Конструкция и лётная эксплуатация воздушных судов. Особенности самолётов первоначального лётного обучения

Удобно все силы, действующие на самолет, объединить в две группы – поверхностные и массовые. К поверхностным силам относятся аэродинамические силы и сила тяги, а к массовым – сила тяжести и инерционные силы.

Основной системой координат, используемой в динамике полета, является скоростная (подвижная) система координат, движущаяся вместе с самолетом. Начало этой системы координат находится в центре масс самолета. Силы обычно раскладываются по трём осям: х – по направлению движения, y – перпендикулярно оси «Ох» в плоскости симметрии самолета; z – перпендикулярно плоскости «хОy» и направлена по правому крылу.

При горизонтальном полёте с постоянной скоростью подъемная сила уравновешивает вес самолета, а сила тяги – силу сопротивления.

Если подъемная сила больше силы тяжести, самолет набирает высоту, если меньше – снижается.

Если тяга больше силы лобового сопротивления, самолет движется ускоренно, если меньше – замедленно.

Дополнительная аэродинамическая сила стабилизатора уравновешивает пикирующий момент вокруг центра тяжести, создаваемый подъёмной силой Y.

На других этапах полёта (взлёт, набор высоты, снижение, посадка) и при выполнении эволюций (манёвров) самолетом схема сил, действующих на него, будет сложнее.

Коэффициентом перегрузки, или просто перегрузкой, называют отношение суммы поверхностных сил к произведению массы самолета на ускорение свободного падения.

Перегрузка – величина векторная. Ее направление совпадает с направлением равнодействующей поверхностных сил. На практике обычно пользуются не полной перегрузкой, а её проекциями на оси системы координат.

Продольная перегрузка может быть как положительной, так и отрицательной. Положительная перегрузка, определяемая тяговооруженностью, для современных самолетов с турбореактивными двигателями обычно не превышает 0,7—0,8. Отрицательная перегрузка, определяемая сопротивлением, также может достигать значений, близких к единице, например при одновременном выпуске тормозных щитков и дросселировании двигателей в полете.

Тяговооруженностью самолёта называется отношение тяги силовой установки (суммарной тяги двигателей) к его весу. Тяговооруженность пассажирских воздушных судов составляет 0,3—0,35.

Для горизонтального полёта продольная перегрузка определяется разницей между силой тяги двигателей и силой аэродинамического сопротивления, деленной на вес ВС; вертикальная перегрузка – отношением подъемной силы к весу ВС; боковая перегрузка – боковой аэродинамической силой, деленной на вес самолета [1].

В горизонтальном прямолинейном полете с постоянной скоростью подъемная сила равна весу самолета, тяга равняется силе аэродинамического сопротивления, боковая аэродинамическая сила равна нулю, поэтому поперечная перегрузка равна единице, а продольная и боковая – нулю.

Сопротивляемость организма перегрузкам зависит от величины и направления последних, времени их воздействия, от физического состояния организма. Человек, прошедший специальную тренировку, переносит перегрузки значительно лучше, чем нетренированный. Человеческий организм по-разному переносит перегрузки, действующие в различных направлениях: лучше всего переносятся перегрузки в направлении грудь-спина или спина-грудь (n = 12), хуже – в направлении голова—ноги (n = 6) и совсем плохо – в направлении ноги—голова (n = 3), т. к. при этом кровь приливает к голове и вызывает быструю потерю сознания. Величина переносимых человеком перегрузок зависит от времени их воздействия. Если перегрузки кратковременны, то допустимая величина их значительно увеличивается.

В ожидаемых условиях эксплуатации максимальные перегрузки, действующие на ВС гражданской авиации, не должны превышать 2—2,5.

К современным самолетам предъявляются весьма разнообразные и зачастую противоречивые требования. Одним из основных является требование наименьшего веса и достаточной прочности, поскольку повышение прочности обычно связано с утяжелением конструкции, а облегчение конструкции – с понижением прочности.

Под прочностью самолета принято понимать способность его конструкции воспринимать, не разрушаясь, определенные внешние нагрузки.

Под эксплуатационной нагрузкой, действующей на самолёт, понимают ожидаемое наибольшее значение нагрузки, которое может достигаться на предельно допустимых режимах.

Число, показывающее во сколько раз разрушающие нагрузки больше эксплуатационных, называется коэффициентом безопасности.

Чем больше коэффициент безопасности, тем надежнее конструкция, но тем больше ее полетная масса, поэтому на практике стараются использовать минимальные значения коэффициента безопасности.

Основное назначение коэффициента безопасности состоит в том, чтобы исключить появление остаточных деформаций в элементах конструкции при эксплуатационных нагрузках. Обычно для ВС гражданской авиации коэффициент безопасности равен 1,5—2. Сравнительно небольшая величина коэффициента безопасности в авиационной технике по сравнению с другими областями техники обуславливает повышенные требования к точности расчетов на прочность авиационных конструкций, к качеству применяемых материалов, к технологии изготовления и ремонту авиационной техники.

В программу испытаний самолётов включаются все случаи нагружения, предусмотренные требованиями к прочности и являющиеся расчетными для основных частей самолёта.

Статические испытания самолёта проводятся, как правило, до 100% расчетных нагрузок или до разрушения. Прочность тех панелей и элементов конструкции самолёта, для которых расчет показывает существенное влияние повышенных температур, проверяется статическими испытаниями, как с нагревом, так и без нагрева.

Во всех случаях, когда возможны усталостные разрушения, требуется испытывать конструкции на динамические нагрузки. Динамическим испытаниям подвергают элементы конструкции самолёта, которые испытывают переменные нагрузки: шасси, крыло, оперение, узлы крепления двигателя, фюзеляж и т. д.

При летных испытаниях определяют фактические величины нагрузок и деформаций самолета, закон распределения внешних сил, специальными исследованиями выявляют склонность конструкции к опасным вибрациям. Испытания на вибрацию обычно носят контрольный характер, т. е. либо выясняют скорость начала вибраций, либо проверяют, чтобы во всем диапазоне скоростей полета, включая и максимальную, не наступали опасные вибрации. Летные испытания проводятся на этапах проектирования в конструкторских бюро, сертификации в государственном Летно-испытательном институте, выпуска на серийном заводе-изготовителе, освоении новой авиационной техники на авиапредприятиях. Кроме этого имеются самолеты-лидеры (летающие лаборатории), на которых проводятся испытания на гарантийный ресурс.

Ресурсом называется наработка от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до прекращения или приостановки эксплуатации.

Наработка – это продолжительность эксплуатации самолёта в полёте и наземных условиях, выражаемая в часах налёта, числе полётов/посадок или других единицах.

После заводских, государственных и эксплуатационных испытаний самолёт проходит сертификацию – установление соответствия типа самолёта, его двигателей и оборудования действующим нормам лётной годности.

Нормы лётной годности – это документ, содержащий государственные требования к гражданским ВС, их двигателям и оборудованию по безопасности полётов в ожидаемых условиях и особых ситуациях.

Ожидаемые условия эксплуатации – это условия, включающие в себя область расчетных условий, определенных Нормами летной годности, эксплуатационных ограничений, а также рекомендуемых режимов полёта, установленных для данного типа самолёта при его сертификации.

Особая ситуация – это ситуация, возникающая в полёте в результате воздействия неблагоприятных факторов или их сочетаний и приводящая к снижению безопасности полёта.

По степени опасности особые ситуации разделяются на:

– усложнение условий полёта;

– сложную ситуацию;

– аварийную ситуацию;

– катастрофическую ситуацию.

Планер самолета

Крыло

Крыло является важнейшей частью самолета и служит для создания подъемной силы.

Кроме того, крыло обеспечивает поперечную, а на самолетах бесхвостовой схемы также продольную устойчивость и управляемость самолета. К крылу часто крепятся стойки шасси, могут крепиться двигатели. Внутренние его объемы используют для размещения топлива.

Под внешней формой крыла подразумевают его вид в плане и спереди, а также форму его поперечного сечения (профиль). Для современных самолетов характерно применение крыльев различных внешних форм.

Внешние формы крыла оказывают влияние не только на аэродинамические, весовые и прочностные характеристики крыла, но и на характеристики всего самолета в целом.

Профилем крыла называется форма сечения его плоскостью по набегающему потоку воздуха.

Наибольшее распространение получили двояковыпуклые несимметричные профили. С ростом числа М полета для крыльев применяются более тонкие профили, с меньшей кривизной, меньшим радиусом закругления носка и наименьшей толщиной.

Отрезок прямой, соединяющий две наиболее удалённые точки профиля, называется хордой профиля.

Относительная максимальная толщина профиля определяется формулой

Профили, у которых относительная толщина больше 12%, применяются до скоростей М = 0,7; от 7 до 12% – при М = 0,8—1,5; менее 7% – для крыльев самолетов, летающих на больших сверхзвуковых скоростях (М> 1,5). Уменьшение относительной толщины профиля с ростом числа М является эффективным средством снижения волнового сопротивления крыла.

Недостатком тонких профилей является уменьшение их несущей способности и строительной высоты крыла. Это усложняет получение хороших взлетно-посадочных характеристик, затрудняет обеспечение необходимой прочности и жесткости без значительного увеличения массы крыла, а также размещение топлива и агрегатов.

Геометрическими характеристиками крыла в плане являются: форма в плане, удлинение, сужение, стреловидность.

Удлинение крыла определяется как отношение квадрата размаха крыла к его площади.