Назначение крыла и требования к нему

Основное назначение крыла — создание подъемной силы при поступательном движении самолета. Кроме того, крыло служит для создания устойчивости и управляемости самолету; к конструкции крыла крепятся элероны, механизация и, часто, шасси и силовые установки; внутренний объем крыла используется для размещения оборудования и топлива. Форма и конструкция крыла должны удовлетворять требованиям аэродинамики, технологии изготовления, эксплуатации и пр. Требования к крылу самолета могут быть сведены в несколько основных групп.
1. Аэродинамические требования. Наименьшее сопротивление (формы, трения, волновое, индуктивное, интерференции и пр.); возможность получения наибольшего сухалх при применении механизации; наибольшая величина аэродинамического качества су/сх; обеспечение достаточной устойчивости, управляемости и необходимой балансировки на всех режимах полета.
2. Конструктивные требования. Малый вес при достаточной прочности и жесткости крыла (полное удовлетворение требованиям норм прочности); возможность удобной конструктивной увязки конструкции крыла с другими агрегатами самолета. Сохранение заданного профиля крыла при эксплуатационных перегрузках с учетом нагрева обшивки при полетах на больших скоростях.
3. Эксплуатационные требования. Максимальное использование внутреннего объема, высокая живучесть (т. е. минимальная уязвимость силовых элементов, органов управления и механизации), доступность для осмотра и обслуживания всех ответственных частей и деталей, легкость ремонта, эксплуатация в любое время года, удобное размещение оборудования и всех частей, которые расположены на крыле и внутри его, возможность хранения под открытым небом, взаимозаменяемость крыла и его частей.
4. Производственно-экономические требования. Удовлетворяя всей совокупности требований, конструкция крыла должна допускать применение при данном объеме производства наиболее экономичной технологии изготовления. Следует иметь в виду, что значительная часть требований, предъявляемых к крылу, взаимно противоречива. Например, тонкое крыло хорошо удовлетворяет требованиям минимального лобового сопротивления, но по весу, величине cymax, а также по использованию внутренних объемов оно оказывается невыгодным по сравнению с толстым крылом. Наличие разъемов и вырезов в крыле обеспечивает сборочные работы, транспортировку и обслуживание во время эксплуатации, однако при этом увеличивается лобовое сопротивление и вес конструкции крыла и т. д. Конструктору приходится находить рациональное компромиссное решение, наилучшим образом удовлетворяющее предъявляемым требованиям.
Профили крыльев
Поперечное сечение крыла называют его профилем (дужкой). Аэродинамические характеристики профиля зависят от его геометрических параметров. Двояковыпуклый несимметричный профиль в настоящее время наиболее часто применяется у самолетов с поршневыми двигателями, так как обладает малым профильным сопротивлением на средних и больших углах атаки и дает сравнительно высокие значения сушах. Некоторые из профилей этого типа имеют постоянный центр давления (на ~25% хорды), что способствует уменьшению веса конструкции крыла. S-образный профиль (профиль со средней линией, имеющий форму буквы S) имеет несколько отогнутый вверх хвостик, что позволяет получить профиль с постоянным центром давления Значение сушах у такого профиля меньше, чем у профиля без отогнутого вверх хвостика. Двояковыпуклый симметричный профиль (у которого средняя линия совпадает с линией хорды, дает малое сопротивление на малых углах атаки, применяется для крыльев дозвуковых и околозвуковых самолетов и, как правило, для хвостового оперения всех самолетов. Современные профили, применяемые для околозвуковых самолетов, имеют обычно симметричные очертания, малые радиусы закругления носка, малые значения с 40—50% хорды. По виду спереди различают крылья с различными поперечными V. Поперечное V крыла измеряется углом между горизонтальной плоскостью и плоскостью хорд полукрыла. Значение его может быть положительным — крыло отогнуто кверху, отрицательным — крыло отогнуто и нулевым. Положительное поперечное V служит для увеличения поперечной устойчивости самолета; отрицательное поперечное V — для уменьшения поперечной устойчивости самолета. Такие крылья уменьшают интерференцию крыла и фюзеляжа, но являются более сложными в производстве.
Формы крыльев в плане
При одинаковых относительных толщинах профиля абсолютная толщина профиля в корне прямоугольного крыла будет меньше благодаря меньшей корневой хорде. Как известно, балка с меньшей высотой, работающая на изгиб, получается более тяжелой, так как момент сопротивления ее меньше (при прочих равных условиях). Недостатком прямоугольного крыла, по сравнению с трапецевидным, является также ограниченность внутренних объемов, благодаря малой абсолютной толщине профиля в корневом и близлежащих к нему сечениях. Прямые трапецевидные крылья получили широкое распространение в свободнонесущих монопланах. Имея преимущества перед прямоугольным крылом в величине индуктивного сопротивления и веса, а также в лучшем использовании внутренних объемов, трапецевидное крыло несколько сложнее в производстве подъемной силы по размаху крыла, меняется устойчивость и управляемость самолета. В связи с ростом скоростей полета самолетов и необходимостью перенести начало волнового кризиса в область более высоких скоростей, широкое применение нашли стреловидные крылья. Стреловидность бывает прямой — концевое сечение крыла отнесено назад относительно корневого и обратной — концевое сечение вынесено вперед.
Составляющая скорости
Прямая стреловидность повышает поперечную устойчивость самолета. Повышенная поперечная устойчивость стреловидного крыла требует иногда придания крылу отрицательного поперечного V для уменьшения поперечной устойчивости и обеспечения умеренных усилий при управлении элеронами. Кроме того, прямая стреловидность повышает путевую устойчивость самолета. Обратная стреловидность применяется редко и главным образом из соображений улучшения характеристик стреловидного крыла на больших углах атаки. Влияние ее на волновой кризис аналогично прямой стреловидности. Но стреловидные крылья обладают и существенными недостатками. Так как характеристики крыла обусловлены не скоростью полета, а составляющей, перпендикулярной линии четвертей хорд, то подъемная сила стреловидного крыла меньше, чем нестреловидного (при прочих равных условиях). Коэффициент максимальной подъемной силы стреловидного крыла также снижается. Резко падает эффективность механизации. У стреловидных крыльев срыв потока с крыла начинается с его концов на сравнительно небольших углах атаки. Этому способствует скольжение потока вдоль крыла. Концевой срыв ухудшает «оперенную устойчивость и управляемость, а также продольную устойчивость на больших углах атаки вследствие падения подъемной силы концов крыла. Это явление можно частично устранить установкой на крыле гребней, уменьшающих перетекание пограничного слоя вдоль крыла. Существенным недостатком стреловидного крыла является его большой вес по сравнению с прямым крылом, имеющим те же значения удлинения, сужения и относительной толщины. Увеличение веса стреловидного крыла объясняется увеличением длины крыла и сложностью конструкции крыла у борта фюзеляжа (см. конструктивные особенности стреловидных крыльев). Существенное влияние стреловидности на волновое сопротивление имеет место при числах М= 0,8-1,8. При М>1,8 стреловидность не дает уменьшения волнового сопротивления. Поэтому, учитывая изложенные выше недостатки стреловидных крыльев для самолетов, летающих на больших сверхзвуковых скоростях (примерно, начиная с М=1,8-2,0) целесообразно применять прямое крыло малого удлинения. Естественно, что такое решение идет в ущерб характеристикам этих самолетов на дозвуковых и малых сверхзвуковых скоростях. В связи с этим на некоторых самолетах применяются крылья с «изменяемой геометрией», т. е. с изменяемым углом стреловидности. Конструктивная сложность таких крыльев препятствует их распространению.
Треугольные крылья
В настоящее время применяются треугольные крылья с большой стреловидностью и малым удлинением. Основные преимущества треугольного крыла, по сравнению с прямым крылом, следующие:
1. Незначительное увеличение при полете на околозвуковых скоростях. Это обусловлено большой стреловидностью треугольного крыла (60° и более по передней кромке) и малым удлинением.
2. Малое лобовое сопротивление при полетах на сверхзвуковых скоростях, что обусловлено малым удлинением треугольного крыла.
3. Треугольное крыло имеет большие хорды на значительной части размаха, что при данной толщине профиля позволяет получить меньшую относительную толщину его, а это также улучшает аэродинамические характеристики крыла.
4. При одинаковой относительной толщине профиля жесткость треугольного крыла выше, внутренний объем больше, чем у крыла другой формы.
5. По аналогии с фиг. 5, легко заключить, что у треугольного крыла равнодействующая аэродинамических сил на полукрыле будет расположена ближе к корню, чем у крыла трапецевидного и прямоугольного. Больше будет также абсолютная толщина профиля в корне из-за больших хорд. Поэтому 'Конструкция треугольного крыла имеет наименьший вес.
Наряду с этими преимуществами треугольного крыла ему присущи весьма существенные недостатки:
1. Максимальная подъемная сила на самолете с треугольным крылом получается при таких больших углах атаки, которые оказываются недостижимыми гари практически приемлемых длинах ног шасси.
При применяемых посадочных углах атаки, коэффициент подъемной силы треугольного крыла, меньшие чем у прямого крыла значения коэффициента подъемной силы на всех углах атаки.
3 Меньшее значение качества-как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях.
4 Ограничена возможность применения и эффективного использования механизации крыла, как из-за малого размаха треугольного крыла, гак и из-за малого приращения коэффициента подъемной силы и создания значительных пикирующих моментов при отклонении закрылков (щитков).
Самолет с треугольным крылом можно выполнять без горизонтального оперения, по схеме «бесхвостка». Рули высоты размещают в хвостовой части крыла. Для компенсации этого приходится принимать малые значения удельных нагрузок, т. е. увеличивать площадь крыла при данном полетном весе, что увеличивает вес конструкции.

Деформации крыла и работа его элементов

Крыло самолета с точки зрения строительной механики представляет собой балку, которая в общем случае может быть нагружена распределенными и сосредоточенными силами. Эти силы производят изгиб и кручение крыла. Конструкция крыла состоит из продольного и поперечного наборов и обшивки. Лонжероном называется мощный продольный элемент балочной или ферменной конструкции, воспринимающий значительную часть изгибающего момента и поперечную силу. При этом пояса лонжерона нагружаются осевыми силами, а его стенка или ферма— поперечными силами. Крепление лонжеронов в корневой части осуществляется разнесенными по высоте узлами, способными передать изгибающий момент. Продольной стенкой называют элемент, расположенный вдоль по размаху крыла (по всей его длине или только в некоторой его части) и воспринимающий поперечную силу от изгиба и кручения крыла. Крепление продольных стенок в корневой части осуществляется шарнирным узлом, который не может передать изгибающий момент. По конструкции и расположению продольные стенки аналогичны лонжеронам крыла, но имеют весьма слабые пояса, поэтому их часто называют также дополнительными лонжеронами или лонжеронами-стенками. Соединяя верхнюю и нижнюю обшивку крыла, продольные стенки совместно с обшивкой и стенками лонжеронов образуют в поперечном сечении крыла замкнутые контуры, которые воспринимают крутящий момент. Обычно продольные стенки, расположенные в хвостовой части, используют для крепления закрылов или щитков и элеронов. Стрингером называется продольный элемент, воспринимающий осевые нагрузки от изгиба и местные аэродинамические нагрузки и подкрепляющий обшивку. Стрингер представляет собой профиль в виде уголка, швеллера и т. п. Иногда вместо стрингеров для подкрепления обшивки между лонжеронами ставят гофр с волнами, расположенными по размаху. Нервюрами называются элементы поперечного набора, представляющие собой тонкостенные плоские балки или фермы. Они сохраняют заданную форму профиля крыла, передают местные нагрузки на лонжероны и обшивку, поддерживают стрингеры, обшивку и стенки, увеличивая их критические напряжения. Обшивка крепится к продольным и поперечным элементам конструкции крыла и образует гладкую поверхность его. Обшивка не только воспринимает аэродинамическую нагрузку, но и участвует в общей работе крыла, нагружаясь при этом нормальными напряжениями от общего изгиба и касательными напряжениями от кручения крыла. Таким образом, изгибающий момент крыла нагружает осевыми силами пояса лонжеронов, стрингеры и обшивку. Поперечная сила при изгибе крыла нагружает в основном стенки или фермы лонжеронов и продольные стенки. Крутящий момент, действующий на крыло, нагружает замкнутые тонкостенные контуры, образованные стенками лонжеронов или продольными стенками и обшивкой. бающего момента, то такое крыло будем называть моноблочным. Эта схема встречается весьма редко. В настоящее время наиболее употребительными являются кессонные конструктивные схемы (реже встречаются лонжеронные схемы ).

Крылья

Конструктивные схемы крыльев. Классификация
Так как в подавляющем большинстве крыльев современных самолетов поперечная сила воспринимается преимущественно стенками лонжеронов или продольными стенками, а кручение воспринимается контуром, образованным жесткой обшивкой и стенками, то крылья могут быть подразделены по характеру воспринятая изгибающего момента на лонжеронные, кессонные и моноблочные. Если изгибающий момент нагружает в основном пояса лонжеронов вследствие того, что стрингерный набор слаб (сечение II число стрингеров невелико), а тонкая слабо подкрепленная обшивка рано теряет устойчивость в сжатой зоне, то имеем лонжеронное крыло. Если нормальные усилия при изгибе воспринимаются как обшивкой со стрингерным набором, так и поясами лонжеронов, то такое крыло будем называть кессонным. Если элементами, воспринимающими нормальные усилия, возникающие при изгибе, являются верхняя и нижняя обшивки со стрингерным набором, лонжероны отсутствуют, а продольные балки выполняются в виде продольных стенок. В некоторых случаях оказывается целесообразным применять в разных частях крыла разные конструктивные схемы. Например, центроплан выполняют по лонжеронной схеме, отъемные части — по кессонной. Конструкции крыльев с полотняной обшивкой, воспринимающей только воздушные нагрузки, в прошлом применялись сравнительно широко. В настоящее время такие конструкции иногда применяются лишь для нескоростных самолетов и планеров, так как они обладают недостаточной общей и местной жесткостью.

Конструкция прямых крыльев

Лонжеронные крылья
Важным этапом в развитии конструкций крыльев явилось применение, наряду с лонжеронами, тонкой гофрированной металлической обшивки, работающей на сдвиг при кручении крыла. В Советском Союзе такие конструкции крыльев были разработаны в 1926—1928 гг. конструкторским коллективом под руководством главного конструктора А. Н. Туполева и установлены на бомбардировщике ТБ 1. Для дальнейшего улучшения аэродинамики крыла вскоре вместо гофрированной обшивки начали применять гладкую тонкую (0,8-г-2 мм) дуралюминовую обшивку, подкрепленную стрингерами и нервюрами. Необходимая толщина обшивки, а также подкрепляющий ее набор определились из условий работы обшивки на сдвиг от кручения В этом случае толщина обшивки получалась небольшой, вследствие чего при изгибе крыла она имела в сжатой зоне низкие критические напряжения 0Ир. Силовыми элементами конструкции этого крыла являются лонжероны / 2 S, стрингеры 4, нервюры 5 и обшивка 6. Хвостовой стрингер 7 соединяет хвостовики нервюр и служит для соединения верхней и нижней обшивок Для увеличения жесткости обшивки в корневом отсеке, на участке расположения куполов шасси, обшивка подкреплена гофром 8. Количество лонжеронов в крыле чаще всего бывает равно одному или двум, реже трем, и определяется особенностями компоновки конструкции самолета. В случае однолонжеронной схемы крыла лонжерон расположен в месте максимальной строительной высоты профиля. Для создания контура, воспринимающего кручение, и для крепления элеронов и механизации примерно на 65—70% хорды располагается продольная стенка. Иногда ставят также переднюю продольную стенку. В двух лонжеронкых конструкциях передний лонжерон располагается на 15—25%, задний на 60-70% хорды. Благодаря такому расположению максимальная строительная высота профиля в этой схеме не используется, что является недостатком, ведущим к увеличению веса конструкции На кручение работает контур, образованный обшивкой и стенками лонжеронов. Стремление использовать ряд преимуществ конструкции лонжеронного типа: удобство вырезов, простоту стыковки отъемных частей, возможность использования внутренних объемов — обусловили применение этой конструкции для крыльев некоторых самолетов небольших размеров
Кессонные крылья
Увеличение скоростей самолетов повысило требования и к конструкции их несущих поверхностей. Тонкая гладкая обшивка не обеспечивала крылу достаточной жесткости и прочности на всех режимах полета, следствием чего явилась необходимость увеличить Характерной особенностью рассматриваемой конструкции является разъем по хорде, делящий крыло на верхнюю и нижнюю панели и большое количество штампованных деталей. Возможность отдельного изготовления верхней и нижней панелей значительно облегчает производство крыла с повышенной точностью заданного профиля с гладкой поверхностью. Для доступа к местам соединения панелей обшивка носка, а также новая и хвостовая верхние панели крепятся винтами при помощи анкерных. Кессонная конструкция крыла .позволяет применить монолитные панели, в которых обшивка представляет одно целое с подкрепляющими элементами. При наличии очень малой строительной высоты крыла, что бывает при применении тонких профилей, крыльев может оказаться целесообразным выполнять панели из толстой обшивки без стрингеров и нервюр (моноблочная конструкция). Кессонная конструкция крыла дает возможность эффективно использовать строительную высоту профиля крыла; кроме того, она обладает высокой живучестью. Эти преимущества обусловили широкое применение таких крыльев в современном самолетостроении Мощные, работающие при изгибе и кручении крыла, панели между лонжеронами требуют контурного крепления при стыковке.
Конструкция стреловидных крыльев
Конструктивно-силовые схемы стреловидных крыльев аналогичны нестреловидным. Эти крылья бывают лонжеронные и кессонные. Конструктивные особенности стреловидных крыльев определяются наличием в корневой части треугольника ABC. Можно считать, что остальная часть крыла работает на изгиб, сдвиг и кручение как прямое крыло. В первом случае нервюры имеют большую длину и при креплении их к лонжеронам и продольным стенкам необходимо малковать профили, что существенно усложняет производство. Кроме тою, при неблагоприятном направлении касательных напряжений от кручения обшивка крыла быстрее теряет устойчивость, так как на сжатие работает большая диагональ параллелограмма, работающего на сдвиг. Число нервюр при установке их по потоку получается меньшим, благодаря меньшей длине крыла в направлении оси.
Кессонные стреловидные крылья
В кессонных крыльях, так же как и в двухлонжеронных, перераспределение нагрузок происходит путем увеличения нагрузки на задние элементы (стрингеры, обшивку, задний лонжерон) и уменьшения ее на передние. Это имеет место в результате различной длины задних и передних силовых элементов. Усилия в верхней и нижней панелях от действия изгибающего момента в плоскости излома раскладываются на составляющие, которые направлены вдоль продольных элементов и обшивки внутри фюзеляжа и в плоскости бортовой нервюры. Последнее и обусловливает необходимость иметь здесь усиленную бортовую нервюру. В отличие от нагружения бортовой нервюры лонжеронного стреловидного крыла, здесь бортовая нервюра нагружена распределенными силами от излома стрингеров в плане. Передача поперечных сил происходит по лонжеронам на борт фюзеляжа в точки А С как у двухлонжеронного крыла. Передача крутящего момента также аналогична рассмотренной у двухлонжеронного крыла и происходит через- нервюру, опертую по борту фюзеляжа в точке и на передний лонжерон в точке. Часть крутящего момента может быть передана изгибом носка нервюры; часть крутящего момента может быть передана на борт фюзеляжа также верхней и нижней панелями DFC, которые связаны по борту фюзеляжа с панелями.

Конструкция треугольных крыльев

Треугольные крылья современных самолетов имеют малые удлинения, так как в этом случае наилучшим образом реализуются весовые и аэродинамические преимущества их, о которых сказано выше. Конструкции треугольных крыльев малого удлинения аналогичны прямым и стреловидным крыльям и могут быть лонжеронные и кессонными. В треугольных крыльях нервюры, как правило, ставят по потоку. Характер работы конструктивно-силовых элементов рассматриваемых крыльев не отличается от ранее рассмотренных. Конструкции треугольных крыльев с продольным набором, расположенным перпендикулярно фюзеляжу, получаются более легкими в весовом отношении, чем конструкции с изломом продольного набора в плане, так как лонжероны, продольные стенки и стрингеры имеют значительно меньшие длины, кроме того, отсутствует косая стыковка у борта фюзеляжа. Однако такие конструкции имеют существенный недостаток, состоящий в том, что элементы продольного набора получаются искривленными вследствие того, что они располагаются не по образующим линиям крыла. При наличии излома продольного набора в плане, как и у стреловидных крыльев, требуется мощная бортовая нервюра. Особенностью конструкции лонжерона является передача изгибающего момента с помощью разнесенных по горизонтали отверстий стыкового узла. Лонжерон следует располагать из условия достижения минимального веса, т. е. вблизи наибольшей строительной высоты профиля крыла. Хотя по жесткости однолонжеронное крыло уступает многолонжеронному, все же оно выгоднее по весу и удобно в компоновке, так как освобождается большой объем в фюзеляже. Особенностью его конструкции является применение монолитных панелей, в которых стрингеры и обшивка получаются из одного куска металла прессованием. В случае двух- и многолонжеронной конструкции треугольного крыла значительная часть фюзеляжа оказывается занятой центральным отсеком крыла. Это усложняет использование объема фюзеляжа, однако много-лонжеронная конструкция оказывается более жесткой. Кессонные конструкции треугольных крыльев с переломом осей продольных элементов панели по борту фюзеляжа как указано выше, менее выгодны по сравнению со схемой, в которой перелом отсутствует. Основной недостаток рассматриваемых конструкций треугольных крыльев состоит в том, что большая часть фюзеляжа занята центропланом.

Сравнительная оценка крыльев различных конструктивно-силовых схем

Рассмотрим, как удовлетворяют основным требованиям различные конструктивные схемы крыльев Весовые особенности конструктивных схем крыльев. Наименьший вес конструкции будет иметь то крыло, в котором материал наилучшим образом использован для работы крыла на изгиб и кручение, т. е. в котором материал работает при более высоких напряжениях. В однолонжеронном крыле с лонжероном, расположенным вблизи максимальной толщины профиля (30—45% хорды крыла), материал лонжерона используется эффективнее, чем в двухлонжеронном крыле, так как располагается дальше от нейтральной оси сечения. При равных условиях (нагрузка, размеры, материал и т д) вес однолонжеронного крыла будет меньше двухлонжеронного. В кессонных крыльях по сравнению с лонжеронными материал распределен более равномерно по силовому контуру, что позволяет значительно повысить величины критических напряжении в обшивке и стрингерах. Это обуславливает меньший вес кессонных крыльев сравнительно с лонжеронными. Удовлетворение требованиям аэродинамики крыла. Выпучивание обшивки в полете под действием аэродинамических нагрузок, производственные дефекты, связаны с конструктивными особенностями того или иного типа крыла. Кессонные конструкции крыльев, в которых применяется толстая обшивка, можно считать более совершенными с точки зрения аэродинамики в сравнении с лонжеронными. Значительное влияние на гладкость обшивки оказывает жесткость каркаса. Малейшая неправильность в форме нервюры или положении стрингера вызывает вмятину или волну на обшивке. Конструкции, образованные из монолитных панелей с минимальным числом заклепок, в наибольшей мере удовлетворяют требованиям аэродинамики. Удовлетворение требованиям эксплуатации. С точки зрения эффективного использования внутренних объемов и доступности ко всем агрегатам, узлам и деталям, подлежащим систематическому осмотру, лучшими являются лонжеронные конструкции крыльев со слабо нагруженной обшивкой. В этом случае наличие больших вырезов в обшивке крыльев для баков, шасси и пр. легко может быть компенсировано незначительным усилением. Живучесть конструкции, т. е. способность выдерживать нагрузки в полете при частичных разрушениях, увеличивается при рассредоточенных силовых элементах по сечению крыла. Например, двухлонжеронное крыло обладает большей живучестью, чем однолонжеронное. но в свою очередь уступает кессонному крылу. Удовлетворение производственно-экономическим требованиям. С точки зрения технологии изготовления более целесообразными конструкциями являются кессонные. В производстве таких крыльев сравнительно легко расчленить конструкцию на отдельные, достаточно жесткие сборочные единицы, т. е. панели.

Некоторые направления в развитии конструкции крыльев

Характерной особенностью современных конструкций крыльев является широкое применение тонкостенных клепаных конструкций с обшивкой, работающей при изгибе и кручении крыла. Однако ослабление стрингеров и обшивки отверстиями под заклепки и болты, которое составляет около 10—15% рабочей площади сечения, вызвало необходимость изучений новых путей, ведущих к улучшению конструкций. В настоящее время разработаны новые типы клеев, которые дают возможность осуществить достаточно стойкие и прочные соединения алюминиевых сплавов и других металлов. Склеенные конструкции позволят получить гладкую поверхность крыла и значительное уменьшение трудоемкости производства. Цельноблочные или монолитные панели дают возможность более эффективно использовать механические свойства металла, а следовательно, осуществить легкую по весу конструкцию. В таких конструкциях улучшается гладкость поверхности. Для конструкций, в которых имеет значение герметичность, уменьшение количества соединений весьма важно, так как уменьшается вес герметизирующих материалов и трудоемкость работ по уплотнению конструкции. В связи с применением на современных скоростных самолетах тонких крыльев, имеющих малые строительные высоты, клепаные конструкции панелей становятся нерациональными вследствие уменьшенного момента инерции при изгибе, так как полки стрингеров приближаются к нейтральной оси. В этом случае монолитные конструкции позволяют осуществить тонкие крылья с более эффективным использованием материала. Как известно, при полете на больших скоростях, конструкция крыла сильно нагревается. Монолитная конструкция с толстой обшивкой и часто расположенными ребрами будет являться в этом случае более благоприятной, так как уменьшаются температурные деформации и улучшается отвод тепла.
Конструкции с многослойной обшивкой
Многослойная обшивка состоит из двух металлических листов, между которыми расположен заполнитель. В качестве заполнителя применяют легкие материалы, имеющие сотовую или пористую структуру или выполненные в виде гофра. Создание многослойных конструкций высокой прочности из листов стали, дуралю.мина и стеклотекстолитовых, текстолитовых сот, пенопласта или бальзы в качестве заполнителя стало возможным после разработки новых сортов клея] склеивающего разные материалы. Легкий внутренний слой — заполнитель имеет сравнительно низкие механические характеристики и только поддерживает наклеенные с обоих его сторон металлические листы, предохраняя их от местной потери устойчивости. Общая устойчивость такой конструкции в 50 раз превышает устойчивость составляющих ее листов, так как резко возрастает момент ее инерции. Увеличенная устойчивость при сжатии и сдвиге позволяет применять многослойную обшивку без подкрепляющего продольного Многослойная обшивка была предложена в 1928 г. советским ученым С. О. Зоншайиом. набора стрингеров и при значительном увеличении расстояний между нервюрами. Места соединения элементов многослойной конструкции проектируются обычно без заполнителя. Необходимая прочность и жесткость таких участков достигается установкой вкладышей, профилей и втулок. Многослойная обшивка обладает по сравнению с одинарной следующими преимуществами:
1) способностью воспринимать все виды нагрузок, как в плоскости панели, так и нормальных к ней;
2) значительным улучшением качества поверхности благодаря отсутствию заклепочных швов;
3) хорошими термо- и звукоизоляционными свойствами.
К недостаткам многослойных обшивок следует отнести:
1) сложность контроля качества склейки;
2) трудность осуществления стыковых соединений;
3) сложность передачи местных сосредоточенных нагрузок.
За последнее время конструкции обшивок с заполнителями стали применять на серийных самолетах. Например, в самолете В-58 (США), летающем со сверхзвуковыми скоростями, около 90% обшивки крыла, фюзеляжа и оперения выпол-нень1 с применением сотовых заполнителей.
Конструкции крыльев из пластиков
Некоторые пластики имеют высокие значения удельной прочности (например, пластики на основе стекловолокна) и заслуживают внимания с точки зрения их использования в качестве основных конструктивно-силовых элементов крыла. Применение пластиков позволит легко создавать конструктивные элементы со сложными формами и изменениями площадей сечений. В настоящее время в этом направлении ведутся исследования.