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 конструкцию из дерева 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 самолетов в 1915 году, создав цельнометаллический , свободнонесущий моноплан с 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 применил заклепки потайным способом и стыковые соединения 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 для истребителя 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 полимер, армированный углеродным волокном , 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.
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )