11.2. Конструктивно-силовые схемы агрегатов планера самолета

   Как уже отмечалось, состав конструктивно-силовых элементов, обеспечивающих требуемую прочность и жесткость конструкции, схему их расположения и взаимосвязи, принято называть конструктивно-силовой схемой (КСС) агрегата.
    Основные силовые элементы конструкции (обшивка, стрингеры, лонжероны, стенки, нервюры, шпангоуты) обеспечивают прочность и жесткость конструкции агрегатов планера самолета при действии силовых факторов - изгиба, сдвига, кручения.

Рис. 11.9. Классификация КСС агрегатов планера

    Вспомогательные (неосновные) силовые элементы служат для соединения, стыковки и местного усиления основных элементов и передачи на них местных нагрузок. К ним относятся узлы стыка, кронштейны навески рулевых поверхностей, приборные рамы, соединительные детали установки оборудования и грузов - фитинги (англ. fitting от fit - прилаживать, монтировать, собирать) и т. д.
   КСС агрегатов планера принято классифицировать (рис. 11.9) по типу силовых элементов, воспринимающих изгибающий момент, который является определяющим среди силовых факторов. Масса конструктивных элементов, участвующих в работе на изгиб, составляет основную часть массы силовой конструкции.
   В ферменных КСС продольные и поперечные силовые элементы ( плоские фермы) в соединении образуют пространственную ферму, воспринимающую все силовые факторы, в том числе и изгибающий и крутящий моменты. Элементы фермы работают на растяжение-сжатие. Обшивка в конструкциях с ферменной КСС чаще всего несиловая, т. е. не участвует в работе на изгиб и кручение, а служит только для формирования обводов агрегата и передачи на ферму распределенной аэродинамической нагрузки.
   В балочных КСС конструктивным элементом, воспринимающим изгиб, является плоская (лонжерон) или пространственная пустотелая (кессон) балка.
   В моноблочном крыле (оперении) мощная силовая обшивка является основным силовым элементом, воспринимающим все виды нагрузок. Работая на растяжение-сжатие, обшивка воспринимает весь изгибающий момент. Конструктивно обшивка несущих поверхностей выполняется однослойной - в виде гладкого (не подкрепленного стрингерами) листа или с достаточно частым продольным подкреплением. Она может быть и многослойной.
   Конструкция фюзеляжа типа монокок (франц. monocoque - от греч. monos - один, единый и франц. coque - скорлупа), или балочно-обшивочная (скорлупно-балочная), в силовом отношении аналогична моноблочному крылу. Обшивка обычно гладкая, и стрингеры устанавливаются только для соединения отдельных листов обшивки фюзеляжа.
   Имея достаточно большую собственную жесткость, обшивки в моноблочном крыле и фюзеляже типа монокок практически не требуют поперечного подкрепления, поэтому в таких конструкциях нервюры и шпангоуты устанавливаются только в местах приложения сосредоточенных нагрузок.
   В фюзеляжах типа полумонокок восприятие внешних силовых факторов обеспечивается совместной работой продольных элементов и обшивки.
   В стрингерно-балочном фюзеляже (стрингерный полумонокок) изгибающий момент воспринимается растяжением-сжатием сводов несущей обшивки, подкрепленной стрингерами.
   В лонжеронно-балочном фюзеляже (лонжеронный полумонокок) обшивка, подкрепленная стрингерами, работает только на сдвиг, воспринимая крутящий момент и перерезывающую силу. Изгибающий момент воспринимают продольные балки. Работу такой конструкции под нагрузкой мы рассмотрели ранее (см. раздел 11.1, рис. 11.5).
   Работа под нагрузкой кессонного крыла аналогична работе стрингерно-балочного фюзеляжа и моноблочного крыла. От моноблочного кессонное крыло отличается наличием лонжеронов, на которые опираются своды подкрепленной стрингерами несущей обшивки, играющей основную роль в восприятии изгибающего момента. В несущих поверхностях кессонного типа лонжероны, работая на изгиб, воспринимают 20-40% действующего изгибающего момента, остальное воспринимает обшивка.
   В несущих поверхностях лонжеронной (лонжеронно-балочной) конструктивно-силовой схемы весь действующий на конструкцию изгибающий момент воспринимается лонжеронами. Подкрепленная стрингерами обшивка вместе со стенками лонжеронов образует замкнутый контур, работающий на сдвиг и кручение.
   В зависимости от количества и расположения продольных элементов в конструкции несущих поверхностей приняты определения КСС: однолонжеронное крыло с задней стенкой (работу такой конструкции мы рассмотрели в разделе 11.1, рис. 11.1, 11.2); двухлонжеронное крыло с передней стенкой; трехлонжеронный кессон; многостеночное моноблочное крыло и т. д.
   Здесь еще раз отметим, что, как и всякая классификация, классификация КСС является весьма условной. Так, моноблочное и кессонное крыло достаточно близки по схеме восприятия и передачи нагрузок, здесь все зависит от распределения материала между обшивкой и продольными элементами, их конструктивного оформления и условий закрепления на опоре (фюзеляже).
   Условия стыковки крыла с фюзеляжем, собственно, и определяют КСС крыла. Жесткая обшивка и подкрепляющие ее стрингеры способны воспринимать сжимающие и растягивающие нагрузки и в любой конструкции крыла вдали от заделки участвуют (в меру своей несущей способности) в работе крыла на изгиб.

Рис. 11.10. Стыковка лонжеронного крыла с фюзеляжем

   При креплении крыла только по лонжеронам (моментными узлами) и стенкам (шарнирными узлами) на силовые шпангоуты 1 фюзеляжа (рис. 11.10) обшивка и стрингеры прерываются у борта фюзеляжа на усиленной бортовой нервюре 2 и, не имея опоры в межлонжеронном пространстве, практически "выключаются" из работы крыла на изгиб в зоне А, т. е. потоки усилий с обшивки и стрингеров перераспределяются на пояса лонжеронов 3 на расстоянии по размаху, примерно равном межлонжеронному расстоянию.

Сравните схему работы зоны А со схемой, изображенной на рис. 10.8.

   Кессонные и моноблочные крылья обязательно имеют центроплан 1 (рис. 11.11) - расположенную внутри фюзеляжа пустотелую балку (кессон), соединяющую в единую конструкцию левую 2 и правую 3 консоли крыла. На центроплане, силовой набор которого аналогичен силовому набору консолей, силами N, сжимающими верхнюю и растягивающими нижнюю панель центроплана, взаимно уравновешиваются изгибающие моменты, действующие на консоли крыла: М_изг = NH. На силовые шпангоуты фюзеляжа с крыла через шарнирные узлы крепления передаются только перерезывающая сила Q в виде сил Р₁ и Р₂ и крутящий момент М_кр в виде пары сил Р₃:

Q = Р₁ + Р₂; М_кр = Р₃В.