Что такое фюзеляж самолета? Схема, устройство, элементы конструкции

Фюзеляж пассажирского самолета связывает крылья, оперение и в некоторых случаях шасси. Он предназначается для размещения оборудования, экипажа, грузов. Самолет без фюзеляжа именуется летающим крылом. В его утолщенном отсеке располагается все, что находится в корпусе обычного аппарата. Рассмотрим далее подробно, что такое фюзеляж самолета. Фото этого компонента будет также представлено в статье.

Общие требования

Объясняя двумя словами, что такое фюзеляж самолета, можно сказать, что это корпус аппарата. К этому компоненту воздушного судна предъявляется ряд требований:

1. Рациональное использование всех внутренних объемов.
2. Минимальное лобовое сопротивление.
3. Обеспечение достаточного обзора из кабины пилотов и помещения для экипажа.
4. Надежная теплозвукоизоляция и герметичность.
5. Простота разгрузки/загрузки.
6. Необходимая вентиляция, освещение и отопление.

Внешняя форма

Геометрия фюзеляжа самолета представлена осесимметричным телом с плавным сужением к хвостовой и носовой частям. При такой форме обеспечивается минимальная площадь поверхности при заданных габаритах. Соответственно, снижается масса обшивки, уменьшается сопротивление. Небольшой вес дает определенные преимущества при воздействии избыточного давления в герметичные кабины. Однако по ряду соображений такая идеальная форма не соблюдается. Плавность обводов нарушают, в частности, такие элементы фюзеляжа самолета, как фонари кабины, антенны радиолокаторов. Это, в свою очередь, приводит к повышению сопротивления и увеличению массы. Этот же эффект имеет место при отступлении от плавных форм в хвостовых отсеках. В данном случае обеспечивается увеличение угла опрокидывания или укорочение рампы и грузового люка.

Нагрузки

Разъясняя, что такое фюзеляж самолета (фото, представленное в статье, иллюстрирует его особенности), необходимо сказать о воздействиях, которые он испытывает. При посадке и в полете на этот компонент действуют:

1. Силы, передающиеся от присоединенных компонентов. К ним, в частности, относят крылья, шасси, оперение, силовую установку и пр.
2. Массовое инерционное воздействие оборудования, грузов, агрегатов, которые находятся непосредственно в нем.
3. Аэродинамические силы, которые распределены по поверхности.
4. Инерционное воздействие собственной массы. Его оказывает сама конструкция фюзеляжа самолета.
5. Силы излишнего давления в отсеках оборудования, герметичных кабинах.

Все указанные нагрузки полностью сбалансированы. Рассматривая, что такое фюзеляж самолета в рамках строительной механики, можно представить его в виде коробчатой балки. В любом сечении на нее воздействуют горизонтальные и вертикальные силы, крутящий момент. В герметичных отсеках к ним добавляется излишнее внутреннее давление.

Рациональность модуля

Наиболее оптимальной считается такая схема фюзеляжа самолета, при которой он сможет воспринимать все указанные выше нагрузки при достаточно небольшом собственном весе. Тонкостенная оболочка в этом случае закрепляется на силовом каркасе. Рациональность обеспечивается полноценным использованием обшивки. В том месте, где находится фюзеляж у самолета, существуют местные аэродинамические силы, внутреннее избыточное давление, общая силовая работа. Тонкостенная оболочка, подкрепляясь изнутри каркасом, максимально удовлетворяет требованиям удобства компоновки, обеспечивает технологическую простоту, эксплуатационные характеристики. Такое устройство фюзеляжа самолета именуется балочным. Ранее использовались ферменные модули. Они существенно проигрывали балочным по своей массе. Что такое фюзеляж самолета ферменного типа? Обшивка в данном случае полностью исключается из силовой работы. Она воспринимает только местные аэродинамические нагрузки. Если говорить о том, что такое фюзеляж самолета в данном случае, то его можно определить как дополнительный модуль, увеличивающий общую массу аппарата. Пространственная ферма существенно осложняет компоновку груза. Недостатки такого модуля привели к тому, что в современном самолетостроении они практически не используются. Их применение целесообразно только на тихоходных легких аппаратах малой авиации.

Классификация

Существует три типа самолетных фюзеляжей:

1. Обшивочные.
2. Лонжеронный.
3. Стрингерный.

Последние два отличаются друг от друга формой и площадью в поперечном сечении. Продольный набор в том месте, где находится фюзеляж у самолета, состоит из стрингеров и лонжеронов. Обшивочный модуль в поперечном сечении включает в себя шпангоуты. Они обеспечивают сохранение заданной формы при деформациях оболочки и передачу сосредоточенных и распределенных нагрузок. В месте, где у самолета фюзеляж, присутствуют участки, в которых может быть большая концентрация сил. Для предотвращения деформации в этих случаях устанавливают усиленные шпангоуты. В балочных модулях воздействие любого направления воспринимается полностью обшивкой. В ней возникает касательный поток усилий. Их распределение зависит от направления внешнего воздействия и формы поперечного сечения модуля. Обшивка также полностью воспринимает крутящий момент. В этом случае касательный поток равномерно распределяется по периметру. Оболочка при этом, как правило, имеет однозамкнутый контур в поперечном сечении. На участках, где присутствуют вырезы в оболочке, устанавливают силовые окантовки. Они обеспечивают в этих зонах передачу всех усилий.

Стрингеры и лонжероны

Продольные части фюзеляжа самолета проходят обычно по всей его длине. Вместе с обшивкой они принимают нормальные усилия сгиба. Изготовление простых стрингеров и лонжеронов осуществляется, как правило, из гнутых или прессованных профилей с разным сечением. Продольные элементы имеют большую жесткость. При больших нагрузках в некоторых случаях могут устанавливаться составные лонжероны. Они включают в себя несколько профилей, соединенных друг с другом. При окантовке вырезов большого размера применяют бимсы - продольные элементы коробчатого сечения. Они изготавливаются из прессованных профилей, которые связываются между собой обшивкой и стенками.

Шпангоуты

Они могут быть усиленными или обычными. Последние обеспечивают сохранность формы поперечного сечения модуля. Усиленные шпангоуты используются на участках скопления больших нагрузок на корпус. На них находятся узлы, стыкующие агрегаты, закрепляющие грузы, крупное оборудование, двигатели и пр. Усиление устанавливают также по границам крупных вырезов в корпусе. Обычные шпангоуты имеют, как правило, рамную конструкцию. Они изготавливаются из штампованного или гибкого листа. Усиленные элементы выполняют в форме замкнутой рамы швеллерного или двутаврового сечения. Касательный поток выступает как опорная реакция. Рама распределяет внешнее воздействие по всему периметру. Сама же она действует на изгиб. Он определяет ее сечение. Конструкция такой рамы монолитная или сборная. На участках установки перегородок усиленный шпангоут зашивают стенкой полностью. Она подкрепляется горизонтальными и вертикальными профилями. Обшивка шпангоута может осуществляться также сферической оболочкой. Подкрепляющие элементы при этом располагаются радиально.

Обшивка

Она выполняется из металлических листов. Их формируют по профилю поверхности корпуса и закрепляют. Стыки листов располагают по поперечным и продольным частям модуля. Для обшивочных каркасов используются монолитные реберные панели. В последнее время достаточно распространено использование композитных материалов.

Соединение компонентов

Обшивка может крепиться к шпангоутам или стрингерам либо одновременно и к тем и к другим. Первый вариант используется в обшивочных модулях. При закреплении только к стрингерам применяют заклепочные продольные швы. Поперечное соединение при этом отсутствует. Это улучшает аэродинамические свойства модуля. Но в этом случае при меньших нагрузках обшивка теряет свою устойчивость. Это приводит к увеличению веса конструкции. Для предотвращения этого оболочка часто связывается со шпангоутом компенсатором - дополнительной накладкой.

Стыки

При балочно-лонжеронной схеме фюзеляжа они выполняются с помощью узлов, которые располагаются исключительно на продольных деталях. Такие стыки называют точечными. Контурные соединения используют в балочно-стрингерных фюзеляжах. Стыки располагают по всему периметру шпангоута с обязательным усиленным связыванием обшивки и стрингеров. Соединения в таких фюзеляжах, как правило, осуществляются с помощью фланцев. Такой стык обеспечивает силовую связь с деталями, соприкасающимися по контуру.

Крепление агрегатов

Узлы соединения устанавливают на усиленных шпангоутах. Они исполняют функцию жесткого диска. За счет них осуществляется распределение сосредоточенных продольных нагрузок. Стыковые узлы должны связываться с силовыми лонжеронами. Для снижения массы всей конструкции фюзеляжа целесообразно уменьшить количество усиленных шпангоутов. На каждом таком элементе может располагаться несколько узлов крепления агрегатов.

Крылья

В качестве специфической особенности крепления этих деталей выступает уравновешивание изгибающих моментов в этом стыке консолей крыла. Рациональным будет считаться балансировка правого и левого элементов на центроплане, проходящем сквозь фюзеляж. Для лонжеронного типа модуля достаточно пропустить продольные элементы - по ним будет осуществляться уравновешивание сгиба. Для соединения моноблочных и кессонных крыльев сквозь корпус должны проходить все силовые панели. Если по каким-то причинам пропуск элементов через фюзеляж осуществить нельзя, изгибающие моменты справа и слева должны замыкаться на силовых шпангоутах. Такое решение, однако, может применяться для лонжеронных крыльев, поскольку количество деталей в них небольшое. Моноблочные и кессонные компоненты потребуют большего числа усиленных шпангоутов. Это достаточно сложно выполнить на конструкции. В таких случаях целесообразно воспользоваться лонжеронной схемой.

Киль

Его крепление требует обязательной передачи изгибающего момента на фюзеляж. Для этого каждый продольный элемент киля соединяют с усиленным шпангоутом. По возможности можно использовать мачтовый тип закладки лонжерона в двух точках. Их располагают по высоте шпангоута. Стреловидный продольный элемент имеет излом на участке пересечения с ним. Это требует обязательной установки дополнительного усиления. От него можно отказаться в том случае, если шпангоут будет располагаться наклонно относительно оси фюзеляжа, чтобы плоскость стала продолжением стенки лонжерона. Но воплощение этого варианта будет сопровождаться определенными сложностями.

Вырезы

Центральная часть фюзеляжа самолета включает в себя отверстия под окна, двери, люки, фонари, ниши шасси. Все эти вырезы нарушают замкнутость контура обшивки. Соответственно, существенно снижается устойчивость и прочность каркаса. Для компенсации потерь по контурам отверстий пропускают рамную жесткую окантовку. При небольших размерах вырезов она представляет собой монолитную конструкцию. Ее выполняют из листа, изготовленного штамповкой или иным способом. Крупные отверстия окантовываются по торцам усиленными шпангоутами. В продольном направлении устанавливают бимсы. При этом они не заканчиваются в пределах выреза, а выходят за усиленные шпангоуты. Так обеспечивается жесткая закладка продольных деталей. Ниши шасси закрепляются на усиленных шпангоутах и лонжеронах в нижней части корпуса.

Герметичные кабины

При полете на большой высоте в них поддерживается излишнее давление. Для обеспечения минимальной массы герметичных кабин их выполняют в форме сферы или цилиндра со сферическими днищами. При этом необходимо усиление шпангоута, расположенного на стыке сегментов. Это требуется потому, что он принимает довольно большую сжимающую нагрузку. В герметичных кабинах обшивка при нагрузке излишним давлением не испытывает изгибных деформаций. Она работает исключительно на растяжение. В некоторых случаях от указанной формы приходится отступать. Это, в свою очередь, приводит к увеличению веса всей конструкции. Для обеспечения необходимой жесткости на изгиб используются плоские панели. Находясь под воздействием избыточного давления, они подкреплены поперечными и продольными балками (ребрами). Для усиления жесткости деталей панели выполняют в виде трехслойных конструкций. В кабинах должна обеспечиваться надежная герметизация по всем болтовым и заклепочным швам. Для этого используются специальные ленты. Их пропитывают герметиком, промазывают невысыхающей мастикой, покрывают специальными составами с последующей сушкой. На стыках листов обшивки применяют заклепочные многорядные швы с небольшим шагом. Особо тщательно обрабатываются герметиком люки, окна, фонари, двери. Герметизация обеспечивается за счет использования специальных уплотнительных средств. Это могут быть резиновые жгуты, ленты, надувные трубки, прокладки.

Обязательные мероприятия

Для обеспечения исполнения требований, которые предъявляются к фюзеляжу самолета, должны быть выполнены определенные действия. К ним относят:

1. Выбор таких значений параметров и внешних форм корпуса, при которых лобовое сопротивление будет снижено до минимума, а полезный объем, соответственно, будет оптимальным.
2. Использование несущих фюзеляжей. За счет них создается значительная подъемная сила. За счет этого можно уменьшить массу и площадь крыла.
3. Рациональное использование полезных объемов. Это достигается повышением плотности компоновки, компактным размещением груза в области центра масс. В этом случае будут уменьшаться массовые моменты инерции и улучшаться характеристики маневренности. Сужение диапазона изменения центровок при выгорании топлива, разных вариантах загрузки обеспечивает большую устойчивость и лучшую управляемость.
4. Согласование силовых схем фюзеляжа и агрегатов, присоединенных к нему. При этом должны быть надежное крепление, уравновешивание и передача нагрузок от силовых деталей крыла, шасси, оперения, установок к корпусу.
5. Обеспечение удобства входа/выхода экипажа, пассажиров, швартовки, загрузки/выгрузки предметов, оборудования, вещей, предназначенных для транспортировки.
6. Обеспечение удобного подхода к разным агрегатам. Это необходимо главным образом для осуществления осмотра и ремонта.

Для экипажа и пассажиров должны быть созданы необходимые условия, а также надлежащий уровень комфорта во время перелета на больших высотах. Обязательным требованием является обеспечение звуко- и теплоизоляции кабин, возможности безопасного и быстрого аварийного выхода из салона. Для экипажа также должны быть созданы комфортные условия. В частности, пилотам должен быть обеспечен хороший обзор, удобство при полете и управлении самолетом.