ЛЕ КЦИЯ 21

ФЮЗЕ ЛЯ ЖНАЗНАЧЕНИЕ ФЮЗЕЛЯЖА И ТРЕБОВАНИЯ К НЕМУ.

Фюзеляж, соединяя в одно целое все части самолета, предназначен для

размещения экипажа, оборудования и перевозимой нагрузки (пассажиров, грузов и

т.п.).

В двухбалочных самолетах экипаж, оборудование и перевозимая нагрузка

размещаются в специальной гондоле.

Большинство современных самолетов выполняется по однофюзеляжной схеме.

Конструкцию фюзеляжей таких самолетов мы и будем рассматривать.

К фюзеляжу предъявляются следующие основные требования.

1. Минимальное лобовое сопротивление.

2. Рациональное использование внутренних объемов.

3. Удобное размещение экипажа, пассажиров, оборудования, грузов.

4. Обеспечение требуемого обзора из кабины пилотов и экипажа.

5. Простота загрузки и разгрузки.

6. Надежная герметизация и теплозвукоизоляция, требуемая вентиляция,

отопление и освещение кабин.

ВНЕШНИЕ ФОРЫ ФЮЗЕЛЯЖА.

Внешние формы фюзеляжа определяются требованиями аэродинамики и

назначением самолета. Поперечное сечение фюзеляжа может быть прямоугольным,

круглым, овальным и комбинированным. Каждая из этих форм имеет свои

преимущества и недостатки.

В аэродинамическом отношении лучшим является круглый фюзеляж, так как

по сравнению с другими он при одинаковом объеме имеет наименьшую

поверхность, а следовательно, и наименьшее сопротивление трения.

При среднем расположении крыла получается и малое сопротивление

1

интерференции. Круглая форма целесообразна для герметизированных отсеков

фюзеляжа. Криволинейная обшивка имеет более высокие критические напряжения.

К преимуществам прямоугольного фюзеляжа следует отнести большую

простоту изготовления и возможность лучшего использования внутренних объемов

для размещения пассажиров, грузов, оборудования и т.п.

Основными формами поперечного сечения фюзеляжей современных самолетов

являются круглая или комбинированная.

При виде сбоку форма фюзеляжа, как правило, несимметричная. В носовой

части размещается кабина пилота. У одноместных самолетов фонарь кабины

выполняется в виде надстройки. Высота фонаря должна обеспечить требуемый

обзор, а очертания его должны быть выбраны с учетом получения наименьшего

сопротивления.

У тяжелых самолетов габаритные размеры фюзеляжа позволяют вписать

кабину пилота в обводы фюзеляжа, но для улучшения обзора передняя часть фонаря

образует уступ. Носовая часть фюзеляжей сверхзвуковых самолетов делается

заостренной, с тем чтобы обеспечить возникновение косых скачков, дающих

меньшее сопротивление.

Форма хвостовой части фюзеляжа во многом определяется необходимостью

размещения тех или иных грузов, агрегатов и т.п. Так, на рис. 21.1, а показана

форма фюзеляжа, в хвостовой части которого расположен турбореактивный

двигатель, на рис. 21.1, б – форма фюзеляжа транспортного самолета, у которого для

упрощения погрузки и разгрузки больших грузов (автомобилей, танков и т.п.) люк

расположен в задней части фюзеляжа.

Очертания хвостовой части фюзеляжа при виде сбоку выбираются из условий

обеспечения посадочного угла атаки αпос при наименьшей высоте шасси и

обеспечения необходимого выноса горизонтального оперения hГО (рис. 21.1, в),

чтобы исключить его попадание в спутную струю крыла.

2

Рис. 21.1. Форма фюзеляжей (вид сбоку).

При виде сверху фюзеляж имеет симметричную форму. У самолетов,

летающих на больших околозвуковых и сверхзвуковых скоростях, фюзеляж в зоне

сопряжения с ним крыла очень часто «поджат», т.е. выполняется с соблюдением

«правила площадей» с целью получения наименьшего лобового сопротивления (рис.

21.2).

Рис. 21.2. Форма фюзеляжа сверхзвукового самолета, выполненного в

соответствии с «правилом площадей».

Кроме фонаря кабины пилота фюзеляж может иметь и ряд других надстроек:

стрелковые башни, прицельные станции и т.д.

Фюзеляж характеризуется следующими основными параметрами:

– длиной Lф;

– диаметром миделевого (наибольшего по площади) сечения Dф, или высотой

Н и шириной В миделевого сечения;

– удлинением ф=Lф /D 'ф .

Здесь D 'ф=2 Sф / , где Sф – площадь миделевого сечения.

Площадь миделевого сечения фюзеляжа при выполнении требований

размещения в нем кабин, агрегатов, грузов и т.п. должна быть минимальной. Для

одноместных самолетов миделево сечение определяется либо размерами кабины

пилота, либо размерами двигателя, если последний расположен в фюзеляже; для

тяжелых самолетов – размерами пассажирской или грузовой кабины или размерами

отсеков для размещения тех или иных агрегатов оборудования и т.п.

Длина фюзеляжа определяется требованиями получения необходимого плеча

3

горизонтального оперения, требованиями центровки и компоновки самолета.

Большое влияние на лобовое сопротивление фюзеляжа оказывает его

удлинение. Лобовое сопротивление фюзеляжа складывается из сопротивления

трения, сопротивления давления и волнового сопротивления. При докритических

скоростях полета большую часть лобового сопротивления составляет сопротивление

трения, величина которого пропорциональна площади поверхности фюзеляжа.

Поэтому увеличение длины фюзеляжа при заданной площади миделевого сечения,

т.е. увеличение λф, приводящее к увеличению площади его поверхности, вызывает

рост лобового сопротивления. С точки зрения минимума лобового сопротивления

желательно, чтобы удлинение фюзеляжей таких самолетов находилось в пределах λф

= 4...8, если при этом удовлетворяются требования компоновки и центровки. При

числах М > M* основную часть сопротивления фюзеляжа составляет волновое

сопротивление. Увеличение удлинения фюзеляжа приводит к снижению волнового

сопротивления. Поэтому для сверхзвуковых самолетов наиболее выгодным является

удлинение λф = 10...12.

Габаритные размеры фюзеляжа, его форма в поперечном сечении и при виде

сбоку и сверху зависят от ряда часто противоречивых требований. Задача

конструктора состоит в выборе оптимального варианта, наиболее полно

отвечающего назначению самолета и обеспечивающего получение хороших

аэродинамических характеристик.

НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ФЮЗЕЛЯЖ.

На фюзеляж самолета в полете и при посадке действуют следующие нагрузки:

1) силы от прикрепленных к фюзеляжу частей самолета (крыльев, оперения,

шасси, силовой установки);

2) силы тяжести агрегатов оборудования и грузов, расположенных в фюзеляже;

3) силы тяжести собственной конструкции;

4) аэродинамические силы, распределенные на поверхности фюзеляжа (они

почти не оказывают влияния на общую прочность конструкции, но могут оказать

существенное влияние на местную прочность и быть расчетными для отдельных

4

частей фюзеляжа);

5) силы избыточного давления в герметических кабинах.

По требованию норм прочность фюзеляжа рассматривается в соответствии со

всеми случаями нагружения крыльев, оперения и силовой установки (если

последняя расположена на фюзеляже) и проверяется также на нагрузку от шасси во

всех посадочных и взлетных случаях. Кроме того, прочность фюзеляжа проверяется

и на несколько специальных случаев нагружения.

Расчетная схема фюзеляжа представляет собой балку с консолями,

закрепленную на крыле. На отдельную часть конструкции фюзеляжа, на отдельный

расположенный в нем или прикрепленный к нему груз или агрегат действует сила

тяжести:P i=Gi ni ,

где Gi = mi q; mi – масса груза, агрегата или части конструкции; ni – перегрузка в

центре масс этого груза, агрегата или части конструкции, определяемая в

соответствии с рекомендациями норм.

Фюзеляж нагружается и аэродинамическими силами оперения.

Силы тяжести и аэродинамические силы могут действовать в вертикальной и

горизонтальной плоскостях, вызывая изгиб фюзеляжа в этих плоскостях и

закручивая его.

На рис. 21.3 показаны эпюры перерезывающих сил и изгибающих моментов

для фюзеляжа, закрепленного на двухлонжеронном крыле, от сил, действующих в

вертикальной плоскости. Эпюры Q и M на участке крыла зависят от способа

крепления крыла с фюзеляжем. Если крыло многолонжеронное, то на этом участке

будут реакции и всех промежуточных лонжеронов, а в случае контурного крепления

моноблочного крыла – реакции его обшивки.

5

Рис. 21.3. Эпюры Q и М фюзеляжа.

КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВЫЕ СХЕМЫ И ПРОЕКТИРОВОЧНЫЙ

РАСЧЕТ ФЮЗЕЛЯЖЕЙ.

По конструктивно-силовой схеме фюзеляжи можно разделить на ферменные,

балочные и смешанные (ферменно-балочные).

Ферменные фюзеляжи.

Ферменный фюзеляж (рис. 21.3) представляет собой пространственную ферму,

состоящую из четырех плоских форм (двух вертикальных и двух горизонтальных),

связанных между собой поперечным набором.

Рис. 21.3. Ферменный фюзеляж: 1 – пояс; 2 – стойка; 3 – раскос; 4 –

6

расчалки; 5 – профилирующий шпангоут; 6 – стрингер.

Иногда фюзеляж состоит из трех плоских ферм.

Каждая плоская ферма состоит из поясов, общих для двух смежных ферм, стоек

и раскосов. Раскос может быть заменен крестом расчалок.

Поперечный набор состоит из диагональных пространственных стержней,

которые также могут быть заменены крестом расчалок.

Такая пространственная ферма воспринимает все действующие на фюзеляж

нагрузки. В стержнях фермы фермы возникают при этом осевые усилия растяжения

или сжатия.

Для придания фюзеляжу обтекаемой формы на фермы ставятся

профилирующие шпангоуты, к которым крепятся стрингеры. Каркас фюзеляжа

закрывается обшивкой. Стрингеры и профилирующие шпангоуты выполняются из

элементов, имеющих малую площадь поперечного сечения, так как они

воспринимают лишь местные аэродинамические нагрузки с обшивки и передают их

на ферму, не принимая участия в работе фюзеляжа на изгиб и кручение. Обшивка

ферменного фюзеляжа также не принимает участия в силовой работе.

Широкое распространение получили сварные ферменные фюзеляжи,

выполненные из труб. Такие фюзеляжи рациональны в весовом отношении, так как

трубчатые стержни хорошо работают на продольный изгиб, а сварные узлы очень

мало увеличивают массу конструкции. Крупным недостатком сварного фюзеляжа

является необходимость термообработки фермы после сварки, а затем правки ее.

Ферменные фюзеляжи, у которых стержни в узлах соединяются при помощи

болтов и заклепок, не нашли применения, так как они в весовом отношении

уступают сварным фюзеляжам из труб.

Ферменные фюзеляжи целесообразно делать для нескоростных легких

самолетов, на которых может быть применена полотняная обшивка. В этом случае

ферменный фюзеляж может иметь меньшую массу, чем балочный. Постановка же

профилирующих шпангоутов, стрингеров и металлической обшивки,

обеспечивающих получение хороших аэродинамических форм фюзеляжа и

качественной поверхности, но не участвующих в его силовой работе, приводит к

7

значительному утяжелению конструкции. Кроме того, наличие элементов

поперечной жесткости (диагональных стержней или расчалок) затрудняет

использование внутреннего объема фюзеляжа. Живучесть ферменных фюзеляжей

ниже балочных, так как иногда поломка даже одного, а тем более нескольких

стержней фермы может привести к общему разрушению. По этим причинам

ферменные фюзеляжи не применяются на современных скоростных самолетах.

Балочные фюзеляжи.

Стремление придать фюзеляжу хорошие аэродинамические формы, получить

высокое качество поверхности, создать при малой массе прочную и жесткую

конструкцию, которая обладала бы высокой живучестью и позволяла бы полностью

использовать внутренние объемы, привело к широкому распространению балочных

фюзеляжей.

Конструкция балочного фюзеляжа (рис. 21.4) состоит из жесткой обшивки,

продольного набора (лонжеронов и стрингеров) и поперечного набора –

шпангоутов.

Лонжеронами называются мощные элементы продольного набора,

воспринимающие практически весь изгибающий момент фюзеляжа.

Стрингеры служат для подкрепления обшивки и воспринимают совместно с

ней изгибающий момент.

Шпангоуты обеспечивают сохранение заданной формы поперечных сечений

фюзеляжа, подкрепляя обшивку и стрингерный набор, и воспринимают местную

аэродинамическую нагрузку и нагрузки от прикрепленных к ним агрегатов.

Обшивка фюзеляжа образует его поверхность, передает аэродинамическую

нагрузку на каркас и участвует в работе фюзеляжа на изгиб и кручение.

Все балочные фюзеляжи в зависимости от степени участия в силовой работе

отдельных элементов можно подразделить на лонжеронные и стрингерные

(фюзеляжи типа полумонокок) и бесстрингерные (фюзеляжи типа монокок);

Задачей проектировочного расчета фюзеляжа является приближенное

определение нагрузок, действующих в его силовых элементах, и подбор их сечений.

8

Рис. 21.4. Балочный фюзеляж: 1 – лонжерон; 2 – стрингер; 3 – шпангоут; 4 – обшивка.

Лонжеронный фюзеляж.

Продольный набор лонжеронного фюзеляжа (рис. 21.5) состоит из четырех

мощных лонжеронов и относительно небольшого числа стрингеров, имеющих очень

малую площадь поперечного сечения. К поперечному набору относятся шпангоуты.

Каркас покрывается сравнительно тонкой жесткой обшивкой.

Основными силовыми элементами такого фюзеляжа являются четыре мощных

лонжерона, которые практически воспринимают весь изгибающий момент. Слабый

набор стрингеров служит главным образом для подкрепления обшивки.

Относительно тонкая обшивка воспринимает крутящий момент и перерезывающую

силу.

Рис. 21.5. Лонжеронный фюзеляж (поперечное сечение).

Рис. 21.6. Расчетная схема сечения лонжеронного фюзеляжа.

9

При проектировочном расчете лонжеронного фюзеляжа делается допущение,

что изгибающий момент воспринимается только лонжеронами. Тогда осевая сила в

лонжероне может быть найдена по формуле:

Sл=12M в

h

M г

b ,

где Мв и Мг – изгибающие моменты в вертикальной и горизонтальной

плоскостях в расчетном сечении;

h и b – расстояние между лонжеронами по высоте и ширине (рис. 21.6).

Затем по величине осевой силы определяется площадь поперечного сечения

лонжерона:F л=S л/ .

Для сжатого лонжерона σ = σкр, а для растянутого σ = σв.

Обшивка лонжеронного фюзеляжа воспринимает перерезывающую силу и

крутящий момент. От крутящего момента в обшивке будет действовать погонная

касательная сила:

qкр=M кр

2 W ,

где Мкр – крутящий момент в рассматриваемом сечении; W – площадь,

ограниченная наружным контуром сечения фюзеляжа.

В проектировочном расчете обычно считают, что вертикальная составляющая

перерезывающей силы воспринимается боковыми панелями обшивки, а

горизонтальная составляющая – верхней и нижней панелями обшивки.

Следовательно, от перерезывающей силы в панелях обшивки будут действовать

следующие погонные касательные силы:

в боковых панеляхqQ в=Q в/ 2h ,

в верхней и нижней панеляхqQг=Qг /2 b ,

где Qв и Qг вертикальная и горизонтальная перерезывающие силы в

рассматриваемом сечении.

Общая погонная касательная сила в каждой панели определяется

10

алгебраическим суммированием q от перерезывающей силы и от кручения:q i=qQ±qкр .

После подсчета qi находится толщина обшивки каждой панели δi = qi / τразр. За

разрушающее касательное напряжение в обшивке τразр принимается критическое

касательное напряжение τкр.

Стрингерный фюзеляж.

Продольный набор такого фюзеляжа (рис. 21.7) состоит из большого числа

стрингеров, поперечный – из серии шпангоутов. Каркас покрывается жесткой

обшивкой.

Мощный стрингерный набор совместно с обшивкой воспринимает изгибающий

момент фюзеляжа. Доля изгибающего момента, воспринимаемая обшивкой, зависит

от толщины обшивки и от частоты стрингерного набора. Чем толще обшивка и чем

меньше расстояние между стрингерами, тем большее участие в работе на изгиб

принимает обшивка. Крутящий момент и перерезывающая сила воспринимаются

обшивкой. Таким образом, в обшивке стрингерного фюзеляжа возникают не только

касательные, но и нормальные напряжения. Шпангоуты в стрингерном фюзеляже

устанавливаются чаще, чем в лонжеронном. Частая установка шпангоутов улучшает

работу стрингеров и обшивки при сжатии.

При изгибе стрингерного фюзеляжа сильно нагружаются осевыми силами

стрингеры и обшивка, наиболее удаленные от нейтральной оси, и очень мало

нагружаются стрингеры и обшивка вблизи этой оси.

В проектировочном расчете обычно принимают, что от изгибающего момента

нагружаются только крайние панели подкрепленной стрингерами обшивки. Размер

их определяется 1/4 габаритного размера рассматриваемого сечения фюзеляжа (на

рис. 21.8 эти панели обведены штриховыми линиями). При этом расстояние между

точками приложения результирующих внутренних сил панелей берется равным 2/3

габаритного размера сечения.

11

Рис. 21.7. Стрингерный фюзеляж (поперечное сечение).

Рис. 21.8. Размер панелей стрингерного фюзеляжа воспринимающих

изгибающий момент: а – изгиб в вертикальной плоскости; б – изгиб в

горизонтальной плоскости.

Тогда осевая сила в верхней и нижней панелях:

S=M в

23

H ,

а в боковой панели:

S=M г

23

B ,

где Н и В – высота и ширина рассматриваемого сечения. Эта сила должна быть

воспринята обшивкой и стрингерами панели.

Площадь поперечного сечения панели:

F=S / ,

где для растянутой панели σ = σв, а для сжатой σ = σкр.

Площадь растянутой панели:

F раст=∑ f стр0,9 l ,

12

где Σfстр – площадь поперечного сечения всех стрингеров панели; δ – толщина

обшивки;

l – длина дуги панели; 0,9 – коэффициент, учитывающий ослабление обшивки

заклепочными швами.

Отсюда, задавшись толщиной обшивки, можно найти площадь сечения

стрингеров, а затем их типы и количество или, выбрав типы стрингеров и их

количество, определить потребную толщину обшивки.

Площадь сжатой панели:

F сж=∑ f стр302n ,

где n – количество стрингеров; 30δ – присоединенная ширина обшивки.

При этом следует учитывать, что присоединенная ширина обшивки не может

быть больше расстояния между стрингерами по дуге Δl. Если же 30δ > Δl, то нужно

брать просто длину дуги Δl между стрингерами. Здесь при выборе типа стрингеров

необходимо, чтобы критическое напряжение стрингера при заданном расстоянии

между шпангоутами было не меньше взятого при определении площади

поперечного сечения панели. Если оно получается меньше, то расчет надо

повторить сначала, снизив соответственно σкр при определении Fсж.

В стрингерном фюзеляже так же, как и в лонжеронном, принято считать, что

вертикальная составляющая перерезывающей силы воспринимается боковыми

панелями обшивки, а горизонтальная составляющая – верхней и нижней панелями,

при этом размер панели берется 2/3 соответствующего габаритного размера. Тогда

погонная касательная сила в боковой панели будет:qQв=3Qв /4 H ,

в верхней и нижней панеляхqQг=3Qг /4 B ,

От крутящего момента в обшивке будет действовать погонная касательная

сила:

qкр=M кр

2 W .

Общая погонная касательная сила в панели от перерезывающей силы и

13

крутящего момента:q i=qQ±qкр ,

а касательное напряжение:i=qi /i .

Необходимо, чтобы:i≤кр ,

где τкр – критическое касательное напряжение в обшивке.

Бесстрингерный фюзеляж.

Бесстрингерный фюзеляж (рис. 21.9) представляет собой конструкцию,

состоящую из сравнительно толстой обшивки или слоистой обшивки с

заполнителем, подкрепленной только шпангоутами.

Рис. 21.9. Отсек бесстрингерного фюзеляжа.

В таком фюзеляже все нагрузки воспринимает обшивка, и в ней при этом

возникают и нормальные, и касательные напряжения. В местах выреза обшивки и в

местах приложения сосредоточенных нагрузок в таких фюзеляжах устанавливаются

стрингеры и другие усиливающие элементы.

Проектировочный расчет бесстрингерного фюзеляжа аналогичен расчету

стрингерного фюзеляжа. Здесь также считается, что от изгибающего момента

нагружаются только крайние панели обшивки размером в 1/4 габаритной величины

сечения фюзеляжа, а расстояние между точками приложения результирующих

внутренних сил панелей берется равным 2/3 высоты или ширины этого сечения.

Следовательно, осевая сила в верхней и нижней панелях:

S=M в

23

H ,

а в боковой панели:

14

S=M г

23

B .

Эта осевая сила должна быть воспринята соответствующей панелью обшивки.

Площадь сечения панели подсчитывается по формуле:

F=S / ,

Для растянутой панели σ = σв, а для сжатой σ = σкр.

Критическое нормальное напряжение панели обшивки, работающей на сжатие,

определяется по приводимым в справочной литературе формулам и графикам.

Определив F, находят толщину обшивки:

= Fl ,

где l – длина дуги панели.

Расчет на сдвиг при изгибе и кручении производится так же, как и для

стрингерного фюзеляжа.

Сравнительная характеристика различных типов балочных

фюзеляжей.

Наиболее выгодным в весовом отношении мог бы быть бесстрингерный

фюзеляж с обшивкой переменной толщины. Его конструкция обладает высокой

живучестью, позволяет рационально использовать внутренний объем. Однако

многочисленные вырезы в обшивке, необходимость передачи на нее

сосредоточенных усилий от других агрегатов самолета требуют местных усилий в

виде накладок и окантовок профилями. Масса этих усилий на бесстрингерном

фюзеляже при большом числе различных вырезов становится настолько большой,

что в весовом отношении эта схема становится менее выгодной, чем стрингерная

или лонжеронная.

Если фюзеляж имеет очень большие вырезы, то наиболее выгодной может

оказаться лонжеронная схема. В таком фюзеляже обшивка тонкая и поэтому проще

производить подкрепление больших вырезов, при этом весовые затраты будут

меньше.

15

При наличии в конструкции большого числа не очень крупных вырезов

наиболее выгодным в весовом отношении является стрингерный фюзеляж. Наличие

частого стрингерного набора позволяет облегчить работу обшивки, проще

осуществить подкрепление вырезов. Вот почему эта схема получила в настоящее

время широкое распространение, особенно для тяжелых самолетов.

Очень часто применяются балочные фюзеляжи комбинированной схемы,

например, лонжеронный фюзеляж в передней части, где имеются очень большие

вырезы (фонарь кабины, различные люки) и расположены стыковые узлы крыла, и

стрингерный – в хвостовой части.

Ферменно-балочные фюзеляжи.

На небольших нескоростных самолетах с поршневым двигателем применяются

фюзеляжи смешанной схемы. Передняя часть фюзеляжа, к которой крепится при

помощи моторамы двигатель, крепится крыло и некоторые агрегаты оборудования и

в которой размещается кабина пилота, выполняется по ферменной схеме. Хвостовая

часть, не имеющая больших люков, выполняется по балочной схеме. Такой

фюзеляж позволяет рационально использовать преимущества обеих силовых схем и

при удовлетворении предъявляемых к нему требований может обеспечить

получение выгодной в весовом отношении конструкции.

Вопросы:

1. Назначение фюзеляжа.

2. Нагрузки действующие на фюзеляж.

3. Эпюры перерезывающей силы и изгибающего момента фюзеляжа.

4. Эпюры крутящего момента фюзеляжа.

5. Расскажите про ферменный фюзеляж.

6. Расчетная схема сечения лонжеронного фюзеляжа.

7. Расскажите про стрингерный фюзеляж.

8. Расскажите про бесстрингерный фюзеляж.

16