В самолете с фиксированным крылом лонжерон часто является основным структурным элементом крыла, идущим по размаху под прямым углом (или около того, в зависимости от стреловидности крыла ) к фюзеляжу . Лонжерон несет полетные нагрузки и вес крыльев на земле. Другие структурные и формообразующие элементы, такие как нервюры, могут быть прикреплены к лонжерону или лонжеронам, при этом конструкция напряженной обшивки также разделяет нагрузки там, где она используется. В крыле может быть более одного лонжерона или вообще ни одного. Если один лонжерон несет большую часть силы, он известен как главный лонжерон. [1]
Лонжероны также используются в других поверхностях аэродинамических профилей самолетов, таких как хвостовое оперение и киль , и выполняют аналогичную функцию, хотя передаваемые нагрузки могут отличаться от нагрузок лонжерона крыла.
Лонжерон крыла обеспечивает большую часть весовой поддержки и динамической нагрузки целостности свободнонесущих монопланов , часто в сочетании с прочностью самого крыльевого 'D'-ящика. Вместе эти два структурных компонента обеспечивают жесткость крыла, необходимую для безопасного полета самолета. Бипланы , использующие летающие тросы , имеют большую часть полетных нагрузок, передаваемых через тросы и межплоскостные стойки, что позволяет использовать лонжероны меньшего сечения и, следовательно, более легкие за счет увеличения сопротивления .
Некоторые силы, действующие на лонжерон крыла: [2]
Многие из этих нагрузок резко меняются местами в полете самолета, например, Extra 300 , при выполнении экстремальных фигур высшего пилотажа ; лонжероны этих самолетов спроектированы так, чтобы безопасно выдерживать большие коэффициенты перегрузки .
Ранние самолеты использовали лонжероны, часто вырезанные из цельной ели или ясеня . Было использовано и опробовано несколько различных типов деревянных лонжеронов, таких как лонжероны коробчатого сечения; и ламинированные лонжероны, уложенные в зажим и склеенные под давлением для сохранения двугранного угла крыла . Деревянные лонжероны все еще используются в легких самолетах, таких как Robin DR400 и его родственниках. Недостатком деревянного лонжерона является ухудшающее воздействие, которое могут оказывать на компонент атмосферные условия, как сухие, так и влажные, а также биологические угрозы, такие как заражение древоточцами и грибковое поражение ; следовательно, для поддержания летной годности часто требуются регулярные проверки . [4]
Деревянные лонжероны крыла многоэлементной конструкции обычно состоят из верхнего и нижнего элементов, называемых поясами лонжеронов , и вертикальных листовых деревянных элементов, называемых сдвигающимися стенками или, проще говоря, стенками , которые охватывают расстояние между поясами лонжеронов.
Даже в наше время, "самодельные копии самолетов", такие как копии Spitfire, используют ламинированные деревянные лонжероны. Эти лонжероны обычно ламинируются из ели или пихты Дугласа (путем зажима и склеивания). Ряд энтузиастов строят "копии" Spitfire, которые на самом деле будут летать, используя различные двигатели относительно размера самолета. [5]
Типичный металлический лонжерон в самолете гражданской авиации обычно состоит из листовой алюминиевой стенки лонжерона с L- или T-образными крышками лонжерона, приваренными или приклепанными к верхней и нижней части листа для предотвращения прогиба под приложенными нагрузками. Более крупные самолеты, использующие этот метод конструкции лонжерона, могут иметь крышки лонжерона, запечатанные для обеспечения встроенных топливных баков . Усталость металлических лонжеронов крыла была выявлена как причинный фактор в авиационных происшествиях, особенно в старых самолетах, как это было в случае с рейсом 101 компании Chalk's Ocean Airways . [6]
Немецкий бронированный полутораплан-штурмовик Junkers JI 1917 года выпуска использовал многотрубную сеть из нескольких трубчатых лонжеронов крыла, разработанную Хуго Юнкерсом , которые располагались непосредственно под гофрированной обшивкой крыла из дюралюминия , а каждый трубчатый лонжерон соединялся с соседним с помощью пространственной рамы из треугольных дюралюминиевых полос — обычно по типу фермы Уоррена — приклепанных к лонжеронам, что приводило к существенному повышению прочности конструкции в то время, когда большинство других конструкций самолетов строились почти полностью с крыльями из деревянной конструкции. Формат конструкции крыла «Юнкерс» с цельнометаллическим гофрированным покрытием и многотрубчатым лонжероном крыла был скопирован после Первой мировой войны американским авиаконструктором Уильямом Стаутом для его серии авиалайнеров Ford Trimotor 1920-х годов , а также российским авиаконструктором Андреем Туполевым для таких самолетов, как Туполев АНТ-2 1922 года, и более крупным по тем временам самолетом «Максим Горький» 1934 года.
Аспектом дизайна крыла Supermarine Spitfire , который внес большой вклад в его успех, была инновационная конструкция лонжеронной балки, состоящая из пяти квадратных концентрических труб, которые вставлялись друг в друга. Две из этих балок были соединены между собой сплавной сеткой, создавая легкий и очень прочный главный лонжерон. [7]
Вариант этого метода лонжеронной конструкции также используется в BD-5 , который был спроектирован и построен Джимом Бидом в начале 1970-х годов. Лонжерон, используемый в BD-5 и последующих проектах BD, в основном представлял собой алюминиевую трубу диаметром около 2 дюймов (5,1 см), соединенную у корня крыла с алюминиевой трубой гораздо большего внутреннего диаметра для обеспечения структурной целостности крыла.
В таких самолетах, как Vickers Wellington , использовалась геодезическая лонжеронная конструкция крыла, которая имела такие преимущества, как малый вес и способность выдерживать серьезные боевые повреждения лишь с частичной потерей прочности.
Многие современные самолеты используют углеродное волокно и кевлар в своей конструкции, варьируясь по размеру от больших авиалайнеров до небольших самодельных самолетов . Следует отметить разработки, сделанные Scaled Composites и немецкими производителями планеров Schempp-Hirth и Schleicher . [8] Эти компании изначально использовали сплошные стекловолоконные лонжероны в своих конструкциях, но теперь часто используют углеродное волокно в своих высокопроизводительных планерах, таких как ASG 29. Увеличение прочности и снижение веса по сравнению с более ранними самолетами со стекловолоконными лонжеронами позволяет перевозить большее количество водяного балласта . [9]
Самолеты, использующие три или более лонжеронов, считаются многолонжеронными самолетами. Использование нескольких лонжеронов позволяет получить эквивалентную общую прочность крыла, но с несколькими, меньшими, лонжеронами, которые, в свою очередь, позволяют использовать более тонкую конструкцию крыла или хвоста (за счет увеличения сложности и трудности размещения дополнительного оборудования, такого как топливные баки, пушки, домкраты элеронов и т. д.). Хотя многолонжеронные крылья использовались по крайней мере с 1930-х годов (например, у Curtiss P-40 времен Второй мировой войны было 3 лонжерона на крыло), они приобрели большую популярность, когда растущая скорость реактивных истребителей потребовала более тонких крыльев для уменьшения сопротивления на высоких скоростях. Mach 2 F-104 Starfighter использовал многочисленные тонкие лонжероны, чтобы обеспечить крыло необычно тонкого сечения; F-16 Fighting Falcon использует похожую конструкцию. Другие самолеты, такие как F-4 Phantom , F-15 Eagle и другие, используют 3 или более лонжеронов, чтобы обеспечить достаточную прочность относительно тонкого крыла, и, таким образом, их можно отнести к многолонжеронным самолетам. [10]
Ложные лонжероны, как и основные лонжероны, являются несущими конструктивными элементами, проходящими по размаху, но не присоединенными к фюзеляжу. Их наиболее распространенное назначение — нести движущиеся поверхности, в основном элероны . [11]