В аэронавтике , распорки включают в себя дополнительные структурные элементы, которые усиливают функциональный планер, чтобы придать ему жесткость и прочность под нагрузкой. Распорки могут применяться как внутри, так и снаружи, и могут принимать форму стоек , которые действуют на сжатие или растяжение по мере необходимости, и/или проводов , которые действуют только на растяжение.
В целом, распорки позволяют создать более прочную и легкую конструкцию, чем нераспорные, но внешние распорки, в частности, добавляют сопротивление , которое замедляет самолет и вызывает значительно больше проблем с конструкцией, чем внутренние распорки. Другим недостатком распорок является то, что они требуют регулярной проверки и регулировки, или такелажа , даже если они расположены внутри.
В ранние годы авиации распорки были универсальной чертой всех форм самолетов, включая монопланы и бипланы , которые тогда были одинаково распространены. Сегодня распорки в виде подъемных стоек все еще используются для некоторых легких коммерческих конструкций, где высокое крыло и малый вес важнее, чем конечные характеристики.
Связи работают путем создания треугольной ферменной конструкции, которая сопротивляется изгибу или скручиванию. Для сравнения, нераскрепленная консольная конструкция легко гнется, если она не несет много тяжелой арматуры. Углубление конструкции позволяет ей быть намного легче и жестче. Чтобы уменьшить вес и сопротивление воздуха, конструкция может быть сделана полой, с связями, соединяющими основные части планера. Например, высокоплан может быть снабжен диагональной подъемной стойкой, идущей от нижней части фюзеляжа до положения, далеко выходящего к законцовке крыла. Это увеличивает эффективную глубину корня крыла до высоты фюзеляжа, делая его намного жестче при небольшом увеличении веса.
Обычно концы распорок крепятся к основным внутренним конструктивным элементам, таким как лонжерон крыла или переборка фюзеляжа, а распорные тросы крепятся рядом.
Скрепы могут использоваться для сопротивления всем различным силам, которые возникают в планере самолета, включая подъемную силу, вес, сопротивление и скручивание или кручение. Стойка — это элемент крепления, достаточно жесткий, чтобы противостоять этим силам, независимо от того, подвергают ли они ее сжатию или растяжению. Проволока — это элемент крепления, способный противостоять только растяжению, провисая при сжатии, и, следовательно, почти всегда используется вместе с распорками.
Квадратная рама из цельных прутков не является жесткой, а имеет тенденцию изгибаться по углам. Скрепление ее дополнительным диагональным прутком было бы тяжелым. Проволока была бы намного легче, но не давала бы ей сжиматься только в одном направлении. Чтобы удерживать ее жесткой, необходимы две поперечные распорки. Этот метод поперечных распорок можно ясно увидеть на ранних бипланах, где крылья и межплоскостные стойки образуют прямоугольник, который скреплен поперечными распорками проволокой.
Другой способ создания жесткой конструкции — сделать поперечины достаточно прочными, чтобы они работали на сжатие, а затем соединить их концы с внешним ромбом, работающим на растяжение. Этот метод был когда-то распространен на монопланах, где крыло и центральная кабина или пилон образуют поперечины, а проволочные связи образуют внешний ромб.
Чаще всего расчалки встречаются на бипланах и других многопланных самолетах, однако они также были распространены на ранних монопланах .
В отличие от стоек распорки всегда работают на растяжение.
Толщина и профиль провода влияют на сопротивление, которое он вызывает, особенно на высоких скоростях. Провода могут быть сделаны из многожильного кабеля, одножильного провода рояльной проволоки или стали с аэродинамическим профилем.
Распорные тросы в первую очередь делятся на летающие тросы , которые удерживают крылья вниз во время полета, и посадочные тросы , которые удерживают крылья вверху, когда они не создают подъемную силу. (Тросы, соединяющие корзину или гондолу с воздушным шаром, также называются летающими тросами.) Более тонкие распорные тросы иногда прокладываются по диагонали между передними и задними межплоскостными стойками, чтобы предотвратить скручивание крыла и изменение его угла падения на фюзеляж. [1] В некоторых пионерских самолетах распорные тросы крыла также прокладывались по диагонали вперед и назад, чтобы предотвратить деформацию под действием боковых нагрузок, таких как при повороте. Помимо основных нагрузок, создаваемых подъемной силой и гравитацией, распорные тросы также должны нести мощные инерционные нагрузки, возникающие во время маневров, такие как повышенная нагрузка на посадочные тросы в момент приземления. [2]
Растяжки должны быть тщательно установлены, чтобы поддерживать правильную длину и натяжение. В полете провода имеют тенденцию растягиваться под нагрузкой, а при посадке некоторые могут провисать. Регулярные проверки оснастки и любые необходимые регулировки должны выполняться перед каждым полетом. Регулировки оснастки также могут использоваться для установки и поддержания двугранного угла крыла и угла падения , обычно с помощью клинометра и отвеса . Отдельные провода оснащены винтовыми стяжками или резьбовыми фитингами, чтобы их можно было легко отрегулировать. После установки регулятор фиксируется на месте. [3]
Внутреннее крепление было наиболее важным в ранние дни аэронавтики, когда планеры были буквально каркасами, в лучшем случае покрытыми легированной тканью, которая не имела собственной прочности. Проволочное крепление широко использовалось для придания жесткости таким планерам, как в покрытых тканью крыльях, так и в фюзеляже, который часто оставался голым.
Для поддержания структурной жесткости на изгиб и кручение требовалась рутинная оснастка проводов. Особой проблемой для внутренних проводов является доступ в тесном внутреннем пространстве фюзеляжа.
Часто, обеспечение достаточного внутреннего укрепления делало конструкцию слишком тяжелой, поэтому для того, чтобы сделать планер и легким, и прочным, укрепление устанавливается снаружи. Это было обычным явлением в ранних самолетах из-за ограниченной мощности двигателя и необходимости в легком весе для того, чтобы летать вообще. Поскольку мощность двигателя неуклонно росла в течение 1920-х и 30-х годов, стали возможными гораздо более тяжелые планеры, и большинство конструкторов отказались от внешнего укрепления, чтобы обеспечить большую скорость.
Почти все бипланные самолеты имеют верхние и нижние плоскости, соединенные межплоскостными стойками, при этом верхнее крыло проходит над фюзеляжем и соединено с ним более короткими стойками кабана. Эти стойки делят крылья на отсеки , которые скреплены диагональными тросами. Летающие тросы идут вверх и наружу от нижнего крыла, в то время как посадочные тросы идут вниз и наружу от верхнего крыла. Полученная комбинация стоек и тросов представляет собой жесткую конструкцию, похожую на коробчатую балку, независимую от ее креплений на фюзеляже.
Межплоскостные стойки удерживают крылья биплана или многоплана в раздвинутом положении, а также помогают поддерживать правильный угол атаки соединенных панелей крыла.
Параллельные стойки : наиболее распространенная конфигурация — две стойки, расположенные параллельно, одна за другой. Эти стойки обычно скрепляются «тросами падения», проходящими по диагонали между ними. Эти тросы противостоят скручиванию крыла, которое может повлиять на его угол падения к воздушному потоку.
N-образные стойки заменяют наклонные провода третьей стойкой, проходящей по диагонали от верха одной стойки к низу другой в паре.
V-образные стойки сходятся от отдельных точек крепления на верхнем крыле к одной точке на нижнем крыле. Они часто используются для крыла полутораплана , в котором нижнее крыло имеет значительно меньшую хорду , чем верхнее крыло.
I-образные стойки заменяют обычную пару стоек одной, более толстой обтекаемой стойкой, концы которой вытянуты вперед и назад вдоль крыла.
Размах крыла между двумя наборами межплоскостных или кабаньих стоек называется отсеком . Крылья описываются количеством отсеков с каждой стороны. Например, биплан с кабаньими стойками и одним набором межплоскостных стоек с каждой стороны самолета является односекционным бипланом.
Для небольшого типа, такого как разведчик Первой мировой войны, например, Fokker D.VII , одного отсека обычно достаточно. Но для более крупных крыльев, несущих большую полезную нагрузку, могут использоваться несколько отсеков. Двухместный Curtiss JN-4 Jenny — это двухотсечный биплан, в то время как крупные тяжелые типы часто были многоотсечными бипланами или трипланами — самые ранние образцы немецкого Albatros BI , а все серийные образцы двухместных невооруженных наблюдательных бипланов DFW BI 1914 года были двумя из очень немногих одномоторных трехотсечных бипланов, использовавшихся во время Первой мировой войны.
Некоторые крылья биплана подкреплены стойками, наклоненными вбок, а отсеки образуют зигзагообразную ферму Уоррена . Примерами служат серия одномоторных скоростных разведывательных бипланов Ansaldo SVA времен Первой мировой войны и ранний Fiat CR.42 Falco времен Второй мировой войны .
Использовались и другие вариации. Истребитель SPAD S.XIII , хотя и выглядит как двухсекционный биплан, имеет только один отсек, но его средние точки такелажа укреплены дополнительными стойками; однако, они не являются конструктивно смежными сверху донизу крыла. У Sopwith 1 + 1 ⁄ 2 Strutter есть W-образная кабина; однако, поскольку она не соединяет крылья друг с другом, она не увеличивает количество отсеков.
Если у самолета крыло находится прямо над основным фюзеляжем, эти два компонента часто соединяются стойками кабана, идущими от верхней части фюзеляжа или кабины экипажа к центральной секции крыла. Такое крыло обычно также подкреплено в другом месте, причем стойки кабана являются частью общей схемы подкрепления.
Поскольку стойки кабана часто переносят тягу двигателя на верхнее крыло, чтобы преодолеть его сопротивление, нагрузки вдоль каждой диагонали между передними и задними стойками неравномерны, и они часто формируются как N-образные стойки. Они также могут иметь поперечные торсионные провода, чтобы помочь предотвратить скручивание крыла. Несколько конструкций бипланов, таких как британский двухместный истребитель/эскорт Bristol Fighter 1917 года , имели фюзеляж, свободный от нижнего крыла, а также от верхнего, используя подфюзеляжные стойки кабана для достижения такой конструктивной особенности.
Ранние монопланы полностью полагались на внешние распорки из проволоки, либо непосредственно на фюзеляж, либо на цапфы над ним и стойки шасси ниже, чтобы противостоять тем же силам подъема и тяжести. Многие более поздние монопланы, начиная с 1915 года , использовали консольные крылья с их подъемными распорками внутри крыла, чтобы избежать потерь сопротивления от внешних проводов и стоек .
Во многих ранних монопланах с расчалками , например, Blériot XI и Fokker Eindecker (оба с деформацией крыла ), спинные и иногда подфюзеляжные системы стоек или кабаны размещались либо над фюзеляжем, либо над и под фюзеляжем. Это могло использоваться как для обеспечения некоторой защиты пилота, если самолет переворачивался на земле, так и для крепления посадочных тросов, которые выходили слегка наклонно к передней и задней точкам около законцовок крыла. В монопланах с крылом-парасолью крыло проходит над фюзеляжем и соединяется с фюзеляжем стойками кабанов, аналогично верхнему крылу биплана. [4]
На некоторых типах кабина заменена одним толстым обтекаемым пилоном.
На самолете с высокорасположенным крылом подъемная стойка соединяет внешнюю точку на крыле с точкой ниже на фюзеляже, образуя жесткую треугольную структуру. Во время полета стойка действует на растяжение, чтобы переносить подъемную силу крыла на фюзеляж и удерживать крыло на одном уровне, а на земле она действует на сжатие, чтобы удерживать крыло в поднятом положении. [5]
Для самолетов с умеренной мощностью двигателя и скоростью подъемные стойки представляют собой компромисс между высоким сопротивлением полностью поперечной конструкции и высоким весом полностью консольного крыла. Они распространены на типах с высоким крылом, таких как Cessna 152 , и почти универсальны на типах с крылом-парасоль, таких как Consolidated PBY Catalina .
_(cropped).jpg/1280px-G-BDPJ_(35056200122)_(cropped).jpg)
Реже встречаются монопланы с низким расположением крыла, такие как Piper Pawnee, имеющие подъемные стойки, установленные над крылом и работающие на сжатие в полете и на растяжение на земле.
Иногда каждое крыло имеет только одну подъемную стойку, как на Cessna 152, но они часто идут парами, иногда параллельными, как на Catalina, иногда расставленными или в виде пар V-образной формы (например, Auster Autocrat ), присоединенных к фюзеляжу в одной точке. Использовалось много более сложных конструкций, часто с двумя основными подъемными стойками, дополненными вспомогательными взаимосвязями, известными как стойки jury, между собой или с крылом или фюзеляжем. Каждая пара перевернутых V-образных стоек Pawnee, например, поддерживается парой вертикальных опорных стоек. [6]
С ранних времен эти подъемные стойки были обтекаемыми, часто путем заключения металлических несущих элементов в формованные кожухи. Например, у Farman F.190 высокие крылья были соединены с нижней частью фюзеляжа параллельными дюралюминиевыми трубами, заключенными в обтекаемые еловые обтекатели [7] , а у Westland Lysander использовались прессованные двутавровые балки из легкого сплава, к которым привинчивались передняя и задняя пара дюралюминиевых обтекателей. [8] Более поздние самолеты имели обтекаемые стойки , сформированные непосредственно из формованного металла, как прессованные легкосплавные стойки Auster AOP.9 [9] или из композитных материалов, например, подъемные стойки из углеродного волокна Remos GX eLITE [ 10] Конструкторы приняли различные методы улучшения аэродинамики соединений стойка-крыло и стойка-корпус, используя подходы, аналогичные тем, которые использовались в межплоскостных стойках. Иногда обтекаемость сужается ближе к крылу, как на Farman F.190; [7] другие конструкции имеют удлиненную обтекаемую ногу, например, Skyeton K-10 Swift . [11]
Подъемные стойки иногда совмещаются с другими функциями, например, помогая поддерживать двигатели, как на Westland IV , или шасси, как на Scottish Aviation Twin Pioneer . [12] [13]
Подъемные стойки остаются обычным явлением на небольших (2/4-местных) легких самолетах с высоким крылом в категориях сверхлегких и легких спортивных самолетов . Более крупные примеры включают 36-местный самолет Short 360 и 19-местный самолет de Havilland Twin Otter . [14] [15] [16] [17]
Подъемная стойка может быть настолько длинной и тонкой, что она слишком легко гнется. Подъемные стойки — это небольшие вспомогательные стойки, используемые для придания ей жесткости. [18] Они предотвращают такие проблемы, как резонансная вибрация и выпучивание под сжимающими нагрузками.
Подкосы jury бывают разных конфигураций. На монопланах с одной основной стойкой может быть только одна подкос jury, соединяющая основную стойку с промежуточной точкой на крыле. Подкосный моноплан с V-образными стойками, такой как Fleet Canuck, может иметь сложную сборку подкосов jury.
Скрепы, как внутренние, так и внешние, широко использовались в ранних самолетах для поддержки легких планеров, которые требовались из-за малой мощности двигателей и низких скоростей полета, доступных в то время. Начиная с первого самолета Райта 1903 года, фюзеляж был не более чем каркасом с распорками, и даже диагональные распорки в продольном направлении использовались для удержания крыльев под прямым углом к нему.
Некоторые очень ранние самолеты использовали стойки, сделанные из бамбука . Большинство конструкций использовали обтекаемые стойки, сделанные либо из ели , либо из ясеня , выбранного за его прочность и легкий вес. [2] Также использовались металлические стойки, и и дерево, и металл продолжают использоваться и сегодня.
Необходимость в продольном расчаливании крыла отпала с появлением более мощных двигателей в 1909 году, но расчалки оставались необходимыми для любой практичной конструкции, даже на монопланах, вплоть до Первой мировой войны, когда они стали непопулярными, и безраздельно властвовали бипланы с расчалками.
С 1911 года британский исследователь Харрис Бут, работавший в Национальной физической лаборатории , и инженер Ричард Фейри , работавший тогда в Blair Atholl Aeroplane Syndicate Дж. У. Данна , начали разрабатывать и применять инженерный анализ отдельных отсеков в биплане, чтобы рассчитать структурные силы и использовать минимальное количество материала в каждом отсеке для достижения максимальной прочности. [19] Подобные аналитические методы привели к созданию более легких и прочных самолетов и получили широкое распространение.
В то же время количество распорок можно было постепенно уменьшать. На низких скоростях тонкая проволока вызывает очень малое сопротивление, и ранние летательные аппараты иногда называли «птичьими клетками» из-за количества присутствующих проволок. Однако по мере роста скорости проволоку приходилось делать тоньше, чтобы избежать сопротивления, в то время как силы, которые она переносит, увеличивались. Постоянное увеличение мощности двигателя позволяло столь же постоянно увеличивать вес, что требовало меньшего количества распорок. Специальные распорки с плоскими или аэродинамическими сечениями также были разработаны в попытках еще больше уменьшить сопротивление.
Немецкий профессор Хуго Юнкерс всерьез интересовался идеей отказа от стоек и такелажа, создающих сопротивление, в начале Первой мировой войны, и к середине 1915 года его фирма спроектировала цельнометаллический «демонстрационный» моноплан Junkers J 1 , не имевший внешних распорок для своей конструкции свободнонесущего крыла с толстым аэродинамическим профилем и способный летать со скоростью чуть более 160 км/ч с рядным шестицилиндровым поршневым двигателем мощностью всего 120 лошадиных сил.
К концу Первой мировой войны мощность двигателей и скорость полета возросли настолько, что сопротивление, вызванное растяжками на типичном биплане, существенно влияло на производительность, в то время как более тяжелый, но более изящный моноплан-парасоль с распорками становился практичным. На какое-то время этот тип моноплана стал предпочтительным вариантом конструкции.
Хотя в 1930-х годах моноплан с высоким крылом с подкосами был вытеснен настоящим свободнонесущим монопланом, он продолжал использоваться в послевоенную эпоху в ролях, где малый вес важнее высокой скорости или большой дальности. К ним относятся самолеты с легкой кабиной, где также важна видимость вниз, и небольшие транспортные самолеты.
Подкосные крылья с большим удлинением использовались французской компанией Hurel-Dubois (теперь часть Safran ) на демонстраторе Hurel-Dubois HD.10 в 1948 году, а затем на авиалайнерах HD.31 /32/34, которые все еще использовались французским Национальным географическим институтом до начала 1980-х годов. Турбореактивный HD.45 был безуспешно предложен для конкуренции с Sud Aviation Caravelle , возможно, из-за несоответствия высокоскоростного турбореактивного двигателя более медленному планеру.
