Крыло вертолета. Вертолет с крыльями.

В зависимости от назначения крыла формируются требования, которые конструктор должен выполнять при разработке КСС данной несущей поверхности. На их основании выбираются параметры элементов конструкции.

Крыло может быть установлено на винтовом АВВП для выполнения следующих задач:

• —   разгрузка НВ с целью повышения скорости горизонтального полета вертолета (одновременно крыло может выполнять роль лафета для подвески спец установки, крепления стоек шасси и размещения баков с топливом);

• —   крепление НВ на вертолете поперечной схемы и его разгрузка и горизонтальном полете, крепление стоек шасси и размещение баков с топливом;

• —   крепление НВ на преобразуемом АВВП поперечной схемы о поворотными винтами и создание подъемной силы в горизонтальном полете.

В зависимости от назначения крыла меняется величина и характер нагрузки на его силовые элементы, а также требования к его конструкции.

С увеличением скорости полета винтового АВВП повышаются требования аэродинамики, устойчивости, управляемости и аэроупругости, которые отражаются на аэродинамической компоновке крыла, степени его механизации и жесткости конструкции.

Аэродинамические требования предусматривают минимальное взаимовлияние НВ и крыла на режиме висения и максимальное аэродинамическое качество на режиме крейсерского полета.

Жесткость крыла на кручение и изгиб должна быть такой, чтобы исключались недопустимые явления статической и динамической аэроупругости.

ФОРМИРОВАНИЕ КСС КРЫЛА

Выбор КСС крыла вертолета существенно зависит от его функционального назначения и характера нагружения.

Для вертолетов поперечной схемы и подобных типов преобразуемых ДА с поворотными винтами выбор параметров крыла во многом зависит от явления «воздушного» резонанса. Если крыло установлено на вертолете для разгрузки НВ, то основным требованием является обеспечение прочности и ресурса его консолей, нагруженных распределенной переменной аэродинамической нагрузкой. Для устойчивого полета на режиме авторотации разгрузка НВ крылом на крейсерской скорости не должна превышать 15—20%.

Аэродинамические нагрузки на консоли крыла носят динамический характер. По условиям балансировки вертолета и компоновочным соображениям, крыло устанавливают под НВ. В результате в вертикальной плоскости на крыло действуют пульсирующие нагрузки. Их величина и частота определяются удельной нагрузкой на НВ  Ш), частотой вращения НВ со количеством лопастей z , превышением НВ относительно крыла Н, геометрией крыла в плане (размах /, сужение , площадь крыла S). Переменная часть аэродинамических сил создает усталостные напряжения в элементах конструкции крыла, определяющие его ресурс.

На вертолетах для разгрузки НВ применяются монопланные свободнонесущие крылья без механизации.

Размещение крыла относительно фюзеляжа определяется требованиями аэродинамики, объемной компоновкой фюзеляжа в месте соединения с крылом, КСС главных стоек шасси, эксплуатационными соображениями, требованиями безопасности экипажа при аварийной посадке вертолета.

Выбор КСС крыла определяется целым рядом условий:

• —   характером нагружения сосредоточенными силами и моментами и местом их приложения;

Скорость и дальность полета вертолета соответственно). Поэтому конструктор выбирает параметры крыла с учетом других соображений ( в частности, взаимовлияния НВ и крыла).

Выбор КСС консольного крыла

Крыло представляет собой балку, нагруженную распределенными и сосредоточенными силами. Каркас крыла состоит из продольного и поперечного набора и обшивки. К продольному набору относятся лонжероны, продольные стенки и стрингеры. Поперечный набор состоит из нервюр. Изгибающий момент М создает осевые усилия (нормальные напряжения) в продольном наборе и в обшивке. Крутящий момент М и поперечная сила Q вызывают касательные напряжения в обшивке и стенках лонжеронов.

Из трех усилий, действующих в поперечных сечениях крыла, выполняющего функцию несущей поверхности, основным является изгибающий момент. Масса силовых элементов, воспринимающих этот момент, составляет около половины общей массы крыла.

В зависимости от того, какими силовыми элементами в основном воспринимается изгибающий момент, силовые схемы крыльев делятся на лонжеронные и моноблочные.

Лонжеронное крыло. Силовая схема крыла называется лонжеронной, если изгибающий момент в основном воспринимается поясами лонжеронов. Крыло имеет мощные пояса лонжеронов, сравнительно слабые стрингеры и тонкую обшивку.

Иногда (например, подвеска контейнеров с ракетами) расчетным случаем может быть нагрузка на крыло от реактивной тяги заклиненной ракеты, создающая крутящий момент относительно его центра жесткости. Здесь определяющей будет крутильная жесткость крыла.

В зависимости от числа лонжеронов различают одно-, двух- и многолонжеронные крылья.

В однолонжеронном крыле силовыми элементами конструкции являются лонжерон, задняя стенка (иногда называемая вспомогательным лонжероном), обшивка, нервюры и стрингеры. Лонжерон располагается, как правило, по максимальной высоте профиля, т.к. в этом случае при заданном изгибающем моменте требуется наименьшая площадь поясов. Стенка в этих крыльях служит для создания замкнутого контура сечения.

С эксплуатационной точки зрения, лучшими являются однолонжеронные и двух лонжеронные крылья. Они более удобны для осмотра конструкции, в них сравнительно просто осуществляются вырезы в обшивке.

Силовая схема корневого участка лонжеронного крыла зависит в основном от условий компоновки фюзеляжа (размещения грузов, кабин, уборки шасси и др. Лонжероны должны проходить через фюзеляж, замыкая нагрузки от консолей крыла.

Наличие силовых элементов крыла внутри фюзеляжа создает трудности в осуществлении желательной компоновки кабины.

Наибольшее распространение получили конструкции, у которых лонжероны, стрингеры и обшивка продолжаются на участке, занятом фюзеляжем. В некоторых случаях применяются конструкции, где все продольные элементы, за исключением лонжеронов, обрываются у борта фюзеляжа. Конструкции первого типа более совершенны, т.к. обшивка с подкрепляющими элементами возле фюзеляжа полноценно работает при изгибе. Основной недостаток конструкции второго типа — неполноценная работа на изгиб стрингеров и обшивки вблизи фюзеляжа. Нормальные напряжения в обшивке и подкрепляющих ее продольных элементах практически отсутствуют по сечению бортовой нервюры из-за ее малой жесткости. По мере удаления от фюзеляжа нормальные напряжения возрастают. На удалении, приблизительно равном расстоянию между лонжеронами, обшивка и стрингеры воспринимают изгиб крыла полноценно.

В кессонном крыле нормальные силы воспринимаются обшивкой и стрингерами лишь по части контура, например, носком или, как обычно, средней частью. Остальная часть контура с более тонкой обшивкой и слабее подкрепленная стрингерами в работе на изгиб участвует значительно меньше. В этих схемах лонжероны с сильными поясами отсутствуют, а для восприятия перерезывающих сил служат стенки, соединенные с обшивкой слабыми поясами. В кессонном крыле все элементы панели  сжатой зоне работают однородно.

При одинаковой массе крыло этой схемы будет обладать большей жесткостью на кручение, чем однолонжеронное крыло. При небольших нагрузках на крыло кессонная схема уступает по весовым качествам однолонжеронной.

В моноблочном крыле  нормальные силы при изгибе воспринимаются обшивкой и подкрепляющими ее стрингерами по всему контуру его поперечного сечения. 

При моноблочной схеме крыла сквозь фюзеляж проходит центроплан почти по всему кон- ТУРУ (за исключением хвостовой части). При кессонной схеме сквозь фюзеляж проходит лишь кессон.

Моноблочная и кессонная схемы применяются на крыльях с большой удельной нагрузкой на поверхность. Основные преимущества моноблочных крыльев: высокая жесткость, живучесть и более рациональное использование элементов их конструкции. Однако выигрыш в массе у таких конструкций по сравнению с лонжеронными получается лишь при отсутствии больших вырезов. Наличие вырезов резко ослабляет крыло. В районе выреза панель выключается из работы. Для сохранения прочности крыла вырез приходится окантовывать усиленным профилем, т.е. по существу ставить лонжерон.

Сравнение лонжеронной и кессонной силовых схем крыла показывает, что каждая имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому иногда некоторые участки конструкции крыла (например, концевая часть) выполняются по кессонной схеме, а в зоне вырезов — по лонжеронной.

Усиленные нервюры передают местные сосредоточенные силы на пояса лонжеронов от агрегатов, расположенных в крыле или на внешней подвеске. Усиленные нервюры устанавливаются в плоскости разъема крыла на центроплане и его консолях.

Обшивка, подкрепленная стрингерами, воспринимает воздушную нагрузку, передающуюся в основном на нервюры. Они, в свою очередь, передают ее на стенки лонжерона. Например, от действия вертикальных составляющих местной воздушной нагрузки нервюра стремится переместиться вверх. Этому препятствуют стенки лонжерона, в результате чего в них возникают распределенные касательные силы. В общем случае их равнодействующая в стенках лонжеронов не совпадает с равнодействующей внешней воздушной нагрузки. В результате нервюра стремится повернуться, уравновешиваясь потоком касательных сил со стороны обшивки. Касательные силы стенок лонжеронов уравновешиваются па фюзеляже.

Большое значение при конструировании продольного набора крыла имеет выбор конструктивно-технологического типа панели в растянутых и сжатых зонах крыла. Для нижних панелей определяющим является ресурс.

Исследование вопроса выбора допускаемых напряжений для отдельных элементов силовой конструкции зависит не только от характеристик материала и конструктивных решений, организационных правил эксплуатации. Необходимо также учитывать способ профилактических осмотров потенциально наиболее уязвимых конструктивных зон, их периодичность и т.п.

Для оценки живучести нижней панели большое значение имеют характеристики скорости распространения трещин в зависимости от типа конструкции, данные по эффективности различных ограничителей трещин и т.д. Требования живучести конструкции приводят к необходимости исследования остаточной прочности конструкции при разрушении одной из панелей по хорде.

Для верхней поверхности крыла выбранный тип подкреплений должен обеспечить максимальные критические напряжения  при минимальной массе материала конструкции.

В кессонных и лонжеронных крыльях со стрингерным набором расстояния между нервюрами следует выбирать таким образом, чтобы стрингер и обшивка в сжатой зоне имели значение такое, при котором одновременно наступила бы местная и общая потеря устойчивости.

КСС РАЗЪЕМОВ КРЫЛА

Для удовлетворения эксплуатационным и технологическим требованиям крылья выполняются разъемными. Разъемы служат для отделения крыла от фюзеляжа при транспортировке вертолета, хранения его на складе, монтаже аппаратуры, ремонте и др. Крыло, как правило, имеет два разъема, по которым расчленяется на центроплан и две консоли. Разъемные крылья, независимо от способа соединения частей, тяжелее неразъемных.

Конструкции разъемов зависят от силовой схемы крыла, они отличаются большим разнообразием, однако принципиально могут быть сведены к двум типам:

• —   точечный разъем, в котором лишь лонжероны и продольные стенки крыла соединены между собой;

• —   контурный разъем, в котором все силовые элементы крыла соединены друг с другом.

При точечном разъеме силовая связь между частями крыла осуществляется через узлы, стыкующие только пояса лонжеронов. Обшивка, стрингеры и стенки лонжеронов непосредственно друг с другом не соединяются. Поэтому они полноценно включаются в восприятие изгибающего момента лишь на некотором удалении от разъема.

Наименьшее количество стыковых узлов равно трем. Изгибающий момент в этом случае воспринимается срезом болтов, соединяющих соответствующие пояса основного лонжерона. Нижнее ухо обычно выполняется массивным, т.к. оно работает на разрыв.

Вспомогательный лонжерон (задняя стенка) стыкуется с соответствующим элементом центроплана или фюзеляжа посредством шарнира, воспринимающего только перерезывающую силу, нормальную силу от изгиба в плоскости хорд крыла и реакции от действия крутящего момента. По мере удаления от разъема за счет сдвигов в обшивке он постепенно включается в изгиб и на некотором расстоянии от разъема практически работает полноценно. Ось стыковочного болта должна совпадать с осью жесткости сечения крыла.

Крутящий момент крыла уравновешивается сосредоточенными в стыковых шарнирах силами, составляющими пару, поэтому нервюра по разъему должна быть усиленной.

Контурный разъем наиболее характерен для кессонных крыльев, имеющих сравнительно толстую, хорошо подкрепленную обшивку. При контурном соединении в разъеме повсеместно осуществляется силовая связь с верхним и нижним поясами кессона. Благодаря этому силовые элементы в разъеме и вблизи него полностью участвуют в восприятии изгибающих и крутящих моментов и перерезывающей силы.

Конструкция контурного разъема напоминает фланцевое соединение. Наибольшее распространение получила конструкция контурного разъема, когда силовая связь обшивки и стрингеров осуществляется при помощи стыковочных профилей, стягиваемых болтами, расположенными в специальных колодцах. Стыковочные поверхности профилей для плотного прилегания друг к другу механически обрабатываются так, чтобы изгибающий момент в сжатой зоне крыла передавался равномерно упором стыковых профилей. На  приведено конструктивное решение стыка с болтами, работающими на срез. Применение конусных болтов и разрезных втулок с внутренним конусом обеспечивает взаимозаменяемость консолей и неподвижность соединений.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ВЫРЕЗЫ В ПАНЕЛЯХ КРЫЛА

Для подхода к агрегатам оборудования, для монтажа и демонтажа топливных баков и других целей в крыльях делаются различные вырезы. Они нарушают непрерывность силовых элементов и тем самым влияют на его работу. Степень влияния зависит от величины выреза, вида силового воздействия, конструктивного оформления выреза и др. Малые вырезы при незначительной компенсации практически не оказывают влияния па деформацию и напряженное состояние конструкции. Компенсация малых вырезов достигается путем их окантовки соответствующими профилями и накладками, образующими плоскую раму. Такие вырезы закрываются легкосъемными крышками, конструкция которых для сохранения формы и плотности прилегания выполняется достаточно жесткой.

Большие вырезы бывают двух типов — компенсированные и некомпенсированные.

Полная компенсация больших вырезов осуществляется путем постановки съемных силовых панелей, равнопрочных с вырезанными участками крыла. Соединением съемных панелей с крылом восстанавливаются нарушенные силовые связи и обеспечивается полноценная передача изгиба и кручения. Съемные панели утяжеляют конструкцию крыла. Их монтаж и демонтаж требуют установки крыла в ненапряженное положение.

Если обшивка крыла относительно тонка и слабо подкреплена, то конструкция съемных панелей упрощается. В этом случае они крепятся по контуру винтами, обеспечивающими лишь передачу касательных сил. Утраченная за счет выреза жесткость иа изгиб восстанавливается соответствующим усилением поясов лонжеронов.

Большие некомпенсированные вырезы в крыле приходится делать в местах, требующих частого доступа. Они существенно ослабляют конструкцию, к тому же значительные участки обшивки с подкрепляющими элементами вблизи краев выреза неполноценно участвуют в изгибе. Поэтому компенсация таких вырезов сопряжена с коренными изменениями силовой схемы крыла (постановка дополнительных нервюр и др.). Панели, прикрывающие некомпенсированные вырезы, выполняются не силовыми, однако они должны обладать достаточной прочностью и жесткостью для восприятия местной воздушной нагрузки.

При конструировании крыла необходимо стремиться к минимально возможном у количеству вырезов, особенно на нижней поверхности. Вырезы целесообразно располагать по одной линии вдоль размаха крыла и как можно дальше от мест поперечных стыков. При таком их размещении легче обеспечить необходимое усиление мест вырезов и более плавное течение силового потока.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Главным требованием, определяющим выбор материала для растянутых поверхностей силового набора крыла, является обеспечение ресурса. Для данных поверхностей силового набора крыла применяют проверенный на практике алюминиевый сплав Д16Т. Сплав имеет хорошие показатели выносливости и живучести, малочувствителен к концентраторам и внутренним напряжениям, возникающим при сборке. Внедрение сплава повышенной чистоты Д16ЧТ улучшает перечисленные выше свойства.

Вопрос о выборе сплава для верхнего силового набора крыла должен решаться в зависимости от его схемы и условий эксплуатации, определяющих величину и повторяемость нагружения верхних панелей растягивающими и сжимающими нагрузками. Силовой набор может быть выполнен из высокопрочных сплавов на алюминиево-цинковой основе (отечественный сплав В95Т). Применение этого сплава дает при расчете на статическую прочность значительную экономию массы.

Для узлов, воспринимающих сосредоточенные нагрузки, применяются высокопрочные материалы.

ТИПЫ СОЕДИНЕНИЙ И КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Выбор типа соединений и крепежных элементов для крыла зависит от требования обеспечения необходимого ресурса. Ресурс главным образом определяется выносливостью регулярной зоны. Выносливость регулярной зоны зависит от продольных швов (крепление панелей к лонжеронам, крепление панелей или листов обшивки между собой, крепление стрингеров к обшивке). Без специальных мероприятий, снижающих концентрацию напряжения около отверстия, нужный ресурс может быть достигнут только за счет снижения напряжений, а это вызывает увеличение массы конструкции крыла.

Выбор конкретного конструктивного решения (форма крепежного элемента, величина натяга и т.д.) зависит от требуемого уровня ресурса. При этом решении следует учитывать:

• —   возможность коррозии под напряжением, вызываемой посадкой и натягом (выбор материала и термообработки деталей силового набора определяется этими соображениями);
• —   опасность фрикционной коррозии;
• —   экономический фактор: применение некоторых соединений, очень эффективных с точки зрения повышения выносливости конструкции, вызывает такое удорожание конструкции (стоимость изготовления крепежных деталей и их установка), что целесообразность их применения должна быть подтверждена специальными экономическими расчетами.