Design aeronautico: gli elementi principali. Progettazione e costruzione di aeromobili

Il trasporto passeggeri e merci moderno è semplicemente impossibile da immaginare senza aerei. Ma dietro il comfort e la mobilità di questi "uccelli di ferro" ci sono decenni di sviluppo e migliaia di tentativi falliti. Il design degli aerei e la loro costruzione sono impegnati nelle migliori menti dell'industria aeronautica. Il costo dell'errore in questo campo potrebbe essere troppo alto. Oggi, ci immergeremo nel mondo dell'ingegneria aeronautica e impareremo quali sono gli elementi del design aeronautico.

Caratteristiche generali

Nella versione classica del velivolo è un aliante (fusoliera, ali, coda, gondola), dotato di una centrale elettrica, telaio e sistemi di controllo. Inoltre, una parte integrante dei moderni aeromobili è l'avionica (avionica), progettata per controllare tutti gli organi e i sistemi dell'aeromobile e semplificare enormemente la situazione dei piloti.

Esistono altri schemi di progettazione, ma sono molto meno comuni e, di regola, nell'industria aeronautica militare. Quindi, per esempio, il bombardiere B-2 è progettato secondo lo schema delle "ali volanti". Un brillante rappresentante dell'aereo in Russia - il caccia MiG-29 - è realizzato secondo lo "schema portante". In esso, il concetto di "fusoliera" è sostituito da "corpo".

Tipi di aeromobili

A seconda della destinazione, gli aerei sono divisi in due grandi gruppi: civili e militari. I modelli civili sono suddivisi in macchine passeggeri, merci, addestramento e uso speciale.

Le versioni dei passeggeri differiscono nel fatto che la maggior parte della loro fusoliera è occupata da una cabina appositamente attrezzata. Esternamente, possono essere riconosciuti da un numero elevato di finestre. Gli aerei passeggeri sono divisi in: locali (volando ad una distanza inferiore a 2 mila km); media (2-4 mila km); (lunga distanza 4-9 mila km); e intercontinentale (più di 11 mila km).

Gli aerei cargo sono: leggeri (fino a 10 tonnellate di carico), medi (10-40 tonnellate di carico) e pesanti (oltre 40 tonnellate di carico).

Gli aeromobili ad uso speciale possono essere: sanitari, agricoli, da ricognizione, antincendio e destinati alla fotografia aerea.

I modelli di allenamento , rispettivamente, sono necessari per addestrare i piloti principianti. Nel loro progetto potrebbero non esserci elementi ausiliari, come i posti nell'abitacolo e così via. Lo stesso vale per le versioni sperimentali, che vengono utilizzate per testare l'aeromobile del nuovo modello.

Gli aerei militari, a differenza dei civili, non hanno una cabina confortevole e degli oblò. L'intero spazio della fusoliera in essi è occupato da sistemi d'arma, equipaggiamento da ricognizione, sistemi di comunicazione e altre unità. Aerei da combattimento diviso in: combattenti, bombardieri, aerei da attacco, ricognizione, trasporto, oltre a tutti i tipi di veicoli speciali.

fusoliera

La fusoliera dell'aereo è la parte principale che svolge la funzione del vettore. È collegato a tutti gli elementi strutturali del velivolo. Fuori ci sono: ali con gondole motore, coda e carrello di atterraggio, e dall'interno - una cabina di controllo, locali tecnici e di comunicazione, nonché un vano di carico o passeggeri, a seconda degli accessori della nave. Il telaio della fusoliera è assemblato da elementi longitudinali (longheroni e traversi) e trasversali (cornici), che vengono successivamente rivestiti con fogli di metallo. In aereo leggero, invece di metallo viene usato legno compensato o plastica.

Le autovetture possono essere strette e larghe. Nel primo caso, il diametro della sezione trasversale della cassa è in media di 2-3 metri, e nel secondo - da sei metri. I velivoli a corpo largo di solito hanno due ponti: quello superiore per i passeggeri e quello inferiore per i bagagli.

Durante la progettazione della fusoliera, viene prestata particolare attenzione alle caratteristiche di resistenza e al peso della struttura. A questo proposito, ci sono tali misure:

1. La forma dell'aeromobile è progettata in modo tale che la forza di sollevamento sia massima e la resistenza frontale alle masse d'aria sia minima. Il volume e le dimensioni della macchina devono essere idealmente correlati tra loro.
2. Per aumentare il volume effettivo dello scafo, il progetto prevede la disposizione più densa della pelle e gli elementi portanti della fusoliera dell'aeromobile.
3. I supporti della centrale elettrica, gli elementi di decollo e atterraggio e i segmenti di ala stanno cercando di rendere il più semplice e affidabile possibile.
4. I luoghi di alloggio dei passeggeri e le merci o i materiali di consumo sono progettati in modo che, nelle diverse condizioni operative dell'aeromobile, il suo equilibrio rimanga entro i limiti di tolleranza.
5. Lo spazio per la sistemazione dell'equipaggio dovrebbe fornire un controllo confortevole dell'aeromobile, l'accesso ai principali strumenti di navigazione e la gestione più efficace in caso di situazioni impreviste.
6. Il layout dell'aeromobile viene eseguito in modo tale che durante la manutenzione, i master abbiano la possibilità di diagnosticare liberamente i componenti e gli assiemi necessari dell'aeromobile e, se necessario, ripararli.

La fusoliera dell'aeromobile deve essere abbastanza forte da sopportare i carichi che si verificano in diverse condizioni di volo, vale a dire:

1. I carichi che si verificano nei punti di attacco degli elementi principali dello scafo (ali, coda, carrello di atterraggio) durante il decollo e l'atterraggio.
2. Carichi aerodinamici che si generano durante il volo, tenendo conto del lavoro delle unità, delle forze inerziali e del funzionamento delle apparecchiature ausiliarie.
3. Carichi associati a cadute di pressione che si verificano durante il sovraccarico di volo in compartimenti ermeticamente chiusi dell'aeromobile.

ala

Le ali sono un elemento strutturale importante di qualsiasi aereo. Creano la forza di sollevamento necessaria per il volo e consentono manovre. Inoltre, l'ala dell'aereo viene utilizzata per ospitare l'unità di potenza, i serbatoi di carburante, gli accessori e i dispositivi di decollo e atterraggio. Il corretto rapporto tra peso, rigidità, resistenza, aerodinamica e qualità di produzione di questo elemento strutturale determina il volo e le caratteristiche operative corrette dell'aeromobile.

L'ala dell'aereo è composta dalle seguenti parti:

1. Il corpo, che consiste in un telaio (longheroni, traverse e costole) e placcatura.
2. Le lamelle e le alette, che forniscono il decollo e l'atterraggio dell'aeromobile.
3. Intercettori e alettoni, attraverso i quali il pilota può cambiare la direzione di volo dell'aeromobile.
4. Pastiglie dei freni, impiegati per un arresto più rapido dell'aeromobile al momento dell'atterraggio.
5. Piloni su cui sono montate centrali elettriche.

L'ala è attaccata alla fusoliera attraverso la sezione centrale - un elemento che collega l'ala destra e sinistra e parzialmente passa attraverso la fusoliera. Per gli aerei bassi, l'ala centrale si trova nella parte inferiore della fusoliera e per i piani alti è posizionata nella parte superiore. Nei veicoli da combattimento, potrebbe essere completamente assente.

Nelle cavità interne dell'ala (nelle grandi navi) vengono normalmente installati serbatoi di carburante. Negli aerei da caccia leggeri, i serbatoi di carburante supplementari possono essere appesi a speciali supporti a sbalzo.

Ala di potenza strutturale

Lo schema alare a potenza strutturale dovrebbe fornire resistenza a forze di taglio, torsione e flessione durante il volo. La sua affidabilità è dovuta all'utilizzo di una solida struttura fatta di elementi longitudinali e trasversali, oltre che di una placcatura duratura.

Gli elementi longitudinali del telaio dell'ala sono rappresentati da longheroni e longheroni. I longaroni sono fatti sotto forma di capriate o travi monolitiche. Sono posizionati sull'intero volume interno dell'ala con un certo intervallo. I longheroni conferiscono rigidità alla struttura e livellano l'impatto delle forze trasversali e di flessione derivanti da una particolare fase di volo. Le stringhe svolgono il ruolo di un compensatore per compressione assiale e tensione. Inoltre livellano i carichi aerodinamici locali e aumentano la rigidità della pelle.

Gli elementi trasversali del telaio dell'ala sono rappresentati da nervature. In questo progetto, possono essere realizzati sotto forma di capriate o travi sottili. Le nervature determinano il profilo dell'ala e conferiscono alla superficie la rigidità necessaria per la distribuzione del carico al momento della formazione del cuscino d'aria di volo. Servono anche per un fissaggio più affidabile delle unità di potenza.

L'involucro non solo conferisce all'ala la forma necessaria, ma fornisce anche la massima forza di sollevamento. Insieme ad altri elementi del telaio, aumenta la rigidità della struttura ed elimina gli effetti dei carichi esterni.

Le ali degli aeromobili possono differire nelle caratteristiche del design e nella funzionalità della pelle. Esistono due tipi principali:

1. Spar. Differiscono nel piccolo spessore della pelle, che forma un anello chiuso con i bordi dei membri laterali.
2. Monoblocco. La quantità principale di carico esterno è distribuita sulla superficie di uno spesso strato di placcatura fissato da una serie di correnti. In questo caso, la pelle può essere monolitica o composta da più strati.

Per quanto riguarda il design dell'ala, vale la pena notare che il suo aggancio e il successivo fissaggio devono essere effettuati in modo tale da garantire infine la trasmissione e la distribuzione dei momenti di coppia e di flessione che possono verificarsi nelle diverse modalità di funzionamento dell'aeromobile.

piumaggio

L'empennage dell'aeromobile ti consente di cambiare la traiettoria del suo movimento. Può essere coda e nasale (usato meno frequentemente). Nella maggior parte dei casi, la pinna caudale è rappresentata da una chiglia verticale (o da diverse chiglie, in genere due) e da uno stabilizzatore orizzontale, che assomiglia a un'ala più piccola in costruzione. Grazie alla chiglia, la stabilità del terreno dell'aereo viene regolata, cioè la stabilità lungo l'asse del movimento, e grazie allo stabilizzatore - longitudinale (in altezza). La coda orizzontale può essere installata sulla fusoliera o sulla parte superiore delle chiglie. La chiglia, a sua volta, è posta sulla fusoliera. Esistono diverse varianti del layout del gruppo di coda, ma nella maggior parte dei casi sembra così.

Alcuni aerei militari sono inoltre dotati di un naso. Questo è necessario per garantire un viaggio adeguato a velocità supersoniche.

Centrali elettriche

Il motore è un elemento essenziale nella progettazione dell'aereo, perché senza di esso l'aereo non può nemmeno decollare. Primo aereo hanno volato solo un breve periodo e potevano ospitare un solo pilota. Il motivo è semplice: motori a bassa potenza che non consentono di sviluppare una forza di trazione sufficiente. Per consentire all'aereo di imparare a trasportare centinaia di passeggeri e carichi pesanti, i progettisti di tutto il mondo hanno dovuto lavorare sodo.

Durante l'intera evoluzione degli "uccelli di ferro" sono stati usati molti tipi di motori:

1. Steam. Il principio di funzionamento di tali motori si basa sulla conversione dell'energia del vapore in movimento, che viene trasmessa all'elica dell'aeromobile. Poiché i motori a vapore avevano una bassa efficienza, sono stati utilizzati dall'industria aeronautica per un tempo molto breve.
2. Pistone. Si tratta di motori a combustione interna standard, dal design simile ai motori delle automobili. Il principio del loro lavoro consiste nel trasferimento di energia termica in meccanica. La facilità di produzione e la disponibilità di materiali determinano l'utilizzo di tali centrali elettriche su alcuni modelli di aeromobili fino ad oggi. Nonostante la piccola efficienza (circa il 55%), questi motori sono sicuramente apprezzati per la loro sobrietà e affidabilità.
3. Reattiva. Tali motori convertono l'energia della combustione intensiva del carburante in spinta necessaria per il volo. oggi motori a reazione utilizzato nella costruzione di aerei più ampiamente.
4. Turbine a gas Il principio di funzionamento di questi motori è basato sul riscaldamento al contorno e sulla compressione del gas di combustione, finalizzato alla rotazione della turbina. Sono utilizzati principalmente in tipi di aerei militari.
5. Turboelica. Questa è una delle sottospecie dei motori a turbina a gas. La differenza sta nel fatto che l'energia ottenuta durante il funzionamento viene convertita in guida e ruota l'elica dell'aereo. Una piccola parte dell'energia va alla formazione di un getto di spinta. Tali motori sono utilizzati principalmente nell'aviazione civile.
6. Turbofan. In questi motori viene realizzata l'iniezione di aria aggiuntiva, necessaria per la completa combustione del carburante, grazie alla quale è possibile ottenere la massima efficienza e compatibilità ambientale della centrale. I motori di questo tipo sono ampiamente utilizzati nella costruzione di grandi aerei di linea.

Abbiamo incontrato i principali tipi di motori aeronautici. L'elenco dei motori che i progettisti di aeromobili hanno mai provato a installare su aeromobili non è limitato a questo elenco. In vari momenti, sono stati fatti molti tentativi per creare tutti i tipi di unità di alimentazione innovative. Ad esempio, nel secolo scorso, sono stati svolti lavori seri sulla creazione di motori per aerei atomici, che non hanno messo radici a causa di un elevato rischio ambientale in caso di incidente aereo.

Di solito, il motore è montato sull'ala o sulla fusoliera dell'aeromobile attraverso un pilone attraverso il quale vengono portati azionamenti, tubi del carburante, ecc. In questo caso, il motore è coperto da una gondola protettiva. Ci sono anche aerei in cui la centrale elettrica si trova direttamente all'interno della fusoliera. L'aereo può essere da uno (An-2) a otto (B-52) motori.

gestione

I comandi del velivolo sono chiamati un complesso di apparecchiature di bordo, nonché dispositivi di comando ed esecutivi. I comandi sono forniti dalla cabina di guida e sono eseguiti da elementi di ala e coda. I diversi piani possono utilizzare diversi tipi di sistemi di controllo: manuale, automatico e semi-automatico.

Indipendentemente dal tipo di sistema, gli organismi di lavoro sono divisi in primario e secondario.

Gestione principale Comprende azioni che sono responsabili della regolazione delle modalità di volo e del ripristino del bilanciamento della nave nei parametri preimpostati. I principali organi di gestione comprendono:

1. Leve che sono controllate direttamente dal pilota (ascensori, timoni dell'orizzonte, volante, pannelli di comando).
2. Comunicazioni che servono a collegare le leve di comando con attuatori.
3. Attuatori (stabilizzatori, alettoni, sistemi di spoiler, alette e alette).

Gestione aggiuntiva . Utilizzato solo in modalità decollo e atterraggio.

Indipendentemente dal fatto che il controllo manuale o automatico sia implementato nella progettazione dell'aeromobile, solo il pilota può raccogliere e analizzare informazioni sullo stato dei sistemi dell'aeromobile, sugli indicatori di carico e sulla conformità della traiettoria al piano. E, soprattutto, solo lui è in grado di prendere una decisione il più efficace possibile nella situazione attuale.

controllo

Per leggere informazioni oggettive sullo stato dell'aeromobile e sulla situazione di volo, il pilota utilizza strumenti suddivisi in diversi gruppi principali:

1. Volo e navigazione. Vengono utilizzati per determinare le coordinate, la posizione verticale e orizzontale, la velocità e le deviazioni lineari dell'aeromobile. Inoltre, questi strumenti controllano l'angolo di attacco del velivolo, l'operatività dei sistemi giroscopici e altri importanti parametri di volo. Sui velivoli moderni questi dispositivi sono presentati sotto forma di un unico complesso di navigazione aerea.
2. Supervisionare il lavoro della centrale elettrica. Questo gruppo di strumenti fornisce al pilota i dati relativi a temperatura e pressione dell'olio, consumo di carburante, frequenza di rotazione dell'albero motore e indicatori di vibrazione.
3. Strumenti per il monitoraggio del lavoro di apparecchiature e sistemi aggiuntivi. Questo complesso è costituito da strumenti i cui sensori possono essere trovati in tutti gli elementi strutturali del velivolo. Questi includono: manometri, indicatori di caduta di pressione in cabine sigillate, indicatori di posizione dei flaps e così via.
4. Strumenti per valutare lo stato dell'ambiente. Sono utilizzati per misurare la temperatura esterna, l'umidità, la pressione atmosferica, la velocità del vento e altre cose.

Tutti i dispositivi che servono a monitorare le condizioni dell'aeromobile e dell'ambiente esterno? adattarsi al lavoro in tutte le condizioni atmosferiche.

Sistemi di atterraggio

Il decollo e l'atterraggio sono fasi di volo piuttosto complesse e cruciali. Evocano inevitabilmente forti carichi su tutti gli elementi della struttura. Accelerazione accettabile per sollevare una nave multi-ton verso il cielo e un tocco morbido della pista durante il suo atterraggio è fornita da una pista (telaio) progettata in modo affidabile. Questo sistema è anche necessario per il parcheggio dell'auto e il suo rullaggio mentre si guida l'aeroporto.

Il carrello di atterraggio del velivolo è costituito da un rack di smorzamento su cui è fissato il carrello con ruote (per i galleggianti viene invece utilizzato un galleggiante). La configurazione del telaio dipende dal peso dell'aeromobile. Molto spesso ci sono tali opzioni per il sistema di atterraggio:

1. Due rack principali e uno anteriore (A-320, Tu-154).
2. Tre rack principali e uno anteriore (IL-96).
3. Quattro rack principali e uno anteriore ("Boeing 747").
4. Due rack principali e due anteriori (B-52).

Sui primi velivoli sono stati installati un paio di montanti principali e una ruota posteriore senza supporto (Li-2). Uno schema insolito del telaio aveva anche un modello IL-62, che era equipaggiato con un montante anteriore, un paio di montanti principali e un'asta retrattile con un paio di ruote nella coda. Sul primo aereo, i rack non erano affatto utilizzati e le ruote erano montate su semplici assi. Il carrello con ruote può avere da un (A-320) a sette (An-225) set di ruote.

Quando l'aereo è a terra, il suo controllo viene effettuato mediante un motore, che è dotato di un carrello di atterraggio anteriore. Per le navi con più motori per questo scopo, può essere utilizzata la differenziazione della modalità di funzionamento della centrale elettrica. Durante il volo, il carrello d'atterraggio dell'aereo si ritrae in compartimenti appositamente attrezzati. Questo è necessario per ridurre la resistenza aerodinamica.