Прочность конструкций самолета расчет крыла. Курсовая работа: Расчет на прочность крыла большого удлинения и шасси транспортного самолета АН

Министерство общего образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ

ЭЛЕМЕНТОВ ПЛАНЕРА САМОЛЕТА НА ПРОЧНОСТЬ.

КРЫЛО.

Методические указания к выполнению курсовых

и дипломных проектов для студентов

III- V курсов (специальность 1301)

факультета летательных аппаратов

Новосибирск

Составители: В.А. Бернс канд.техн.наук,

Е.Г. Подружин канд.техн.наук,

Б.К. Смирнов, техн.наук.

Рецензент: В.Л. Присекин, д-р.техн.наук, проф.

Работа выполнена на кафедре

самолето- и вертолетостроения

Новосибирский государственный

технический университет, 2000 г.

ЗАДАЧИ, СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Цель курсового проекта – более глубокое и детальное ознакомление студентов с особенностями конструкции самолета и овладение практическими приемами расчета на прочность элементов планера самолета.

Задание на курсовой проект предусматривает решение следующих задач:

Выбор прототипа самолета по его характеристикам, являющимися исходными данными к проекту.

Определение массовых и геометрических характеристик самолета, необходимых для расчета нагрузок, по выбранному прототипу, компоновка крыла.

Назначение эксплуатационной перегрузки и коэффициента безопасности для заданного расчетного случая.

Определение нагрузок, действующих на крыло при выполнении самолетом заданного маневра, построение эпюр.

выбор типа конструктивно-силовой схемы крыла (лонжеронное, кессонное, моноблочное) и подбор параметров сечения (расстояния от корня крыла до расчетного сечения задается преподавателем).

Расчет сечения крыла на изгиб.

Расчет сечения крыла на сдвиг.

расчет сечения крыла на кручение.

Проверка обшивки крыла и стенок лонжерона на прочность и устойчивость.

Расчет на прочность элементов крыла (по указанию преподавателя).

Примечания.

Все расчеты проводятся на ПЭВМ, в пояснительную записку вставляется распечатка результатов расчета.

Необходимый объем расчетов из перечисленных разделов проекта назначается преподавателем индивидуально.

Оформление расчетно-пояснительной записки производится в соответствии с ГОСТ 2.105-79.

Защита курсового проекта проводится публично, всеми студентами группы в одно время.

Обозначения:

L - размах крыла;

S - площадь крыла;

- удлинение крыла;

- сужение крыла;

Относительная толщина профиля сечения крыла;

Относительная толщина профиля соответственно в корневом и

концевом сечениях крыла;

 0,25 - стреловидность крыла по линии четвертей хорд;

G- взлетный вес самолета;

G кр. - вес крыла;

b- текущая хорда крыла;

b корн. - корневая хорда крыла;

b конц. - концевая хорда крыла;

f- коэффициент безопасности;

- максимальная эксплуатационная перегрузка в направлении оси Y;

- относительная циркуляция прямого плоского крыла;

Относительная циркуляция крыла с учетом стреловидности;

q аэр - погонная аэродинамическая нагрузка на крыло;

Q аэр - перерезывающая сила в сечении крыла от аэродинамической нагрузки;

M аэр - момент аэродинамической нагрузки в сечении крыла;

Q кр - перерезывающая сила от веса крыла;

M кр - момент силы веса в сечении крыла;

G топл - вес топлива в крыльевых баках;

Q топл - перерезывающая сила от веса баков с топливом;

G агр - вес агрегатов и сосредоточенных грузов;

M топл - момент сил веса баков с топливом;

Q соср - перерезывающая сила от сосредоточенных масс;

M соср - момент сосредоточенных инерционных сил;

N – растягивающее усилие, действующее в панели крыла;

 - толщина обшивки;

H - высота лонжерона;

e - шаг стрингеров;

a - расстояние между нервюрами;

n - число стрингеров;

F стр - площадь сечения стрингера;

F л-н - площадь сечения полки лонжерона;

 ст - толщина стенки лонжерона;

 в - напряжение предела прочности материала;

 кр,  кр - напряжения потери устойчивости соответственно при сжатии и сдвиге;

E - модуль продольной упругости;

G - модуль сдвига;

 - коэффициент Пуассона.

ПОРЯДОК ПРОЧНОСТНОГО РАСЧЕТА НА ПЭВМ

Расчет крыла самолета производится на ПЭВМ. Расчет разбит на несколько этапов. На первом этапе определяются нагрузки, действующие на крыло. Необходимая для этого информация вводится в ПЭВМ в диалоговом режиме в ответ на запросы появляющиеся на экране компьютера после запуска программы NAGR.EXE. В дальнейшем создается файл данных NAGR.DAT, куда заносится вводимая информация и в последующих расчетах можно менять исходные данные в файле данных.

Прежде чем воспользоваться программой NAGR.EXE, необходимо подготовить исходные данные к расчету нагрузок, что включает в себя выбор прототипа самолета, установление массовых и геометрических характеристик самолета, компоновку крыла, назначение величин эксплуатационной перегрузки и коэффициента безопасности

При расчете нагрузок в ПЭВМ заносятся (бесформатный ввод) следующие параметры:

корневая и концевая хорды [м];

размах крыла [м];

коэффициент безопасности [б/р];

взлетный вес самолета [т];

эксплуатационная перегрузка [б/р];

относительная циркуляция (11 значений из табл. 1) [б/р];

угол стреловидности по линии четвертей хорд крыла [град];

относительная толщина профиля в корневом и концевом сечениях [б/р];

вес крыла [т];

количество топливных баков в крыле [б/р];

удельный вес топлива [т/м 3 ];

относительные координаты начальных и концевых хорд баков [б/р];

начальные хорды баков [м];

концевые хорды баков [м];

расстояние от условной оси (рис.1) до линии ц.т. топлива в корневом и концевом сечениях крыла [м];

количество агрегатов [б/р];

вес агрегатов [т];

относительные координаты агрегатов [б/р];

расстояние от условной оси до ц.т. агрегатов [м];

расстояние от условной оси до линии ц. д. в корневом и концевом сечениях крыла [м];

расстояние от условной оси до линии ц. ж. в корневом и концевом сечениях крыла [м];

расстояние от условной оси до линии ц. т. в корневом и концевом сечениях крыла [м];

Результаты расчетов по программе NAGR.EXE заносятся в файл NAGR.DAT, в котором приведены с соответствующими комментариями введенные на первом этапе данные, а также выводятся рассчитанные программой площадь крыла, его сужение, удлинение, эксплуатационная и разрушающая нагрузки, действующие в крыле, и таблицы нагрузок, действующих в крыле от различных силовых факторов:

таблица аэродинамических нагрузок (табл.1);

таблица нагрузок от веса конструкции крыла (табл.2);

таблица нагрузок от веса баков с топливом (табл.3);

таблица нагрузок от сосредоточенных сил (табл.4)

таблица суммарных перерезывающих сил и изгибающих моментов от всех силовых факторов (табл.5);

таблица моментов всех сил, действующих на крыло, относительно оси z усл. (табл.6);

таблица изгибающих и крутящих моментов, действующих в сечениях нормальных оси жесткости крыла (табл.7);

На втором этапе с помощью программы REDUC.EXE осуществляется расчет крыла на изгиб методом редукционных коэффициентов. Подготовка исходных данных для программы REDUC.EXE заключается в выборе типа силовой схемы крыла, подборе параметров расчетного сечения (см. п. 5.1-5.3). Методика расчета сечения крыла на изгиб методом редукционных коэффициентов изложена в п. 6.1.

Исходными данными для программы REDUC.EXE (для программы реализован ввод исходных данных в двух режимах – диалоговом и файловом) являются:

число стрингеров на верхней панели крыла [б/р];

число стрингеров на нижней панели крыла [б/р];

высоты и толщины свободных полок стрингеров в сжатой (верхней) панели крыла [см];

площади поперечных сечений стрингеров [см 2 ];

моменты инерции стрингеров верхней панели [см 4 ];

координаты x,y центров тяжести стрингеров [см];

модули упругости материалов стрингеров и лонжеронов [кг/см 2 ];

толщины обшивки на верхней и нижней панелях крыла [см];

число лонжеронов [б/р];

площади поперечных сечений лонжеронов [см 2 ];

координаты x,y центров тяжести полок лонжеронов [см];

высоты лонжеронов [см];

напряжения предела прочности для материалов лонжеронов и стрингеров [кг/см 2 ];

изгибающий момент [кгсм];

шаг нервюр [см];

шаг стрингеров в сжатой и растянутой панелях крыла[см];

Результаты расчета программы REDUC.EXE являются таблицы помещаемые в файл REZ.DAT, в которых для каждой итерации приводятся следующие величины:

номера стрингеров и лонжеронов;

площади сечений стрингеров и лонжеронов;

суммарная площадь сечений подкрепляющих элементов с присоединенной обшивкой;

величины редукционных коэффициентов;

критические напряжения в стрингерах при общей потере устойчивости;

критические напряжения в стрингерах при местной потере устойчивости;

допускаемые напряжения в стрингерах и лонжеронах;

действительные напряжения в стрингерах и лонжеронах.

Кроме перечисленной информации формируются два файла данных CORD.DAT и DAN.DAT. В первый из этих файлов заносятся координаты x,y центров тяжести стрингеров, а во второй остальная информация, вводимая в диалоговом режиме при первом обращении к программе, что позволяет при дальнейшей работе с программой корректировать вводимую информацию более эффективно.

На третьем этапе производится расчет сечения крыла на сдвиг и кручение. Методика расчета сечения крыла на сдвиг и кручение изложена в п. 7.1, 8.1, 8.2. Программы для этих расчетов составляются самостоятельно.

На четвертом этапе производится подготовка заключения о прочности крыла. Подготовка данного заключения производится в соответствии с п. 9.

На пятом этапе производится проектирование и расчет на прочность элемента крыла. Проектированию подлежит элемент, указанный преподавателем.

Расчет на прочность элемента крыла подразумевает разработку расчетной схемы; определение нагрузок, действующих на данный элемент; расчет напряжений; подбор характеристик элемента из условия его прочности.

МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

I . Выбор прототипа самолета по его характеристикам

Исходными данными к проекту являются следующие характеристики: размах крыла L, площадь крыла S, сужение крыла η, относительная толщина профиля в корневом и концевом сечениях крыла, стреловидность крыла по линии четвертей хорд χ 0,25 , взлетный вес самолета G, расчетный случай (А, А ′ , В и т.д.). По геометрическим и массовым характеристикам самолета определяется его прототип, например, по работам .

2. Установление массовых и геометрических характеристик самолета, компоновка крыла

Для найденного прототипа выясняются особенности компоновки крыла (количество и расположение двигателей, шасси, топливных баков, органов управления, механизации, сосредоточенных грузов на узлах внешней подвески), вес топлива и агрегатов, расположенных на крыле. В случае, если массовые характеристики агрегатов не удается найти в литературе, то их величины определяются (по согласованию с преподавателем) с использованием статистических данных для рассматриваемого типа самолетов .

С использованием найденных геометрических характеристик выполняется эскиз крыла в масштабе 1:5, 1:6, 1:10, 1:25, производится его компоновка (размещение лонжеронов, топливных баков, шасси, двигательных установок, различных грузов и т.д.). Геометрические характеристики крыла, необходимые для его построения, определяются по формулам:

,
,

Угол стреловидности крыла χ задан по линии, проходящей через четверти хорд (рис. 1). На крыле, вычерченном в масштабе, необходимо нанести линию центров тяжести, линию, проходящую через четверти хорд, линию центров давления, условные оси координат и разбить крыло на сечения ;. Здесь
.

3. Назначение эксплуатационной перегрузки и коэффициента безопасности

Величина эксплуатационной перегрузки и коэффициент безопасности для заданного самолета и расчетного случая назначается с использованием работ и лекционного материала. В тексте пояснительной записке необходимо обосновать выбор числовых значений этих параметров. В зависимости от степени потребной маневренности все самолеты делятся на три класса

Класс А - маневренные самолеты, к которым относятся самолеты, совершающие резкие маневры, например истребители (
). Кратковременно перегрузка для таких самолетов может достигать 1011 единиц.

Класс Б – ограниченно маневренные самолеты, которые совершают маневр, в основном, в горизонтальной плоскости (
).

Класс В – неманевренные самолеты, не совершающие сколь-нибудь резкого маневра ().

Транспортные и пассажирские самолеты относятся к классу В, бомбардировщики к классу Б или В. Истребители относятся к классу А.

Все разнообразие нагрузок, действующих на самолет, сводится к расчетным режимам или расчетным случаям, которые сведены в специальный документ . Обозначаются расчетные случаи буквами латинского алфавита с индексами. В таблице 1 приведены некоторые расчетные случаи нагружения самолета в полете.

Коэффициент безопасности f назначается от 1,5 до 2,0 в зависимости от продолжительности действия нагрузки и повторяемости ее в процессе эксплуатации.

Максимальную эксплуатационную перегрузку при маневре самолета с убранной взлетно-посадочной механизацией определяют следующим образом

при m 8000 кг

при m  27500 кг

Для промежуточных значений полетной массы перегрузка определяется по формуле

4
. Определение нагрузок, действующих на крыло

Конструкция крыла рассчитывается по разрушающим нагрузкам

4.1 Определение аэродинамических нагрузок

Аэродинамическая нагрузка распределяется по размаху крыла в соответствии с изменением относительной циркуляции
(при вычислении коэффициента влиянием фюзеляжа и мотогондол можно пренебречь). Значения следует брать из работы , где они задаются в виде графиков или таблиц для различных сечений крыла в зависимости от его характеристик (удлинения, сужения, длины центроплана и т.д.). Можно воспользоваться данными приведенными в таблице 2.

Таблица 2

Распределение циркуляции по сечениям для трапецевидных крыльев

Расчетная погонная аэро-динамическая нагрузка (направление q аэр. прибли-женно можно считать перпендикулярным плос-кости хорд крыла) для плоского крыла при

(1)

Для крыльев со стрело-видностью

(3)

При учете стреловидности не принимается во внимание крутка крыла. Для крыльев со стреловидностью χ › 35 о формула (3) дает ошибку в значениях циркуляции до 20 %.

Методика расчета для неплоских крыльев любой формы изложена в работе .

По эпюре распределенных нагрузок q аэр, вычисленных для 12 сечений по формулам (1) или (2), строятся последовательно эпюры Q аэр. и M аэр. . Используя известные дифференциальные зависимости, находим

Интегрирование проводится численно, используя метод трапеций (рис.2). По результатам вычислений строятся эпюры изгибающих моментов и перерезывающих сил.

4.2 Определение массовых и инерционных сил

4.2.1 Определение распределенных сил от собственного веса конструкции крыла. Распределение массовых сил по размаху крыла с незначительной погрешностью можно считать пропорциональным аэродинамической нагрузке

или пропорционально хордам

Погонная массовая нагрузка приложена по линии центров тяжести сечений, расположенной, обычно, на 40-50% хорды от носка. По аналогии с аэродинамическими силами определяются Q кр. и M кр. . По результатам вычислений строят эпюры.

4.2.2 Определение распределенных массовых сил от веса баков с топливом. Распределенная погонная массовая нагрузка от баков с топливом

где γ – удельный вес топлива; B – расстояние между лонжеронами, являющимися стенками бака (рис.3).

Относительная толщина профиля в сечении

4.2.3 Построение эпюр от сосредоточенных сил. Сосредоточенные инерционные силы от агрегатов и грузов, расположенных в крыле и присоединенных к крылу, приложены в их центрах тяжести и принимаются направленными параллельно аэродинамическим силам. Расчетная сосредоточенная нагрузка

Результаты приводятся в виде эпюр Q соср. и M соср. . Строятся суммарные эпюры Q Σ и M xΣ от всех сил, приложенных к крылу, с учетом их знаков:

4.3 Вычисление моментов, действующих относително условной оси

4.3.1 Определение
от аэродинамических сил. Аэродинамические силы действуют по линии центров давления, положение которой считается известным. Вычертив крыло в плане, отметим положение ΔQ аэр i на линии центров давления и по чертежу определим h аэр i (рис.5).

и строим эпюру.

4.3.2. Определение
от распределенных массовых сил крыла (и
). Массовые силы, распределенные по размаху крыла, действуют по линии центров тяжести его конструкции (см. рис. 5).

где
- расчетная сосредоточенная сила от веса части крыла между двумя соседними сечениями;
- плечо от точки приложения силы до оси
. Аналогично вычисляются значения
. По расчетам строятся эпюры и .

4.3.3 Определение
от сосредоточенных сил.

где, расчетный вес каждого агрегата или груза;
-расстояние от центра тяжести каждого агрегата или груза до оси.

После вычисления
определяется суммарный момент
от всех сил, действующих на крыло, и строится эпюра (имеется ввиду алгебраическая сумма).

4.4 Определение расчетных значений
и
для заданного сечения крыла

Для определения и следует:

Найти приближенное положение центра жесткости (рис. 6)

где - высота i-го лонжерона; - расстояние от выбранного полюса А до стенки i-го лонжерона; m – количество лонжеронов;

Вычислить момент относительно оси Z, проходящей через приближенное положение центра жесткости и параллельной оси Z усл.

;

Для стреловидного крыла сделать поправку на стреловидность (рис.7) по формулам

5. Выбор конструктивно-силовой схемы крыла, подбор параметров

расчетного сечения

5.1 Выбор конструктивно- силовой схемы крыла

Тип конструктивно-силовой схемы крыла выбирается с использованием рекомендаций, изложенных в лекциях и работах .

5.2 Выбор профиля расчетного сечения крыла

Относительная толщина профиля расчетного сечения определяется по формуле (4). Из работы выбирается симметричный (для простоты) профиль, соответствующий по толщине рассматриваемому типу самолета и составляется таблица 3. Подобранный профиль вычерчивается на миллиметровой бумаге в масштабе (1:10, 1:25). В случае отсутствия в справочнике профиля необходимой толщины можно взять из справочника наиболее близкий по толщине профиль и все данные пересчитать по формуле

Таблица 3.

где y – расчетное значение ординаты;
- табличное значение ординаты;
- таб-личное значение относительной толщины профиля крыла.

Для стреловидного крыла следует сделать поправку на стреловидность по формулам

5.3 Подбор параметров сечения (ориентировочный расчет)

5.3.1 Определение нормальных усилий, действующих на панели крыла

Для последующих расчетов будем считать положительными направления
, и
в расчетном сечении (рис. 8). Пояса лонжеронов и стрингеры с присоединенной обшивкой воспринимают изгибающий момент . Усилия, нагружающие панели, можно определить из выражения

где
; F – площадь поперечного сечения крыла, ограниченная крайними лонжеронами; B - расстояние между крайними лонжеронами; (рис. 9).

Для растянутой панели усилие N принять со знаком плюс, для сжатой - со знаком минус.

На основе статистических данных в расчете следует принять усилия, воспринимаемые полками лонжеронов - ,
,
.

Значения коэффициентов , ,  даны в таблице 4 и зависят от типа крыла.

Таблица 4.

5.3.2. Определение толщины обшивки. Толщину обшивки  для растянутой зоны определяют по 4-ой теории прочности:

где - напряжение предела прочности материала обшивки;  - коэффициент, значение которого приведено в таблице 4. Для сжатой зоны толщину обшивки следует принять равной
.

5.3.3 Определение шага стрингеров и нервюр. Шаг стрингеров и нервюр а выбирают с таким расчетом, чтобы поверхность крыла не имела недопустимой волнистости.

Для расчета прогибов обшивки считаем ее свободно опертой на стрингеры и нервюры (рис. 10). Наибольшее значение прогиба достигается в центре рассматриваемой пластины:

где
-удельная нагрузка на крыло;
-цилиндрическая жесткость обшивки. Значения коэффициентов d в зависимости от
приведены в работе . Обычно это отношение равно 3.

Расстояние между стрингерами и нервюрами следует выбирать так, чтобы
.

Число стрингеров в сжатой панели

где - длина дуги обшивки сжатой панели.

Количество стрингеров в растянутой панели следует уменьшить на 20%. Как отмечалось выше, расстояние между нервюрами .

5.3.4 Определение площади сечения стрингеров. Площадь сечения стрингера в сжатой зоне в первом приближении

где
- критическое напряжение стрингеров в сжатой зоне (в первом приближении
).

Площадь сечения стрингеров в растянутой зоне

где - предел прочности материала стрингера при растяжении.

5.3.5 Определение площади сечения лонжеронов. Площадь полок лонжеронов в сжатой зоне

где
- критическое напряжение при потере устойчивости полки лонжерона.
(берется предел прочности материала лонжерона).

Площадь каждой полки двухлонжеронного крыла находится из условий

а для трехлонжеронного крыла

Площадь лонжеронов в растянутой зоне

где k – коэффициент, учитывающий ослабление поясов лонжеронов крепежными отверстиями; при заклепочном соединении k = 0,9 ÷ 0,95.

Площадь каждой полки находится аналогично площади в сжатой зоне из условий (5) или (6).

5.3.6 Определение толщины стенок лонжеронов. Предполагаем, что вся перерезывающая сила воспринимается стенками лонжеронов

где - сила, воспринимаемая стенкой i-го лонжерона. Для трехлонжеронного крыла (n=3)

где
- высоты стенок лонжеронов в расчетном сечении крыла.

Толщина стенки

Здесь
- критическое напряжение потери устойчивости стенки лонжерона крыла от сдвига (рис. 11). Для вычислений следует принять все четыре стороны стенки свободно опертыми:

, (8)

где
при a >, при a следует заменить в (8)на a, а в формуле для - на
. Формула (8) справедлива для

Подставляя значения
из (8) в (7), находим толщину стенки i-го лонжерона

6. Расчет сечения крыла на изгиб

Для расчета сечения крыла на изгиб вычерчивается профиль расчетного сечения крыла, на котором размещаются пронумерованные стрингеры и лонжероны (рис.12). В носике и хвостике профиля следует располагать стрингеры с большим шагом, чем между лонжеронами. Расчет сечения крыла на изгиб проводится методом редукционных коэффициентов и последовательных приближений.

6.1 Порядок расчета первого приближения

Определяются в первом приближении приведенные площади поперечного сечения продольных ребер (стрингеров, поясов лонжеронов) с присоединенной обшивкой

где - действительная площадь сечения i-го ребра;
- присоединенная площадь обшивки (
- для растянутой панели,
- для сжатой панели); - редукционный коэффициент первого приближения.

Если материал полок лонжеронов и стрингеров разный, то следует сделать приведение к одному материалу через редукционный коэффициент по модулю упругости

где - модуль материала i-го элемента; - модуль материала, к которому приводится конструкция (как правило, это материал пояса самого нагруженного лонжерона). Тогда

В случае разных материалов поясов лонжеронов и стрингеров в формулу (9) вместо подставляется
.

Определяем координаты и центров тяжести сечений продольных элементов профиля относительно произвольно выбранных осей и (рис. 12) и вычисляем статические моменты элементов
и
.

Определяем координаты центра тяжести сечения первого приближения по формулам

,
.

Через найденный центр тяжести проводим оси и (ось удобно выбрать параллельной хорде сечения) и определяем координаты центров тяжести всех элементов сечения относительно новых осей.

Вычисляем моменты инерции (осевые и центробежный) приведенного сечения относительно осей и:

,
,
.

Определяем угол поворота главных центральных осей сечения:

Если угол α будет больше 5 о, то оси и следует повернуть на этот угол (положительное значение угла соответствует вращению осей по часовой стрелке) и далее вести расчет относительно главных центральных осей. В целях упрощения расчета угол α рекомендуется вычислять только при расчетах последнего приближения. Обычно, если ось выбрана параллельно хорде сечения, угол α оказывается незначительным и им можно пренебречь.

Определяем напряжения в элементах сечения в первом приближении

Полученные напряжения сравниваем с
и
для сжатой панели и с
и
- для растянутой панели.

6.2 Определение критических напряжений стрингеров

Критическое напряжение стрингера вычисляется из условия общей и местной форм потери устойчивости. Для вычисления
общей формы потери устойчивости используем выражение

, (10)

где
. Здесь
- критическое напряжение, вычисленное по формуле Эйлера:

(11)

где - коэффициент, зависящий от условий опирания концов стрингера;- шаг нервюр;- гибкость стрингера с присоединенной обшивкой; - радиус инерции относительно центральной оси сечения.

В формуле (11) под следует понимать
, но в целях упрощения положение главной инерциальной оси считаем совпадающим с осью x.

В свою очередь

где - момент инерции стрингера с присоединенной обшивкой отно-сительно оси x (рис.13);
- площадь сечения стрингера с присо-единенной обшивкой. Ширина при-соединенной обшивки берется рав-ной 30 δ (рис.13).

где
- момент инерции присоединенной обшивки относительно собственной центральной оси x 1 (обычно значения -малы);
- момент инерции стрингера относительно собственной центральной оси x 2 .

Для вычисленияместной формы потери устойчивости рассмотрим потерю устойчивости свободной полки стрингера как пластины, шарнирно опертой по трем сторонам (рис.14). На рис. 14 обозначено: а – шаг нервюр; b 1 – высота свободной полки стрингера (рис.13). Для рассматриваемой пластинки вычисляется по асимптотической формуле (10), в которой

где k σ – коэффициент, зависящий от условий нагружения и опирания пластины,  с – толщина свободной полки стрингера.

Для рассматриваемого случая

Для сравнения с действительными напряжениями, полученными в результате редуцирования, выбирается меньшее напряжение, найденное из расчетов общей и местной потери устойчивости.

В процессе редуцирования необходимо обратить внимание на следующее: если напряжения в сжатой полке лонжерона окажутся больше или равными разрушающим в любом из приближений, то конструкция крыла не способна выдержать расчетную нагрузку и ее надо усилить. Дальнейшие приближения в этом случае делать не следует. Если в каком-либо сжатом стрингере с номером "k" (с присоединенной обшивкой) напряжение окажется меньше
, то редукционный коэффициент для него и в последующем приближении следует оставить прежним; если в каком-либо сжатом стрингере (с присоединенной обшивкой) с номером "m" напряжение окажется больше
то в последующем приближении редукционный коэффициент следует вычислять по формуле

;

если ни в одном стрингере напряжение не превысит
, то конструкция явно перетяжелена и требует облегчения.

В растянутой зоне уточнение редукционных коэффициентов в процессе последовательных приближений ведется так же, но сравнение расчетных напряжений ведется не с , а с .

В результате мы получаем новые уточненные редукционные коэффициенты последующего приближения
. Далее рассчитываем следующее приб-лижение в том же порядке и снова уточняем редукционные коэффициенты. Расчет продолжается до тех пор, пока редукционные коэффициенты двух последующих приближений практически совпадут (в пределах 5%).

7. Расчет сечения крыла на сдвиг

Расчет сечения крыла на сдвиг ведется без учета влияния кручения (поперечная сила
считается приложенной в центре жесткости сечения, полагая, что на сдвиг работают стенки лонжеронов и обшивка).

7.1 Порядок расчета

Для расчета многоконтурного сечения на сдвиг делаются продольные разрезы в панелях таким образом, чтобы контур стал открытым. Для сечения крыла разрезы удобно делать в плоскости хорд в носке крыла и в стенках лонжеронов (рис. 15). В местах разрезов прикладываются неизвестные замыкающие погонные касательные усилия.

Погонные касательные усилия в обшивке панелей сечения крыла определяются как сумма погонных касательных усилий
в незамкнутом контуре и замыкающих усилий. Усилия определяются формулой

где
-расчетная перерезываю-щая сила;
- статический момент площади части сечения, ограниченного 1-м и (i-1) – м ребрами (принятый порядок нумерации ребер очевиден из рис. 14);
- главный момент инерции всего сечения, причем положение центра тяжести берется из последнего приближения расчета на изгиб.

В формуле (12) направление поперечной силы считается положительным при его совпадении с положительным направлением оси y, т.е. вверх. Положительные направления потоков касательных усилий совпадают с направлением обхода начала координат по часовой стрелке.

Для определения замыкающих потоков погонных касательных усилийсоставляем канонические уравнения

Коэффициенты канонических уравнений (элементы матрицы
и вектора
) определяются выражениями:

,
,
,

(здесь суммирование ведется по панелям, где
не равны нулю соответственно),

,
,- приведенный модуль сдвига (для обшивки из дюраля
) ;
- редуцированная толщина обшивки ;
- редукционный коэффи-циент обшивки.

Модуль сдвига обшивки панели крыла не равен модулю сдвига материала обшивки, а зависит еще от ее кривизны, толщины, шага нервюр и стрингеров (размеров подкреп-ляющей клетки), подкрепля-ющих профилей, характера нагружения пластины. Значения модуля сдвига более или менее точно определяются опытным путем для данной конструкции. В расчете приходится большей частью пользоваться средними величинами G, полученными из испытаний аналогичных конструкций. Так как

то при вычислении мы будем пользоваться значениями редукционных коэффициентов, приведенными на рис. 15. Значения коэффициента для обшивки из другого материала следует умножить на - потоки погонных касательных усилий в открытом контуре сечения крыла от сдвига;

По результатам расчета строим суммарную эпюру потоков погонных касательных усилий от сдвига и кручения по контуру расчетного сечения крыла. При построении суммарной эпюры положительные значения потоков откладываем внутрь контура сечения.

9. Проверка обшивки и стенок лонжеронов на прочность и устойчивость

В результате проверочного расчета должно быть дано заключение о прочности подобранного сечения крыла. Для этого обшивка и стенки лонжеронов проверяются на прочность и устойчивость.

Максимальные нормальные напряжения, действующие на соответствующую панель обшивки (или стенки лонжерона) с учетом

а значения редукционного коэффициента обшивки находятся по выражению

При проверке обшивки на прочность вычисляются значения коэффициента

Кравец А.С. Характеристики авиационных профилей. – М.: Оборонгиз, 1939.

Макаревский А.И., Корчемкин Н.Н., Француз Т.А., Чижов В.М. Прочность самолета. – М.: Машиностроение, 1975. 280с.

Единые нормы летной годности гражданских транспортных самолетов стран – членов СЭВ. – М.: Изд-во ЦАГИ, 1985. 470с.

Одиноков Ю.Г. Расчет самолета на прочность. – М.: Машиностроение, 1973. 392с.

Прочность, устойчивость, колебания: Справочник в 3-х т./ Под ред. Биргера И.А., Пановко Я.Г. – М: Машиностроение, 1971.

Авиация. Энциклопедия. Под ред. Свищева Г. П. – М: Изд-во большая Российская энциклопедия, 1994. 736с.

Heinz A.F. Schmidt. Flieger – Jahrbuch. – Berlin: Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, 1968 - 1972. 168S.

Heinz A.F. Schmidt. Flieger – Jahrbuch. – Berlin: Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, 1973. 168S.

Heinz A.F. Schmidt. Flieger – Jahrbuch. – Berlin: Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, 1980. 168S.

Heinz A.F. Schmidt. Flügzeuge aus aller Welt. V. 1 – 4. – Berlin: Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, 1972 - 1973.

Расчет нужного... или подвесными для обслуживания элементов конструкции самолета на разных уровнях. Для повышения...

Технико-экономическое обоснование проекта самолета

Реферат >> Экономика

2.2. Методика расчета стоимостных показателей самолета , его систем…………………………………………………………………………...29 2.3. Расчет стоимостных показателей... материала в массе конструкции планера . Тпл = 30 * V пл Т ш = 0,2 * G о где G о – взлетная масса самолета Т пл = 1,5 * ...

Расчёт гидросистемы МИГ-

Реферат >> Астрономия

На сверхзвуковых скорос-тях. Планер самолета представляет собой корпус в... ограни-чений, наложенных на конструкцию самолета по максимальному скоростном напору q. ... при выдвижении штока: ; ; ; ; ; ; ; ; ; . Расчет корпуса гидроцилиндра (тонкостенная труба из...

Проектирование сборочных приспособлений

Реферат >> Промышленность, производство

Обеспечения высокой технологичности конструкций состоит в том, что конструкция разрабатывается с расчетом на применение при... погрешностей изготовления деталей. Сборка частей планера самолета в сборочных приспособлениях обеспечивают точность готового...

1. Выбор прототипа самолета

В качестве самолета прототипа выбран самолет МиГ-3.

Рис.1 Общий вид самолета Миг-3

1.1 Описание КСС крыла МиГ-3

Крыло состояло из трех частей: цельнометаллического центроплана и двух деревянных консолей.

Крыло имело профиль Clark YH толщиной 14-8%. Стреловидность крыла +1 гр, а поперечное V 5° на МиГ-1 и 6° на МиГ-3. Удлинение крыла 5,97.

Цельнометаллический (дюралевый) центроплан имел конструкцию, состоящую из главного лонжерона, двух вспомогательных лонжеронов и десяти нервюр. Главный лонжерон имел дюралевые стенки толщиной 2мм с усиливающими профилями и полки из стали 30ХГСА. В сечении лонжерон представлял собой двутавр. Вспомогательные лонжероны имели аналогичную конструкцию. Обшивка верхней части центроплана усиливалось пятью стрингерами. Вся конструкция соединялась заклепками. Между передним и главным лонжеронами находились колесные ниши. Нервюры в районе колесных ниш были усилены. Между главным и задним лонжеронами находились отсеки с двумя топливными баками, каждый емкостью по 150 л (на прототипе И-200 баки были 75-литровые). Баки изготовлены из сплава АМН, и, за исключением первых серий, имели самогерметизирующиеся стенки. Обшивка центроплана под баками была съемной и усиливалась приклепанными профилями. Крепилась панель шестимиллиметровыми винтами. Соединение центроплана с рамой фюзеляжа было разъемным, что упрощало ремонт машины.

Консоли крыла были деревянные. Их конструкция состояла из главного лонжерона, двух вспомогательных лонжеронов и 15 нервюр. Главный лонжерон имел коробчатую форму, у центроплана насчитывал семь слоев, а у оконцовок пять слоев из сосновой фанеры толщиной 4 мм. Полки шириной 14-15 мм изготавливались из дельта-древисины. Ширина лонжерона у центроплана 115 мм, у оконцовок - 75 мм.

Коробчатые вспомогательные лонжероны имели стенки из березовой фанеры толщиной от 2,5 до 4 мм. Для соединения каркаса с обшивкой крыла использовались казеиновый клей, шурупы и гвозди. Передняя кромка крыла частично покрывалась толстой фанерой, а между первой и шестой нервюрами имела обшивку из дюралевого листа, крепившегося к внутреннему каркасу шурупами. Снаружи все крыло оклеивалось маркизетом и покрывалось бесцветным лаком. У самолетов поздних серий на передней кромке крепились металлические предкрылки.

На нижней стороне деревянных консолей находились точки крепления подвесного вооружения, эксплуатационные отверстия и многочисленные дренажи.

С центропланом консоли соединялись в трех точках, по одной на каждом лонжероне. Соединение закрывалось полоской алюминиевой жести.

Закрылки типа «Шренк» состояли из четырех частей: двух под центропланом и двух под консолями. Цельнометаллические закрылки имели поперечные усиления на месте стыка с нервюрами и один стрингер. Все элементы закрылков соединялись заклепками. Закрылки крепились на петлях к заднему лонжерону. В движение закрылки приводил пневматический привод, обеспечивающий два фиксированных положения: 18 гр и 50 гр. Площадь закрылков составляла 2,09 м².

Элероны типа «Фрайз» с аэродинамической компенсацией. Металлический каркас с матерчатой обшивкой (ткань ACT-100). Каждый элерон состоял из двух частей на общей оси, закрепленной в трех точках. Это разделение облегчало работу элеронов в том случае, когда из-за чрезмерных перегрузок начиналась деформация крыла. На левом элероне находилась стальной балансир. Элероны отклонялись вверх на 23 гр и вниз на 18гр. Общая площадь элеронов составляла 1,145 м².

крыло самолет силовой схема

2. Определение геометрических и массовых характеристик самолета

Так как расчет нагрузок крыла будет производиться при помощи программы NAGRUZ.exe, нам понадобятся некоторые данные касающиеся геометрии и массы самолета.

 Длина: 8,25 м

 Размах крыла: 10,2 м

 Высота: 3,325 м

 Площадь крыла: 17,44 м²

 Профиль крыла: Кларк YH

 Коэффициент удлинения крыла: 5,97

 Масса пустого: 2699 кг

 Нормальная взлётная масса: 3355 кг

· с пулемётами под крылом: 3510 кг

 Масса топлива во внутренних баках: 463 кг

 Объём топливных баков: 640 л

 Силовая установка: 1 × жидкостного охлаждения АМ-35А

 Мощность двигателей: 1 × 1350 л. с. (1 × 993 кВт (взлётная))

 Воздушный винт: трехлопастной ВИШ-22Е

 Диаметр винта: 3 м

Хорда корневая [ 2.380м]

Хорда концевая

Размах крыла

Коэффициент безопасности

Взлетный вес

Эксплуатационная перегрузка

Угол стреловидности по линии четвертей хорд крыла

Относительная толщина профиля в корневом сечении

Относительная толщина профиля в концевом сечении

Вес крыла

Количество топливных баков в крыле

Удельный вес топлива

Относительные координаты начал хорд баков

Относительные координаты концевых хорд баков

Начальные хорды баков

Концевые хорды баков

Расстояние от условной оси до линии ц.т. топлива в корневом и концевом сечениях крыла [ 1.13м; 0.898 м]

Количество агрегатов

Относительные координаты агрегатов

Расстояние от условной оси до ц.т. агрегатов

Расстояние от условной оси до линии ц.д. в корне и конце крыла [ 0.714м; 0.731м]

Расстояние от условной оси до линии ц.ж. в корне и конце крыла

Расстояние от условной оси до линии ц.т. в корне и конце крыла

Вес агрегатов

Относительная циркуляция крыла 11 значений:

Масса крыла составляет около 15% сухого веса самолета, т. е. 0,404т.

Назначение эксплуатационной перегрузки и коэффициента безопасности

В зависимости от степени потребной маневренности все самолеты делятся на три класса:

Класс Б - ограниченно маневренные самолеты, которые совершают маневр, в основном, в горизонтальной плоскости ().

Класс В - неманевренные самолеты, не совершающие сколь-нибудь резкого маневра ().

Истребители относятся к классу А, поэтому выбираем эксплуатационную перегрузку

Максимальная эксплуатационная перегрузка при маневре самолета с убранной взлетно-посадочной механизацией определяется по формуле:

Коэффициент безопасности f назначается от 1,5 до 2,0 в зависимости от продолжительности действия нагрузки и повторяемости ее в процессе эксплуатации. Принимаем равной 1,5.

4. Определение нагрузок, действующих на крыло

Конструкция крыла рассчитывается по разрушающим нагрузкам

G - взлетная масса самолета.

Коэффициент безопасности.

1 Определение аэродинамических нагрузок

Аэродинамическая нагрузка распределяется по размаху крыла в соответствии с изменением относительной циркуляции (при вычислении коэффициента влиянием фюзеляжа и мотогондол можно пренебречь). Значения следует брать из таблицы (4.1.1) в зависимости от характеристик (удлинения, сужения, длины центроплана и т.д.).

Таблица 4.1 Циркуляция

Распределение циркуляции по сечениям для трапециевидных крыльев

Для крыльев со стреловидностью

По эпюре распределенных нагрузок q аэр, вычисленных для 12 сечений строятся последовательно эпюры Q аэр. и M аэр. . Используя известные дифференциальные зависимости, находим

где - перерезывающая сила в сечении крыла от аэродинамической нагрузки;

где - момент аэродинамической нагрузки в сечении крыла.

Интегрирование проводится численно, используя метод трапеций (рис.3). По результатам вычислений строятся эпюры изгибающих моментов и перерезывающих сил.

2 Определение массовых и инерционных сил

4.2.1 Определение распределенных сил от собственного веса конструкции крыла

Распределение массовых сил по размаху крыла с незначительной погрешностью можно считать пропорциональным аэродинамической нагрузке

или пропорционально хордам

где b - хорда.

2.2 Определение распределенных массовых сил от веса баков с топливом

Распределенная погонная массовая нагрузка от баков с топливом

где γ - удельный вес топлива;

B - расстояние между лонжеронами, являющимися стенками бака.

Относительная толщина профиля в сечении:

2.3 Построение эпюр от сосредоточенных сил

Сосредоточенные инерционные силы от агрегатов и грузов, расположенных в крыле и присоединенных к крылу, приложены в их центрах тяжести и принимаются направленными параллельно аэродинамическим силам. Расчетная сосредоточенная нагрузка

4.3 Вычисление моментов, действующих относительно условной оси

3.1 Определение от аэродинамических сил

Аэродинамические силы действуют по линии центров давления, положение которой считается известным. Вычертив крыло в плане, отметим положение ΔQ аэр i на линии центров давления и по чертежу определим h аэр i (рис.3).

и строим эпюру.

3.2 Определение от распределенных массовых сил крыла (и )

Массовые силы, распределенные по размаху крыла, действуют по линии центров тяжести его конструкции (см. рис. 3).

где - расчетная сосредоточенная сила от веса части крыла между двумя соседними сечениями;

Плечо от точки приложения силы до оси .

Аналогично вычисляются значения . По расчетам строятся эпюры и .

3.3 Определение от сосредоточенных сил

где - расчетный вес каждого агрегата или груза;

Расстояние от центра тяжести каждого агрегата или груза до оси.

После вычисления определяется суммарный момент от всех сил, действующих на крыло, и строится эпюра .

4.4 Определение расчетных значений и для заданного сечения крыла

Для определения и следует:

найти приближенное положение центра жесткости (рис. 4)

где - высота i-го лонжерона;

Расстояние от выбранного полюса А до стенки i-го лонжерона;

m - количество лонжеронов.

вычислить момент относительно оси Z, проходящей через приближенное положение центра жесткости и параллельной оси Z усл.

для стреловидного крыла сделать поправку на стреловидность (рис.5) по формулам:

5. Выбор конструктивно-силовой схемы крыла, подбор параметров расчетного сечения

1 Выбор конструктивно- силовой схемы крыла

Для расчета принимается двухлонжеронное крыло кессонной конструкции.

2 Выбор профиля расчетного сечения крыла

Относительная толщина профиля расчетного сечения определяется по формуле (4). выбирается профиль, соответствующий по толщине рассматриваемому типу самолета и составляется таблица 3. Подобранный профиль вычерчивается на миллиметровой бумаге в масштабе (1:10, 1:25). В случае отсутствия в справочнике профиля необходимой толщины можно взять из справочника наиболее близкий по толщине профиль и все данные пересчитать по формуле:

где y - расчетное значение ординаты;

Табличное значение ординаты;

Табличное значение относительной толщины профиля крыла.

Для стреловидного крыла следует сделать поправку на стреловидность по формулам

Таблица 5.1 Координаты профиля нормальные и с учетом поправки на стреловидность Результаты пересчета данных:

	Ув табл, %	Ун табл, %

5.3 Подбор параметров сечения

3.1 Определение нормальных усилий, действующих на панели крыла

Пояса лонжеронов и стрингеры с присоединенной обшивкой воспринимают изгибающий момент . Усилия, нагружающие панели, можно определить из выражения:

F - площадь поперечного сечения крыла, ограниченная крайними лонжеронами;

B - расстояние между крайними лонжеронами (рис. 7).

Для растянутой панели усилие N принять со знаком плюс, для сжатой - со знаком минус.

На основе статистических данных в расчете следует принять усилия, воспринимаемые полками лонжеронов - , ,.

Значения коэффициентов a, b, g даны в таблице 4 и зависят от типа крыла.

Таблица 5.2

Для расчета будем использовать кессонное крыло.

3.2 Определение толщины обшивки

Толщину обшивки d для растянутой зоны определяют по 4-ой теории прочности

где - напряжение предела прочности материала обшивки;

g - коэффициент, значение которого приведено в таблице 5.2

Для сжатой зоны толщину обшивки следует принять равной .

3.3 Определение шага стрингеров и нервюр

Шаг стрингеров и нервюр а выбирают с таким расчетом, чтобы поверхность крыла не имела недопустимой волнистости.

Цилиндрическая жесткость обшивки.

Значения коэффициентов d берутся в зависимости от . Обычно это отношение равно 3. d=0,01223.

Расстояние между стрингерами и нервюрами следует выбирать так, чтобы

Число стрингеров в сжатой панели

где - длина дуги обшивки сжатой панели.

Но, чтобы не перетежелять конструкцию, примем шаг нервюр равным 450мм.

3.4 Определение площади сечения стрингеров

Площадь сечения стрингера в сжатой зоне в первом приближении

где - критическое напряжение стрингеров в сжатой зоне (в первом приближении ).

Площадь сечения стрингеров в растянутой зоне

где - предел прочности материала стрингера при растяжении.

Из имеющегося перечня стандартного проката угловых профилей с бульбой ближайший подходящий по площади профиль с площадью сечения 3,533 см 2 .

3.5 Определение площади сечения лонжеронов

Площадь полок лонжеронов в сжатой зоне

F л.сж. =17.82 см 2

где σ кр.л-на - критическое напряжение при потере устойчивости полки лонжерона. σ кр. л-на 0,8 σ B

Площадь каждой полки двух лонжеронного крыла находится из условий

F л.сж.2 =12.57 см 2 F л.сж.2 =5.25 см 2

Площадь лонжеронов в растянутой зоне

F л.раст. =15.01 см 2

F л.раст.1 =10.58 см 2 F л.раст.2 =4.42 см 2

3.6 Определение толщины стенок лонжеронов

Предполагаем, что вся перерезывающая сила воспринимается стенками лонжеронов

где - сила, воспринимаемая стенкой i-го лонжерона.

где - критическое напряжение потери устойчивости стенки лонжерона крыла от сдвига (рис. 9). Для вычислений следует принять все четыре стороны стенки свободно опертыми:

где

6. Расчет сечения крыла на изгиб

Для расчета сечения крыла на изгиб вычерчивается профиль расчетного сечения крыла, на котором размещаются пронумерованные стрингеры и лонжероны (рис.10). В носике и хвостике профиля следует располагать стрингеры с большим шагом, чем между лонжеронами. Расчет сечения крыла на изгиб проводится методом редукционных коэффициентов и последовательных приближений.

1 Порядок расчета первого приближения

где - действительная площадь сечения i-го ребра; - присоединенная площадь обшивки ( - для растянутой панели, - для сжатой панели); - редукционный коэффициент первого приближения.

В случае разных материалов поясов лонжеронов и стрингеров в формулу (6.1) вместо подставляется.

Определяем координаты и центров тяжести сечений продольных элементов профиля относительно произвольно выбранных осей x и y и вычисляем статические моменты элементов и .

Определяем координаты центра тяжести сечения первого приближения по формулам:

Для вычисления местной формы потери устойчивости рассмотрим потерю устойчивости свободной полки стрингера как пластины, шарнирно опертой по трем сторонам (рис.12). На рис. 12 обозначено: а - шаг нервюр; b 1 - высота свободной полки стрингера (рис.11). Для рассматриваемой пластинки вычисляется по асимптотической формуле (6.8), в которой

где k σ - коэффициент, зависящий от условий нагружения и опирания пластины,

d с - толщина свободной полки стрингера.

Для рассматриваемого случая

Список литературы

1. Г.И. Житомирский «Конструкция самолетов». Москва машиностроение 2005г.

К сожалению, я ненашел ни одной статьи по аэродинамики "для моделиста". Ни на форумах, ни в дневниках, ни в блогах- ни где нет нужной "выжимки" по этой теме. А вопросов возникает море, особенно у новичков, да и те, кто считает себя "уже не новичком", зачастую не утруждают себя изучением теории. Но мы это исправим!)))

Сразу скажу, сильно углубляться в эту тему не буду, иначе это получится, как минимум научный труд, с кучкой непонятных формул! И тем более я не стану пугать вас такими терминами, как "число Рейнольдса"- кому будет интересно- можете почитать на досуге.

Итак, договорились- только самое нужное для нас- моделистов.)))

Силы, действующие на самолет в полете.

В полете самолет подвергается влиянию многих сил, обусловленных наличием воздуха, но все их можно представить в виде четырех главных сил: силы тяжести, подъемной силы, силы тяги винта и силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление). Сила тяжести остается всегда постоянной, если не считать уменьшения ее по мере расхода горючего. Подъемная сила противодействует весу самолета и может быть больше или меньше веса, в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на движение вперед. Силе тяги винта противодействует сила сопротивления воздуха (иначе лобовое сопротивление).

При прямолинейном и горизонтальном полете эти силы взаимно уравновешиваются: сила тяги винта равна силе сопротивления воздуха, подъемная сила равна весу самолета. Ни при каком ином соотношении этих четырех основных сил прямолинейный и горизонтальный полет невозможен.

Любое изменение любой из этих сил повлияет на характер полета самолета. Если бы подъемная сила, создаваемая крыльями, увеличилась по сравнению с силой тяжести, результатом оказался бы подъем самолета вверх. Наоборот, уменьшение подъемной силы против силы тяжести вызвало бы снижение самолета, т. е. потерю высоты.

Если равновесие сил не будет соблюдаться, то самолет будет искривлять траекторию полета в сторону преобладающей силы.

Про крыло.

Размах крыла - расстояние между плоскостями, параллельными плоскости симметрии крыла, и касающимися его крайних точек. Р. к. это важная геометрическая характеристика летательного аппарата, оказывающяя влияние на его аэродинамические и лётно-технические характеристики, а также является одним из основных габаритных размеров летательного аппарата.

Удлинение крыла - отношение размаха крыла к его средней аэродинамической хорде. Для непрямоугольного крыла удлинение = (квадрат размаха)/площадь. Это можно понять, если за основу возьмём прямоугольное крыло, формула будет проще: удлинение = размах/хорду. Т.е. если крылоимеет размах 10 метров а хорда = 1 метр, то удлинение будет = 10.

Чем больше удлинение- тем меньше индуктивное сопротивление крыла, связанное с перетеканием воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю через законцовку с образованием концевых вихрей. В первом приближении можно считать, что характерный размер такого вихря равен хорде- и с ростом размаха вихрь становится всё меньше и меньше по сравнению с размахом крыла. Естественно, чем меньше индуктивное сопротивление- тем меньше и общее сопротивление системы, тем выше аэродинамическое качество. Естественно, у конструкторов возникает соблазн сделать удлинение как можно больше. И тут начинаются проблемы: наряду с применением высоких удлинений конструкторам приходится увеличивать прочность и жёсткость крыла, что влечет за собой непропорциональное увеличение массы крыла.

С точки зрения аэродинамики наиболее выгодным будет такое крыло, которое обладает способностью создавать возможно большую подъемную силу при возможно меньшем лобовом сопротивлении. Для оценки аэродинамического совершенства крыла вводится понятие аэродинамического качества крыла.

Аэродинамическим качеством крыла называется отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления крыла.

Наилучшей в аэродинамическом отношении является эллипсовидная форма, но такое крыло сложно в производстве, поэтому редко применяется. Прямоугольное крыло менее выгодно с точки зрения аэродинамики, но значительно проще в изготовлении. Трапециевидное крыло по аэродинамическим характеристикам лучше прямоугольного, но несколько сложнее в изготовлении.

Стреловидные и треугольные в плане крылья в аэродинамическом отношении на дозвуковых скоростях уступают трапециевидным и прямоугольным, но на околозвуковых и сверхзвуковых имеют значительные преимущества. Поэтому такие крылья применяются на самолетах, летающих на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях.

Крыло эллиптической формы в плане обладает самым высоким аэродинамическим качеством- минимально возможным сопротивлением при максимальной подъемной силе. К сожалению, крыло такой формы применяется не часто из-за сложности конструкции, низкой технологичности и плохих срывных характеристик. Однако сопротивление на больших углах атаки крыльев другой формы в плане всегда оценивается по отношению к эллиптическому крылу. Наилучший пример применения крыла такого вида- английский истребитель "Спитфайер".

Крыло прямоугольной формы в плане имеет самое высокое сопротивление на больших углах атаки. Однако такое крыло, как правило, имеет простую конструкцию, технологично и имеет очень неплохие срывные характеристики.

Крыло трапецеидальной формы в плане по величине воздушного сопротивления приближается к эллиптическому. Широко применялось в конструкциях серийных самолетов. Технологичность ниже, чем у прямоугольного крыла. Получение приемлемых срывных характеристик также требует некоторых конструкторских ухищрений. Однако крыло трапецеидальной формы и правильной конструкции обеспечивает минимальную массу крыла при прочих равных условиях. Истребители Bf-109 ранних серий имели трапецевидное крыло с прямыми законцовками:

Крыло комбинированной формы в плане. Как правило, форма такого крыла в плане образуется несколькими трапециями. Эффективное проектирование такого крыла предполагает проведение многочисленных продувок, выигрыш в характеристиках составляет несколько процентов по сравнению с трапецеидальным крылом.

Стреловидность крыла — угол отклонения крыла от нормали к оси симметрии самолёта, в проекции на базовую плоскость самолета. При этом положительным считается направление к хвосту.Существует стреловидность по передней кромке крыла, по задней кромке и по линии четверти хорд.

Крыло обратной стреловидности (КОС) — крыло с отрицательной стреловидностью.

Преимущества:

Улучшается управляемость на малых полётных скоростях.
-Повышает аэродинамическую эффективность во всех областях лётных режимов.
-Компоновка с крылом обратной стреловидности оптимизирует распределения давления на крыло и переднее горизонтальное оперение

Недостатки:
-КОС особо подвержено аэродинамической дивергенции (потере статической устойчивости) при достижении определённых значений скорости и углов атаки.
-Требует конструкционных материалов и технологий, обеспечивающих достаточную жёсткость конструкции.

Су-47 "Беркут" с обратной стреловидностью:

Чехословацкий планер LET L-13 с обратной стреловидностью крыла:

— отношение веса летательного аппарата к площади несущей поверхности. Выражается в кг/м² (для моделей- гр/дм²).Величина нагрузки на крыло определяет взлетно-посадочную скорость летательного аппарата, его маневренность, и срывные характеристики.

По-простому, чем меньше нагрузка, тем меньшая скорость требуется для полета, следовательно тем меньше требуется мощности двигателя.

Средней аэродинамической хордой крыла (САХ) называется хорда такого прямоугольного крыла, которое имеет одинаковые с данным крылом площадь, величину полной аэродинамической силы и положение центра давления (ЦД) при равных углах атаки. Или проще- Хорда — отрезок прямой, соединяющей две наиболее удаленные друг от друга точки профиля.

Величина и координаты САХ для каждого самолета определяются в процессе проектирования и указываются в техническом описании.

Если величина и положение САХ данного самолета неизвестны, то их можно определить.

Для крыла, прямоугольного в плане, САХ равна хорде крыла.

Для трапециевидного крыла САХ определяется путем геометрического построения. Для этого крыло самолета вычерчивается в плане (и в определенном масштабе). На продолжении корневой хорды откладывается отрезок, равный по величине концевой хорде, а на продолжении концевой хорды (вперед) откладывается отрезок, равный корневой хорде. Концы отрезков соединяют прямой линией. Затем проводят среднюю линию крыла, соединяя прямой середины корневой и концевой хорд. Через точку пересечения этих двух линий и пройдет средняя аэродинамическая хорда (САХ).

Форма крыла в поперечном сечении называется профилем крыла . Профиль крыла оказывает сильнейшее влияние на все аэродинамические характеристики крыла на всех режимах полёта. Соответственно, подбор профиля крыла - важная и ответственная задача. Впрочем, в наше время подбором профиля крыла из существующих занимаются только самодельщики.

Профиль крыла - это одна из основных составляющих, формирующих летательный аппарат и самолет в частности, так как крыло все же его неотъемлемая часть. Совокупность некоторого количества профилей составляют целое крыло, причем по всему размаху крыла они могут быть разные. А от того, какие они будут, зависит назначение самолета и то, как он будет летать. Типов профилей достаточно много, но форма их принципиально всегда каплевидна. Этакая сильно вытянутая горизонтальная капля. Однако капля эта обычно далека от совершенства, потому что кривизна верхней и нижней поверхностей у разных типов разная, как впрочем и толщина самого профиля. Классика - это когда низ близок к плоскости, а верх выпуклый по определенному закону. Это так называемый несимметричный профиль, но есть и симметричные, когда верх и низ имеют одинаковую кривизну.

Разработка аэродинамических профилей проводилась практически с начала истории авиации, проводится она и сейчас.Делается это в специализированных учреждениях. Ярчайшим представителем такого рода учреждений в России является ЦАГИ - Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского. А в США - такие функции выполняет Исследовательский центр в Лэнгли (подразделение NASA).

THE END?

Продолжение следует.....

В полете крыло нагружается аэродинамической распределенной нагрузкой и массовой силой от веса собственной конструкции крыла и размещенного в нем топлива.

Аэродинамическая нагрузка распределяется по размаху крыла по закону, близкому к параболическому. Для упрощения заменим его трапециевидным законом (Рис. 2.2). Если принять допущение, что С y постоянен по размаху крыла, то закон изменения аэродинамической силы q az пропорционален хорде крыла b z:

где Y - подъемная сила создаваемая крылом;

S k - несущая площадь полукрыльев, равная S k = S - b 0d ф = 61;

d ф - диаметр фюзеляжа;

b 0 - хорда корневой нервюры;

b z - значение текущей хорды.

Значение текущей хорды крыла bz вычислим из предлагаемой формулы:

где b к - хорда концевой нервюры;

Длина полукрыла без центроплана, равная;

Подставив в (3.10) уравнение (3.11), получим:

Считаем, что топливо распределено по крылу равномерно, тогда распределенная нагрузка от массовых сил крыла (его собственного веса и топлива) изменяется по его размаху тоже пропорционально хорде b z:

где m k - масса конструкции полукрыльев, равная m k = m k m взл = 1890;

m Т - масса топлива, равная m Т = 0,85m Tmax = 3570 ;

g - ускорение свободного падения, равная g = 9,81.

Рис.

Произведем расчет распределенных аэродинамических q az и массовых нагрузок q крz в концевой, корневой части крыла и (к примеру) в районе элеронов:

1) Расчет распределенной нагрузки на конце крыла, т.е. при Z= 0:

2) Расчет распределенной нагрузки в корневом сечении, т.е. при Z== 13,23:

3) Расчет распределенной нагрузки в районе двигатели+шасси, т.е. при Z=l 1 =1,17

5665,94-2142,07=3523,87Н/м

Рис. 2.3. Схема возникновения крутящего момента в сечении крыла

Поэтому погонный крутящий момент от распределенных аэродинамических q az и массовых сил крыла q крz равен:

Нм/м (3.15)

Приводим подобные, и получим:

Нм/м (3.16)

Обычно топливо в крыле расположено в передней части крыла, поэтому ц.м. топлива совпадает с ц.м. крыла. С учетом этого предположения формула (3.15) будет иметь вид:

Нм/м (3.17)

Подставим известные величины в формулу (3.17), получим:

Нм/м (3.18)

Теперь произведем расчет крутящего момента в концевой, корневой части крыла и в районе элеронов:

1) Расчет крутящего момента на конце крыла, т.е. при Z= 0:

2) Расчет крутящего момента в корневой части крыла, т.е. при Z= 13,23:

3) Расчет крутящего момента в районе двигателя+шасси, т.е. при Z= 1,17:

Кроме распределенных сил от аэродинамических и массовых сил, крутящий момент создают и сосредоточенные силы от масс двигателей. Так как по условиям задачи сила тяги двигателей, а также сила реверса равны нулю, то сосредоточенный момент будут создавать только силы, возникающие от масс двигателей, установленных на крыле.

Рис.

Из рисунка видно, что равен (знак «минус» означает, что момент направлен в противоположную сторону, против часовой стрелки):

(Нм ), (3.19)

где - расстояние от ц.м. двигателя до ц.ж. крыла.

Так как двигатели находятся на разном расстоянии от ц.ж. крыла, то и моменты они будут создавать разные. По известным данным найдем:

В течение многих десятилетий постепенное повышение скорости хода судов достигалось в основном увеличением мощности устанавливаемых двигателей, а также улучшением обводов корпуса и усовершенствованием движителей. В наши дни судостроители - и в том числе конструкторы-любители - получили возможность использовать качественно новый путь.

Как известно, сопротивление воды движению судна можно разделить на две основные составляющие:

1) сопротивление, зависящее от формы корпуса и затраты энергии на волнообразование, и

2) сопротивление трения корпуса о воду.

С ростом скорости водоизмещающего судна сопротивление его движению резко возрастает в основном из-за увеличения волнового сопротивления. При повышении скорости хода глиссирующего судна благодаря наличию динамической силы, поднимающей корпус глиссера из воды, первая составляющая сопротивления значительно уменьшается. Еще более широкие перспективы увеличения скорости хода без повышения мощности двигателя открывает применение нового принципа движения по воде - движения на подводных крыльях. Крыло, обладая (при одинаковой подъемной силе) значительно более высокими гидродинамическими характеристиками, чем глиссирующая пластина, позволяет существенно уменьшить сопротивление судна в режиме движения на крыльях.

Границы выгодности применения различных принципов движения по воде определяются относительной скоростью движения судна, для характеристики которой используется число Фруда:

υ - скорость движения;
g - ускорение силы тяжести; g = 9,81 м/сек 2 ;
L - характерный линейный размер судна - его длина.

Считая, что L пропорциональна кубическому корню D (где D - водоизмещение судна), часто применяют число фруда по водоизмещению:

Обычно корпуса с водоизмещающими обводами обладают меньшим сопротивлением на скоростях, соответствующих числам фруда Р rD < 1; при больших значениях относительной скорости (F rD > 2, 3) для судов применяются глиссирующие обводы и целесообразна установка крыльев.

На малых скоростях хода сопротивление катера с крыльями несколько больше сопротивления глиссера (рис. 1) из-за сопротивления самих крыльев и стоек, соединяющих корпус с крыльями. Но при увеличении скорости хода благодаря постепенному выходу корпуса судна из воды его сопротивление движению начинает уменьшаться и при скорости, на которой корпус полностью отрывается от воды, достигает наименьшего значения. При этом сопротивление катера на крыльях существенно меньше сопротивления глиссера, что и позволяет при одинаковых мощностях двигателей и водоизмещениях получать более высокие скорости хода.

При эксплуатации судов на подводных крыльях выявлены и другие их преимущества перед глиссерами и прежде всего - более высокая мореходность, обусловленная тем, что при движении на крыльях корпус находится над водой и не испытывает ударов волн. При плавании с малыми скоростями крылья также оказывают благоприятное действие, уменьшая качку судна. Отрицательные качества (например, большая осадка на стоянке, громоздкость крыльев) отнюдь не снижают значения судов на крыльях, обеспечивающих высокую комфортабельность плавания в сочетании с высокой скоростью движения. Достоинства крылатых судов завоевали им широкую популярность во многих странах мира.

В настоящей статье приводятся основные понятия и зависимости из теории движения крыла в воде и методы расчета и проектирования крыльевых систем применительно к судам малого водоизмещения.

Гидродинамика подводного крыла

Простейшим примером подводного крыла может служить тонкая прямоугольная пластина, поставленная под углом к направлению ее движения. Однако для получений большей подъемной силы при меньшем сопротивлении в настоящее время применяют крылья более сложных форм. Несмотря на то, что вопросы теории и экспериментальных исследований подводного крыла во многом еще не разработаны, уже получены основные зависимости и собран обширный экспериментальный материал, позволяющие правильно оценивать влияние различных факторов на гидродинамику крыла и проектировать его конструкцию.

Форма крыла (рис. 2) определяется его размахом l, хордой b, углом стреловидности χ и углом килеватости β. Дополнительными параметрами являются площадь крыла в плане S = lb и относительное удлинение λ = l 2 /S. Для прямоугольного крыла с постоянной вдоль размаха хордой λ = l/b.

Положение крыла по отношению к потоку определяется геометрическим углом атаки профиля α, т. е. углом между хордой крыла и направлением его движения.

Основное значение для характеристики крыла имеет его профиль - сечение крыла плоскостью, перпендикулярной размаху. Профиль крыла определяется толщиной е , вогнутостью средней линии профиля f, а также углом нулевой подъемной силы α 0 . Толщина профиля переменна по хорде. Обычно максимальная толщина находится на середине хорды профиля или несколько смещена в нос. Линия, проходящая через середину толщины профиля в каждом сечении, называется средней линией кривизны или средней линией профиля. Отношения максимальной толщины и стрелки максимальной вогнутости средней линии к хорде определяют относительную толщину и вогнутость профиля и обозначаются соответственно е и f. Значения е и f и их геометрическое положение по длине хорды выражаются в ее долях.

Рассмотрим обтекание плоского крыла бесконечного удлинения при его движении в безграничной жидкости.

Поток, набегающий на крыло со скоростью υ под некоторым положительным углом атаки α, на верхней стороне профиля ускоряется, а на нижней замедляется. При этом, согласно закону Бернулли, давление на верхней стороне уменьшается, а на нижней увеличивается (по сравнению с давлением в невозмущенной жидкости). На рис. 3 приведен график, иллюстрирующий изменение безразмерного коэффициента давления:

по хорде профиля подводного крыла.
Здесь Δр = р - р o , где р - давление в соответствующей точке профиля, а р о - давление в невозмущенной жидкости.

Отрицательные значения коэффициента давления указывают на разрежение (р<Р о), положительные - на наличие давления (р>Р о).

Возникающая разность давлений создает на крыле силу, направленную вверх, т. е. подъемную силу крыла.

Как можно видеть из рисунка, площадь эпюры разрежения значительно больше площади эпюры повышенного давления. Многочисленные эксперименты показывают, что примерно 2/3 подъемной силы создается на верхней («засасывающей») стороне профиля благодаря разрежению, а около 1/3 - на нижней («нагнетающей») благодаря повышению давления.

Равнодействующая сил давлений, действующих на крыло, представляет полную гидродинамическую силу, которая может быть разложена на две составляющие:

Y - подъемную силу крыла, перпендикулярную направлению движения;
X - силу сопротивления, направление которой совпадает с направлением движения.

Точка приложения равнодействующей этих сил на профиле характеризуется моментом М относительно передней точки профиля.

Экспериментальные исследования показали, что подъемная сила Y, сила сопротивления X и их момент М выражаются зависимостями:

ρ - плотность воды (для морской воды ρ = 104, а для пресной воды ρ = 102 кг сек 2 /м 4);
υ - скорость потока, набегающего на крыло (скорость движения крыла в потоке);
b - хорда крыла;
S - площадь крыла;
С y , С x , С m - безразмерные гидродинамические коэффициенты соответственно подъемной силы, силы сопротивления и момента.

Коэффициенты С y , С x , С m являются основными характеристиками крыла, не зависящими от среды, в которой движется крыло (воздух или вода). В настоящее время нет достаточно точного метода теоретического расчета гидродинамических коэффициентов крыла (в особенности С x и С m) для различных типов профилей. Поэтому для получения точных характеристик крыла эти коэффициенты определяют экспериментально путем продувок в аэродинамических трубах или буксировок в опытовых бассейнах. Результаты испытаний приводятся в виде диаграмм зависимостей коэффициентов С y , С x , С m от угла атаки α.

Для общей характеристики крыла дополнительно вводят понятие гидродинамического качества крыла К, представляющего отношение подъемной силы к силе сопротивления:

Часто характеристики крыла приводят в виде «поляры Лилиенталя», выражающей зависимость С у от С х. На поляре отмечают экспериментальные точки и соответствующие им углы атаки. На рис. 4 и 5 приведены гидродинамические характеристики сегментного профиля «Геттинген № 608». Как можно видеть, значения гидродинамических коэффициентов определяются углом атаки крыла. На рис. 6 показано распределение давления для трех углов атаки. С увеличением угла на верхней поверхности крыла увеличивается степень разрежения, а на нижней растет избыточное давление; общая площадь эпюры давлений при α = 3° значительно больше, чем при α = 0°, что и обеспечивает возрастание коэффициента С у.

С другой стороны, с уменьшением угла атаки коэффициент Су падает почти прямолинейно вплоть до нулевого значения. Значение угла атаки, при котором коэффициент подъемной силы равен нулю, определяет угол нулевой подъемной силы α о. Угол нулевой подъемной силы зависит от формы и относительной толщины профиля. При дальнейшем уменьшении угла атаки крыла подъемная сила становится отрицательной.

До сих пор речь шла о характеристиках глубокопогруженного крыла бесконечного размаха. Реальные крылья имеют вполне определенное удлинение и работают вблизи свободной поверхности жидкости. Эти отличия накладывают существенный отпечаток на гидродинамические характеристики крыла.

Для крыла с λ = ∞ картина распределения давления в каждом сечении крыла по размаху одинакова. У крыла конечного размаха жидкость через торцы крыла перетекает из области избыточного давления в область разрежения, уравнивая давления и снижая тем самым подъемную силу. На рис. 7 показано изменение давления вдоль размаха крыла конечного удлинения. Так как перетекание жидкости имеет место в основном на крайних участках крыла, влияние его с увеличением удлинения уменьшается и практически при λ = 7÷9 характеристики крыла соответствуют бесконечному размаху (рис. 8).

Другим фактором, влияющим на работу крыла, является наличие вблизи него свободной поверхности жидкости - границы двух сред с большой разностью массовых плотностей (ρ воды ≈ 800 ρ воздуха). Влияние свободной поверхности на подъемную силу объясняется тем, что крыло, обладая определенной толщиной, поднимает слой жидкости, стесняя его тем меньше, чем ближе крыло к свободной поверхности. Это позволяет жидкости обтекать крыло с меньшей скоростью, чем при большом погружении; величины разрежений на верхней поверхности крыла снижаются.

На рис. 9 показано изменение эпюры давлений в зависимости от изменения относительной глубины погружения под свободной поверхностью для крыла сегментного профиля (под относительным погружением крыла понимается отношение расстояния от крыла до поверхности жидкости к величине хорды). Как можно видеть, влияние свободной поверхности неодинаково для засасывающей и нагнетающей сторон крыла. Многочисленными экспериментами установлено, что влияние погружения сказывается в основном на эпюре давлений над крылом, в то время как область повышенного давления почти не изменяется. Степень влияния погружения на подъемную силу крыла с увеличением погружения быстро уменьшается.

Ниже, на рис. 12, представлен график, иллюстрирующий уменьшение разрежения на верхней поверхности крыла при его приближении к свободной поверхности. Из этого графика следует, что влияние свободной поверхности мало уже при погружении, равном хорде крыла, а при h = 2 крыло можно считать глубокопогруженным. На рис. 10, а, б, в представлены гидродинамические характеристики плоского крыла сегментного профиля, имеющего удлинение λ = 5 и толщину е = 0,06 для различных относительных погружений.

Для реального крыла необходимо учесть суммарное воздействие всех факторов, перечисленных выше: формы крыла, его удлинения, относительного погружения и т. д.

Следующим параметром, от которого зависят величины сил, развивающихся на крыле, является скорость движения. С точки зрения гидродинамики крыла существует определенное значение скорости, превышение которого приводит к значительным изменениям характеристик крыла. Причиной этому является развитие на крыле явления кавитации и связанных с ней нарушений плавного обтекания профиля потоком жидкости.

С увеличением скорости движения разрежение на крыле достигает значений, при которых из воды начинают выделяться небольшие пузырьки, наполненные паром и газами. При дальнейшем увеличении скорости обтекания область кавитации расширяется и занимает значительную часть засасывающей стороны крыла, образуя на крыле большой парогазовый пузырь. В этой стадии кавитации коэффициенты подъемной силы и сопротивления начинают резко изменяться; при этом гидродинамическое качество крыла падает.

В связи с отрицательным влиянием кавитации на характеристики крыла потребовалось создание профилей особой геометрии. В настоящее время все профили подразделяются на профили, работающие в докавитационном режиме обтекания, и профили с сильно развитой кавитацией. Отметим, что все приводимые нами зависимости относятся к некавитирующим крыльям (характеристики кавитирующих профилей в настоящей статье не рассматриваются).

Для того чтобы предотвратить вредное влияние кавитации на работу крыла, необходимо при его расчете произвести проверку на возможность появления кавитации. Возникновение кавитации возможно в тех точках профиля, где давление падает несколько ниже давления насыщенных паров воды, в результате чего пары и газы получают возможность выделяться из жидкости, концентрируясь вокруг мельчайших пузырьков растворенного в воде воздуха и газов. Это условие можно записать в виде:

Коэффициент Р мин для сегментных профилей можно определить в зависимости от коэффициента подъемной силы и относительной толщины по графику Гутше, приведенному на рис. 11. График Гутше и расчет по приведенной формуле справедливы для случая движения крыла в безграничной жидкости. Но, как уже отмечалось, приближение крыла к свободной поверхности снижает величину разрежения на крыле, увеличивая тем самым значение максимальной скорости бескавитационного обтекания крыла.

В этом случае:

где значение q принимается по графику (рис. 12).

Следует отметить, что правильный выбор геометрических характеристик профилей, а также их режимов работы позволяет отдалить начало кавитации до 120-130 км/час, т. е. до высоких значений скорости движения, вполне достаточных для малых катеров и мотолодок.

На отдалении начала кавитации положительно сказывается стреловидность крыла. При этом имеет место соотношение:

Кроме кавитации, необходимо рассмотреть явление прорыва воздуха к крылу, также сильно зависящее от скорости движения крыла и вызывающее значительное изменение гидродинамических характеристик. При прорыве воздуха к крылу происходит резкое уменьшение коэффициента подъемной силы из-за падения разрежения на верхней стороне крыла до атмосферного давления, что сопровождается потерей подъемной силы и проваливанием крыла под действием нагрузки, приходящейся на него.

Возникновение прорыва воздуха в значительной степени зависит от максимальной величины разрежения на профиле и заглубления крыла. Этому явлению особенно подвержены малопогруженные крылья, которые находятся при движении очень близко к поверхности воды. Поэтому профили малопогруженных крыльев делают с острой передней кромкой, чтобы уменьшить величину пика разрежения на засасывающей стороне (рис. 13). Для глубокопогруженных элементов вероятность прорыва воздуха к крылу снижается, в связи с чем возможно применение профилей со скругленным носиком.

На практике прорыв воздуха к крылу может иногда вызываться попаданием на крыло каких-либо предметов (плавающей травы, кусков дерева и т. д.), повреждением гладкой поверхности крыла или его кромок, а также близостью кавитирующих стоек, стабилизаторов и т. п.

Проектирование крыльевых устройств

Проектирование крыльевых устройств катера складывается из последовательного решения ряда технических задач, подчас противоречащих друг другу. Так, например, увеличение относительного удлинения крыльев, оказывающее благоприятное действие на гидродинамические характеристики, ухудшает прочность конструкции и увеличивает ее габариты.

Основным качеством крыльевой системы должно быть обеспечение достаточной вертикальной, продольной и поперечной устойчивости движения катцра, т. е. сохранение постоянного равенства между нагрузкой, приходящейся на крыло, и гидродинамическими силами, возникающими на нем при движении. Все три вида устойчивости тесно связаны между собой и обеспечиваются одними и теми же способами.

В процессе разгона катера, как уже указывалось, подъемная сила крыльев возрастает; поскольку при этом вес катера остается постоянным, сохранение равенства:

возможно за счет изменения либо погруженной площади крыльев S, либо коэффициента подъемной силы С у.

Характерным примером регулирования подъемной силы изменением смоченной площади крыльев может служить широко известный «этажерочный» тип крыльевого устройства. В этом случае устройство состоит из ряда крыльев, расположенных один над другим и по очереди выходящих из воды по мере роста скорости катера. Скачкообразное изменение погруженной площади крыльев при выходе из воды очередной плоскости может быть устранено применением килеватости. Следует отметить, что «этажерочные» крыльевые устройства, обеспечивающие катеру хорошую устойчивость движения и легкий выход на крылья, имеют невысокие значения гидродинамического качества из-за взаимного влияния близко расположенных плоскостей и большого числа элементов и их сопряжений. Поэтому чаще используются крылья, имеющие более высокое качество и представляющие собой сильно килеватые крыльевые плоскости большого размаха, пересекающие поверхность воды (рис. 14). При накренении катера с таким крыльевым устройством в воду входят дополнительные площади крыльев со стороны накрененного борта, создавая восстанавливающий момент.

Другой способ обеспечения устойчивости движения катера - за счет изменения коэффициента подъемной силы крыльев - может быть осуществлен изменением угла атаки или приближением крыла к свободной поверхности воды.

Изменение угла атаки крыла производится автоматически в зависимости от скорости движения и положения катера относительно поверхности воды. Большинство существующих автоматических систем осуществляет изменение угла атаки в зависимости от изменения глубины погружения крыла. При этом угол атаки может изменяться поворотом или всего крыла, или только его части. Автоматическое управление углами атаки крыльев позволяет получить высокую устойчивость движения, однако серьезным препятствием широкому использованию автоматики является сложность конструкции крыльев и систем управления. Примером гораздо более простой и доступной для изготовления системы может служить конструкция, обеспечивающая изменение угла атаки носового крыла при помощи рычага с поплавком, глиссирующим по поверхности воды. При увеличении погружения любого из носовых крыльев система обеспечивает соответствующее увеличение углов атаки, однако достижение устойчивости движения такой системы представляет трудности.

Второй способ изменения коэффициента подъемной силы основан на том, что с увеличением скорости хода погружение крыльев уменьшается и коэффициент подъемной силы падает. Применение этого способа возможно в том случае, если расчетным режимом работы крыльев является их движение вблизи свободной поверхности. Вертикальная, продольная и поперечная устойчивость движения на малопо-груженных крыльях обычно легко обеспечивается при правильном выборе коэффициентов подъемной силы и соответствующем подборе углов атаки крыльев и вполне достаточна на режиме, когда крыло движется вблизи поверхности воды.

При крене катера на участках крыла, расположенных ближе к свободной поверхности, подъемная сила уменьшается, а на погружающихся участках (со стороны накрененного борта) - увеличивается. Благодаря этому создается восстанавливающий момент, направленный в противоположную накренению сторону. Центральные части крыла меняют погружение не так значительно и влияют на восстанавливающий момент в меньшей степени. На рис. 15 представлен график, показывающий отношение восстанавливающего момента, создаваемого концами крыла, к моменту всего крыла.

Из графика видно, что особую роль играют крайние участки крыла протяженностью примерно 1/4 размаха.

Аналитически восстанавливающий момент плоского накрененного крыла выражается формулой:

Из формулы можно сделать вывод, что восстанавливающий момент зависит от геометрических характеристик крыла - размаха l и относительного удлинения λ; увеличение их приводит к улучшению стабилизации крыла в потоке жидкости, что необходимо учитывать при проектировании крыльевых устройств.

Поперечная устойчивость движения в переходных режимах (до выхода на крыло) у катеров с малопогруженными крыльями часто бывает недостаточной. С целью увеличения устойчивости применяют дополнительные крыльевые элементы, выходящие из воды на большой скорости хода. Такими элементами могут служить дополнительные крылья, находящиеся выше основной плоскости, или глиссирующие пластины.

Устойчивость движения можно также увеличить использованием так называемых стабилизаторов, представляющих собой продолжение основной плоскости. Стабилизаторы могут быть либо такой же хорды, что и основная плоскость, либо расширяющимися к концам. Верхняя часть стабилизаторов, находящаяся вблизи свободной поверхности даже при больших погружениях основной плоскости, обеспечивает устойчивость движения катера. Угол килеватости стабилизаторов должен быть в пределах 25-35°. При (β<25° по засасывающей стороне стабилизаторов на основную плоскость может попасть атмосферный воздух; стабилизаторы с β>35° малоэффективны. Угол атаки стабилизаторов (в вертикальных сечениях) обычно такой же, что и основной плоскости, или больше его на ~0,5°. Иногда для увеличения эффективности стабилизаторов угол атаки делают переменным, начиная с 0° внизу (по отношению к основной плоскости) и до 1,5-2° у верхнего конца.

Особое значение для крыльев, работающих вблизи свободной поверхности, имеет конфигурация носика их профиля. На рис. 16 представлены получившие наибольшее рэс-пространение профили подводных крыльев, а в табл. 1 приведены ординаты для их построения.

Скоростной профиль Вальхнера со скругленным носиком обладает хорошими гидродинамическими характеристиками и высоким значением скорости начала кавитации, однако применение этого профиля ограничено элементами крыльевых устройств, находящимися на значительных (более половины хорды крыла) погружениях от поверхности воды.

Для малопогруженных элементов применяют острокромочные профили, обладающие несколько худшими характеристиками, но обеспечивающие более устойчивый режим обтекания.

Для глубокопогруженных элементов, а также для стабилизаторов крыла может быть наряду с плоско-выпуклым сегментом применен выпукло-вогнутый сегмент «луночка». Профиль типа «луночка» обладает более высоким гидродинамическим качеством, чем плоский сегмент, но сложнее в изготовлении.

В некоторых случаях для повышения гидродинамического качества сегментные профили видоизменяют, смещая положение максимальной толщины с середины профиля в носик (располагая ее на 35-40% хорды) или просто несколько приполняя носовую часть профиля.

Величину максимальной толщины профиля выбирают исходя из условий обеспечения хороших гидродинамических характеристик, прочности конструкции и отсутствия кавитации. Обычно е = 0,04÷0,07; вогнутость нижней поверхности профиля «луночка» f н - 0,02.

Для поддерживающих стоек используют двояковыпуклые сегментные профили, обладающие небольшими коэффициентами сопротивления; обычно их e = 0,05.

Основным недостатком малопогруженных крыльевых устройств является их малая мореходность: крылья часто оголяются, теряя подъемную силу. Возникающие при этом колебания катера могут быть настолько существенными, что движение на крыльях станет невозможным из-за очень сильных ударов о воду; скорость движения при этом резко снижается.

Мореходность катера на малопогруженных крыльях может быть улучшена использованием дополнительных элементов, расположенных ниже или над основной плоскостью.

В первом случае (рис. 17, а) дополнительный глубокопогруженный элемент, мало подверженный влиянию волнения и создающий постоянную подъемную силу, оказывает стабилизирующее действие на катер, уменьшая возможность проваливания крыда. Нагрузка, приходящаяся на такие элементы, может составлять до 50% от нагрузки на все устройство. Для катеров малого водоизмещения размеры глубоко-погруженной плоскости так малы, что при плавании по засоренным фарватерам такая плоскость может быть легко повреждена, поэтому целесообразно использовать мореходные элементы в виде «чайки» (рис. 17,6). Устройство «чайки» в средней части малопогруженного крыла, не снижая характеристик устойчивости, позволяет улучшить мореходность катера. Угол килеватости «чайки» выбирается в пределах 25-35°; по соображениям устойчивости размах принимается не более 0,4-0,5 от полного размаха плоскости. Несколько меньшая эффективность «чайки» (по сравнению с плоским глубокопогруженным элементом) оправдывается простотой и надежностью конструкции.

Установка дополнительных плоскостей над основной (рис. 17, в) не устраняет проваливаний крыла, однако вхождение их в воду уменьшает амплитуду продольной качки и смягчает удары корпуса о воду. Данная схема обладает несколько большим сопротивлением на полном ходу, чем схемы с глубокопогруженным элементом (из-за возможности замывания дополнительных плоскостей), однако при правильном размещении и выборе площади этих дополнительных плоскостей возможно уменьшение сопротивления катера на переходном режиме, когда они одновременно работают и как стартовые, ускоряя выход катера на крылья.

Некоторое улучшение мореходности катера можно получить благодаря стреловидности крыльев. В этом случае площадь крыла разносится поперек фронта волн, что снижает возможность одновременного оголения всей плоскости крыла. Кроме того, мореходность на волнении улучшается при увеличении угла атаки крыла на 1-1,5° по сравнению с углом атаки на тихой воде. Поэтому желательно иметь такую систему крепления крыльевого устройства к корпусу, которая позволяла бы легко менять угол атаки крыла в зависимости от состояния волнения; такая система, к тому же, значительно облегчает процесс подбора оптимальных углов атаки крыльев в период испытаний катера.

Мореходность катера в значительной степени зависит и от распределения веса катера между крыльевыми устройствами. Для наиболее распространенных в настоящее время катеров с двумя крыльями (носовым и кормовым) можно условно выделить три варианта распределения веса катера:

1) основная часть веса (более 70-75%) приходится на носовое устройство;
2) вес катера распределяется на носовое и кормовое устройства приблизительно поровну;
3) основная часть веса приходится на кормовое устройство.

В иностранных проектах катеров одинаково часто используются все три способа распределения веса; в практике же отечественного катеростроения чаще всего используют второй вариант. Как показала практика, такое распределение нагрузки обеспечивает катеру наилучшие мореходные качества.

Первым шагом при проектировании катера на подводных крыльях является определение достижимой скорости по заданной мощности двигателя (или решение обратной задачи).

Скорость катера может быть определена из формулы:

N e - потребляемая мощность имеющегося двигателя, л. с.;
η - общий пропульсивный коэффициент полезного действия механической установки, учитывающий потери при работе валопровода и гребного винта;
R - полное сопротивление катера (кг) при движении со скоростью υ (м/сек).

Полное сопротивление может быть выражено через величину гидродинамического качества К:

Тогда формулы (1), (2) приобретают вид:

Достаточно точное определение сопротивления воды движению катера на подводных крыльях расчетным путем чрезвычайно сложно. В настоящее время для этого используют результаты испытаний буксируемых моделей в опытовых бассейнах или на открытых водоемах. Модель изготовляют в точном соответствии с натурой, но в уменьшенном масштабе. При пересчете сопротивления по результатам модельных испытаний на натуру обычно считают, что значения гидродинамического качества модели и проектируемого катера при одинаковой относительной скорости (при равенстве чисел Фруда модели и натуры) на всех режимах движения равны.

Подобный пересчет гидродинамического качества может производиться и с любого принятого прототипа на проектируемый катер.

Значение общего пропульсивного коэффициента полезного действия определяется как:

Для катеров, имеющих прямую передачу двигатель - винт, η м = 0,9÷0,95. При включении в валопровод редуктора η м = (0,9÷0,95); ηηредукт = 0,8÷0,9. Для моторных лодок, имеющих угловую колонку (Z-образную передачу на винт) η м находится в пределах 0,8÷0,95 в зависимости от качества изготовления передачи.

Точное определение η р возможно только при выполнении расчета кривых действия гребного винта. Эта величина зависит от многих факторов: скорости хода; числа оборотов; принятых размеров гребного винта; взаимного расположения крыльев, выступающих частей и винта, и т. п. Отметим, что выбор и изготовление гребного винта являются сложным и очень ответственным делом.

Для хорошо подобранных и тщательно изготовленных гребных винтов η р = 0,6÷0,75 при скоростях движения 30- 50 км/час (на больших скоростях η р несколько падает).

Изготовление модели и определение ее буксировочного сопротивления сложно и дорого, поэтому при индивидуальной постройке подобный способ неприемлем. Обычно в таких случаях применяют приближенный метод, основанный на использовании статистических данных по испытаниям существующих катеров.

Поскольку данных о величинах К и η р даже для построенных катеров может не быть, приходится при определении потребной мощности или достижимой скорости по (3) и (4) использовать коэффициент пропульсивного качества К η величину которого можно подсчитать, если известны мощность, скорость хода и водоизмещение:

При использовании коэффициента пропульсивного качества, полученного таким образом, его необходимо откорректировать с учетом отличий проектируемого катера от катера-прототипа.

С ростом скорости движения до скорости, соответствующей началу кавитации на крыльях, уменьшение гидродинамического качества происходит в основном из-за увеличения сопротивления выступающих частей, брызгового и аэродинамического сопротивления (т. е. сопротивления воздуха). Величина указанных составляющих сопротивления зависит от квадрата скорости движения и площади поверхностей как выступающих частей, так и самого корпуса, смоченных водой или находящихся в воздухе.

Для существующих катеров на подводных крыльях сопротивление выступающих частей, брызговое и аэродинамическое сопротивления на скорости 60-70 км/час составляют 20-25%, а для малых катеров - до 40% полного сопротивления.

Главным вопросом проектирования катера на подводных крыльях, обладающего высоким гидродинамическим качеством, хорошими ходкостью и мореходностью, составляет выбор элементов подводных крыльев.

Исходной величиной для выбора размеров крыла является площадь его погруженной части, которая определяется из соотношения:

Коэффициент подъемной силы выбирают в пределах 0,1-0,3; в общем случае С у зависит от расчетной скорости движения. Значение коэффициента подъемной силы кормового крыла для повышения устойчивости движения принимают на 20-50% больше, чем носового.

Размеры крыла (размах l и хорду b) назначают после того, как определена площадь крыла, учитывая необходимость обеспечения достаточно высокого гидродинамического качества, поперечной устойчивости судна и прочности крыла.

Как уже отмечалось, удлинение определяет величину гидродинамического качества. Обычно принимают λ = l/b > 5. Следует иметь в виду, что увеличение размаха крыла существенно повышает поперечную устойчивость судна на ходу.

Для мелких судов обеспечение поперечной устойчивости на ходу особенно важно. Как показывает опыт эксплуатации, полный размах крыльев не должен быть менее ширины корпуса катера и менее 1,3 - 1,5 м.

Для катеров с небольшими относительными скоростями выполнение указанных требований не вызывает осложнений при обеспечении прочности крыльев. Удается применить крылья, имеющие две или три стойки из стали, алюминиевомагниевых сплавов или даже из дерева. Применение крыла с наклонными стабилизаторами (трапециевидного) позволяет уменьшить число стоек до одной-двух. Однако с ростом относительной скорости прочность крыльев становится решающим фактором. Чтобы обеспечить прочность крыльев, приходится устанавливать большое число стоек, что крайне нежелательно из-за увеличения сопротивления и дополнительной возможности прорыва воздуха на верхнюю поверхность крыла; приходится делать плоскости переменной ширины или применять схемы с отдельно стоящими крыльями.

На рис. 18 приведены кривые, показывающие изменение действующих напряжений в крыле в зависимости от расчетной скорости движения катера. Эти кривые построены для носового крыла катера водоизмещением 500 кг, имеющего два малопогруженных плоских крыла, нагрузка между которыми распределена поровну.

На графике приведены зависимости для двух случаев:

крыло, исходя из условий обеспечения поперечной устойчивости, имеет одну плоскость (штриховые кривые);
крыло состоит из двух отдельно стоящих крыльев, имеющих заданное удлинение (кривые, показанные сплошными линиями).

Во всех случаях принято плоское прямоугольное крыло с С у = 0,15 и относительной толщиной 6%.

Как видно из графика, при скорости более 10-12 м/сек для обеспечения прочности крыла первого варианта необходимо либо устанавливать третью стойку, что несколько снизит гидродинамическое качество, либо применять материал с повышенными механическими свойствами. В то же время для отдельно стоящих крыльев при установке по одной стойке такие же напряжения появляются на гораздо большей скорости (20-25 м/сек).

Приведенный график может быть использован для выбора материала крыльев при проектировании катеров, близких по водоизмещению. В каждом конкретном случае приходится проводить более подробные и точные расчеты прочности крыльев, рассматривая крыло как раму, состоящую из стержней-плоскостей и стоек.

Как показал опыт эксплуатации судов и испытания подводных крыльев, при движении на волнении на крыло действуют нагрузки, намного превосходящие статическую нагрузку У. Возникающие перегрузки вызываются проваливаниями при просекании крылом волны, изменением угла атаки крыла из-за появления продольной и вертикальной качки и наличия орбитальных скоростей частиц воды при волнении, а также изменением погружения крыльев. В связи с этим при расчетах прочности крыльев необходимо вводить повышенные запасы прочности:

Обычно для малопогруженных элементов принимают n = 3. Учитывая, что с увеличением погружения крыла изменение подъемной силы на нем, вызванное влиянием свободной поверхности, уменьшается, для глубокопогруженных плоскостей коэффициент запаса может быть несколько снижен.

При расчетах прочности элементов крыльев, выходящих во время движения из воды, приходится задаваться некоторой условной нагрузкой, которая может возникнуть на них при движении на волнении, с креном и т. п. При этом считается, что эта нагрузка является случайной и запас прочности уменьшается до n=1,25÷1,5.

Кроме определения основных размеров несущих плоскостей, при проектировании приходится определять высоту стоек. При этом проектант встречается с противоречащими одно другому требованиями. С одной стороны, увеличение высоты стоек крыльев улучшает мореходные качества судна, уменьшает величину сопротивления при ходе как на волнении, так и на тихой воде. С другой стороны, увеличение высоты стоек может привести к ухудшению продольной и поперечной устойчивости катера, а главное - вызывает рост сопротивления катера на режимах, предшествующих ходу на крыльях (из-за увеличения смоченной поверхности стоек, дополнительных кронштейнов гребных валов и т. д.).

Обычно при определении высоты стоек учитывают следующие соображения. Важнейшим фактором является максимальное расстояние от оси гребного винта до корпуса, определяемое условиями общего расположения на катере механической установки (двигателя, подвесного мотора) и условиями работы винта. Например, при подвесном моторе «Москва» это расстояние не превышает 230-250 мм (что соответствует высоте транца 290-300 мм); дальнейшее заглубление (понижение) мотора нецелесообразно, так как может вызвать ухудшение запуска, попадание воды в цилиндры и на свечи и т. п.

При использовании стационарных двигателей следует исходить из условий размещения двигателя по длине катера и обеспечения нормального угла наклона вала (не более 10-12°). Применение Z-образной передачи (угловой колонки) позволяет увеличить расстояние от винта до корпуса даже при установке стационарного двигателя.

Высота стоек кормового крыла h к должна быть такой, чтобы при ходе на крыльях гребной винт не оголялся и не подсасывал атмосферный воздух. Желательно располагать гребной винт под плоскостью крыла, оставляя между крылом и лопастью зазор, равный 10-15% диаметра гребного винта.

При установке подвесных моторов крыло обычно устанавливают на уровне так называемой антикавитационной плиты.

Высота стоек носового крыла h п определяется исходя из величины дифферента катера при ходе на крыльях и может быть подсчитана по формуле:

Эта формула является прибли-женной, так как не учитывает деформацию водной поверхности за носовым крылом, влияющую на угол ходового дифферента.

Для существующих моторных лодок и катеров ψ = 1÷3°. Для катеров с относительно высокими скоростями движения угол дифферента выбирают несколько меньше, так как при этом режим выхода на крылья смещается на меньшие скорости и сопротивление на «горбе» уменьшается.

Одним из основных вопросов, решаемых при проектировании катера на подводных крыльях, является выход на крылья. Для катеров с высокими относительными скоростями этот вопрос может стать основным.

При разгоне, когда подъемная сила крыльев еще мала, катер движется на корпусе. С повышением скорости подъемная сила крыльев растет, и катер начинает двигаться сначала на носовом крыле и корпусе, а при дальнейшем нарастании скорости - на обоих крыльях. В момент выхода катера на носовое крыло сопротивление воды движению достигает наибольшей величины; на кривой сопротивления этому моменту соответствует характерный «горб» (см. рис. 1). По мере выхода корпуса из воды его смоченная поверхность уменьшается и сопротивление падает. При некоторой скорости - так называемой скорости выхода на крылья - корпус полностью отрывается от воды. При выборе площадей крыльев расчетной является не только максимальная скорость, но и скорость отрыва от воды.

Подъемная сила крыльев на всех скоростях движения катера уравновешивает его вес. Поэтому если на максимальной скорости v погруженная площадь крыла S и коэффициент подъемной силы С у, а на скорости отрыва υ о площадь крыла S о и коэффициент подъемной силы С y0 , то должно выполняться следующее условие:

Вследствие того, что на максимальной скорости плоское крыло погружено мало, а на скорости отрыва его погружение гораздо больше, значение С y0 обычно в 1,5-2 раза больше, чем С у. Кроме того, в начале хода на крыльях дифферент катера обычно больше, чем на максимальной скорости, что также приводит к увеличению С y0 (приблизительно в 1,2-1,5 раза) из-за увеличения угла атаки крыла α.

Учитывая, что погруженная площадь плоского крыла остается постоянной, из приведенного выше равенства (7) можно получить, что для катера с плоским малопогруженным крылом скорость отрыва составляет:

Как показывает опыт, преодоление горба сопротивления при таком соотношении скоростей возможно только при небольших относительных скоростях движения. На рис. 19 показано изменение сопротивления катеров одинакового водоизмещения, но имеющих разные максимальные расчетные скорости движения. Как видно из приведенного графика, в то время как на максимальной скорости сопротивление остается почти постоянным, на режиме выхода на крыльях оно существенно увеличивается с ростом скорости отрыва.

Для преодоления горба сопротивления при высоких относительных скоростях движения катера с плоскими крыльями должны иметь вспомогательные глиссирующие поверхности или дополнительные крылья, либо иметь возможность изменять угол атаки основных плоскостей крыльев на ходу. Для уменьшения скорости отрыва корпуса от воды приходится существенно увеличивать суммарную площадь несущих поверхностей. Располагать дополнительные несущие поверхности следует так, чтобы они по мере роста скорости и подъема основных плоскостей постепенно выходили из воды и не создавали дополнительного сопротивления; для этого рекомендуется делать их килеватыми (угол килеватости 20- 30°) и не приближать к корпусу и основным плоскостям на расстояние, меньшее хорды крыла.

Для повышения эффективности стартовых элементов целесообразно верхние элементы устанавливать с большим углом атаки, чем нижние. Установка вспомогательных плоскостей, расположенных (при ходе на максимальной скорости) выше поверхности воды, как уже отмечалось, увеличивает мореходность и остойчивость судна.

Как видно из рис. 19, на скоростях выхода судна на крылья основную долю сопротивления составляет сопротивление корпуса. В соответствии с этим для облегчения разгона корпус судна должен иметь хорошо обтекаемые обводы, подобные обводам обычных судов, спроектированных для движения на скоростях, соответствующих режиму выхода на крылья.

В табл. 2 приведены основные элементы и сравнительные! характеристики пяти отечественных моторных лодок на подводных крыльях и крылатого шестиместного катера «Волга» (рис. 20), хорошо иллюстрирующие изложенные выше положения.

Расчет крыльевого устройства для пластмассовой моторной лодки «Л-3»

В качестве примера приведен расчет крыльев, выполненный для пластмассовой моторной лодки «Л-3» («МК-31»), основные элементы которой указаны в табл. 2. Корпус ее выполнен из стеклопластика на основе полиэфирных смол, армированных стеклотканью. Вес корпуса 120 кг. Лодка без крыльев, имея на борту четырех человек, развивает (с мотором «Москва») скорость всего около 18 км/час, поэтому для повышения скорости хода было решено установить подводные крылья (рис. 21, 22).

При проектировании крыльев, кроме основных требований по обеспечению устойчивости движения лодки, были поставлены задачи:

обеспечить высокие скоростные качества моторной лодки при полном водоизмещении 480 кг (четыре человека на борту) при установке того же подвесного двигателя «Москва»;
обеспечить удовлетворительную мореходность при ходе ria крыльях с полной загрузкой при высоте волны 300 мм.

Исходя из опыта испытаний и эксплуатации катеров на подводных крыльях было решено остановиться на схеме крыльевого устройства, включающей носовое плоское мало-погруженное крыло (несущее около 50% нагрузки) с мореходным глубокопогруженным элементом в виде «чайки» и плоское кормовое крыло.

Расчет площадей крыльев выполнялся в следующем порядке.

Определение расчетной скорости движения лодки . Поскольку выбранная крыльевая схема лодки подобна схеме, примененной на лодке П. Короткова, а их скорости движения близки, величину пропульсивного качества для лодки «Л-3» приняли такой же, как на лодке П. Короткова, т. е. К η = 5,45.

При этом значении К η скорость моторной лодки:

Определение размеров крыльев . Исходя из положения центра тяжести лодки и размещения кормового крыла было определено положение носового крыла по длине. Поскольку принято, что нагрузка на крылья распределяется поровну:
Для исключения отрицательного влияния носового крыла на кормовое расстояние между ними должно быть не менее 12-15 хорд носового крыла и для данной лодки составляет L к = 2,75 м.

Для получения высоких скоростных и мореходных качеств и уменьшения сопротивления на режиме выхода на крылья среднее значение коэффициента подъемной силы на носовом крыле было принято равным С yн = 0,21. При этом величина коэффициента подъемной силы малопогруженных частей крыла несколько меньше этой величины, что обеспечивает повышенную устойчивость крыла при движении; среднее значение Су глубокопогруженного элемента из-за значительного его погружения несколько больше. Коэффициент подъемной силы кормового крыла, учитывая небольшую скорость лодки, был принят равным С ук = 0,3.

При выбранных значениях C y площадь крыльев (т. е. площадь проекции крыла на горизонтальную плоскость) равна:

Для обеспечения достаточной поперечной устойчивости размах носового крыла принят l н = 1,5 м; отсюда хорда крыла:

Кормовое крыло решено было выполнить не выходящим за габариты лодки; при этом условии его размах оказался l н = 1350 мм, а хорда:

При выбранных размерах крыльев большие удлинения плоскостей λ н = 7,5 и λ к = 8,5 обеспечивают получение высокого гидродинамического качества лодки.

Для рассматриваемого случая размах «чайки» первоначально был принят равным 500 мм. Однако для того чтобы увеличить абсолютное и относительное заглубление глубоко-погруженного элемента и повысить этим мореходность крыла, было решено, сохранив площадь глубокопогруженного элемента и угол его килеватости, увеличить его размах до 600 мм за счет уменьшения средней величины хорды до 170 мм. Чтобы не изменилась площадь малопогруженных плоскостей, общий размах крыла был увеличен до 1550 мм.

Как показал расчет прочности крыльев, при движении на тихой воде напряжения в крыльях достигают величин ο = 340 кг/см 2 . При коэффициенте запаса n = 3 прочность крыльев может быть обеспечена применением материала ο T = 1200 кг/см 2 .

Для уменьшения веса крыльевого устройства в качестве материала был выбран хорошо сваривающийся антикоррозионный алюминиево-магниевый сплав марки АМг-5В, имеющий ο T = 1200 кг/см 2 .

Конструкция крыльевого устройства лодки показана на рис. 23.

Определение высот стоек крыльев . По условиям размещения двигателя на транце лодки была выбрана высота стойки кормового крыла h к = 140 мм (при этом высота выреза под струбцину мотора на транце составила 300 мм).

Задавшись величиной ходового дифферента ψ = 1°20", получили высоту стойки носового крыла:

Принятые значения коэффициентов подъемной силы несколько выше, чем на лодке П. Короткова, однако увеличения сопротивления на режиме «горба» опасаться не следует, так как относительная скорость лодки «Л-3» значительно меньше, чем лодки-прототипа. Кроме того, большая ширина днища лодки и продольные гофры-реданы несколько уменьшают сопротивление корпуса лодки на режиме выхода на крылья.

Для улучшения ходовых и эксплуатационных качеств лодки крыльевому устройству были приданы следующие конструктивные особенности:

свободные концы носового крыла плавно скруглены, что уменьшает концевые потери на вихреобразование и этим повышает гидродинамическое качество и устойчивость движения;
входящая кромка малопогруженных частей крыльев отогнута вниз на 1 мм, что, уменьшая угол входа крыла в воду, снижает брызгообразование при ходе на волнении, когда крыло периодически выскакивает из воды, просекая волну;
стойки носового крыла выполнены переменного сечения: части стоек, находящиеся во время движения в воде, тоньше, а в местах соединения с корпусом - толще. Это снижает сопротивление стоек при движении, не уменьшая прочности крыла;
стойки крыльев выше ватерлинии хода на расчетной скорости наклонены вперед, что уменьшает брызгообразование при пересечении стойками поверхности воды;
носовое и кормовое крылья имеют крепления, позволяющие легко изменять углы установки крыльев для подбора оптимальных углов атаки при различных нагрузках лодки и в зависимости от волнения;
конструкция крепления носового крыла предусматривает возможность установки механизма, позволяющего подбирать углы атаки крыла на ходу.

Проведенные ходовые испытания показали хорошие скоростные и мореходные качества лодки. При полной нагрузке она легко выходит на крылья и устойчиво движется со скоростью около 32 км/час. На волнении с высотой волны до 0,5 м лодка идет на крыльях без резких толчков и ударов. Лодка обладает хорошими маневренными свойствами. При уменьшенной нагрузке (один-два человека) лодка не теряет устойчивости, так как движение происходит на «чайке», а ма-лопогруженные части крыла, глиссируя по поверхности воды, хорошо стабилизируют движение. Кормовое крыло при этом настолько приближается к поверхности, что временами также глиссирует.

Приведенная схема расчета крыльевого устройства для моторной лодки «Л-3» в основном может быть применена для расчета крыльев любых моторных лодок и катеров. Однако в каждом конкретном случае могут возникнуть свои особенности, которые вызовут изменение последовательности или необходимость применения более подробных расчетов и уточнений.

Изготовление, установка и испытание крыльевого устройства

Для изготовления крыльев практически используются самые различные материалы, однако чаще всего крылья изготовляют из стали или алюминиево-магниевых сплавов сварными (и для простоты - сплошными).

Наиболее трудоемким процессом является обработка крыльев по профилю. Известно несколько способов получения заданного профиля крыла, но наиболее распространены два из них (рис. 24):

1) плоскости крыльев изготовляют из заготовок, вырезанных из трубы. Диаметр трубы-заготовки для профиля, имеющего форму кругового сегмента, может быть определен по номограмме (рис. 25). Внутреннюю поверхность трубы фрезеруют на плоскость, а наружную опиливают до нужного профиля;

2) плоскости крыльев изготовляют из листового материала. Для получения нужного профиля верхнюю поверхность прострагивают или фрезеруют по заданным ординатам, а полученные «ступеньки» опиливают вручную.

При необходимости получить выпукло-вогнутый профиль плоскость крыла изгибают или выбирают материал механическим путем.

Крылья небольших размеров при невозможности механической обработки можно изготовить опиловкой вручную.

В процессе обработки и для проверки профилей готовых крыльев и стоек обычно используют шаблоны, изготовляемые по заданным ординатам с точностью ±0,1 мм. Отклонения профиля от шаблона не должны превышать ±1°/о от максимальной толщины крыла.

После обработки плоскостей и стоек производится сборка крыльев. Для обеспечения точности сборки и предотвращения деформаций при сварке рекомендуется сборку и сварку крыльев производить в кондукторе, который можно изгототовить из металла или даже дерева. Сварные швы должны быть запилены.

Для уменьшения возможности прорыва воздуха по стойкам на верхнюю поверхность крыла, места притыкания стоек к плоскостям должны иметь плавные переходы по радиусам, причем радиус перехода в наибольшем сечении стойки не должен превышать 5% ее хорды, а наибольший радиус перехода у носиков должен быть 2-3 мм.

Собранное крыло не должно иметь отклонений, превышающих следующие величины:

размах и хорда крыльев ±1% хорды крыла;
хорда стоек ±1% хорды стойки;
расхождение углов установки на правом и левом бортах («закрутка») ±10";
перекос плоскостей по длине катера и высотам стоек ±2-3 мм.

После сборки и проверки поверхности крыльев и стоек шлифуют и полируют. Полировка уменьшает сопротивление при движении и этим увеличивает гидродинамическое качество катера.

Если для защиты крыльев от коррозии предусмотрена окраска, то после чистовой опиловки поверхность окрашивают, а затем полируют. Для окраски крыльев обычно используют различные эмали и лаки, полиэфирные и эпоксидные смолы и другие водозащитные покрытия. Во время эксплуатации лако-красочные покрытия приходится часто возобновлять, так как вода, обтекающая крыло с высокими скоростями, вызывает их быстрое разрушение.

Готовое крыло устанавливают на катер. Положение крыльев относительно корпуса должно быть выдержано в соответствии с расчетом. Горизонтальность плоскостей проверяется уровнем, а углы установки - угломерами, имеющими точность ±5".

Крепления крыльев к корпусу должны быть достаточно жесткими и прочными, чтобы обеспечить фиксацию углов атаки во время движения при действии на крыло значительных перегрузок. Кроме того, крепления должны позволять легко изменять (в пределах ±2÷3°) углы установки основных плоскостей крыльев. Для катеров, значительно отличающихся от прототипа выбранной крыльевой схемой, относительной скоростью движения или другими характеристиками.

Желательно предусмотреть возможность перестановки крыльев по высоте (для подбора оптимального положения).

Как показала практика, выполнение указанных требований по точности изготовления и установки подводных крыльев является необходимым условием; часто даже небольшие отклонения от заданных размеров могут привести к полной неудаче или излишним затратам времени и средств на исправление ошибок и доводку крыльевого устройства. Обычно катер с правильно изготовленными крыльями с самого начала легко выходит из воды и движется на крыльях; требуется лишь небольшая доводка - подбор оптимальных углов атаки для получения устойчивого движения во всем диапазоне скоростей и обеспечения наилучших ходовых и мореходных качеств.

За начальные углы установки Крыльев обычно принимают такие, при которых углы атаки крыльев относительно линии, соединяющей выходящие кромки крыльев, равны: на носовом крыле 2-2,5°, а на кормовом 1,5-2°. Во время доводочных испытаний катера, кроме уточнения углов установки крыльев, необходимо всесторонне испытать катер: установить его скоростные, мореходные и маневренные качества: убедиться в полной безопасности плавания на нем.

Перед проведением доводочных испытаний водоизмещение катера должно быть доведено до расчетного. Рекомендуется взвесить катер и определить положение его центра тяжести по длине. Кроме того, необходимо заранее проверить исправность двигателя.

Во время испытаний катера необходимо соблюдать следующие правила:

1) испытания следует проводить при тихой погоде и отсутствии волнения;

2) на катере не должно быть лишних людей; все участники испытаний должны уметь плавать и иметь индивидуальные спасательные средства;

3) катер не должен иметь начальный крен более 1°;

4) набор скорости необходимо производить постепенно: перед каждым новым увеличением скорости хода необходимо убедиться в нормальной работе рулевого устройства и достаточной поперечной устойчивости катера как на прямом курсе, так и при маневрировании. При опасных явлениях - значительных увеличивающихся кренах, зарывании корпуса в воду, потере поперечной устойчивости и управляемости - скорость хода необходимо уменьшить и выяснить причины, вызывающие эти явления;

5) перед началом разгона катера необходимо убедиться, что путь свободен и нет опасности внезапного появления на курсе судов, шлюпок, плавающих людей и предметов. Нельзя проводить испытания в местах скопления других судов и буйков или в непосредственной близости от пляжей;

6) необходимо строго соблюдать все правила вождения катеров и моторных лодок.

При испытаниях могут встретиться следующие случаи:
1. Катер не выходит на носовое крыло. Причинами этого могут быть малый угол атаки носового крыла или слишком носовая центровка катера. Для того чтобы катер вышел на носовое крыло, необходимо изменить центровку катера или, если это не дает результатов, постепенно увеличивать угол установки носового крыла (по 20"); при этом можно несколько уменьшить угол установки кормового крыла (на 10-20"). Угол атаки носового крыла следует подобрать так, чтобы катер легко выходил и устойчиво двигался на носовом крыле. При выходе на носовое крыло скорость движения должна увеличиваться.

2. Катер не выходит на кормовое крыло. Причинами могут быть малый угол атаки кормового крыла или слишком кормовая центровка. Устранить это можно теми же двумя путями: изменяя центровку катера или постепенно увеличивая угол установки кормового крыла (по 20/); если при этом катер перестанет выходить на носовое крыло, следует увеличить и его угол атаки (на 10").

3. После выхода на кормовое крыло катер плавно проваливается на носовое крыло; при этом срывы с плоскости носового крыла отсутствуют. Это явление вызывается уменьшением угла атаки носового крыла из-за уменьшения угла дифферента при ходе на крыльях. Необходимо увеличить на 10-20" угол установки носового крыла.

4. После выхода на кормовое крыло катер резко проваливается на носовое крыло; при этом на носовом крыле можно наблюдать срывы потока и оголение крыла. Угол атаки носового крыла велик и должен быть уменьшен на 5-10".

5. При ходе катера на крыльях проваливается кормовое крыло; при этом кормовое крыло идет на небольшой глубине, наблюдаются срывы. Угол атаки кормового крыла велик и должен быть уменьшен на 10-20".

6. Катер выходит на крылья с большим креном; при этом крен с ростом скорости увеличивается. Проверить совпадение углов установки крыльев по правому и левому бортам и устранить «закрутку» плоскостей. Если при наборе скорости крен уменьшается, то это говорит о том, что мала поперечная устойчивость на режиме выхода катера на крылья. Для повышения устойчивости катера при разгоне можно рекомендовать следующие меры: увеличить углы атаки носового крыла, чтобы уменьшить его погружение на выходе; уменьшить угль! атаки кормового крыла, чтобы «затянуть» (перевести на большие скорости) выход на кормовое крыло; установить дополнительные стабилизирующие элементы на носовом крыле.

7. Катер обладает недостаточной поперечной устойчивостью при маневрировании на крыльях. Устранить это явление можно теми же мероприятиями, что и в п. 6.

8. Катер обладает плохой управляемостью при ходе на крыльях. Причинами этого могут быть недостаточная эффективность руля, нежелательное соотношение площадей стоек носового и кормового крыльев и т. д. Несколько улучшить управляемость можно установкой дополнительных кильков на носовом крыле.

При обратном явлении - плохой устойчивости движения на курсе - кильки надо устанавливать на кормовом крыле. Площадь кильков подбирается экспериментально.

Разумеется, в некоторых случаях указанные мероприятия могут не привести к желаемому результату. Причины неудач могут быть самыми различными: неправильное соотношение нагрузок, площадей, коэффициентов подъемной силы, высот стоек крыльев и т. п. Для выяснения причины в каждом конкретном случае необходимо сопоставить несколько явлений, проанализировать замеры скорости движения, ходового дифферента и других величин.

После того как получено устойчивое движение на крыльях во всем диапазоне скоростей, можно приступить к подбору оптимальных углов установки крыльев. При окончательной доводке следует изменять углы атаки крыльев на очень небольшую величину (порядка 5") и все время контролировать ход доводки замерами скорости на различных режимах движения, времени разгона и других характеристик.

Когда углы установки крыльев подобраны окончательно, можно провести мореходные испытания, целью которых является определение максимальной высоты волны, при которой возможно движение катера на крыльях, и замеры скорости хода при этом. Испытания следует проводить при различных курсовых углах по отношению к бегу волн.

Если конструкция крепления носового крыла позволяет легко изменять углы атаки крыла, можно провести мореходные испытания катера при увеличенных углах установки носового крыла.

Мореходные испытания являются одновременно и проверкой прочности крыльев. После мореходных испытаний катер и крылья необходимо тщательно осмотреть. При обнаружении поломок, трещин и деформаций следует выяснить причины их появления и усилить эти конструкции.

Только после проведения всесторонних испытаний катер можно считать годным к повседневной эксплуатации. Однако не следует забывать, что всякое судно на подводных крыльях еще во многом остается экспериментальным, в связи с чем необходимо повышенное внимание к обеспечению безопасности плавания.

Прочность конструкций самолета расчет крыла. Курсовая работа: Расчет на прочность крыла большого удлинения и шасси транспортного самолета АН–148