Механическая конструкция самолета известна как планер . [1] Обычно считается, что эта конструкция включает в себя фюзеляж , ходовую часть , хвостовое оперение и крылья и исключает двигательную установку . [2]
Проектирование планера — это область аэрокосмической техники , которая сочетает в себе аэродинамику , технологию материалов и методы производства с упором на вес, прочность и аэродинамическое сопротивление , а также надежность и стоимость.
Современная история планеров началась в Соединенных Штатах , когда в 1903 году деревянный биплан, созданный Орвиллом и Уилбуром Райт, продемонстрировал потенциал конструкции с неподвижным крылом .
В 1912 году Deperdussin Monocoque впервые разработал легкий, прочный и обтекаемый монокок- фюзеляж, состоящий из тонких слоев фанеры на круглой раме, достигнув скорости 210 км/ч (130 миль в час). [3] [4]
Многие ранние разработки были вызваны военными потребностями во время Первой мировой войны . К хорошо известным самолетам той эпохи относятся боевые самолеты голландского конструктора Энтони Фоккера для Luftstreitkräfte Германской империи , американские летающие лодки Curtiss и немецко-австрийские монопланы Taube . В них использовались гибридные конструкции из дерева и металла.
К 1915/16 году немецкая фирма Luft-Fahrzeug-Gesellschaft разработала полностью монококовую цельнодеревянную конструкцию только с каркасным внутренним каркасом, используя полосы фанеры, тщательно «обернутые» по диагонали в четыре слоя вокруг бетонные мужские формы в «левой» и «правой» половинах, известные как конструкция Wickelrumpf (обернутый корпус) [5] - впервые она появилась на LFG Roland C.II 1916 года и позже была передана по лицензии Pfalz Flugzeugwerke для ее D- Серия истребителей-бипланов.
В 1916 году немецкие истребители-бипланы Albatros D.III имели фюзеляж полумонокок с несущими фанерными панелями обшивки, приклеенными к продольным лонжеронам и переборкам ; на смену ему пришла преобладающая структурная конфигурация напряженной обшивки, поскольку металл заменил дерево. [3] Методы, аналогичные концепции фирмы Albatros, использовались как Hannoversche Waggonfabrik для своих легких двухместных конструкций от CL.II до CL.V , так и Siemens-Schuckert для их более поздних Siemens-Schuckert D.III и более высокопроизводительных D. .IV конструкции истребителей-бипланов. Конструкция Albatros D.III была гораздо менее сложной, чем запатентованная концепция внешней обшивки LFG Wickelrumpf . [ оригинальное исследование? ]
Немецкий инженер Хьюго Юнкерс впервые поднял в воздух цельнометаллический планер в 1915 году на цельнометаллическом моноплане Junkers J 1 с свободнонесущим крылом и напряженной обшивкой, изготовленном из стали . [3] Он получил дальнейшее развитие благодаря более легкому дюралюминию , изобретенному Альфредом Вильмом в Германии перед войной; в планере Junkers DI 1918 года, методы которого были практически без изменений приняты после войны как американским инженером Уильямом Бушнеллом Стаутом , так и советским аэрокосмическим инженером Андреем Туполевым , и к 1930-м годам оказались полезными для самолетов с размахом крыла до 60 метров .
За J 1 1915 года и истребителем DI 1918 года в 1919 году последовал первый цельнометаллический транспортный самолет Junkers F.13 , изготовленный из дюралюминия , как и DI; Всего было построено 300 самолетов, 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 были произведены в единичных экземплярах или в небольшом количестве, например, « Дух Сент-Луиса» , перелетевший через Атлантику Чарльзом Линдбергом в 1927 году. Уильям Стаут разработал цельнометаллические тримоторы Ford в 1926 году .
Прототип военно-морского истребителя Hall XFH , поднявшийся в воздух в 1929 году, был первым самолетом с клепаным металлическим фюзеляжем: алюминиевая обшивка поверх стальных труб. Холл также впервые применил заклепки и стыковые соединения между панелями обшивки на летающей лодке Hall PH, также летавшей в 1929 году. [3] ] Основанная на итальянской Savoia-Marchetti S.56 , экспериментальная летающая лодка Budd BB-1 Pioneer 1931 года была построена из коррозионностойкой нержавеющей стали , собранной с использованием недавно разработанной точечной сварки американским производителем железнодорожных вагонов Budd Company . [3]
Первоначальная философия Юнкерса с гофрированным дюралюминиевым корпусом планера завершилась в 1932 году трехмоторным авиалайнером Junkers Ju 52 , который на протяжении всей Второй мировой войны использовался нацистскими немецкими люфтваффе для транспортных нужд и парашютных нужд. По проектам Андрея Туполева в Советском Союзе при Иосифе Сталине была разработана серия цельнометаллических самолетов постоянно увеличивающихся размеров, кульминацией которых стал самый крупный самолет своей эпохи, восьмимоторный Туполев АНТ-20 в 1934 году, а фирмы Дональда Дугласа разработали культовый самолет Двухмоторный авиалайнер Douglas DC-3, 1936 год. [7] Они были одними из самых успешных проектов той эпохи благодаря использованию цельнометаллических планеров.
В 1937 году Lockheed XC-35 был специально сконструирован с герметизированной кабиной для проведения обширных летных испытаний на высоте, что проложило путь для Boeing 307 Stratoliner , который стал первым самолетом с герметизированной 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 стали доминировать в конструкции планеров. Среди наиболее известных были американские C-47 Skytrain , B-17 Flying Fortress , B-25 Mitchell и P-38 Lightning , а также британский Vickers Wellington , использовавший геодезический метод строительства, и Avro Lancaster — все это модернизация оригинальных конструкций из 1930-е годы. Первые 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 облицовки , соединенные с сердцевиной из бальзы и сформированные с использованием форм для изготовления монококовых конструкций, что привело к развитию соединения металла с металлом, которое позже использовалось для de Havilland Comet и Fokker F27 и F28 . [3]
Послевоенное коммерческое проектирование планеров было сосредоточено на авиалайнерах , турбовинтовых двигателях, а затем на реактивных двигателях . Серьезными проблемами были , как правило, более высокие скорости и растягивающие напряжения турбовинтовых и реактивных двигателей. [8] Недавно разработанные алюминиевые сплавы с медью , магнием и цинком сыграли решающую роль в этих конструкциях. [9]
Совершивший полет в 1952 году и предназначенный для крейсерского полета со скоростью 2 Маха, где трение обшивки требовало его термостойкости , Douglas X-3 Stiletto был первым титановым самолетом, но он имел недостаточную мощность и едва ли был сверхзвуковым ; Lockheed A-12 и SR-71 со скоростью 3,2 Маха также были в основном титановыми, 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 была использована для истребителя МиГ-25 Микояна-Гуревича со скоростью 2,8 Маха , впервые поднявшегося в воздух в 1964 году; и в North American XB-70 Valkyrie со скоростью 3,1 Маха использовались паяные сотовые панели из нержавеющей стали и титан, но к моменту полета в 1964 году его сняли с производства .
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 композиты из борсодержащих волокон в хвостовом оперении; 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 доминирующими сборщиками больших реактивных авиалайнеров, в то время как ATR , Bombardier и Embraer лидируют на региональном рынке авиалайнеров ; многие производители производят компоненты планера. [ соответствующий? ]
Вертикальный стабилизатор самолета Airbus A310-300 , впервые поднявшегося в воздух в 1985 году, был первой первичной конструкцией из углеродного волокна, использованной в коммерческих самолетах ; С тех пор в авиалайнерах Airbus все чаще используются композиты: горизонтальный стабилизатор А320 в 1987 году и А330 / А340 в 1994 году, а также центральный кессон и хвостовая часть фюзеляжа А380 в 2005 году .[3]
Cirrus SR20 , получивший сертификат типа в 1998 году, был первым широко производимым самолетом авиации общего назначения , изготовленным с цельнокомпозитной конструкцией, за ним в 2000-х годах последовало несколько других легких самолетов . [10]
Боинг 787 , впервые поднявшийся в воздух в 2009 году, был первым коммерческим самолетом, 50% веса конструкции которого выполнено из композитов из углеродного волокна, а также на 20% из алюминия и на 15% из титана: этот материал обеспечивает меньшее лобовое сопротивление и более высокий аспект крыла. передаточное число и более высокий наддув кабины; конкурирующий Airbus A350 , летавший 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]
Bombardier CSeries 2013 года имеет крыло с перекачиванием смолы из сухого волокна и легкий фюзеляж из алюминиево-литиевого сплава, обеспечивающий устойчивость к повреждениям и ремонтопригодность - комбинацию, которая может быть использована для будущих узкофюзеляжных самолетов . [3] В 2016 году Cirrus Vision SF50 стал первым сертифицированным легким реактивным самолетом , полностью изготовленным из композитов из углеродного волокна.
В феврале 2017 года Airbus установила машину для 3D-печати для изготовления титановых деталей самолетов с использованием электронно-лучевого аддитивного производства от Sciaky, Inc. [12]
Производство планера стало трудоемким процессом. Производители работают под строгим контролем качества и государственными нормами. Отступления от установленных стандартов становятся предметом серьезной озабоченности. [14]
Веха 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 освещавшихся в прессе катастроф. Расследование Королевского авиастроительного предприятия в аэропорту Фарнборо положило начало науке о реконструкции авиакатастроф. После 3000 циклов повышения давления в специально сконструированной барокамере выяснилось, что отказ планера произошел из-за концентрации напряжений, возникшей вследствие использования окон квадратной формы. Окна были спроектированы так, чтобы их можно было склеить и заклепать, но клепали только пробойником. В отличие от клепки сверлом, несовершенный характер отверстия, созданного при клепке пуансоном, может вызвать появление 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 . Катастрофа рейса 542 компании Braniff в 1959 году продемонстрировала трудности, с которыми могут столкнуться производители планеров и ее авиалинии- клиенты при внедрении новых технологий .
Этот инцидент можно сравнить с крушением Airbus A300 при взлете рейса 587 American Airlines в 2001 году, после того как его вертикальный стабилизатор оторвался от фюзеляжа , что привлекло внимание к проблемам эксплуатации, технического обслуживания и проектирования, связанным с композитными материалами , которые используются во многих современных планерах. [15] [16] [17] У A300 были и другие структурные проблемы, но не такого масштаба.
{{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )