Przegląd rozwiązań konstrukcyjnych płatowców statków powietrznych
Budowa statków powietrznych
Elementy konstrukcyjne płatowców statków powietrznych
ATLAS INTERAKTYWNY
Budowa skrzydła
Budowa żeberka
Żebra tworzą poprzeczny szkielet skrzydła, nadają mu wymagany kształt aerodynamiczny, przenoszą obciążenia aerodynamiczne z poszycia na dźwigary, a także usztywniają poszycie zwiększając jego wytrzymałość i stateczność.
Żebra wzmocnione stosowane są, gdy zachodzi konieczność przeniesienia dodatkowych obciążeń w formie sił skupionych, czyli np. w miejscach montażu podwozia, zespołu napędowego.
Konstrukcja integralna
Konstrukcja integralna (jednolita) — część wykonana z jednego kawałka materiału, która w rozwiązaniu klasycznym składa się z pewnej liczby połączonych ze sobą części.
Metody wykonania:
frezowanie,
walcowanie,
kucie i prasowanie,
wyciskanie,
trawienie chemiczne,
odlewanie.
Konstrukcja przekładkowa
Wielowarstwowe pokrycie składające się z dwóch zewnętrznych płyt, między którymi znajduje się wypełniacz. Jako wypełniacz stosuje się lekkie materiały o konstrukcji komórkowej, porowatej lub blachę falistą.
Połączone w całość w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury.
Zalety:
lekkie przy zachowaniu wytrzymałości i sztywności,
nie przenoszą sił skupionych,
problemy z umieszczeniem wzierników eksploatacyjnych.
Konstrukcje przekładkowe stosowane są w:
pokryciu skrzydła, kadłuba,
klapach skrzydłowych,
usterzeniu (sterach samolotu),
łopatach śmigłowców.
Typy konstrukcyjno‑wytrzymałościowe skrzydła
Typy konstrukcyjno‑wytrzymałościowe skrzydła, które omówimy to:
dźwigarowe,
półskorupowe
skorupowe.
Dźwigarowe:
Półskorupowe:
Skorupowe:
Kadłub
Zewnętrzny kształt samolotu określany jest jego przeznaczeniem, zakresem prędkości lotu, położeniem silników i innych elementów. Optymalnym kształtem kadłuba dla samolotu małych prędkości jest kształt kroplowy, samolotów przydźwiękowych kształt cygara, a naddźwiękowych o zaostrzonej części przedniej
Kadłuby samolotów dzielą się pod względem konstrukcji w zależności od:
Szerokości kadłuba:
samoloty wąskokadłubowe (o szerokości od do z jednym przejściem) — najpopularniejsze, stosowane na małych i średnich dystansach,
szerokokadłubowe (od do z dwoma przejściami między rzędami foteli), stosowane na długich, transkontynentalnych trasach.
Liczby pokładów:
jednopokładowe,
dwupokładowe.
Typowe poprzeczne kształty kadłuba
Owalny — symetryczny, inaczej eliptyczny:
stosowany w samolotach transportowych,
umożliwia dogodne rozmieszczenie ładunków.
Okrągły:
korzystny ze względu na obciążenia ciśnieniem panującym wewnątrz kadłuba,
straty przestrzeni ładunkowej.
Przekrój o dwóch kołach:
duża sztywność przy określonym przekroju poprzecznym.
Prostokątny z górnym wysklepieniem:
stosowany w samolotach transportowych,
umożliwia dogodne rozmieszczenie ładunków.
Owalny z płaskimi ścianami:
stosowany w samolotach transportowych,
umożliwia dogodne rozmieszczenie ładunków.
Owalny zwężający się do góry:
stosowany w samolotach wojskowych,
zapewnia dogodne warunki pracy pilota, przy minimalnym przekroju poprzecznym kadłuba.
Typy konstrukcyjno‑wytrzymałościowe kadłubów belkowych dzielimy na:
dźwigarowe - , , przenoszone są głównie przez dźwigary. W przenoszeniu bierze udział pokrycie wzmocnione wręgami oraz nielicznym zestawem elementów wzdłużnych,
półskorupowe - i , przenoszone są przez pokrycie oraz podłużnice, dźwigary i wręgi,
skorupowe - i , przenoszone są przez grube, wielowarstwowe pokrycie.
Kadłub skorupowy
Usterzenie
Klasyczne usterzenie poziome samolotu składa się ze statecznika poziomego i steru wysokości, a usterzenie pionowe — ze statecznika pionowego i steru kierunku. Usterzenie poziome jest zazwyczaj pojedyncze, podczas gdy pionowe wykonywane jest jako podwójne lub potrójne.
Ze wzrostem liczby Macha i wysokości efektywność usterzenia maleje. Szczególnie efektywność sterów, także w zakresie prędkości przydźwiękowych wychylenie praktycznie nie wpływa na zmianę rozkładu ciśnień na powierzchni usterzenia. Na samolotach przydźwiękowych usterzenie poziome stanowi całość i nosi nazwę usterzenia płytowego.
Usterzenie płytowe podwyższa efektywność usterzenia w zakresie prędkości przydźwiękowych ok. razy, a naddźwiękowych ok. razy.
W przypadku, gdy usterzenie płytowe przeznaczone jest również do sterowania poprzecznego, to jego konsole wychylają się niesymetrycznie przy przechylaniu, a symetrycznie przy pochylaniu samolotu.
Typy usterzeń:
Usytuowanie usterzenia na samolocie i jego parametry konstrukcyjne powinny zabezpieczyć dostateczną efektywność we wszystkich zakresach lotu, przy uwzględnieniu startu i lądowania. Usterzenie powinien charakteryzować mały opór aerodynamiczny, dostateczna wytrzymałość i sztywność przy minimalnej masie.
Kompensacja osiowa i rogowa
W celu zmniejszenia momentu zawiasowego sterów, czyli zmniejszenia siły potrzebnej do wychylenia steru przez pilota, stery wyważa się aerodynamicznie.
Kompensacja (wyważenie) polega na takim ukształtowaniu steru i umieszczeniu jego osi obrotu, aby powierzchnia steru wysunięta przed oś obrotu wytwarzała moment równoważący, działający w kierunku przeciwnym do momentu zawiasowego. W usterzeniach spotykane są dwa typy wyważenia:
osiowe — za pomocą przesunięcia osi obrotu,
rogowe — poprzez dodanie powierzchni wyważającej.
Klapka wyważająca
W celu wyważenia całego samolotu na dowolnym kącie natarcia w czasie lotu, stery zaopatruje się w specjalne klapki wyważające.
Klapka wyważająca (trymer) jest to wychylna część steru lub lotki na jego krawędzi spływu, ustawiana w locie pod odpowiednim kątem, wychylana w przeciwnym kierunku niż ster, służąca do zrównoważenia samolotu bez konieczności odchylania steru.
Odpowiednie ustawienie trymera w czasie lotu umożliwia utrzymanie stałego toru lotu statku powietrznego w neutralnej pozycji drążka sterowego lub wolantu.
Sterowanie trymerem klasycznym może się odbywać bezpośrednio ręcznie (mechanicznie) lub za pomocą mechanizmu elektromechanicznego (elektrycznie). W kabinie zazwyczaj znajduje się pokrętło sterowania trymerem w formie koła którego pokręcenie zmienia kąt ustawienia trymera względem steru. W sytuacji awarii steru wysokości trymer w ograniczonym zakresie umożliwia sterowanie podłużne samolotu.
Konstrukcja usterzenia typu
Typy podwozia
Podwozie trójpodporowe
Podwozie trójpodporowe. Duża para kół z przodu pod skrzydłami i z jednym niewielkim kołem z tyłu.
Wady:
utrudniona technika startu i lądowania,
większa możliwość kapotażu.
Zalety
wolna przestrzeń z przodu kadłuba,
prosta konstrukcja.
Podwozie trójpodporowe. Jedno niewielkie koło z przodu i dwa większe pod skrzydłami z tyłu.
Wady:
zajęcie przestrzeni z przodu kadłuba,
możliwość wystąpienia drgań typu Shimmy.
Zalety
dogodne sterowanie samolotem,
ograniczenie możliwości kapotażu,
prostsza technika startu i lądowania.
Budowa podwozia
Budowa amortyzatora
Amortyzator przeznaczony jest do pochłaniania energii kinetycznej podczas startu, lądowania i ruchu po lotnisku samolotu oraz rozpraszania jej w postaci ciepła. W czasie przyziemienia, siła pochodząca od prędkości i masy lądującego statku powietrznego skierowana jest pionowo w dół i oddziałuje na jego tłoczysko. Powoduje to przepływ cieczy poprzez układ tłumiący, który stanowi zazwyczaj sztywna płytka z otworami.
Amortyzatory powinny spełniać następujące wymagania:
duża skuteczność pochłaniania energii kinetycznej,
narost sił w amortyzatorze powinien następować w sposób płynny,
krótki czas trwania suwu powrotnego,
maksymalne rozproszenie pochłoniętej energii,
stała charakterystyka pracy niezależnie od warunków atmosferycznych,
szczelność, niezawodność, prostota obsługi.
Działanie amortyzatora
Podczas przyziemienia gaz występujący w amortyzatorze zostaje sprężony, co powoduje wzrost jego temperatury. Dzięki temu część przejętej energii lądowania zostaje rozproszona w postaci ciepła. Następnie rozprężający się gaz zaczyna wypychać olej hydrauliczny i sprawia, że amortyzator powraca do stanu początkowego.
Opony
Opona radialna:
Opona skośna:
Najczęściej stosuje się bezdętkowe opony radialne, wypełnione azotem.
Opona radialna charakteryzuje się promieniową budową kordu, z którego złożona jest jej wewnętrzna warstwa wzmacniająca. Oznacza to, że kolejne nici osnowy nie krzyżują się, a rozciągają równolegle do siebie, tworząc kąt prosty z płaszczyzną symetrii opony.
Między osnową a bieżnikiem znajdują się dodatkowe warstwy opasania mające na celu jej wzmocnienie i usztywnienie. Taka budowa skutkuje zmniejszonym oporem toczenia opony, większą elastycznością oraz lepszym jej kontaktem z nawierzchnią
Budowa łożyska podwozia
Jednym z wymagań w stosunku do podwozi jest zapewnienie małych oporów toczenia kół, zwłaszcza przy rozbiegu statku powietrznego.
W celu sprostania takim wymogom, koła w swojej osi poprzecznej wyposażone są w łożyska. Zapewniają one jego stabilność i osiowość podczas obrotu koła.
Najczęściej stosowanymi w przemyśle lotniczym są łożyska: stożkowe i walcowe. Ich konstrukcja i budowa nie odbiega od tego typu elementów wykorzystywanych w innych gałęziach przemysłu. Wyjątek stanowią materiały, z których są one zbudowane. Większość łożysk używanych w zastosowaniach lotniczych i kosmicznych jest wykonana z przetapianej w łukowym piecu próżniowym wysokiej jakości stali. Stosuje się także wysokie klasy dokładności i wytrzymałości stosując przy tym metodę obróbki skrawaniem.
Różne sposoby chowania podwozia głównego
Podwozie główne można chować poprzez składanie go w następujących kierunkach:
przednie koła do tyłu,
przednie koła do tyłu i tylne do przodu,
przednie koła do tyłu, a boczne w bok do wewnątrz,
boczne koła w bok do wewnątrz,
boczne koła w bok na zewnątrz.
Zjawiska związane z podwoziem
Drgania Shimmy — samowzbudne drgania ustalone, występujące w skrętnym zawieszeniu pojazdu — na przedniej goleni samolotu. Składają się na nie zwykle drgania kół wokół osi pionowej i obroty przedniej osi z kołami wokół osi podłużnej pojazdu. Shimmy powoduje powstawanie dużych dynamicznych obciążeń w elementach zawieszenia, co może doprowadzić do utraty sterowności pojazdu.
W celu zapobieżenia występowaniu tego zjawiska w lotnictwie stosuje się amortyzatory hydrauliczne, zwane tłumikami drgań Shimmy.
Mechanizacja skrzydła
Skrzydła płatowców różnią się między sobą budową. Prześledzimy teraz różnice konstrukcyjne ze względu na ich wykorzystanie.
Zwiększenie siły nośnej i zmiana krzywizny profilu.
Skrzydło posiada z tyłu klapę ruchomą, która może odginać się zarówno w górę, jak i w dół.
Skrzydło posiada z tyłu klapę, która jest przymocowana w jego spodniej części i może odchylać się tylko do przodu w dół.
Ruchomy slot, czyli element mechanizacji skrzydła znajdujący się z przodu skrzydła. Jest to swego rodzaju zagięta w dół listwa, w przekroju poprzecznym przypominająca hak poziomo założony na skrzydło.
Zwiększenie siły nośnej i sterowanie opływem.
Slot szczelinowy, czyli tak zamontowany, że między nim a skrzydłem powstaje szczelina, przez którą powietrze może swobodnie przepływać.
Skrzydło posiada w swojej przedniej części dodatkową zewnętrzną warstwę, której szerokość jest równa mniej więcej połowie grubości profilu.
skrzydło posiada zakrzywiony w dół nosek profilu.
Skrzydło posiadające niewielką pustą przestrzeń oraz otwór znajdujący się na górnej powierzchni profilu umożlwiający przepływ powietrza z środka skrzydła do atmosfery.
Skrzydło posiada na swoim przodzie wystający niewielki fragment o trójkątnym kształcie, pozwala on ukierunkować strugi powietrza przepływające przez skrzydło i opóźnić ich oderwanie.
Skrzydło posiadające niewielką pustą przestrzeń oraz otwór znajdujący się na górnej powierzchni umożlwiający przepływ powietrza do i z skrzydła.
Skrzydło składa się z 3 części. Pierwsza przednia część jest nieruchoma, z kolei środkowa i tylna stanowią element mechanizacji. Oprócz klapy w tylnej części, która może poruszać się w dół, poruszać może się również środkowa część. Swoim wychyleniem może on jeszcze bardziej zwiększyć siłę nośną wytwarzaną przez klapę.
Zwiększenie siły nośnej oraz sterowanie opływem i zmiana krzywizny profilu (środki kombinowane).
Skrzydło z w pełni ruchomą klapą z jedną szczeliną między nim a klapą.
Skrzydło z w pełni ruchomą klapą z dwiema szczelinami jedna po drugiej między nim a klapą.
Skrzydło z w pełni ruchomą klapą z trzema szczelinami jedna po drugiej między nim a klapą.
Skrzydło z klapą zamontowaną pod nim, która może poruszać się do przodu do dołu i jednocześnie ze szczeliną.
Skrzydło z klapą zamontowaną pod nim, która odsuwa się w dół do tyłu i z tej pozycji może poruszać się do przodu do dołu i jednocześnie ze szczeliną.
Zwiększenie siły nośnej oraz doprowadzenie energii (środki kombinowane).
Skrzydło posiada nieregularny profil oraz pustą przestrzeń wewnątrz, z której powietrze wydostaje się bezpośrednio na klapę z tyłu profilu.
Skrzydło posiada w swojej tylnej części prostokątną wolną przestrzeń, z której powietrze wydostaje się do atmosfery.
Skrzydło blisko swojej krawędzi spływu posiada uskok w grubości profilu. Tylna część skrzydła wraz z krawędzią spływu i zamontowaną klapą szczelinową posiada znacznie mniejszą grubość a niżeli przednia część profilu.
Skrzydło posiada na wszystkich swoich powierzchniach w regularnych odstępach małe szczeliny, które doprowadzają powietrze do środka skrzydła.
Zwiększenie siły nośnej oraz zmiana profilu (środki kombinowane).
Skrzydło może się skracać.
Skrzydło może się odginać.
Zwiększenie oporu.
Skrzydło posiada w pełni ruchomą klapę, która odginając się, przyjmuje pozycję pionową, zwiększając opór.
Skrzydło w wierzchniej części posiada cienką niewielką klapę, która może odginać się do góry, do pionu, zwiększając opór.
Konfiguracje urządzeń hipernośnych
Prędkość przeciągnięcia to najniższa prędkość przy której skrzydła generują wystarczającą siłę nośną aby umożliwić lot poziomy. Dlatego też by umożliwić pilotowi obniżenie prędkości (np. podczas startu i lądowania) jednocześnie nie przekraczając prędkości przeciągnięcia stosuje się urządzenia hipernośne w celu podniesienia współczynnika siły nośnej. Tego typu urządzenia zazwyczaj sprowadzają się do mechanicznych systemów modyfikujących kształt skrzydła na jego krawędziach natarcia i spływu.
Mechanizacja skrzydła - slot
Skrzela (inaczej sloty) — elementy mechanizacji skrzydła samolotu umieszczone wzdłuż krawędzi natarcia samolotu.
Sloty mają za zadanie poprawienie własności aerodynamicznych statku powietrznego przy locie z małymi prędkościami i na dużych kątach natarcia poprzez opóźnienie oderwania się strug. Odbywa się to poprzez zdmuchiwanie warstwy przyściennej przednią częścią skrzydła na części lub całości jego rozpiętości.
Zastosowanie skrzeli skraca drogę startu i lądowania samolotu, zwiększa siłę nośną, zmniejsza ryzyko wpadnięcia w korkociąg, polepsza pracę lotek, umożliwia lot z niską prędkością (współgrając z klapami) oraz zmniejsza ryzyko przeciągnięcia.
Działanie slotów polega na opóźnieniu oderwania warstwy przyściennej dzięki zwiększeniu jej energii kinetycznej na górnej powierzchni skrzydła poprzez zasilenie jej elementami powietrza pochodzącymi z dolnej powierzchni. Stosuje się sloty automatyczne lub stałe. Zastosowanie slotów automatycznych wiąże się z komplikacją konstrukcji skrzydła i wzrostem jego masy.
Mechanizacja skrzydła - klapa zwykła
Klapy — elementy mechanizacji skrzydła, umiejscowione zazwyczaj w tylnej części skrzydła statku powietrznego, pozwalające w razie potrzeby znacznie zwiększyć siłę nośną (nawet o —) oraz opór skrzydła. Odbywa się to poprzez ich wychylenie od poziomu o dany kąt δdelta
.
Wykorzystywane zwykle aby umożliwić lot z mniejszą prędkością, a także aby skrócić start i zmniejszyć prędkość podejścia do lądowania. Wysunięcie klap pozwala na zmniejszenie minimalnej prędkości statku powietrznego Vs. Efektem ubocznym stosowania klap jest zmniejszenie krytycznego kąta natarcia.
Klapa zwykła jest najprostszym urządzeniem hipernośnym. Przymocowana jest do centropłata za pomocą zawiasów i może się obracać w dół lub górę. Wychylenie w dół powoduje zwiększenie strzałki ugięcia, co prowadzi do zwiększenia siły nośnej.
Kąt wychylenia klap podczas startu samolotu wynosi przeciętnie ok. stopni, a podczas lądowania ok. stopni.
Konfiguracja profilu skrzydła z wypuszczonymi klapami sprawia, że staje się on bardziej wysklepiony, co pozytywnie wpływa na zwiększenie współczynnika siły nośnej. Klapy tylne, podobnie jak sloty, umożliwiają lot z mniejszą prędkością, co pozwala skrócić start i podejście do lądowania. Przy pełnym wysunięciu klap tylnych można zaobserwować duży wzrost oporu aerodynamicznego.
Mechanizacja skrzydła - wpływ na charakterystyki
Powstanie i redukcja oporu
Na skutek różnicy ciśnień pod i nad płatem, pojawia się dodatkowa cyrkulacja powietrza na bokach skrzydła. Kierunek tej cyrkulacji prowadzi od części spod płata do części nad płatem, czyli od nadciśnienia do podciśnienia. W skutek tej cyrkulacji generowane są na końcówce skrzydła wiry, które to z kolei przyczyniają się do wzrostu oporu samolotu. Składową oporu powstałą na skutek wirów brzegowych nazywamy oporem indukowanym.
Dodatkowy opór istnieje wówczas, gdy na płacie wytwarza się siła nośna, ponieważ tylko wtedy występuje różnica ciśnień pod i nad płatem, która jest źródłem powstania dodatkowej cyrkulacji.
W celu zmniejszenia oporu indukowanego stosuje się rozpraszacze wirów brzegowych, inaczej nazywane wingletami lub sharkletami.
Elementy skrzydła
Zawieszenie turbinowego silnika odrzutowego na wysięgniku pod skrzydłem
Silnik
- Ćwiczenie 1. - Elementy konstrukcyjne statków powietrznych 1TestĆwiczenie 1. - Elementy konstrukcyjne statków powietrznych 1
Elementy konstrukcyjne statków powietrznych 1101570Świetnie przyswoiłeś sobie wiedzę na temat elementów konstrukcyjnych statków powietrznych!Niestety, musisz wrócić do materiałów multimedialnych w atlasie interaktywnym <q>Elementy konstrukcyjne płatowców statków powietrznych</q> i spróbować ponownie. TestElementy konstrukcyjne statków powietrznych 1
Liczba pytań:10Limit czasu:15 minPozostało prób:1/1Twój ostatni wynik:-Elementy konstrukcyjne statków powietrznych 1
Pytanie 1/10Pozostało czasu 0:00Twój ostatni wynik -Elementy konstrukcyjne statków powietrznych 11070Świetnie przyswoiłeś sobie wiedzę na temat elementów konstrukcyjnych statków powietrznych!Niestety, musisz wrócić do materiałów multimedialnych w atlasie interaktywnym <q>Elementy konstrukcyjne płatowców statków powietrznych</q> i spróbować ponownie. TestElementy konstrukcyjne statków powietrznych 1
Liczba pytań:10Limit czasu:minPozostało prób:1/1Twój ostatni wynik:-Elementy konstrukcyjne statków powietrznych 1
Pytanie 1/10Pozostało czasu 0:00Twój ostatni wynik - - Ćwiczenie 2. - Kadłub belkowyPołącz w paryĆwiczenie 2. - Kadłub belkowy
RuE8UFt7qPXIK - Ćwiczenie 4. - Elementy konstrukcyjne skrzydłaWstaw tekst na ilustrację
Wstaw tekst na ilustrację
Wstaw tekst na ilustracjęĆwiczenie 4. - Elementy konstrukcyjne skrzydłaWykonaj poniższe ćwiczenia.
R1dVr58oFTK4o R1OpBaORKIz92 R1A2qUlum8xWX RXWnWYHQvEkJ6 R1EZ7koX2f5e5 R1BrSkLD06Mz3 - Ćwiczenie 6. - Drgania ShimmyWstaw w tekstĆwiczenie 6. - Drgania Shimmy
RExDpCNSbe5XX - Ćwiczenie 8. - Budowa kadłuba statku powietrznegoWskaż element tekstuĆwiczenie 8. - Budowa kadłuba statku powietrznego
R1MNXSRg4dTOo R1CmSKwSURmez - Ćwiczenie 9. - Rodzaje statków powietrznychGrupuj elementyĆwiczenie 9. - Rodzaje statków powietrznych
R1vohz9KPsEKi - Ćwiczenie 10. - Mechanizacja skrzydłaZaznaczanie komórek tabeliĆwiczenie 10. - Mechanizacja skrzydła
R1Q3mesFZgDib