Где находится киль у самолета? Киль самолета: конструкция

Даже человек, сроду не видевший моря, наверняка знает напутствие: «Семь футов под килем». И вопросов тут не возникает. Киль у корабля – важнейшая конструктивная часть, на которой крепятся многие детали его корпуса. Но знает ли кто-то о том, где расположен и для чего служит киль самолета?

Что это такое?

Это "орган" устойчивости, который позволяет сохранять летательному аппарату заданный курс. В отличие от кораблей, киль самолета является неотъемлемой частью вертикального оперения хвоста. Внизу фюзеляжа никакого киля у летательных машин нет! Но есть одна тонкость. Дело в том, что эта часть намертво соединена с силовыми элементами фюзеляжа, а потому что-то общее в морском и воздушном термине все же есть. Так где находится киль у самолета? Проще говоря, это вертикальная часть хвоста.

Ставится он неподвижно, закрепляется в трех точках, симметричных осевой линии самолета. На вид эта деталь имеет форму идеальной трапеции. Как правило, киль самолета состоит из лонжеронов, нервюр и обшивки. Схема эта классическая, мало изменившаяся с момента появления первых самолетов. Передний лонжерон ставится наклонно (как правило).

Схемы расположения

Чаще всего киль бывает одинарным, но в некоторых случаях его делают двойным и даже тройным (на винтомоторных бомбардировщиках). В последнем случае это требуется для обеспечения высокой курсовой устойчивости тяжелой машины. Кстати говоря, все самолеты по месту расположения киля делятся на три типа:

• Построенные по нормальной схеме. Таков, к примеру, киль самолета А321.
• «Утки», то есть летательные аппараты, у которых горизонтальное оперение киля расположено впереди крыльев.
• «Бесхвостки». От киля остается только вертикальное оперение, горизонтальные элероны отсутствуют полностью.

Разумеется, последние две разновидности более характерны для «сообщества» военных самолетов, так как подобное размещение киля необходимо для придания летательному аппарату особо высокой маневренности.

В некоторых случаях используют еще более сложные конструкции. Например, подкилевые гребни (они же – подфюзеляжные кили). Они применяются на некоторых сверхзвуковых самолетах, где сохранение идеальной устойчивости во время полета жизненно необходимо. Таким образом, под килем самолета (это где, мы уже выяснили) есть дополнительный и массивный наплыв. Чаще встречается ситуация, когда горизонтальное оперение хвоста вообще приходится переносить на самый верх киля. Такое случается, если двигатели установлены в кормовой части самолета. Подобную схему, к примеру, можно увидеть на отечественных грузопассажирских самолетах "Ил".

Для чего он нужен?

Как известно, безветренная погода – невероятная редкость, которая случается не чаще пары раз за год. В большинстве случаев ветер есть, причем его сила и направление могут кардинально различаться. Когда самолет летит, порывы ветра могут сильно воздействовать на направление и курс. Летательный аппарат должен быть устроен так, чтобы самостоятельно возвращаться в устойчивое положение. Только в этом случае возможен безопасный полет.

Основное назначение

Главное правило конструирования киля – разместить его так, чтобы он ни при каких условиях не попадал в спутную струю от крыла. В противном случае возможно резкое нарушение курсовой устойчивости, а в наиболее тяжелых ситуациях – физическая деформация и разрушение всего хвостового оперения. Итак, основное назначение киля – сохранение путевой устойчивости.

Конструкция многих самолетов такова, что деталь эта – подвижная. Регулируя величину отклонения киля, экипаж контролирует курсовое направление. Исключение – военные самолеты, на которых за изменение направления полета отвечают двигатели с контролируемым вектором тяги. В их случае делать подвижный киль самолета (фото его есть в статье) глупо, так как перегрузки при маневрировании таковы, что он просто разрушится.

Какие виды устойчивости обеспечиваются килем?

Различают три типа устойчивости, ради сохранения которых в конструкцию самолета входит киль:

• Путевая.
• Продольная.
• Поперечная.

Разберемся со всеми этими разновидностями подробнее. Итак, путевая устойчивость. Следует помнить, что в случае потери продольной устойчивости фюзеляжа в полете, самолет все равно продолжит некоторое время лететь вперед за счет инерционной силы. После этого воздушный поток начинает набегать на заднюю часть летательного аппарата, которая лежит позади центра тяжести. Киль в этом случае препятствует возникновению вращающего усилия, вынуждающего самолет вращаться вокруг своей оси.

Продольная устойчивость. Предположим, самолет летит в нормальном режиме, центр тяжести совпадает с центром приложения давления к его фюзеляжу. В этот момент на его фюзеляж также действуют разнонаправленные силы, которые стремятся развернуть корпус летательного аппарата. Подъемная сила и сила тяжести действуют одновременно. Киль самолета (фото этой детали вы увидите в статье) обеспечивает равновесие, которое в данном конкретном случае является весьма неустойчивым. Нормальный полет без хвостового оперения, киля и стабилизаторов невозможен.

Прочие виды устойчивости

Поперечная устойчивость. В общем-то, этот фактор является логичным продолжением предыдущего свойства. Когда на крыло и поперечные стабилизаторы киля действуют разнонаправленные силы, они «стараются» опрокинуть самолет. Противодействует этому форма крыльев: если посмотреть на них издали, то они напоминают букву «У» с сильно разведенными верхними «рожками». Такая форма обеспечивает самостоятельную коррекцию положения летательного аппарата в пространстве. Киль при этом помогает сохранению поперечной устойчивости.

Заметим, что у самолетов с обратной стреловидностью крыла нужда в киле не столь велика… на высоких скоростях. Если она падает, то нарастание сил противодействия происходит в геометрической прогрессии. А потому для этих машин очень важен максимально прочный и легкий киль, который может сопротивляться столь высоким нагрузкам. А как его можно получить? Расскажем и об этом.

Особенности создания современных самолетов

В настоящее время специалисты Росавиации и их зарубежные коллеги делают упор на создание деталей самолетов (в том числе и киля) из крупногабаритных деталей, изготовленных из новейших композитных материалов.

Доля этих соединений в конструкции современных летательных аппаратов неуклонно растет. Согласно сведениям от специалистов, их объемная доля уже достигает от 25% до 50%, а маленькие некоммерческие самолеты и вовсе могут состоять из пластика и композитов на 75%. Отчего такой подход получил столь широкое распространение в авиации? Дело в том, что тот же киль самолета «Боинг», изготовленный из полимерных «сплавов», имеет очень малый вес, очень высокую прочность и такой ресурс, которого, используя стандартные материалы, достичь просто нереально.

Основные материалы

Наиболее оправдано использование композитов в конструкции не только хвостового оперения, но также крыльев и силовых элементов фюзеляжа, которые должны быть не только очень прочными, но и достаточно гибкими. В противном случае не исключена вероятность разрушения конструкции под действием полетных нагрузок.

Но так было не всегда. Так, гордость советского авиастроения, самолет «Ту-160», он же «Белый лебедь» или «Блэк-джек», имеет киль из… титановых сплавов. Столь специфический и чрезвычайно дорогой материал был выбран из-за огромных нагрузок на конструкцию этой машины, которая до сего дня оставляет за собой титул самого тяжелого бомбардировщика, стоящего на вооружении. Но все же столь кардинальный подход к созданию киля – редкость, а потому сегодня конструкторам куда чаще приходится иметь дело с более простыми композитными материалами.

Какие задачи приходится решать при создании композитного киля?

В процессе разработки отечественным конструкторам пришлось решать целый спектр сложных задач:

• Отработано создание крупногабаритных деталей киля и другой углепластиковой оснастки инфузионным способом.
• Также пришлось практически полностью переосмысливать и переоснащать основные этапы производства, которые не были рассчитаны для использования композитных материалов.

Прочие особенности

В производственный процесс было внедрено новейшее программное обеспечение (FiberSim), которое позволяет добиться максимально высоких степеней автоматизации. Кроме того, теперь киль самолета, конструкция которого описана в статье, можно изготовить по таким технологиям, где практически отсутствуют чертежи. Изготовление этой детали при таком подходе выглядит следующим образом:

• Проектирование или выбор готовой модели. Сегодня киль (преимущественно) проектируется в полностью автоматическом режиме, без участия «человеческих» разработчиков.
• Раскрой используемых материалов, также ведущийся в автоматическом режиме.
• В автоматическом же режиме производится выкладка сырья, используемого при создании киля и его структурных частей.
• Укладка слоев ведется роботизированными механизмами, управляемыми компьютерной программой.

Кроме того, современный подход к производству килей предполагает следующее:

• Постоянное изготовление опытных образцов, которые тестируются в самых жестких условиях.
• Разрабатываются технологии неразрушающего контроля, которые позволяют проводить постоянный мониторинг состояния киля на самолете.

Передовые методы создания хвостового оперения самолета «МС-21»

В не столь далеком прошлом авиационную промышленность буквально ошеломило заявление отечественных разработчиков о том, что они занимаются разработкой абсолютно нового самолета, «МС-21». Его необычность в том, что почти за три последних десятилетия это первая отечественная машина для рейсов внутри страны. При его изготовлении были апробированы многие новейшие технологии, которые во многом коснулись инновационных особенностей киля и всего хвостового оперения.

Разрабатывая и выпуская кессон киля самолета «МС-21», отечественные специалисты смогли добиться следующего:

• Полной автоматизации раскроя всех деталей и сырья, используемого в производстве. За счет этого удалось достичь не менее чем 50% сокращения общей стоимости всего хвостового оперения и в особенности киля.
• В производстве хвостового оперения используется программа ProDirector, которая позволяет добиваться идеальной точности при обработке деталей. Это дает возможность создавать не только прочные, но и предельно легкие кили.
• Также киль современного самолета создается с использованием методик двойной кривизны. Благодаря им, удается достичь разнонаправленной толщины в тех зонах, где необходимо дополнительное усиление конструкции (под килем самолета).
• Даже крупногабаритные детали киля сегодня можно «прожаривать» в специальных автоклавах. В результате получаются предельно прочные и жесткие комплектующие, выдерживающие нагрузки любой степени.
• Контроль геометрии деталей также проходит под управлением сложных компьютеризированных систем.

Прочие особенности

Благодаря использованию новых технологий и методик, трудоемкость создания хвостового оперения и киля удалось снизить на 50-70%. Сегодня государственные испытания прошло уже более четырех тысяч деталей киля и хвостового оперения.

Главное достижение – была разработана надежная и простая технология выпуска деталей кессона киля размером 7,6 х 2,5 м. В настоящее время их уже начали поставлять на Иркутский авиационный завод. Изготавливают их из современных композитных материалов, причем особенности этого процесса уже успели заинтересовать ведущих зарубежных производителей авиационной техники.

Современные проблемы   

Для чего мы столько времени провели, обсуждая современные способы разработки и постройки киля? Дело в том, что еще с 60-х годов прошлого века стало окончательно понятно, что дальнейшее увеличение скоростных показателей самолетов возможно только в том случае, если повышать их прочность и внедрять в производство совершенно новые разновидности полимерных материалов. Проблема летательных аппаратов последних поколений в том, что их конструкция (и киль в особенности) сильно подвержена «усталости». Из-за этого примерно к 70-м годам прошлого века были разработаны многочисленные методики контроля состояния крыла и хвостового оперения.

Требования к производству также высоки. Каждую партию деталей подвергают жесточайшим перегрузкам на вибрационных стендах, испытывают температурами и давлением. И это неудивительно, так как малейшая трещинка впоследствии чревата гибелью сотен пассажиров.

Вот вы и узнали, где у самолета киль и для чего он нужен!