Требования, предъявляемые к
Самолет должен иметь заданные летные характеристики: скорость, дальность и продолжительность полета, скороподъемность, высоту полета, как можно меньшую посадочную скорость, хорошую устойчивость и управляемость при обеспечении безопасности полета.
Как средство транспорта, самолет и вертолет должны иметь хорошие экономические показатели, т.е. малую стоимость производства в целом, низкие эксплуатационные расходы, большую продолжительность службы, обладать достаточной прочностью и жесткостью, высокой живучестью и надежностью.
Эксплуатационные требования включают обеспечение удобных подходов к двигателям, узлам управления, агрегатам, оборудованию.
Требования ремонтной пригодности сводятся к обеспечению возможности быстро и дешево восстанавливать поврежденные и износившиеся части и детали.
От пассажирских самолетов и вертолетов требуется, кроме того, удобство размещения пассажиров, обеспечение их комфорта, создание наиболее благоприятных условий для жизнедеятельности человеческого организма.
Многие из перечисленных требований противоречивы: улучшение одних данных ведет к ухудшению других. Так, например, увеличение максимальной скорости полета приводит к росту посадочной скорости, ухудшению маневренности самолета; требования прочности, жесткости и живучести противоречат требованию уменьшения массы конструкции; увеличение дальности полета может быть достигнуто путем снижения полезной нагрузки и т.п. Невозможность одновременного выполнения противоречивых требований исключает создание многоцелевого самолета и вертолета. Поэтому любой самолет и вертолет проектируют для выполнения определенных задач.
Значительное влияние на летно-технические показатели самолетов и безопасность полетов на всех необходимых летных режимах оказывает аэродинамическая компоновка, под которой понимают рациональный выбор внешних форм и взаимного расположения крыла, оперения, фюзеляжа и силовой установки.
Основной признак классификации ЛА - их назначение, так как оно, в первую очередь, определяет летно-технические данные, внешние формы, основные размеры, насыщенность оборудованием и пр. Все самолеты и вертолеты делятся на гражданские, государственные и экспериментальные (ИЛ-76ЛЛ). Гражданские самолеты и вертолеты транспортные, специального применения и учебные предназначены для обслуживания народного хозяйства.
Транспортные самолеты подразделяются на пассажирские и грузовые.
Грузовые вертолеты и самолеты от пассажирских отличаются отсутствием бытового оборудования, обеспечивающего необходимые удобства пассажирам, увеличенными размерами грузовых помещений, наличием больших грузовых дверей, более прочным полом, установкой на борту устройств, механизирующих погрузку и разгрузку. Такие ЛА должны обладать большой грузоподъемностью и экономичностью.
Самолеты и вертолеты специального применения выполняют самые различные задачи в народном хозяйстве и отличаются от транспортных особым оборудованием и, в отдельных случаях, большей емкостью баков для топлива.
Учебные самолеты и вертолеты предназначены для обучения технике пилотирования и самолетовождению пилотов.
1.3. Схемы самолетов
Все самолеты можно объединить в группы, различающиеся по следующим конструктивным признакам: числу и расположению крыльев; типу фюзеляжа; форме и расположению оперения; типу, количеству и расположению двигателей; конструкции и расположению шасси. Схема самолета (Рис1.4) в большой степени влияет на летные, весовые и эксплуатационные характеристики.
По числу крыльев различают:
монопланы - самолеты с одним крылом и бипланы - самолеты с двумя крыльями, расположенными одно над другим;
бипланы, у которых одно из крыльев короче другого, получили название полуторапланов. На заре развития авиации встречались самолеты с тремя несущими поверхностями (трипланы) и даже пятипланы. Биплан маневреннее моноплана, так как при одинаковой площади крыльев размах их и длина оказываются меньшими у биплана. Основной недостаток биплана- большее чем у моноплана лобовое сопротивление, которое затрудняло дальнейший рост скоростей полета. В современной авиации самолеты- бипланы встречаются редко. Подавляющее большинство современных самолетов выполняется по схеме моноплана.
В зависимости от положения крыла относительно фюзеляжа различают самолеты с низким (низкоплан), средним (среднеплан) и высоким (высокоплан) расположением крыла.
При низком расположении крыла конструктивно проще расположить оперение выше крыла и вывести его из зоны затенения воздушным потоком, сбегающим с крыла. Кроме того, при этом высота стоек шасси получается небольшой, что позволяет уменьшить массу шасси. Однако низкоплан с аэродинамической точки зрения из-за взаимного влияния крыла и фюзеляжа (интерференции) менее выгоден. К тому же нижнее расположение крыла дает плохой обзор вниз из окон пассажирских кабин.
Самолеты со средним расположением крыла в современной авиации получают все большее распространение, так как у них взаимное влияние крыла и фюзеляжа, определяющее общее сопротивление самолета, наименьшее. Недостаток самолета со средним расположением крыла - необходимость пропускать продольные силовые элементы крыла через фюзеляж, что затрудняет размещение в этом месте грузов, оборудования и пассажиров.
Рис.1.4. Схемы самолетов
Рис. 1. 4 Схемы самолетов
Самолеты с высокорасположенным крылом отличаются следующими преимуществами: высокое размещение двигателей от поверхности ВПП уменьшает возможность попадания в них твердых частиц с поверхности аэродрома; простота загрузки и разгрузки самолета; хороший обзор внизу из окон пассажирских кабин. Для летающих лодок высокое расположение крыла наиболее рационально. К недостаткам схемы относятся: трудность уборки шасси в крыло, утяжеление конструкции шасси и фюзеляжа (для обеспечения безопасности при посадке с убранными шасси), сложность обслуживания двигателей и крыла, заправки топливных и масляных баков. Самолеты с высокорасположенным крылом получили широкое распространение в транспортной авиации для перевозки грузов.
По типу фюзеляжа самолеты подразделяются на несколько видов. Подавляющее большинство современных самолетов имеет фюзеляжи, которые служат не только для размещения экипажа, пассажиров, оборудования и грузов, но и для крепления крыла и оперения. Фюзеляжи, не несущие оперения, называют гондолами. Оперение в этом случае поддерживается двумя балками, и самолеты при этом иногда называют двухбалочными. Такая схема удобна для грузовых самолетов, так как в задней части гондолы можно сделать большие люки для погрузки крупногабаритных грузов.
У самолетов может быть два фюзеляжа и может не быть фюзеляжа совсем. Самолет без фюзеляжа называется «летающим крылом». фюзеляж заменяет вмонтированная в крыло гондола, если масса самолета небольшая и не удается разместить все грузы в толщине крыла. Если же самолет имеет большие размеры, то функции фюзеляжа выполняет само крыло.
По расположению оперения различают:
самолеты, у которых оперение (горизонтальное - стабилизаторы и руль высоты, вертикальное - киль и руль поворота) размещается позади крыла;
самолеты типа «утка», у которых горизонтальное оперение располагается впереди крыла;
самолеты типа «бесхвостка» и «летающее крыло», у которых оперение находится на крыле.
Наибольшее распространение получили самолеты с расположением оперения позади крыла. Оперение может быть однокилевым, многокилевым и V-образным. Наибольшее распространение в настоящее время получило однокилевое оперение.
По типу шасси самолеты подразделяются на сухопутные, гидросамолеты и амфибии. Шасси сухопутных самолетов бывает колесным, лыжным, гусеничным. Последнее встречается редко. Иногда в конструкции шасси предусмотрена возможность замены колес лыжами.Так как шасси необходимо только при взлете, посадке и рулении, то в полете для уменьшения лобового сопротивления желательно убирать его в крыло или фюзеляж.
Гидросамолеты бывают лодочные и поплавковые. У лодочных фюзеляж служит для размещения экипажа, пассажиров, грузов и оборудования, а так же для взлета с водной поверхности и посадки на нее. У гидросамолетов поплавковой схемы для взлета и посадки служат специальные поплавки.
Колесные шасси самолетов могут быть по схеме с хвостовой, передней опорой и велосипедного типа.
По типу двигателей самолеты можно разделить на поршневые, турбовинтовые и турбореактивные, по количеству двигателей на одно-, двух-, трех-, четырех-, шести-, восьмидвигательные. Типы и количество двигателей влияют на их размещение на самолете. Важно так их разместить, чтобы не нарушались нужные аэродинамические формы крыла и фюзеляжа, а так же изменение тяги не оказывало бы существенного влияния на балансировку и устойчивость самолета. Размещение двигателя должно обеспечивать хороший подход к агрегатам при обслуживании, а также простоту его замены.
Поршневые и турбовинтовые двигатели чаще всего располагают на крыле (у многомоторных самолетов), в носовой части фюзеляжа и над фюзеляжем (на гидросамолетах, где требуется удалить двигатель и винт от поверхности воды). Самолеты с поршневыми и турбовинтовыми двигателями могут быть с тяннущим или толкающим винтами.
Реактивные двигатели могут располагаться внутри фюзеляжа, внутри крыла либо под крылом, в хорошо обтекаемых гондолах и на фюзеляже. Размещение двигателя полностью внутри крыла возможно только на самолетах больших размеров и с не очень тонким крылом. При размещении двигателей внутри крыла у самолета могут быть сохранены достаточно хорошие аэродинамические формы.
Большое количество самолетов имеет двигатели, расположенные с боков фюзеляжа в хвостовой его части. Такое расположение имеет ряд преимуществ по сравнению с расположением двигателей на крыле: уменьшается разворачивающий момент при отказе части двигателей; крыло, лишенное надстроек, имеет высокое аэродинамическое качество; значительно снижается шум в пассажирской кабине, так как основной источник шума- двигатели- удалены назад по полету.
Недостатки такого расположения двигателей следующие: более усиленная, а значит более тяжелая хвостовая часть фюзеляжа; удлинение коммуникаций управления двигателем; ухудшение путевой устойчивости вследствие удлинения носовой части фюзеляжа.
1.4 Схемы вертолетов
Классифицировать вертолеты можно по различным признакам, например по виду привода несущего винта, числу винтов, их расположению или по методу компенсации реактивного момента несущего винта (НВ).
Реактивный момент возникает при вращении НВ. Он поворачивает корпус вертолета в сторону, противоположную направлению вращения винта.
Реактивный момент
M р = 716,2(N/n),
где N - мощность двигателя, приводящего НВ во вращение;
n - частота вращения винта, об/мин.
При одинаковой мощности двигателей реактивный момент у вертолета значительно больше, чем у самолета, так как НВ вертолета делает 200-350 об/мин, а винт самолета 2000-2500 об/мин.
По способу компенсации реактивного момента НВ различают шесть основных схем вертолетов (рис.1.5): одновинтовая c рулевым винтом; двухвинтовая поперечная; двухвинтовая соосная; двухвинтовая продольная; многовинтовая; с реактивными двигателями (или соплами), установленными на лопастях НВ.
Одновинтовая схема с рулевым винтом (рис 1.5,а) предложена Б.Н. Юрьевым в 1910 году и в настоящее время имеет наибольшее распространение. Реактивный момент несущего винта компенсируется моментом от тяги, развиваемой винтом меньшего диаметра, который установлен в хвостовой части фюзеляжа. Хвостовой винт приводится во вращение тем же двигателем, который вращает и несущий винт через трансмиссию.
Трансмиссия включает в себя редукторы, валы, муфты.
Тяга рулевого винта, а значит, и момент, создаваемый ею, могут изменяться, что и используется для путевого управления вертолетом. Существуют вертолеты, у которых для компенсации реактивного момента вместо рулевого винта используется реактивная тяга газов, двигателей или воздуха от компрессора. Однако такие схемы не получили широкого распространения главным образом из-за потери управляемости аппарата во время снижения его авторотирующим НВ при отказе двигателя, а также вследствие значительных потерь мощности двигателя в полете.
Вертолеты соосной схемы (рис 1.5,б) имеют два противоположно вращающихся на одной оси с одинаковой частотой винта, расположенных друг над другом. Поскольку геометрические размеры, форма лопастей, углы атаки и частота вращения верхних и нижних винтов одинаковы, то реактивные моменты их взаимно уравновешиваются. Путевое управление осуществляется дифференциальным изменением углов установки лопастей верхнего и нижнего винтов. На несущих винтах при этом возникает разность крутящих моментов, что и приводит к повороту корпуса вертолета в требуемую сторону. Часто для улучшения путевого управления вертолет соосной схемы снабжают рулями поворота, действие которых подобно действию аналогичных рулей на самолете.
Вертолеты продольной схемы (рис 1.5,в) выполняются с двумя несущими винтами, установленными на концах фюзеляжа (тандем). В полете они вращаются с одинаковой частотой в противоположные стороны, вследствие чего взаимно уравновешиваются их реактивные крутящие моменты. Для избежания в горизонтальном полете вредного влияния переднего винта на задний плоскость вращения последнего располагается выше плоскости вращения переднего винта. Обычно расстояние между осями несущих винтов меньше их диаметров. В таком случае говорят, что винты работают с «перекрытием». Для предотвращения столкновения лопастей обязательна синхронизация вращения винтов, необходимая и для взаимного уравновешивания крутящих моментов (Як- 12).
Вертолеты двухвинтовой поперечной схемы (рис 1.5,г) имеют два несущих винта, разнесенные по бокам фюзеляжа. Винты вращаются в противоположных направлениях с одинаковой частотой, вследствие чего уравновешиваются реактивные крутящие моменты. У вертолетов поперечной схемы для крепления несущих винтов рационально применять крыло, которое в полете с поступательной скоростью разгружает несущие винты. Для уменьшения поперечных размеров вертолетов несущие винты иногда устанавливают на фюзеляже очень близко друг к другу. В этом случае вращающиеся лопасти проходят под втулкой соседнего винта, но их оси вращения наклонены. Такие вертолеты получили наименование двухвинтовых вертолетов поперечной схемы с перекрещивающимися винтами. В этой схеме должна быть обеспечена надежная синхронизация вращения винтов, полностью исключающая возможность столкновения лопастей.
Многовинтовая схема применяется на вертолетах с большой полетной массой. Сложность конструкции трансмиссии и управления пока ограничивают возможность создания вертолетов с числом несущих винтов более двух, но все же с о определенной долей оптимизма можно ожидать в ближайшем будущем с тремя- четырьмя несущими винтами, способными перевозить грузы с массой 70-100т на 100-200км. Для перевозки более тяжелых грузов предпочтительной представляется схема, сочетающая вертолет и дирижабль.
Рис. 1.5 Схемы вертолетов
Вертолеты с реактивными двигателями (рис 1.5, д,е) имеют на лопастях несущего винта небольших размеров реактивные двигатели или сопла, к которым по трубопроводам, находящимся внутри лопастей, подходят либо продукты сгорания реактивного двигателя, расположенного в фюзеляже, либо сжатый воздух от компрессора. В результате при истечении продуктов сгорания или воздуха возникает реактивная тяга, которая вращает несущий винт.
Вследствие того, что крутящий момент создается непосредственно на несущем винте, реактивный момент на корпус вертолета не передается. Каких- либо устройств для уравновешивания реактивного крутящего момента не требуется, а поэтому реактивные вертолеты строятся по наиболее простой одновинтовой схеме. У таких вертолетов отпадает необходимость в установке сложной и громоздкой трансмиссии для передачи мощности на винт.
По этим причинам реактивные вертолеты в сравнении с вертолетами с механическим приводом несущего винта имеют более простую конструкцию, больший полезный объем грузовых и пассажирских кабин, лучшую весовую отдачу. Однако при создании реактивных вертолетов возникают следующие трудности:
сложность создания малогабаритных реактивных двигателей, устойчиво работающих в поле больших центробежных сил;
большой расход топлива;
двигатели и сопла, установленные на лопастях, ухудшают аэродинамические характеристики несущего винта, что особенно сказывается в режиме авторотации;
сложность конструкции втулки и лопасти несущего винта с компрессорным приводом.
Некоторые конструкции реактивных вертолетов имеют хвостовые винты, но они служат для обеспечения путевого управления и поэтому имеют небольшие размеры и потребляют небольшую мощность.