площади, профиля, формы в плане, а также от угла атаки, скорости и плотности потока, числа Маха и от множества других факторов.

Фюзеля́ж (фр. fuselage, от fuseau — веретено) — корпус летательного аппарата. Связывает между собой крылья, оперение и (иногда) шасси. Фюзеляж самолёта предназначен для размещения экипажа, оборудования и целевой нагрузки. В фюзеляже может размещаться топливо, шасси, двигатели. Отдельно рассматривается летающее крыло, в утолщённой части которого и размещается всё, что обычно размещают в фюзеляже.

Общие сведения

Являясь строительной основой конструкции самолёта, он объединяет в силовом отношении в единое целое все его части. Основным требованием к фюзеляжу является выполнение им своего функционального назначения в соответствии с назначением самолёта и условиями его использования при наименьшей массе конструкции фюзеляжа.

Выполнение этого требования достигается:

  • выбором таких внешних форм и значений параметров фюзеляжа, при которых получаются минимальное его лобовое сопротивление и наибольшие полезные объёмы при определившихся габаритах;
  • использованием несущих фюзеляжей, создающих значительную (до 40 %) подъёмную силу в интегральных схемах самолёта. Это позволяет уменьшить площадь крыла и снизить его массу;
  • рациональным использованием полезных объёмов за счёт повышения плотности компоновки, а также за счёт более компактного размещения грузов вблизи ЦМ. Последнее способствует уменьшению массовых моментов инерции и улучшению характеристик маневренности, а сужение диапазона изменения центровок при различных вариантах загрузки, выгорании топлива, расходе боеприпасов обеспечивает большую стабильность характеристик устойчивости и управляемости самолёта;
  • согласованием силовой схемы фюзеляжа с силовыми схемами присоединённых к нему агрегатов. При этом необходимо обеспечить: надёжное крепление, передачу и уравновешивание нагрузок от силовых элементов крыла, оперения, шасси, силовой установки на силовых элементах фюзеляжа; восприятие массовых сил от целевой нагрузки, оборудования и от конструкции фюзеляжа, а также от аэродинамической нагрузки, действующей на фюзеляж, и нагрузки от избыточного давления в гермокабине.
  • Должно быть обеспечено удобство подходов к различным агрегатам, размещён­ным в фюзеляже, для их осмотра и ремонта; удобство входа и выхода экипажа и пассажиров, выброса десантников и вооружения, удобство погрузки, швартовки и выгрузки предназначенных для перевозки грузов. Пассажирам и экипажу должны быть обеспечены необходимые жизненные условия и определённый уровень комфорта при полёте на большой высоте, тепло — звукоизоляция кабин, возможность быстрого и безопасного аварийного покидания самолёта, экипажу — хороший обзор.
Читайте также:  Как правильно наносить короед на фасад дома

Дата добавления: 2016-06-22 ; просмотров: 3092 ;

Раздел 2. Основы конструкции летательных аппаратов

Тема 2.1. Конструкция и прочность ЛА

Лекция 2.1.1. Общие сведения о летательных аппаратах

1. Основные части самолета их назначение и характеристики

2. Классификация и схемы самолетов.

Самолеты представляют собой сложные технические устройства, состоящие из взаимосвязанных по назначению, месту и функционированию агрегатов, частей и элементов, общих по своему основному назначению, условиям работы, характеру конструкции, а также по способу контроля технического обслуживания и ремонта. На рис. 1 представлена упрощенная функционально-структурная схема самолета и некоторых его основ­ных агрегатов и частей.

Рис.1 Структурная схема самолета.

К частям конструкции ЛА относятся:

¾ средства, обеспечивающие жизнедеятельность экипажа и пассажиров (высотная система или система кондиционирования, кислородная система, бытовое и аварийно-спасательное оборудование);

¾ силовые системы (гидравлическая, воздушная);

¾ система управления ЛА;

Каждая из частей ЛА имеет свое функциональное предназначение.

Под планером ЛА обычно подразумевается совокупность его основных частей, находящихся в потоке воздуха: крыла, фюзеляжа, оперения, органов управления, воздухозаборников. У вертолета к планеру относят также несущий винт.

Планер создаёт АД-силы и моменты, управляющие траекторией движения ЛА. В нём имеются объёмы, защищенные от воздействия внешней среды (скоростного потока, низкого атмосферного давления, температуры) для размещения экипажа, пассажиров, оборудования и пр. Масса планера составляет 2/3 от всей конструкции. Он включает в себя:

Крыло — несущая поверхность самолета создает подъёмную силу, обеспечивающую полет ЛА по заданной траектории. Наличие крыла — отличительная черта самолета. Дополнительно крыло служит для обеспечения поперечной устойчивости и управляемости, а также как емкость, база крепления шасси, двигателей, взлетно-посадочной механизации и пр.

Фюзеляж ЛА (самолета, вертолета) является основной емкостью, в которой располагаются экипаж, пассажиры, грузы, оборудование, а также двигатели, топливо, шасси. Фюзеляж играет роль силовой базы, к которой крепятся остальные части ЛА. Однако, в последнее время в конструкции фюзеляжей применяются такие решения, которые позволяют получить значительный прирост подъемной силы (так называемый несущий фюзеляж — корпус. А также может быть сведен к минимуму — летающее крыло.

Оперение ЛА — несущие поверхности, являющиеся органами устойчивости и управляемости ЛА. Включает в себя горизонтальное оперение – стабилизатор, на некоторых самолетах переднее ГО (для продольной устойчивости и управляемости) и вертикальное оперение – киль, возможно, подбалочный киль, подфюзеляжный гребень (для путевой). Оперение служит для создания АД-моментов, обеспечивающих устойчивость ЛА и изменения направления полной АД- силы, искривляющей траекторию движения ЛА в заданном направлении.

Взлетно-посадочные устройства — предназначены для:

¾ обеспечения устойчивого движения по аэродрому;

¾ уменьшения до заданной величины нагрузок, действующих на планер при движении по аэродрому (включая первый удар при приземлении ЛА);

¾ обеспечения заданных длин разбега и пробега и взлетно-посадочных скоростей;

Кроме того ВПУ решают частные задачи — обеспечение нужного положения оси ЛА на стоянке, удаление его частей от поверхности аэродрома и др.

Можно выделить две характерных группы ВПУ:

1. Опорные устройства, обеспечивающие устойчивость и управляемость при движении, и снижение нагрузок — шасси, состоящее из стоек (опор), колес с тормозами и механизмов управления ими.

2. Устройства, улучшающие взлетно-посадочные характеристики (характерны только для самолетов), включающие в себя закрылки, предкрылки, щитки, отклоняемые носки.

Назначение систем самолетов и их состав будут рассмотрены в соответствующих темах данного раздела дисциплины.

Как рассматривалось ранее, летательные аппараты классифицируются по различным признакам, по назначению и свойствам. ЛА с аэродинамическим принципом создания подъемной силы, в свою очередь, помимо того, различаются по аэродинамической схеме и конструктивным признакам.

Классификация самолетов по аэродинамической схеме и конструк­тивным признакам (рис.1) представлена с определенной степенью дета­лизации в виде матрицы конструктивно — компоновочных схем отдельных час­тей и агрегатов самолета, отражающей многообразие их форм и схем в эволю­ционном развитии.

Используя последовательно информацию каждого уровня (I. 9, см. рис.1), можно получить (собрать) конструктивно-компоновочную схему почти любого из существовавших и существующих самолетов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector