Фюзеляж нагружен в плоскостях XOY и XOZ поперечными силами Qв и Qг и изгибающими моментами Мz и Мy, а также крутящим моментом Мk. На эти нагрузки хорошо работают жесткие тонкостенные замкнутые оболочки - про-странственные балки. Фюзеляжи, выполненные в виде таких балок, называются балочными. В этих фюзеляжах оболочки имеют подкрепление в виде каркаса, состоящего из продольных (стрингеры и усиленные стрингеры-лонжероны) и поперечных (нормальные и усиленные шпангоуты) силовых элементов. Подкрепляющий оболочку каркас может включать в себя се эти элементы или часть из них, приводя к большому разнообразию конструкций КСС такого типа фюзеляжей. Обеспечивая достаточные прочность и жесткость инструкции фюзеляжа при наименьших затратах массы, конструкция балочных фюзеляжей позволяет: придавать им наиболее выгодные аэродинамические формы; обеспечивать получение гладкой поверхности; получать наилучшие условия для злее полного использования внутренних объемов фюзеляжа; размещать в них герметизированные кабины и др. Все это и предопределило широкое развитие КСС фюзеляжей балочного типа.
Однако раньше, чем появились и стали совершенствоваться балочные фюзеляжи, в конструкциях самолетов применялись форменные фюзеляжи, способные, как и балочные фюзеляжи, воспринимать Qв, Qг, Mz, My и Мk и работать от этих нагрузок. Вот почему фюзеляжи по своим КСС разделяются (если подходить хронологически) на фюзеляжи форменной и балочной конструкций.
Фюзеляжи ферменной конструкции представляют собой пространственные фермы, состоящие из двух вертикальных (боковых) и двух горизонтальных (верхней и нижней) ферм, элементы которых (стержни) работают на растяжение-сжатие, а обшивка - на местную воздушную нагрузку. В таком фюзеляже силовыми элементами являются лонжероны (пояса ферм), стойки и раскосы в вертикальной плоскости, распорки и расчалки (гибкие стальные ленты) в горизонтальной плоскости, расчалки или раскосы между фермами и обшивка. Фермы обычно статически определимые (тоща они получаются легче). Определение усилий в стержнях фермы от действия внешних сил производится известными методами строительной механики и, в частности, методом вырезания узлов с дальнейшим разложением сил по направлениям стержней. Форменные конструкции фюзеляжей широко применялись в годы первой мировой войны. Однако и во время Великой Отечественной войны еще использовались самолеты с фюзеляжами ферменной конструкции (например, конструкции самолетов Як-1, МиГ-3 и др.). Сейчас форменные фюзеляжи можно встретить на небольших поршневых самолетах, летающих на малых дозвуковых скоростях, и на вертолетах. Возможно применение ферменных фюзеляжей на космических летательных аппаратах, где они обеспечивают благодаря шарнирным связям в узлах ферм лучшие условия работы конструкции при нагреве. В самолетах при увеличении скоростей полета (увеличении pV2/2) необходимы работающая обшивка, более обтекаемые формы фюзеляжа. Эти задачи стали решать включением в конструкцию фюзеляжа специальных надстроек-обтекателей (гаргротов). Однако масса фермы плюс масса связанных с ней надстроек с работающей обшивкой и узлов их крепления уже не могут конкурировать по затратам массы с балочными фюзеляжами. Кроме того, форменные фюзеляжи обладают меньшими возможностями для использования внутренних объемов из-за их загромождения поперечными элементами ферм (расчалками и раскосами), что затрудняет компоновку фюзеляжа и всего самолета в целом, форменные фюзеляжи обладают значительно меньшей, чем у балочных фюзеляжей, боевой живучестью, что очень важно для боевых самолетов. Вот почему область применения ферменных фюзеляжей резко ограничилась.
В ферменном фюзеляже на осевые силы от изгиба (от действия Мz и Му) работают в основном пояса лонжеронов. Поперечные силы Qв и Qг воспринимаются элементами вертикальных (боковых) и горизонтальных (верхней и нижней) ферм - стойками, распорками и раскосами; крутящий момент Мк - пространственной фермой, состоящей из четырех ферм, соединенных в замкнутый контур.
Фюзеляж геодезической конструкции. Разновидностью ферменного фюзеляжа является фюзеляж геодезической конструкции. Особенность такой конструкции заключается в геодезической сетке, которая заменяет работающую обшивку. Технологические трудности изготовления фюзеляжа геодезической конструкции (геодезической сетки) и большая его масса (сетка с большим числом связующих ее узлов плюс обшивка) не позволили таким фюзеляжам конкурировать с быстро совершенствующимися конструкциями балочных фюзеляжей.
Балочные фюзеляжи состоят из тонкостенной работающей замкнутой оболочки и подкрепляющего ее каркаса. Различают балочно-лонжеронные, балочно-стрингерные и балочно-обшивочные фюзеляжи.> В таких балочных фюзеляжах материал их конструкции распределен достаточно равномерно по периметру сечений (максимально разнесен относительно нейтральной оси) и используется поэтому наиболее целесообразно при восприятии различных нагрузок.
Балочно-лонжеронный фюзеляж. В таком фюзеляже основными силовыми элементами являются мощные лонжероны, воспринимающие изгибающие моменты. Обшивка тонкая, подкрепленная стрингерами и шпангоутами, чтобы не теряла устойчивость при работе на сжатие от Мz и Мy и на сдвиг от поперечных сил Qв и Qг и крутящего момента Мк. Лонжероны в таком фюзеляже отличаются от лонжеронов крыла тем, что не имеют стенки и представляют собой те же стрингеры, только значительно большего поперечного сечения, выполненные прессованием или прокаткой. Чаще они Т-образного сечения и работают только на осевые силы. Поэтому такие силовые элементы называют еще и усиленными стрингерами.
На первых балочных фюзеляжах лонжероны (усиленные стрингеры), как когда-то пояса ферм в форменных фюзеляжах, размещались по всей длине фюзеляжа так, чтобы рациональнее можно было использовать его строительную высоту. Однако как в крыле с увеличением нагрузок (возрастанием главным образом изгибающих моментов) становился целесообразным переход на кессонную (моноблочную) КСС, так и в фюзеляже при этих условиях стала целесообразнее балочно-стрингерная КСС. Появляются смешанные КСС фюзеляжей, когда лонжероны применяются только в той части фюзеляжа, где есть либо вырезы, которые надо компенсировать в силовом отношении (вырезы под фонарь герметической кабины, под отсеки оборудования, вырезы для ниши шасси, топливные баки, для отсека двигателя и т.д.), либо лонжероны (продольные балки) используют для восприятия сосредоточенных продольных сил (от тяги двигателей, от силы отдачи оружия и т.д.). На участке больших вырезов в фюзеляже (например, под отсек целевой нагрузки, под нишу стойки шасси с многоколесной тележкой) продольные силовые элементы, окантовывающие вырезы и нагруженные большими осевыми силами, выполняют в виде пространственных балок - бимсов.
Балочно-стрингерные фюзеляжи состоят из обшивки, подкрепленной стрингерами и шпангоутами, работающей совместно со стрингерами на осевые силы (растяжение - сжатие) при восприятии изгибающих моментов Мz и Мy и на сдвиг от перерезывающих сил Qв и Qг и от крутящего момента Мк В балочно-стрингерных фюзеляжах шпангоуты ставятся чаще, чтобы повысить устойчивость работы стрингеров на сжатие и обшивки - на сдвиг и сжатие за счет уменьшения расстояний между их опорами. Шаг стрингеров в таких конструкциях, зависящий от толщины обшивки Sоб, принимается в пределах 100...200 мм, а шаг шпангоутов - 200...500 мм в зависимости от значений Sоб, конфигурации и размеров сечения стрингеров. При использовании для обшивки фюзеляжа монолитных панелей шаг между шпангоутами увеличивается. Масса фюзеляжа Мф, составляющая 8...15 % от взлетной массы самолета и до 40 % от массы планера, распределяется между элементами конструкции фюзеляжа следующим образом: на обшивку - 25...30 % от Мф, на стрингеры - 12...20 %, на шпангоуты - 20...27 %, полы - 6...12 %, фонарь пилотов - для легких самолетов 10...12 %, для тяжелых - 2...3 %, двери, трапы, люки, перегородки и прочее - 13...17 и 12...15 % соответственно для легких и тяжелых самолетов.
Балочно-обшивочные фюзеляжи состоят из обшивки, подкрепленной набором нормальных и усиленных шпангоутов. Обшивка воспринимает все виды нагрузок: Qв, Qг, Мz, Мy и Мк и работает как на нормальные, так и на касательные напряжения. Чтобы обшивка не теряла устойчивости, увеличивают ее толщину, что приводит к увеличению массы обшивки и всего фюзеляжа. Снизить массу фюзеляжу и повысить одновременно его жесткость можно, применив многослойную обшивку с заполнителем. Балочно-обшивочные фюзеляжи с работающей на все виды нагрузок толстой обшивкой обладают высокой боевой живучестью. Такая КСС применялась в конструкции хвостовой части фюзеляжа штурмовика Ил-2, где обшивка выклеивалась из многих слоев тонкого фанерного шпона. Однако сейчас фюзеляжи такой КСС в чистом виде не встречаются. Они уступают балочно-стрингерным фюзеляжам в самом главном - по массе, так как большое число вырезов в фюзеляжах современных самолетов, необходимых для облегчения их технической эксплуатации и закрытых быстросъемными несиловыми лючками или силовыми люками (крышками), требует больших дополнительных затрат массы на подкрепление мест вырезав Эта задача решается при меньших дополнительных затратах массы в фюзеляжах, где в КСС уже входят продольные и поперечные силовые элементы: стрингеры (усиленные стрингеры) и шпангоуты (усиленные шпангоуты) и где эти же силовые элементы используются для передачи на обшивку фюзеляжа сосредоточенных поперечных и осевых сил от прикрепленных к фюзеляжу агрегатов. Наиболее рациональными в этом плане КСС фюзеляжей и являются балочно-стрингерные фюзеляжи.