Выбор схемы СЛА

Хотя требования ТЗ и НЛГС определяют основные цели разработки проекта, конструктор должен выработать свою концепцию, выделающую главное в проекте и куазывающую на пути его реализации

В основу классификации аэродинамических схем самолетов положено взаимное расположение несущих, стабилизирующих и управляющих аэродинамических поверхностей.

Среди легких самолетов классическая схема самолета с хвостовым оперением получила наибольшее распространение. Она в наибольшей степени удовлетворяет комплексу требований, предьявляемых к легким самолетам по устойчивости, управляемости, безопасности и другим летно-техническим характеристикам.

Основные ее достоинства:

• благодаря развитой хвостовой части без затруднений обеспечивается необходимая продольная и путевая устойчивость
• сохраняется безотрывное обтекание горизонтального оперения в некоторой области закритических углов атаки крыла обеспечивая достаточную эффективность продольного управления на больших углах атаки.

Расположение крыла

Расположение крыла по отношению к фюзеляжу в вертикальной плоскости рекомендуется рассматривать в первую очередь.

Как правило, на легких самолетах, применяют схемы с низким (Рис 1а) или высоким (Рис 1б) расположением крыла.

Рис 1 Схемы расположения крыла
а — низкоплан, б — высокоплан

Рекомендуется расположение крыла по отношению к фюзеляжу определять главным образом эксплуатационными требованиями. Вопросы аэродинамики и веса конструкции становятся важными при выборе высоко- или низкорасположенного крыла только после того, как учтены вопросы технического обслуживания и максмальной эксплуатационной гибкости самолета.

Различия в характеристиках высокоплана и низкоплана имеют место при взлете и посадке из за экранного эффекта вследствие близости земли. Этот эффект уменьшается с увеличением высоты крыла над ВПП. Экранный эффект земли прежде всего выражается в уменьшении индуктивного сопротивления, что может привести к уменьшению взлетной и увеличению посадочной дистанции.

Кроме того, из за экранного эффекта земли происходит уменьшение скоса потока в области горизонтального оперения, ведущего к появлению момента на пикирование. Это явление потребует боьшего отклонения руля высоты для отрыва носового колеса при взлете или при выравнивании самолета на посадке и может стать определяющим фактором при выборе площади руля высоты. Экранный эффект земли может вызвать и противоположный эффект, заставляя самолет «приземлиться самостоятельно». Это означает, что после выполнения нормального захода на посадку потребуется незначительное или вообще не потребуется отклонение руля высоты для выравнивания самолета. Такое явление можно наблюдать в случае, когда низкорасположенное крыло вследствие близости земли дает заметное приращение подьемной силы, а указанный выше момент горизонтального оперения на пикирование будет компенсироваться моментом на кабрирование в результате прироста подьемной силы крыла. Такое поведение самолета считается благоприятным, однако достичь этого целенаправленным начальным выбором схемы практически невозможно.

Различия между высокопланом и низкопланом в минимальном сопротивлении могут быть уменьшены соответствующим выбором зализов и обтекателей. Считается, что с точки зрения максимального аэродинамического качества высокоплан выгоднее низкоплана.

Низкорасположенное крыло может выполнять роль энергоемкой массы при вынужденной посадке самолета, хотя имеется опасность пожара при контакте с поверхностью земли, поскольку в крыле обычно находятся топливные отсеки и баки, повреждение которых при посадке более вероятно. При не слишком сильном ударе о землю вероятность повреждения и возникновения пожара у высокопланов меньше. При вынужденной посадке высокоплана на воду фюзеляж будет погружен, в этом случае необходимо предусматривать аварийный выход из кабины через верхний люк.

Дополнительные нагрузки на фюзеляж высокоплана со стороны крыла при аварийной посадке как правило приводят к дополнительным затратам веса конструкции фюзеляжа для их восприятия (по сравнению с низкопланом).

Из за аэродинамического влияния крыла на вертикальное оперение при высоком расположении крыла площадь вертикального оперения должна быть больше, чем у низкоплана.

Уборка основных стоек шасси высокоплана представляет отдельную проблему для конструктора. При расположении двигателей на крыле, основные стойки шасси можно крепить к крылу и убирать в мотогондолы (Рис 2а) или хвостовые балки (при двухбалочной схеме). Однако стойки при этом имеют значительную высоту и вес.

Рис 2 Варианты компоновки шасси высокоплана:
а — шасси, убирающееся в гондолу двигателя
б — неубирающееся шасси
в — шасси, убирающееся в гондолу на фюзеляже

Другим возможным вариантом является размещение стоек на фюзеляже (Рис 2б). Этот вариант требует усиления конструкции фюзеляжа для восприятия нагрузок при посадке и сопровождается дополнительным увеличением веса. В случае уборки стоек и колес шасси в фюзеляж это увеличение веса фюзеляжа повышается из за компенсации соответсвующего выреза. В случае уборки колес и стоек шасси в обтекатели на фюзеляже (Рис 2в) появляется дополнительный вес этих обтекателей. Частично увеличение веса из за уборки шасси в фюзеляж (обтекатели) низкоплана компенсируется более короткими стойками по сравнению с шасси для высокоплана. Кроме того, при размещении шасси на фюзеляже трудно получить широкую колею основных стоек шасси.

На практике вариант размещения основных стоек шасси на фюзеляже высокоплана как правило применяется в случае неубирающегося шасси (Рис 2б).

Перечисленные выше особенности размещения шасси на самолете говорят в пользу схемы низкоплана.

У низкопланов шасси могут убираться в гондолы двигателей (Рис 3а), в отсек фюзеляжа или в отсек между лонжеронами крыла (Рис 3б). Поскольку обшивка крыла легкого самолета является неработающей или слабонагруженной, то компенсация соответствующего выреза в таком крыле будет сопровождаться минимальными затратами веса.

Рис 3 Схемы уборки шасси для низкоплана

Монопланы с подкосным крылом в настоящее время проектируются по схеме высокоплана. Подкосы, прикрепленные к нижней поверхности крыла,создают меньше возмущений и меньше по весу по сравнению с другими вариантами, так как расчетными для них являются растягивающие нагрузки.

Конструкция хвостового оперения существенно зависит от общей схемы самолета. Из за особенностей размещения, эффективность оперения находится под влиянием крыла и воздушного винта. Установка оперения на фюзеляже или хвостовых балках определяет и конструктивную схему фюзеляжа (балок) в этом месте.

Примеры схем хвостового оперения, заимствованные из практики приведены на рис 4. Возможны и другие варианты хвостового оперения, которые здесь не рассматриваются (например схема V-образного оперения).

Рис 4 Основные схемы оперения

Наиболее распространенной является схема с одним килем и стабилизатором, установленным на фюзеляже или киле — (Рис 4 а, б, в). Она обеспечивает конструктивную простоту и жесткость, хотя в случае Т-образного хвостового оперения (Рис 4в) необходимо принимать меры, предотвращающие его флаттер.

Схема Т-образного оперения обладает и рядом приемуществ. Расположение горизонтального оперения в верхней части киля создает для последнего эффект концевой шайбы, что может способствовать уменьшению потребной площади вертикального оперения. С другой стороны высокорасположенное горизонтальное оперение находится в зоне небольшого скоса потока от крыла при средних (полетных) углах атаки, что позволяет уменьшить потребную площадь горизонтального оперения. Таким образом площадь Т-образного оперения может быть меньше площади оперения с низким расположением горизонтального оперения.

Необходимая площадь вертикального оперения в значительной мере определяется длиной и площадью боковой проекции части фюзеляжа, находящейся впереди центра тяжести самолета. Чем длиннее носовая част фюзеляжа, (и больше площадь ее боковой проекции) тем при прочих равных условиях больше площадь вертикального оперения, необходимая для устранения дестабилизирующего момента этой части фюзеляжа.

Если двигатели расположены на крыле, то полет с одним отказавшим двигателем является условием для выбора размеров киля и руля направления многодвигательного самолета.

Значительная высота вертикального оперения (в случае его потребной площади) может привести к появлению моментов по крену при отклонении руля направления в результате большого плеча между центром давления вертикального оперения и продольной осью самолета. Если такая опасность существует, заслуживает внимания разнесенная двухкилевая схема хвостового оперения, уменьшающая этот эффект (Рис 4д). Для двухбалочной (Рис 4г) или рамной схемы самолета выбор такого оперения очевиден. Поскольку расположение килей на концах горизонтального оперения создает эффект концевых шайб, то площадь горизонтального оперения может быть уменьшена.

Схема расположения двигателей

Легкие самолеты с поршневыми двигателями как правило бывают двух схем: один тянущий двигатель, установленный в носовой части фюзеляжа, или два тянущих двигателя, установленных на крыле.

Расположение двигателя перед крылом является наиболее приемлемой схемой с аэродинамической и конструктивной точек зрения. Поток от винтов работающих двигателей оказывает благаприятный эффект на срывные характеристики крыла и повышает подьемную силу, особенно при выпущенных закрылках, создавая своеобразную встроенную защиту от сваливания самолета. С другой стороны при отказе двигателя до перевода винта в режим флюгирования, он создает значительное сопротивление при авторотации, нарушая обтекание крыла. Моменты по крену и рысканию, создаваемые при отказе двигателя, представляют серьезную проблему управления, особенно на взлете. Кроме того, изменение мощности двигателя в полете будет влиять на скос потока за крылом и изменять балансирущий момент от хвостового оперения.

По сравнению назкопланом, высокорасположенное крыло в общем случае создает больше возможностей в отношении расположения в вертикальной плоскости двигателей относительно профиля крыла, так как в этом случае легче обеспечить необходимый зазор между винтом и землей.

На самолетах с низким расположением крыла конструкторы часто вынуждены использовать сравнительно высокое положение двигателей на верхней поверхности крыла для обеспечения необходимого зазора между винтом и землей. Это может привести к неблагаприятной интерференции между гондолой и крылом, приводящей к преждевременному срыву потока и появлению дополнительного индуктивного сопротивления.

В отношении одномоторных легких самолетов можн установить следующее:

• Наиболее распространенной схемой является схема с низким расположением крыла. Высокорасположенное крыло как правило делается с внешним подкосом.
• Двигатель располагается в носовой части фюзеляжа
• Наиболее распространенной схемой хвостового оперения является схема с низким расположением горизонтального оперения на фюзеляже или в корневой части вертикального оперения. При Т-образном оперении или П-образной схемах хвостового оперения возникают проблемы, на которые необходимо обратить внимание перед окончательным выбором этих схем оперения:
  • высокорасположенное горизонтальное оперение затрудняет его осмотр без стремянки
  • расположение горизонтального оперения вне струи винта уменьшает эффективность горизонтального оперения на взлете.
• При низком расположении горизонтального оперения для улучшения штопорных характеристик часто применяют разнесение горизонтального и вертикального оперения по строительной горизонтали (горизонтальное оперение располагается около задней кромки или позади вертикального). Однако это не означает, что при других схемах низкого расположения горизонтального оперения нельзя обеспечить вывод самолета из штопора.
• В большинстве случаев вертикальное оперение расположено на фюзеляже и не имеет подфюзеляжных частей (гребней)
• Как правило шасси самолета имеет трехопорную схему с носовой опорой.

Для двухмоторных самолетов можно установить следующее:

• Как правило оба двигателя располагаются на крыле.
• Схема низкоплан применяется чаще, чем высокоплан Среди высокопланов подкосные крылья не являются доминирующими.
• В большинстве схем применяется низкорасположенное горизонтальное оперение. При этом расположение горизонтального оперения и двигателей обеспечивает обдувку оперения струями воздушных винтов. Однако следует учитывать, что струя винта мощного двигателя может создать проблему усталости конструкции оперения.
• Другая концепция расположения горизонтального оперения относительно струй винтов состоит в таком расположении оперения, при котором работа двигателей не будет влиять на работу горизонтального оперения. Эта концепция реализуется в виде Т-образной схемы оперения, а при низком расположении горизонтального оперения — приданием ему поперечного «V».
• Схема вертикального оперения как правило однокилевая. Для повышения эффективности вертикального оперения на больших углах скольжения применяется форкиль.
• Двухкилевое оперение используется редко. Отличительной чертой схем самолетов с двухкилевым вертикальным оперением является малая площадь боковой проекции хвостовой части фюзеляжа, что уменьшает путевую устойчивость самолета.
• Как правило шасси выполнено по трехопорной схеме с носовой опорой
• В большинстве случаев шасси самолета делается неубирающимся. Неубирающееся шасси как правило применяется у высокопланов
• Двигатели в гондолах вынесены таким образом, чтобы плоскости вращения воздущных винтов были впереди кабины экипажа

по материалам: Н. П. Арепьев «Вопросы проектирования легких самолетов. Выбор схемы и параметров»

РАЗМЕЩЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ НА САМОЛЕТЕ

В общем случае на самолете могут устанавливаться как поршневые, роторные, так и воздушно-реактивные двигатели. У поршневых и роторных двигателей в качестве движителя должен быть воздушный винт. Именно поэтому такие двигатели устанавливаются в передней части самолета (на фюзеляже, на крыле с выносом воздушных винтов за переднюю кромку).

Однако, в силу определенных конструктивных особенностей на некоторых ЛА — экранопланах двигатели, в том числе и ТВД, могут располагаться на киле.

Турбореактивный двигатель при компоновке самолета позволяет рассматривать целый ряд принципиально различных вариантов размещения двигателей: в фюзеляже, на фюзеляже, на киле, в корне крыла и на крыле (под крылом на пилоне, а также непосредственное крепление двигателей под и над крылом).

Все перечисленные схемы установки двигателей использовались в компоновках реактивных самолетов (дозвуковых и сверхзвуковых, гражданских и военных). Каждая схема имеет определенные преимущества и недостатки, проявляющиеся в той или иной степени в зависимости от типа и назначения самолета. Ниже рассмотрены наиболее распространенные схемы установки двигателей.

Размещение двигателей в фюзеляже применяется практически на всех легких военных самолетах (многоцелевые истребители и др.). Тонкое крыло небольшого удлинения не позволяет устанавливать двигатели на крыле или в крыле без ущерба для механизации крыла. Двигательные гондолы заняли бы слишком много места, не только значительно сократив размах закрылков, но и существенно сократив возможность подвешивать к крылу значительную часть боевой нагрузки.

Кроме того, если для самолета необходим один воздушно-реактивный двигатель, то внутренняя полость фюзеляжа является единственным местом для установки такого двигателя.

Размещение двигателей в корне крыла широко применялось на тяжелых дозвуковых реактивных самолетах военного и гражданского назначения (Ту-16, Ту-104, Ту-124 и др.; английские самолеты «Вулкан», «Виктор», «Комета» и др.). Такая схема установки двигателей, обладая определенными положительными качествами:

— отказ одного или двух двигателей, размещенных с одной стороны, не вызывает резких разворачивающих и кренящих моментов;

— высокое расположение воздухозаборников исключает всасывание посторонних предметов с взлетной полосы, низкое аэродинамическое сопротивление двигательной установки и др.) имеет ряд существенных недостатков (особенно для пассажирских самолетов).

Данная схема имеет и ряд существенных недостатков:

— близость реактивной струи к обшивке фюзеляжа, сильный шум в пассажирском салоне;

— длинные воздухозаборники существенно уменьшают тягу двигателей;

— пожар, возникший в двигателях, может распространиться на пассажирский салон и топливные баки (требуется усиленная противопожарная защита);

— в случае разрушения лопаток компрессора или турбины возможно поражение пассажирской кабины и топливных баков (требуется специальное бронирование);

— наличие воздухозаборников на передней кромке крыла и выходных устройств на задней кромке уменьшает размещение механизации по размаху крыла;

— затрудняется создание систем для реверсирования тяги: направляемые вниз вперед реактивные струи газов, отражаясь от поверхности аэродрома, могут засасываться в воздухозаборники двигателей, вызывая помпаж этих двигателей;

— плохие условия эксплуатации двигателей из-за трудности подхода к ним;

— существенно уменьшается объем крыла для размещения топлива;

— увеличение массы конструкции самолета вследствие утяжеления крыла (из-за фасонных лонжеронов и наличия съемных панелей), длинных воздухозаборников или выхлопных труб.

Размещение двигателей на пилонах под крылом широко применяется на современных тяжелых дозвуковых самолетах.

Такая схема имеет следующие преимущества:

— двигатели разгружают конструкцию крыла в полете, уменьшая изгибающий момент от внешних нагрузок;

— двигатели являются противофлаттерными балансирами и одновременно демпфируют колебания крыла при полете в турбулентной атмосфере;

— обеспечивается удобство обслуживания двигателя и его замены (в том числе и на другой типоразмер);

— надежное изолирование источника пожара на двигателе от крыла при помощи противопожарных перегородок в пилоне;

— обеспечивается меньший шум от двигателей в пассажирском салоне;

— обеспечивается лучшая, чем на двигателях, установленных в корне крыла, изоляция конструкции самолета от звукового воздействия реактивных струй двигателей;

— создаются благоприятные условия установки двигателей с реверсом тяги и шумоглушением.

Наряду с указанными выше преимуществами, размещение двигателей на пилонах под крылом имеет следующие недостатки:

— в случае отказа двигателя, особенно внешнего, создается большой разворачивающий момент в горизонтальной плоскости;

— при посадке с креном наличие нижней пилонной подвески двигателей(чтобы избежать касание земли) требует увеличение поперечного V крыла, что ухудшает характеристики устойчивости и управляемости самолета;

— низкое расположение двигателей относительно поверхности аэродрома увеличивает возможность попадание в воздухозаборники посторонних предметов;

Размещение двигателей на хвостовой части фюзеляжа получило широкое распространение на отечественных и зарубежных пассажирских самолетах.

На тяжелых самолетах, когда для обеспечения необходимой величины тяговооруженности требуется четыре двигателя, на бортовых пилонах устанавливается по два двигателя с каждой стороны (например, самолет Ил-62).

Если для данной взлетной массы самолета требуемая тяговооруженность обеспечивается нечетным числом двигателей (три двигателя), то один из двигателей должен устанавливаться в плоскости симметрии самолета. В данном случае этот двигатель размещается внутри хвостовой части фюзеляжа, а его воздухозаборник выносится в корневую часть вертикального оперения над фюзеляжем. По такой схеме установлены двигатели на самолетах Боинг 727, Локхид L-1011, Де Хэвилленд «Трайдент» и на отечественных самолетах ЯК-40, Як-42 и Ту-154.

Размещение двигателей на хвостовой части фюзеляжа, когда двигатель крепится к фюзеляжу посредством небольшого пилона, позволяет:

— обеспечить аэродинамическое «чистое» крыло, что повышает его аэродинамическое качество на (10…15)%;

— максимально использовать размах крыла для размещения средств механизации (закрылки, предкрылки и т. д.), что улучшает взлетно-посадочные характеристики самолета;

— определять поперечное V крыла из условий обеспечения оптимальных характеристик поперечной и путевой устойчивости и управляемости;

— улучшить характеристики продольной, путевой и поперечной устойчивости самолета:( за счет площади гондол и их пилонов как дополнительного горизонтального оперения; вынос горизонтального оперения из зоны торможения потока за крылом; малый разворачивающий момент при остановке одного из двигателей).

— улучшить комфорт пассажиров (по сравнению с установкой двигателей в корне крыла) за счет уменьшения шума, так как гондолы двигателей в данном случае устанавливаются позади герметической кабины;

— облегчить установку реверсирующих устройств на всех двигателях;

— предохранить двигатели от попадания в них посторонних предметов при взлете и посадке благодаря высокому расположению воздухозаборников;

— улучшить работу устройств для реверсирования тяги двигателей (по сравнению с двигателями, размещенными в корне крыла);

— создать лучшие условия аварийной посадки самолета.

Однако наряду с указанными преимуществами схема установки двигателей на хвостовой части фюзеляжа имеет следующие существенные недостатки:

— увеличивается масса конструкции самолета(масса фюзеляжа увеличивается примерно на (10 . 15 %) вследствие усиления конструкции хвостовой части фюзеляжа из-за дополнительных весовых и инерционных нагрузок от двигателей);

— увеличения массы крыла (примерно на 10. 15 %) из-за отсутствия разгрузки крыла;

— увеличения массы вертикального оперения, несущего на себе горизонтальное оперение;

— центр масс пустого самолета сдвигается назад, а центр масс полностью загруженного самолета — вперед, чем создаются трудности в центровке и балансировке самолета;

— носовая часть фюзеляжа выдвигается вперед, что отрицательно сказывается на путевой и продольной устойчивости самолета;

— при попадании самолета в обледенение создается возможность попадания в двигатели обломков льда, сбрасываемых противообледенителями с крыла;

— необходимо прокладывать топливопроводы от баков к двигателям вблизи пассажирской кабины, что вызывает опасность попадания паров топлива в кабину и увеличивает массу трубопроводов;

— несколько затрудняется обслуживание двигателей, высоко расположенных над поверхностью аэродрома.

Перечисленные недостатки приводят к тому, что на современных двигатели устанавливаются, в основном, на пилонах под крылом.

Размещение двигателей под крылом (с непосредственным креплением гондол двигателей к крылу) встречается на тяжелых сверхзвуковых самолетах. В данном случае двигатели могут устанавливаться либо в одной гондоле, расположенной в плоскости симметрии самолета (самолет «Норт Америкен» ХВ-70), либо попарно в двух гондолах (пассажирские самолеты Ту-144 и «Конкорд»).

Размещение двигателей в гондолах на нижней поверхности крыла вызывает систему скачков уплотнений от специально спрофилированных воздухозаборников и мотогондол двигателей. В результате взаимодействия систем скачков уплотнения с поверхностью крыла аэродинамическое качество самолета на сверхзвуковой крейсерской скорости существенно увеличивается. Кроме того, угол атаки крыла в крейсерском полете уменьшается (так как величина М _max сдвигается на меньшие углы), что также уменьшает лобовое сопротивление.

Интерференция самолета и двигателя.Обтекание воздушным потоком двигателя, установленного на крыле или фюзеляже, вызывает дополнительные потери, называемыми интерференцией. По результатам экспериментальных исследований наименьшие потери наблюдаются при размещении двигателя на крыле по схеме среднеплан. При размещении двигателя непосредственно на крыле или под крылом потери будут минимальными, если поперечное сечение мотогондолы имеет прямолинейные обводы при соблюдении правила площадей.

При размещении двигателя на пилоне под крылом на его нижней поверхности появляется разряжение, вызываемое реактивной струей (усиливается для двухконтурных ТРДД), что может приводить к возникновению местных сверх звуковых зон обтекания и, как следствие, волновых потерь.

Для уменьшения воздействия продольной составляющей скорости стреловидного крыла на внутреннюю поверхность мотогондолы ось двигателя разворачивается во внутрь (в сторону фюзеляжа) на определенный угол.