Механическая структура самолета известна как планер . [1] Обычно считается, что эта структура включает фюзеляж , шасси , хвостовое оперение и крылья , и исключает двигательную установку . [2]
Проектирование планера самолета — это область аэрокосмической техники , которая объединяет аэродинамику , технологию материалов и методы производства с акцентом на вес, прочность и аэродинамическое сопротивление , а также надежность и стоимость.
Современная история планера началась в Соединенных Штатах с первого полета самолета Райт , продемонстрировавшего потенциал конструкций с фиксированным крылом в авиации.
В 1912 году самолет Deperdussin Monocoque стал пионером в области легкого, прочного и обтекаемого монококового фюзеляжа, образованного из тонких слоев фанеры на круглой раме, что позволило достичь скорости 210 км/ч (130 миль/ч). [3] [4]
Многие ранние разработки были вызваны военными нуждами во время Первой мировой войны . Известные самолеты той эпохи включают в себя боевые самолеты голландского конструктора Энтони Фоккера для Luftstreitkräfte Германской империи , а также американские летающие лодки Curtiss и немецко-австрийские монопланы Taube . Они использовали гибридные конструкции из дерева и металла.
К 1915/16 году немецкая фирма Luft-Fahrzeug-Gesellschaft разработала полностью монококовую полностью деревянную конструкцию с единственным скелетным внутренним каркасом, используя полосы фанеры, кропотливо «обернутые» по диагонали в четыре слоя вокруг бетонных пуансонов в «левой» и «правой» половинах, известную как конструкция Wickelrumpf (обернутый корпус) [5] — она впервые появилась на LFG Roland C.II 1916 года и позже была лицензирована Pfalz Flugzeugwerke для ее истребителей-бипланов серии D.
В 1916 году немецкие истребители-бипланы Albatros D.III имели полумонококовые фюзеляжи с несущими фанерными панелями обшивки, приклеенными к продольным лонжеронам и переборкам ; она была заменена преобладающей структурной конфигурацией с напряженной обшивкой, поскольку металл заменил дерево. [3] Аналогичные методы концепции фирмы Albatros использовались как Hannoversche Waggonfabrik для их легких двухместных конструкций CL.II - CL.V , так и Siemens-Schuckert для их более поздних конструкций истребителей-бипланов Siemens-Schuckert D.III и более производительных D.IV. Конструкция Albatros D.III была гораздо менее сложной, чем запатентованная концепция LFG Wickelrumpf для их внешней обшивки. [ оригинальное исследование? ]
Немецкий инженер Хуго Юнкерс первым поднял в воздух цельнометаллические планеры в 1915 году, создав цельнометаллический моноплан с свободнонесущим крылом и работающей обшивкой Junkers J 1 , изготовленный из стали . [3] Дальнейшее развитие он получил с использованием более легкого дюралюминия , изобретенного Альфредом Вильмом в Германии до войны; в планере самолета Junkers DI 1918 года, чьи технологии были приняты почти без изменений после войны как американским инженером Уильямом Бушнеллом Стаутом, так и советским инженером-авиаконструктором Андреем Туполевым , что оказалось полезным для самолетов с размахом крыла до 60 метров к 1930-м годам.
За J 1 1915 года и истребителем DI 1918 года в 1919 году последовал первый цельнометаллический транспортный самолет Junkers F.13 , сделанный из дюралюминия , как и DI; было построено 300 экземпляров, а также первый четырехмоторный цельнометаллический пассажирский самолет , единственный Zeppelin-Staaken E-4/20 . [3] [4] Развитие коммерческих самолетов в 1920-х и 1930-х годах было сосредоточено на конструкциях монопланов с радиальными двигателями . Некоторые из них производились в единичных экземплярах или в небольших количествах, например, Spirit of St. Louis, перелетевший через Атлантику Чарльзом Линдбергом в 1927 году. Уильям Стаут спроектировал цельнометаллические трехмоторные Ford в 1926 году. [6]
Прототип морского истребителя Hall XFH , поднявшийся в воздух в 1929 году, был первым самолетом с клепаным металлическим фюзеляжем: алюминиевая обшивка поверх стальных труб. Холл также стал пионером в использовании заклепок потайным способом и стыковых соединений между панелями обшивки в летающей лодке Hall PH, также поднявшейся в воздух в 1929 году. [3] Основанная на итальянской Savoia-Marchetti S.56 , экспериментальная летающая лодка Budd BB-1 Pioneer 1931 года была построена из коррозионно-стойкой нержавеющей стали , собранной с помощью недавно разработанной точечной сварки американским производителем железнодорожных вагонов Budd Company . [3]
Оригинальная философия Junkers с гофрированным дюралюминиевым покрытием планера достигла своей кульминации в трехмоторном авиалайнере Junkers Ju 52 1932 года , который использовался на протяжении всей Второй мировой войны нацистской Германией Люфтваффе для транспортных и парашютных нужд. Проекты Андрея Туполева в Советском Союзе Иосифа Сталина разработали серию цельнометаллических самолетов постоянно увеличивающихся размеров, достигнув кульминации в крупнейшем самолете своей эпохи, восьмимоторном Туполев АНТ-20 в 1934 году, а фирмы Дональда Дугласа разработали культовый двухмоторный авиалайнер Douglas DC-3 в 1936 году. [7] Они были одними из самых успешных проектов, появившихся в эпоху с использованием цельнометаллических планеров.
В 1937 году Lockheed XC-35 был специально сконструирован с герметичной кабиной для проведения обширных летных испытаний на большой высоте, что проложило путь для Boeing 307 Stratoliner , который стал первым самолетом с герметичной кабиной, поступившим в коммерческую эксплуатацию. [4]
.png/1280px-Vickers_Wellington_Mark_X,_HE239_'NA-Y',_of_No._428_Squadron_RCAF_(April_1943).png)
Во время Второй мировой войны военные нужды снова доминировали над конструкциями планеров. Среди наиболее известных были американские C-47 Skytrain , B-17 Flying Fortress , B-25 Mitchell и P-38 Lightning , а также британские Vickers Wellington , которые использовали геодезический метод строительства, и Avro Lancaster , все они были переделками оригинальных конструкций 1930-х годов. Первые реактивные самолеты были произведены во время войны, но не в больших количествах.
Из-за нехватки алюминия во время войны истребитель-бомбардировщик de Havilland Mosquito был построен из дерева — фанерные обшивки были прикреплены к сердечнику из бальзы и сформированы с помощью форм для производства монококовых структур, что привело к разработке соединения металла с металлом , которое позже использовалось для de Havilland Comet и Fokker F27 и F28 . [3]
Послевоенная разработка коммерческих планеров была сосредоточена на авиалайнерах , турбовинтовых двигателях, а затем на реактивных двигателях . В целом более высокие скорости и растягивающие напряжения турбовинтовых и реактивных самолетов были основными проблемами. [8] Недавно разработанные алюминиевые сплавы с медью , магнием и цинком имели решающее значение для этих конструкций. [9]
Поднявшийся в воздух в 1952 году и спроектированный для полетов на крейсерской скорости 2 Маха, где трение обшивки требовало ее термостойкости , Douglas X-3 Stiletto был первым титановым самолетом, но он был недостаточно мощным и едва ли сверхзвуковым ; Lockheed A-12 и SR-71 со скоростью 3,2 Маха также были в основном из титана, как и отмененный сверхзвуковой транспортный самолет Boeing 2707 со скоростью 2,7 Маха . [3]
Поскольку жаропрочный титан трудно сваривать и с ним трудно работать, сварная никелевая сталь использовалась для истребителя МиГ-25 со скоростью 2,8 Маха , впервые поднявшегося в воздух в 1964 году; а в истребителе XB-70 Valkyrie со скоростью 3,1 Маха North American использовались паяные сотовые панели из нержавеющей стали и титана, но к моменту его полета в 1964 году его разработка была отменена. [3]
Система автоматизированного проектирования была разработана в 1969 году для McDonnell Douglas F-15 Eagle , который впервые поднялся в воздух в 1974 году вместе с Grumman F-14 Tomcat , и оба использовали борволоконные композиты в хвостовой части; менее дорогой армированный углеродным волокном полимер использовался для обшивки крыльев на McDonnell Douglas AV-8B Harrier II , F/A-18 Hornet и Northrop Grumman B-2 Spirit . [3]
Airbus и Boeing являются основными сборщиками больших реактивных авиалайнеров, в то время как ATR , Bombardier и Embraer лидируют на региональном рынке авиалайнеров ; многие производители выпускают компоненты планера. [ актуально? ]
Вертикальный стабилизатор самолета Airbus A310-300 , впервые поднявшийся в воздух в 1985 году, был первой первичной конструкцией из углеродного волокна, использованной в коммерческом самолете ; с тех пор композиты все чаще используются в авиалайнерах Airbus: горизонтальный стабилизатор A320 в 1987 году и A330 / A340 в 1994 году, а также центральная часть крыла и хвостовая часть фюзеляжа A380 в 2005 году. [3]
Cirrus SR20 , сертифицированный в 1998 году, был первым широко производимым самолетом авиации общего назначения , изготовленным полностью из композитных материалов, за которым в 2000-х годах последовало несколько других легких самолетов . [10]
Boeing 787 , впервые поднявшийся в воздух в 2009 году, был первым коммерческим самолетом, 50% веса конструкции которого было изготовлено из композитных материалов на основе углеродного волокна, а также 20% алюминия и 15% титана: этот материал обеспечивает меньшее сопротивление, большее удлинение крыла и большую герметичность салона; конкурирующий Airbus A350 , поднявшийся в воздух в 2013 году, на 53% состоит из углеродного волокна по весу конструкции. [3] Он имеет цельный фюзеляж из углеродного волокна, который, как говорят, заменяет «1200 листов алюминия и 40 000 заклепок». [11]
Самолеты Bombardier CSeries 2013 года выпуска оснащены крылом из суховолокнистой смолы с легким фюзеляжем из алюминиево-литиевого сплава для повышения устойчивости к повреждениям и ремонтопригодности. Такое сочетание может быть использовано для будущих узкофюзеляжных самолетов . [3] В 2016 году Cirrus Vision SF50 стал первым сертифицированным легким реактивным самолетом, полностью изготовленным из композитных материалов на основе углеродного волокна.
В феврале 2017 года компания Airbus установила машину 3D-печати для изготовления титановых деталей конструкции самолета с использованием электронно-лучевого аддитивного производства от Sciaky, Inc. [12]
Производство планера стало требовательным процессом. Производители работают под строгим контролем качества и государственными нормами. Отклонения от установленных стандартов становятся предметом серьезной озабоченности. [14]
Знаковый момент в авиационном дизайне, первый в мире реактивный авиалайнер , de Havilland Comet , впервые поднялся в воздух в 1949 году. Ранние модели страдали от катастрофической усталости металла планера , что привело к серии широко разрекламированных аварий. Расследование Королевского авиационного учреждения в аэропорту Фарнборо положило начало науке реконструкции авиакатастроф. После 3000 циклов повышения давления в специально сконструированной барокамере было обнаружено, что разрушение планера произошло из-за концентрации напряжений, являющейся следствием квадратной формы окон. Окна были спроектированы для склеивания и заклепывания, но были заклепаны только пробойником. В отличие от заклепки сверлом, несовершенная природа отверстия, созданного пробойником, может привести к началу усталостных трещин вокруг заклепки.
Турбовинтовой самолет Lockheed L-188 Electra , впервые поднявшийся в воздух в 1957 году, стал дорогостоящим уроком по контролю колебаний и планированию с учетом усталости металла . Его крушение в 1959 году на рейсе Braniff Flight 542 показало трудности, с которыми может столкнуться авиастроительная промышленность и ее клиенты -авиакомпании при внедрении новых технологий .
Инцидент можно сравнить с крушением Airbus A300 при взлете рейса 587 American Airlines в 2001 году, когда его вертикальный стабилизатор оторвался от фюзеляжа , что привлекло внимание к проблемам эксплуатации, обслуживания и проектирования, связанным с композитными материалами , которые используются во многих современных планерах самолетов. [15] [16] [17] У A300 были и другие структурные проблемы, но ни одна из них не была столь масштабной.
В течение двадцатого века алюминий стал основным металлом в самолетах. Блок цилиндров двигателя, который приводил в действие самолет братьев Райт в Китти-Хок в 1903 году, был цельным литьем из алюминиевого сплава, содержащего 8% меди; алюминиевые лопасти пропеллера появились еще в 1907 году; а алюминиевые крышки, сиденья, капоты, литые кронштейны и подобные детали были обычным явлением к началу Первой мировой войны. В 1916 году Л. Бреке спроектировал разведывательный бомбардировщик, который ознаменовал первое использование алюминия в рабочей структуре самолета. К концу войны союзники и Германия использовали алюминиевые сплавы для структурного каркаса фюзеляжа и узлов крыла. [18]
Планер самолета был наиболее требовательным применением алюминиевых сплавов; вести хронику развития высокопрочных сплавов также означает вести запись развития планеров самолетов. Дюралюминий , первый высокопрочный, термообрабатываемый алюминиевый сплав, изначально использовался для каркаса жестких дирижаблей Германией и союзниками во время Первой мировой войны. Дюралюминий был сплавом алюминия, меди и магния; он был создан в Германии и разработан в Соединенных Штатах как сплав 17S-T (2017-T4). Он использовался в основном в виде листов и пластин.
Сплав 7075-T6 (предел текучести 70 000 фунтов на кв. дюйм), сплав Al-Zn-Mg-Cu, был представлен в 1943 году. С тех пор большинство конструкций самолетов были указаны в сплавах этого типа. Первым самолетом, разработанным из 7075-T6, был патрульный бомбардировщик ВМС P2V . Более прочный сплав той же серии, 7178-T6 (предел текучести 78 000 фунтов на кв. дюйм), был разработан в 1951 году; он в целом не вытеснил 7075-T6, который имеет превосходную вязкость разрушения.
Сплав 7178-T6 в основном используется в конструкционных элементах, где критически важны эксплуатационные характеристики при сжимающей нагрузке .
Сплав 7079-T6 был представлен в США в 1954 году. В кованых секциях толщиной более 3 дюймов он обеспечивает более высокую прочность и большую поперечную пластичность , чем 7075-T6. Теперь он доступен в листах, пластинах, прессованных изделиях и поковках.
Сплав X7080-T7, обладающий более высокой стойкостью к коррозии под напряжением , чем 7079-T6, разрабатывается для толстых деталей. Поскольку он относительно нечувствителен к скорости закалки , в толстых секциях можно получить хорошую прочность с низкими напряжениями закалки.
Плакирование алюминиевых сплавов изначально было разработано для повышения коррозионной стойкости листа 2017-T4 и, таким образом, для снижения требований к обслуживанию алюминиевых самолетов. Покрытие листа 2017 года, а позднее и 2024-T3, состояло из алюминия коммерческой чистоты, металлургически связанного с одной или обеими поверхностями листа.
Электролитическая защита, присутствующая во влажных или сырых условиях, основана на значительно более высоком электродном потенциале алюминия коммерческой чистоты по сравнению со сплавом 2017 или 2024 в состоянии T3 или T4. Когда появились 7075-T6 и другие сплавы Al-Zn-Mg-Cu, был разработан алюминиево-цинковый плакирующий сплав 7072, чтобы обеспечить относительный электродный потенциал, достаточный для защиты новых прочных сплавов.
Однако высокопроизводительные самолеты, разработанные с 1945 года, широко использовали обшивочные конструкции, изготовленные из толстой пластины и экструзии, что исключало использование алькладовых внешних обшивок. В результате требования к техническому обслуживанию возросли, и это стимулировало программы исследований и разработок, направленные на поиск более прочных сплавов с улучшенной стойкостью к коррозии без плакирования.
Отливки из алюминиевого сплава традиционно использовались в неструктурных элементах конструкции самолета, таких как кронштейны шкивов , квадранты, дублеры, зажимы и воздуховоды. Они также широко использовались в сложных корпусах клапанов гидравлических систем управления. Философия некоторых производителей самолетов по-прежнему заключается в том, чтобы указывать отливки только в тех местах, где отказ детали не может привести к потере самолета. Избыточность в кабельных и гидравлических системах управления позволяет использовать отливки.
Технология литья достигла больших успехов за последнее десятилетие. Проверенные временем сплавы, такие как 355 и 356, были модифицированы для получения более высоких уровней прочности и пластичности. Новые сплавы, такие как 354, A356, A357, 359 и Tens 50, были разработаны для литья премиум-прочности. Высокая прочность сопровождается улучшенной структурной целостностью и эксплуатационной надежностью.
Точечная и шовная электросварка сопротивлением используются для соединения вторичных структур, таких как обтекатели, капоты двигателей и дублеры, с переборками и обшивкой. Трудности контроля качества привели к низкому использованию электросварки сопротивлением для первичной структуры.
Ультразвуковая сварка обеспечивает некоторые экономические и качественные преимущества для производственного соединения, особенно для тонких листов. Однако этот метод пока не получил широкого распространения в аэрокосмической промышленности.
Склеивание является распространенным методом соединения как первичных, так и вторичных структур. Его выбор зависит от философии проектирования производителя самолета. Он оказался удовлетворительным при креплении ребер жесткости, таких как шляпные секции к листу, а лицевые листы к сотовым сердцевинам . Кроме того, склеивание выдерживает неблагоприятные воздействия, такие как погружение в морскую воду и атмосферы.
Сварные алюминиевые первичные конструкции в самолетах практически не встречаются, поскольку используемые высокопрочные сплавы имеют низкую свариваемость и низкую эффективность сварных соединений. Некоторые сплавы, такие как 2024-T4, также имеют пониженную коррозионную стойкость в зоне термического влияния, если их оставить в состоянии после сварки.
Улучшенные сварочные процессы и более прочные свариваемые сплавы, разработанные в течение последнего десятилетия, предлагают новые возможности для сварных первичных конструкций. Например, свариваемость и прочность сплавов 2219 и 7039, а также паяемость и прочность X7005 открывают новые возможности для проектирования и производства авиационных конструкций.
Легкие самолеты имеют планеры в основном полностью алюминиевой полумонококовой конструкции, однако, несколько легких самолетов имеют трубчатую ферменную несущую конструкцию с тканевой или алюминиевой обшивкой, или обеими. Алюминиевая обшивка обычно имеет минимальную практическую толщину: от 0,015 до 0,025 дюйма. Хотя требования к прочности конструкции относительно низкие, обшивка должна иметь умеренно высокий предел текучести и твердость, чтобы минимизировать повреждения земли от камней, мусора, инструментов механика и общего обращения. Другими основными факторами, влияющими на выбор сплава для этого применения, являются коррозионная стойкость, стоимость и внешний вид. Сплавы 6061-T6 и alclad 2024-T3 являются основными вариантами.
Лист обшивки на легких самолетах последних конструкций и конструкций обычно представляет собой alclad 2024-T3. Внутренняя структура включает стрингеры, лонжероны, переборки, хордовые элементы и различные крепежные элементы, изготовленные из алюминиевых профилей, формованных листов, поковок и литья.
Сплавы, наиболее часто используемые для прессованных элементов, — это 2024-T4 для секций толщиной менее 0,125 дюйма и для общего применения, и 2014-T6 для более толстых, более высоконапряженных секций. Сплав 6061-T6 широко применяется для прессованных изделий, требующих тонких секций и превосходной коррозионной стойкости. Сплав 2014-T6 является основным сплавом для ковки, особенно для шасси и гидравлических цилиндров. Сплав 6061-T6 и его ковочный аналог 6151-T6 часто используются в различных фитингах по соображениям экономии и повышенной коррозионной стойкости, когда детали не подвергаются высокой нагрузке.
Сплавы 356-T6 и A356-T6 являются основными литейными сплавами, используемыми для кронштейнов, коленчатых рычагов, шкивов и различных фитингов. Колеса изготавливаются из этих сплавов путем литья в постоянные формы или в песчаные формы. Литье под давлением из сплава A380 также подходит для колес для легких самолетов.
Для низконапряженных конструкций в легких самолетах иногда используются сплавы 3003-H12, H14 и H16; 5052-O, H32, H34 и H36; и 6061-T4 и T6. Эти сплавы также являются основным выбором для топливных, смазочных и гидравлических масляных баков, трубопроводов, приборных труб и кронштейнов, особенно там, где требуется сварка. Сплавы 3003, 6061 и 6951 широко используются в паяных теплообменниках и гидравлических аксессуарах. Недавно разработанные сплавы, такие как 5086, 5454, 5456, 6070 и новые свариваемые алюминиево-магниево-цинковые сплавы, предлагают преимущества прочности по сравнению с ранее упомянутыми.
Сборка листов легких самолетов осуществляется преимущественно заклепками из сплавов 2017-T4, 2117-T4 или 2024-T4. Саморезы для листового металла доступны в алюминиевых сплавах, но чаще используются кадмированные стальные винты для получения более высокой прочности на сдвиг и управляемости. Сплав 2024-T4 с анодным покрытием является стандартным для алюминиевых винтов, болтов и гаек, изготовленных по военным спецификациям. Сплав 6262-T9, однако, лучше подходит для гаек из-за его фактической устойчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением. [19]
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )