Фюзеляж самолета

Под термином «фюзеляж» принято понимать корпус самолета. Именно к фюзеляжу летательного аппарата крепится оперение, крылья и в некоторых моделях шасси. Основным предназначением фюзеляжа является размещение экипажа, груза, пассажиров и оборудования. В фюзеляже самолета могут быть размещены топливные баки, силовая установка и шасси.

Фюзеляж выступает телом каждого самолета. В нем размещается кабина пилотов, баки с топливом, в зависимости от типа самолета могут также быть оборудованы: багажные отделения, салон с креслами пассажиров и т.д. Схема корпуса самолета состоит из поперечных, продольных элементов и обшивки. Поперечные элементы силовой конструкции корпуса представлены шпангоутами, а продольные системой – стрингерами и лонжеронами. Что касается обшивки, то она изготовляется из металлических листов, для снижения массы и повышения прочности широко используют дюралюминий.

Современное авиастроение использует балочный и ферменный тип фюзеляжа. Ранее создавались летательные аппараты с бескаркасным – моноковым фюзеляжем. Впервые такой самолет был создан еще в 1910 году. Особенностью было использование гнутых трубчатых колец, к которым крепилась изогнутая фанера.

Общие сведения о фюзеляжах самолетов

Фюзеляж выступает строительной основой каждого летательного аппарата, он позволяет соединить в единое целое все составляющие части. Каждый тип самолета выдвигает свои требования к характеристикам корпуса, при этом нужно сохранить аэродинамику, необходимую форму и максимально снизить массу, не теряя прочности конструкции. Все это достигается за счет:

• Выбора форм и параметров строения фюзеляжа, за счет которого можно достичь минимального лобового сопротивления при полете. Подобрать полезный объем и определиться с общими габаритами корпуса.

• Корпус должен создавать подъемную силу агрегата до 40% в интегральных схемах летательного аппарата. Это позволяет снизить массу и площадь крыльев.

• Повышение плотности общей компоновки позволяет рационально использовать внутренний объем и размещение грузов возле центра тяжести. Размещение грузов возле центра массы позволяет достичь лучших летных характеристик самолета. Сужение диапазонов центровки аппарата при различных вариантах расположения топлива, боеприпасов и их расходование в процессе полета должно обеспечивать стабильность машины.

• Продуманная силовая схема компоновки всего самолета. При этом нужно обеспечить качественное крепление оперения, силовой установки, крыльев, шасси.

• При обслуживании самолета должен быть продуман удобный подход к каждому агрегату. Удобный выход пассажиров и экипажа, выброс десантных групп, погрузка и разгрузка, швартовка машины. Фюзеляж должен обеспечить жизненные условия для пилотов и пассажиров, а именно: нормальное давление, звукоизоляция и теплоизоляция. Для пилотов самолета должен быть отличный обзор. В аварийных ситуациях продумано покидание машины.

Нагрузки, воздействующие на фюзеляж при посадке:

• Силы от присоединенных частей и деталей самолета, таких как шасси, крылья, оперение, силовые установки.

• Инерционные силы узлов, агрегатов, оборудования, общая масса конструкции.

• Силы аэродинамики, которые воздействуют на весь корпус в полете.

• Избыточное давление в герметичных отсеках, салонах, кабине и каналах воздухозаборников.

Все эти виды нагрузок учитываются с помощью принципа Д’Аламбера, это позволяет привести все силы в равновесие.

В строительной механике корпус аппарата принято рассматривать как балку коробчатого типа, которая закреплена на крыле и получает все виды нагрузок, перечисленные выше. Данный тип фюзеляжа принято называть балочным. На каждую часть сечения фюзеляжа воздействует крутящий и изгибающий момент. На герметичные отсеки дополнительно действует избыточное давление внутренней части.

Основные виды фюзеляжей самолетов:

• Плоскофюзеляжный тип.

• Одноэтажный тип.

• Двухэтажный тип.

• Широкофюзеляжный тип.

• Узкофюзеляжный тип.

Внешний облик и формы фюзеляжа

Наиболее выгодной формой корпуса самолета выступает осесимметричное тело вращения, которое имеет плавное сужение к хвостовой и носовой части. Это позволяет минимизировать площадь при заданных габаритах конструкции. Соответственно снижается общая масса обшивки и минимизируется трение фюзеляжа при сопротивлении в полете.

Сечение круглой формы тела вращения наиболее выгодно по массе при воздействии внутреннего давления гермокабин. При создании и компоновке летательных аппаратов конструкторы отступают от подобной идеальной формы. Плавность обвода нарушают фонари кабины пилотов, антенны БРЭО, воздухозаборники, при этом растет масса корпуса и сопротивление конструкции в полете. В большинстве случаев форма сечения фюзеляжа самолета зависит от большого количества факторов.

Силовая схема конструкции фюзеляжа

Все нагрузки и воздействующие силы на корпус снижаются за счет снижения веса аппарата. Тонкостенная обшивка летательного аппарата изнутри имеет силовой каркас, который позволяет противостоять всем воздействиям. Силовой каркас машины позволяет удовлетворить все требования компоновки, простоты, надежности и живучести фюзеляжа при эксплуатации.

Ранее более распространенными были ферменные типы фюзеляжа, но они значительно проигрывают балочному типу. Нужно отметить, что ферма значительно затрудняет компоновку и расположение грузов в корпусе. В современном авиастроении ферменный тип фюзеляжа используется только на небольших и тихоходных самолетах. В силу этого ферменный тип является невостребованным.

Современные фюзеляжи балочного типа подразделяют на такие разновидности:

• Обшивочный.

• Лонжеронный.

• Стрингерный.

Балочный фюзеляж состоит из набора продольных стрингеров и лонжеронов. Стоит отметить, что основным отличием является большее поперечное сечение и площадь лонжерона. Что касается стрингеров, то они имеют немного другую форму и меньшее сечение. Обшивочная часть корпуса не имеет продольных элементов. Корпус имеет и поперечный набор, который представлен набором шпангоутов. Они позволяют сохранить форму конструкции и распределить нагрузку по всему фюзеляжу. В местах крепления больших деталей и узлов, таких как крылья, используется усиленный тип шпангоутов.

За счет внутреннего каркаса обшивки стало возможным распределение нагрузок более равномерно по всей поверхности фюзеляжа. В свою очередь внешние силы приносят минимальный урон целостности самолета.

Силовой набор фюзеляжа

Как правило, продольные части каркаса, такие как стрингеры и лонжероны, проходят через всю длину летательного аппарата. Они представлены как гнутый профиль с разным сечением среза. Основной задачей стрингера является распределение нагрузок. Что касается лонжеронов, то они обеспечивают общую жесткость конструкции.

Поперечные детали каркаса состоят из простых и усиленных шпангоутов. Они позволяют сохранить форму фюзеляжа при внешних и внутренних воздействиях. Усиленные шпангоуты устанавливают возле больших вырезов в корпусе или в месте крепления узлов.

Обшивка летательных аппаратов изготовляется из листового металла, который и формирует поверхности фюзеляжа. Обшивка самолета крепится к силовому каркасу. Стыки листов обшивки расположены на поперечных и продольных частях силового каркаса. В современном авиастроении для снижения массы летательных аппаратов все больше используют композиционные материалы.

Соединение обшивки с элементами силового каркаса

В авиастроении выделяют три основных способа крепления:

• Листы обшивки прикрепляются к стрингерам. В этом случае на корпусе образуются продольные швы из заклепок. Данный тип крепления значительно повышает аэродинамические свойства машины.

• Листы обшивки крепятся исключительно к шпангоутам. Подобный вариант крепления влечет за собой увеличение общей массы конструкции и значительное снижение устойчивости самолета. Проблемы решаются путем использования дополнительных накладок, которые называются компенсаторами.

• Листы обшивки прикреплены к шпангоутам и стрингерам. Этот тип обеспечивает крепление к продольным и поперечным деталям силового каркаса.

В большинстве случаев обшивка крепится к каркасу заклепками. В последнее время некоторые конструкторы используют шестиугольные металлические материалы, которые имеют внутри специальный клей. Такое крепление отлично противостоит деформационным процессам и передает нагрузки на всю поверхность фюзеляжа.

Крепление основных агрегатов к фюзеляжу самолета

Крепление крыльев

Особенность соединения крыла и корпуса заключается в уравновешивании моментов изгиба крыльевых консолей в месте крепления. Наиболее эффективным уравновешиванием является соединение между собой крыльев через фюзеляж. В лонжеронных крыльях это сделать довольно просто, стоит только пустить через корпус от одного крыла лонжерон к другому крылу.

Что касается кессонных крыльев, то через фюзеляж пускают все силовые панели. В случае когда пропуск через корпус невозможен, используют замыкание колебаний на силовых шпангоутах. К силовым шпангоутам так часто крепятся и бортовые нервюры от крыла.

Крепление киля

Крепление киля, так же как и крыла, требует передачи изгибающего момента на корпус. Для получения этого используется рамный или сеточный силовой шпангоут. В большинстве случаев используется крепление лонжеронов в двух точках, которые разнесены по силовому шпангоуту. В точке, где пересекается лонжерон со шпангоутом, лонжерон киля имеет излом, именно здесь необходимо усиление конструкции с помощью дополнительной нервюры.

Силовые установки могут крепиться как к самому силовому каркасу, так и к пилонам на крыльях.

Гермоотсеки в самолете

За счет наличия герметических кабин и отсеков современные самолеты имеют возможность летать и перевозить пассажиров на очень больших высотах. При этом в кабинах создается особый микроклимат с избыточным давлением в 45-60 КПа. Гермоотсеки могут иметь различную форму, но наиболее рациональной считается сферическая или цилиндрическая.

Стык сферического сегмента с гермоотсеком цилиндрической формы должен быть усилен шпангоутом, поскольку здесь возникают очень высокие сжимающие нагрузки.

В конструкции отсеков должна быть обеспечена отличная герметизация по швам заклепок и других соединений. Для абсолютной герметизации швов используют специальные ленты, которые пропитываются герметиком. Кроме этого, швы промазывают жидким герметиком с дальнейшей горячей сушкой. Также небольшой шаг между заклепками позволяет повысить надежность обшивки и герметизации отсеков.

Конструкторы отдельное внимание уделяют герметизации люков, дверей, фонарей, окон. Для этого используют специальные прокладки, ленты и жгуты. 

Другие детали и части самолета