Фюзеляж

Передня частина утилізованого Avro Ashton (Англ.) рос.

Фюзеляж ( фр. fuselage , Від fuseau - веретено) - корпус літального апарату. Зв'язує між собою крила, оперення і (іноді) шасі. Фюзеляж літака призначений для розміщення екіпажу, обладнання та цільової навантаження. У фюзеляжі може розміщуватися паливо, шасі, двигуни.

Конструкція літака типу літаюче крило, в потовщеною частини якого розміщується все, що зазвичай розміщують у фюзеляжі, розглядається окремо.


1. Загальні відомості

Будучи будівельної основою конструкції літака, він об'єднує в силовому відношенні в єдине ціле всі його частини. Основною вимогою до фюзеляжу є виконання ним свого функціонального призначення відповідно з призначенням літака та умовами його використання при найменшій масі конструкції фюзеляжу.

Виконання цієї вимоги досягається:

  • вибором таких зовнішніх форм і значень параметрів фюзеляжу, при яких виходять мінімальну його лобове опір і найбільші корисні обсяги при визначилися габаритах;
  • використанням несучих фюзеляжів, що створюють значну (до 40%) підйомну силу в інтегральних схемах літака. Це дозволяє зменшити площу крила і знизити його масу;
  • раціональним використанням корисних обсягів за рахунок підвищення щільності компонування, а також за рахунок більш компактного розміщення вантажів у районі ЦМ. Останнє сприяє зменшенню масових моментів інерції і поліпшенню характеристик маневреності, а звуження діапазону зміни центрівок при різних варіантах завантаження, вигорянні палива, витраті боєприпасів забезпечує більшу стабільність характеристик стійкості і керованості літака;
  • узгодженням силової схеми фюзеляжу з силовими схемами приєднаних до нього агрегатів. При цьому необхідно забезпечити: надійне кріплення, передачу і урівноваження навантажень від силових елементів крила, оперення, шасі, силової установки на силових елементах фюзеляжу; сприйняття масових сил від цільової навантаження, обладнання та від конструкції фюзеляжу, а також від аеродинамічного навантаження, що діє на фюзеляж , і навантаження від надлишкового тиску в герметичній кабіні.
  • Повинна бути забезпечена зручність підходів до різних агрегатів, розміщеним у фюзеляжі, для їх огляду та ремонту; зручність входу і виходу екіпажу і пасажирів, викиду десантників і озброєння, зручність навантаження, швартування і вивантаження призначених для перевезення вантажів. Пасажирам і екіпажу повинні бути забезпечені необхідні життєві умови і певний рівень комфорту при польоті на великій висоті, тепло - і звукоізоляція кабін, можливість швидкого і безпечного аварійного покидання літака, екіпажу - хороший огляд.

1.1. Навантаження, які діють на фюзеляж

У польоті і при посадці на фюзеляж діють такі навантаження:

  • сили, що передаються на фюзеляж від приєднаних до нього частин літака - крила, оперення, шасі, силової установки та ін,
  • масові інерційні сили агрегатів, вантажів, устаткування, розташованих у фюзеляжі, і інерційні сили від власної маси конструкції фюзеляжу,
  • аеродинамічні сили, розподілені по поверхні фюзеляжу,
  • сили надлишкового тиску в герметичних кабінах, відсіках обладнання, каналах повітрязабірників.

Перераховані навантаження з урахуванням принципу Д'Аламбера повністю врівноважені на фюзеляжі.

З точки зору будівельної механіки фюзеляж можна розглядати як коробчату балку, закріплену на крилі і завантажену перерахованими вище навантаженнями. У будь-якому перетині такої балки діють вертикальні і горизонтальні складові перерізують сил, згинальних моментів, а також крутний момент. У герметичних відсіках до цих навантажень додаються зусилля від надмірного внутрішнього тиску.


2. Види фюзеляжів

  • Суцільнометалевий фюзеляж

3. Зовнішні форми фюзеляжу

Найвигіднішої формою фюзеляжу є осесимметричное тіло обертання з плавним звуженням в носовій і хвостовій частинах. Така форма забезпечує мінімальну при заданих габаритах площа поверхні, а значить і мінімальну масу обшивки, і мінімальний опір тертя фюзеляжу.

Круглий перетин тіла обертання вигідно за масою і при дії надлишкового тиску в гермокабіни. Однак з компонувальних і інших міркувань від такої ідеальної форми доводиться відступати. Так, ліхтарі кабіни екіпажу, повітрозабірники, антени радіолокаторів порушують плавність обводів і призводять до збільшення опору і маси фюзеляжу. Такий же ефект дає і відступ від плавних форм у хвостових відсіках фюзеляжу з метою збільшення кута перекидання або для укорочення навантажувального люка і рампи.

Поперечний переріз фюзеляжу зазвичай визначається умовами компонування вантажів, двигунів, пасажирських салонів.


4. Конструктивно-силові схеми фюзеляжу

Найбільш раціональною конструкцією, здатною сприймати всі перераховані вище навантаження при мінімальній власній масі, є тонкостінна просторова оболонка, підкріплена зсередини силовим каркасом. Раціональність такої оболонки забезпечується повноцінним використанням її працюючої обшивки як при сприйнятті місцевої аеродинамічного навантаження, внутрішнього надмірного тиску, так і в загальній силовій роботі, яка полягає в тому, що обшивка сприймає всю Перерізуюча силу, весь крутний момент і бере участь у сприйнятті згинальних моментів. Каркасированних оболонка найкращим чином задовольняє і вимогам зручності компонування, забезпечення технологічної простоти, а також живучості та експлуатаційної технологічності. З точки зору силової роботи така оболонка розглядається як тонкостінна коробчата балка, внаслідок чого силову схему подібних фюзеляжів прийнято називати балочної.

Використовувані раніше фюзеляжі фермової конструкції неминуче програють балковим за масою конструкції у зв'язку з тим, що обшивка ферменних фюзеляжів повністю виключена із загальної силової роботи, сприймаючи тільки місцеву повітряну навантаження і будучи, таким чином, додатковим конструктивним елементом, що збільшує масу конструкції. Просторова ферма ускладнює і компоновку вантажів у фюзеляжі. Все це призвело до того, що ферменние фюзеляжі в даний час повністю витіснені балочними та їх застосування виправдане лише на легких тихохідних літаках "малої" авіації. Тому надалі ферменние фюзеляжі не розглядаються.

Балочні фюзеляжі діляться на три основних різновиди:

Поздовжній набір балочного фюзеляжу складається з лонжеронів і стрингерів. Лонжерон відрізняється від стрінгера формою і більшою площею поперечного перерізу. Обшивочний фюзеляж поздовжнього набору не має. Поперечний набір фюзеляжу складається з шпангоутів, що забезпечують збереження при деформаціях заданої форми поперечного перерізу оболонки і передачу на обшивку розподілених і зосереджених навантажень. У місцях додатка до фюзеляжу великих зосереджених сил встановлюються посилені шпангоути.

У балкових фюзеляжах перерізуюча сила будь-якого напрямку повністю сприймається обшивкою, в якій виникає потік дотичних зусиль. Закон розподілу цих зусиль по контуру оболонки залежить від напрямку зовнішнього навантаження і від форми поперечного перерізу фюзеляжу.

Крутний момент також повністю сприймається обшивкою. Потік дотичних зусиль у цьому випадку рівномірно розподілений по периметру оболонки, що має, як правило, однозамкнутий контур поперечного перерізу. Сприйняття згинальних моментів фюзеляжу визначається типом балочного фюзеляжу. У місцях вирізів в оболонці встановлюються силові окантовки, що забезпечують передачу всіх зусиль в зоні вирізу.


4.1. Лонжерони і стрингери

Поздовжні елементи каркаса, що проходять, як правило, по всій довжині фюзеляжу. Спільно з обшивкою вони сприймають нормальні зусилля при згині фюзеляжу. Прості стрингери і лонжерони зазвичай виготовляються з пресованих або гнутих профілів різного перетину. Лонжерони відрізняються від стрингерів більш потужним перетином.

При великих навантаженнях можуть використовуватися складові лонжерони, що складаються з декількох з'єднаних між собою профілів.

Для окантовки великих вирізів у фюзеляжі часто використовуються лонжерони коробчатого перерізу - бімси, які складаються з пресованих профілів, пов'язаних між собою стінками і обшивкою


4.2. Шпангоути

Діляться на нормальні і посилені. Нормальні забезпечують збереження форми поперечного перерізу фюзеляжу. Посилені шпангоути встановлюються в місцях передачі на фюзеляж великих зосереджених навантажень. На них розташовуються стикові вузли агрегатів, вузли кріплення вантажів, двигунів, великого устаткування, перегородки гермоотсеков і т. п. Силові шпангоути можуть встановлюватися по межах великих вирізів у фюзеляжі. Нормальні шпангоути зазвичай мають рамну конструкцію і виготовляються штампуванням або фрезеруванням.

Посилені шпангоути виконуються у вигляді замкнутої рами зазвичай двотаврового або швелерного перетину. Рама шпангоута розподіляє зовнішнє навантаження по периметру обшивки, потік дотичних зусиль в якій є опорною реакцією для рами. Сама рама працює на вигин, що здебільшого визначає її перетин. Крім того, в будь-якому перетині рами діють перерізуюча і нормальна сили. Конструктивно така рама виготовляється збірної або монолітною. У місцях установки перегородок силовий шпангоут повністю зашивається стінкою, підкріпленої вертикальними і горизонтальними профілями, або сферичної оболонкою з радіально розташованими підкріплювальними елементами.


4.3. Обшивка

Виготовляється з металевих листів, які формуються за профілем поверхні фюзеляжу і потім кріпляться до каркаса. Стики аркушів розташовуються на поздовжніх і поперечних елементах каркаса. Можливо, особливо для обшивальних фюзеляжів, застосування монолітних оребрених панелей і шаруватої обшивки з легким, зазвичай стільниковим, заповнювачем. Останнім часом набуває поширення обшивка з композиційних матеріалів.

4.4. З'єднання елементів каркасу і обшивки

Можливо три способи з'єднання обшивки з каркасом:

  • обшивка кріпиться тільки до стрингерам,
  • обшивка кріпиться і до стрингерам, і до шпангоутів,
  • обшивка кріпиться тільки до шпангоутів.

У першому випадку утворюються тільки поздовжні заклепочні шви, а поперечні шви відсутні, що покращує аеродинаміку фюзеляжу. Змінні на шпангоутах обшивка втрачає стійкість при менших навантаженнях, що призводить до збільшення маси конструкції. Щоб уникнути цього часто обшивку пов'язують зі шпангоутом додаткової накладкою - компенсатором. Третій спосіб кріплення використовується тільки в обшивальних (бесстрінгерних) фюзеляжах.

Сотовідная обшивка кріпиться до шпангоутів. Вона складається з двох металевих панелей і серцевини. Стільникова конструкція-шестикутного виду матеріал, зроблений з метала. У серцевині знаходиться клей, що дозволяє не використовувати заклепки. Така конструкція має високий опір деформації і здатна передавати напругу по всій своїй поверхні.


4.5. Стикові з'єднання відсіків фюзеляжу

Стики відсіків фюзеляжу балочно-лонжеронной схеми виконуються за допомогою стикових вузлів, розташованих тільки на лонжеронах - точковий стик. Конструктивно для цього використовуються вузли типу "вухо-вилка" або вузли фітингової схеми.

Балочно-стрингерного фюзеляжі стикуються за принципом контурного стику з розташуванням стикових фітингів по всьому периметру стикового шпангоута з обов'язковою силовий зв'язком обшивки і всіх стрингерів стикуємих частин фюзеляжу. Балочно-обшивальні фюзеляжі зазвичай з'єднуються фланцевим стиком, що забезпечує силову зв'язок обшивок стикуємих частин по всьому контуру. Це по суті контурний стик з єдиним стикових елементом - куточка, смуги і т. п.


5. Кріплення агрегатів літака до фюзеляжу

Вузли кріплення агрегатів до фюзеляжу встановлюються на посилених шпангоутах, які виконують роль жорсткого диска, забезпечуючи розподіл зосереджених навантажень по всьому периметру оболонки фюзеляжу. Для передачі зосереджених навантажень поздовжнього напрямку стикові вузли агрегатів повинні бути пов'язані з посиленими поздовжніми елементами фюзеляжу. Для зменшення маси конструкції фюзеляжу завжди бажано зменшувати число посилених шпангоутів, розміщуючи на одному шпангоуті вузли кріплення декількох агрегатів.


5.1. Кріплення крила і стабілізатора

Принциповою особливістю стику крила з фюзеляжем є спосіб урівноваження згинаючих моментів консолей крила в цьому стику. Найбільш раціональним вважається урівноваження згинаючих моментів лівого і правого крила на центроплані, пропущеному через фюзеляж. Для Лонжерон крил з цією метою досить пропустити через фюзеляж тільки лонжерони, на яких і відбудеться урівноваження вигину.

Для кесонних і моноблочних крил через фюзеляж обов'язково повинні пропускатися цілком всі силові панелі крила.

У тому випадку, коли з компонувальних причин пропуск через фюзеляж силових елементів крила неможливий, замикання згинальних моментів ліворуч і праворуч повинно виконуватися на силових шпангоутах фюзеляжу. Таке рішення застосовне лише для Лонжерон крил, у яких число лонжеронів невелика. Кесонні і моноблочні крила вимагають великого числа силових шпангоутів для замикання силових панелей, що конструктивно виконати дуже важко. У цьому випадку слід відмовитися від зазначених силових схем крила і перейти на лонжеронну схему.

Перерізуюча сила крила з кожної його половини повинна передаватися на фюзеляж. З цією метою стінки лонжеронів і додаткові поздовжні стінки крила стикуються з силовими шпангоутами. На ці ж силові шпангоути звичайно опираються і бортові нервюри крила, які, збираючи з замкнутого контуру крила крутний момент, передають його на ці опорні шпангоути. Часто для передачі крутного моменту обшивка крила і фюзеляжу з'єднується по контуру стикувальним уголковим профілем.

Кріплення стабілізатора до фюзеляжу принципово нічим не відрізняється від схеми стикування крила. Вісь обертання керованого стабілізатора зазвичай закріплюється на одному або двох силових шпангоутах фюзеляжу.


5.2. Кріплення кіля

Кріплення кіля до фюзеляжу вимагає обов'язкової передачі його згинального моменту на фюзеляж. З цією метою кожен лонжерон кіля з'єднується з силовим шпангоутом стеночной або рамної конструкції.

Якщо дозволяють умови компонування, то використовується "щоглова" закладення лонжерона в двох точках, рознесених по висоті силового шпангоута. Стріловидний лонжерон кіля має злам в точці перетину з силовим шпангоутом, що вимагає обов'язкової постановки в цьому перетині бортовий посиленою нервюри або посиленої балки на фюзеляжі. Від них можна позбутися, якщо силовий шпангоут поставити похило до осі фюзеляжу так, щоб його площина була продовженням площині стінки лонжерона кіля. Але таке рішення викликає значні технологічні труднощі при виготовленні похилого шпангоута і збірці фюзеляжу.


5.3. Кріплення шасі і двигунів до фюзеляжу

Кріплення двигунів до фюзеляжу здійснюється як усередині до посилених елементів каркаса, так і зовні на спеціальних пілонах. Кріплення пілонів до фюзеляжу подібно кріпленню стабілізатора або крила.

6. Вирізи у фюзеляжі

Вирізи під двері, вікна, ліхтарі, люки, ніші шасі, бойового навантаження порушують замкнутість контуру оболонки фюзеляжу і різко знижують її крутильну і згинальну жорсткість і міцність. Компенсувати ці втрати можна шляхом створення по контуру вирізу досить жорсткою рамної окантовки. При малих розмірах вирізу така окантовка створюється у вигляді монолітної конструкції, одержуваної штампуванням з листа або іншими способами виготовлення.

Великі вирізи окантовуються по торцях силовими шпангоутами, а в поздовжньому напрямку посиленими лонжеронами або бімсами, які не повинні закінчуватися на кордонах вирізу, а продовжуватися за силові шпангоути (плече В), забезпечуючи жорстку закладення цих поздовжніх елементів.

Кріплення шасі виконується до посилених шпангоутів і поздовжнім балках в нижній частині фюзеляжу. Обшивки кіля і фюзеляжу зазвичай з'єднуються стикувальним куточком по контуру кіля.


7. Гермоотсеков

У гермокабіни при польоті на великих висотах підтримується надлишковий тиск до 40-60 КПа. Найбільш раціональною формою гермоотсеков, що забезпечує його мінімальну масу, є сфера або трохи поступається їй за вигідністю - циліндр зі сферичними днищами. Шпангоут в стику циліндра зі сферичним сегментом за рахунок перелому обшивки відчуває чималі стискають навантаження і має бути посилений. Обшивка в таких відсіках при навантаженні надлишковим тиском повністю позбавлена ​​від вигинистих деформацій і працює тільки на розтяг.

Однак, з компонувальних міркувань іноді доводиться відступати від цих раціональних форм, що неминуче призводить до збільшення маси конструкції. Плоскі і близькі до них панелі для забезпечення необхідної изгибной жорсткості при сприйнятті надлишкового тиску повинні мати достатньо потужне підкріплення у вигляді поздовжніх і поперечних ребер ( балок) або виготовлятися у вигляді тришарових конструкцій.

У конструкціях герметичних відсіків повинна бути забезпечена надійна герметизація по всіх заклепувального і болтовим швах. Герметизація швів забезпечується прокладанням між сполучаються елементами спеціальних стрічок, просочених герметиком, промазуванням швів Невисихаюче замазкою, покриттям швів рідким герметиком з подальшою гарячою сушкою. У місцях стику листів обшивки використовуються багаторядні заклепочні шви з малим кроком заклепок.

За допомогою спеціальних гермоузлов забезпечується ущільнення висновків проводки управління, трубопроводів, електроджгутів і т. п.

Особлива увага приділяється герметизації ліхтарів, люків, дверей, вікон, що забезпечується спеціальними ущільнювальними пристроями у вигляді гумових стрічок, джгутів, прокладок, надувних трубок.