Планер
Механическая конструкция самолета . известна планер как [1] Обычно считается, что эта конструкция включает фюзеляж , шасси , хвостовое оперение и крылья и исключает двигательную установку . [2]
Проектирование планера — это область аэрокосмической техники , которая сочетает в себе аэродинамику , технологию материалов и методы производства с упором на вес, прочность и аэродинамическое сопротивление , а также надежность и стоимость.
История
[ редактировать ]
Современная история планера началась в Соединенных Штатах во время первого полета Райта Флайера , продемонстрировав потенциал с неподвижным крылом конструкции самолетов .
В 1912 году Deperdussin Monocoque впервые разработал легкий, прочный и обтекаемый монокок- фюзеляж, состоящий из тонких слоев фанеры на круглой раме, достигнув скорости 210 км/ч (130 миль в час). [3] [4]
Первая мировая война
[ редактировать ]Многие ранние разработки были вызваны военными потребностями во время Первой мировой войны . К хорошо известным самолетам той эпохи относятся голландского конструктора Энтони Фоккера боевые самолеты империи Германской для Luftstreitkräfte , американские Curtiss летающие лодки и немецко-австрийские монопланы Taube . В них использовались гибридные конструкции из дерева и металла.
К 1915/16 году немецкая фирма Luft-Fahrzeug-Gesellschaft разработала полностью монококовую цельнодеревянную конструкцию только со скелетной внутренней рамой, используя полосы фанеры, тщательно «обернутые» по диагонали в четыре слоя вокруг бетонные мужские формы в «левой» и «правой» половинах, известные как конструкция Wickelrumpf (обернутое тело). [5] - впервые появился на LFG Roland C.II в 1916 году , а позже был передан по лицензии компании Pfalz Flugzeugwerke на истребители-бипланы серии D.
В 1916 году немецкие Albatros D.III истребители-бипланы имели фюзеляж полумонокок с несущими фанерными панелями обшивки, приклеенными к продольным лонжеронам и переборкам ; на смену ему пришла преобладающая напряженной обшивки, структурная конфигурация поскольку металл заменил дерево. [3] Методы, аналогичные концепции фирмы Albatros, использовались как Hannoversche Waggonfabrik для своих легких двухместных конструкций от CL.II до CL.V , так и Siemens-Schuckert для их более поздних бипланов Siemens-Schuckert D.III и более производительных D.IV. бипланов конструкции истребителей.Конструкция Albatros D.III была гораздо менее сложной, чем запатентованная LFG Wickelrumpf . концепция внешней обшивки [ оригинальное исследование? ]
Немецкий инженер Хьюго Юнкерс впервые поднял в воздух цельнометаллический планер в 1915 году на цельнометаллическом с свободнонесущим крылом и напряженной обшивкой, моноплане Junkers J 1 изготовленном из стали . [3] Дальнейшее развитие он получил за счет более легкого дюралюминия , изобретенного Альфредом Вильмом в Германии перед войной; в планере Junkers DI 1918 года, методы которого были практически без изменений приняты после войны как американским инженером Уильямом Бушнеллом Стаутом, так и советским аэрокосмическим инженером Андреем Туполевым оказались полезными для самолетов с размахом крыла до 60 метров , и к 1930-м годам .
Между мировыми войнами
[ редактировать ]За J 1 1915 года и истребителем DI 1918 года в 1919 году последовал первый цельнометаллический транспортный самолет Junkers F.13 , изготовленный из дюралюминия, как и DI; Всего было построено 300 самолетов, а также первый четырехмоторный цельнометаллический пассажирский самолет — единственный Zeppelin-Staaken E-4/20 . [3] [4] Развитие коммерческих самолетов в 1920-х и 1930-х годах было сосредоточено на конструкциях монопланов с радиальными двигателями . Некоторые из них производились в единичных экземплярах или в небольшом количестве, например, Spirit of St. Louis, перелетевший через Атлантику Чарльзом Линдбергом в 1927 году. Уильям Стаут разработал цельнометаллические Ford Trimotors в 1926 году. [6]
Прототип Hall XFH военно-морского истребителя , поднявшийся в воздух в 1929 году, был первым самолетом с клепаным металлическим фюзеляжем: алюминиевая обшивка поверх стальных труб. Холл также впервые применил заклепки и стыковые соединения между панелями обшивки на Hall PH, летающей лодке также летавшей в 1929 году. [3] основанная на итальянской Savoia-Marchetti S.56 1931 года, Экспериментальная летающая лодка Budd BB-1 Pioneer , была построена из коррозионностойкой нержавеющей стали и собрана с использованием недавно разработанной точечной сварки американским производителем вагонов Budd Company . [3]
Первоначальная философия Юнкерса с гофрированным дюралевым корпусом планера завершилась в 1932 году трехмоторным авиалайнером Junkers Ju 52 , который на протяжении всей Второй мировой войны использовался нацистскими немецкими люфтваффе для транспортных нужд и парашютных нужд. По проектам Андрея Туполева в Советском Союзе при Иосифе Сталине была разработана серия цельнометаллических самолетов постоянно увеличивающихся размеров, кульминацией которых стал самый большой самолет своей эпохи, восьмимоторный Туполев АНТ-20 в 1934 году, а фирмы Дональда Дугласа разработали культовый самолет Douglas DC-3 , 1936 год. Двухмоторный авиалайнер [7] Они были одними из самых успешных проектов той эпохи благодаря использованию цельнометаллических планеров.
В 1937 году Lockheed XC-35 был специально сконструирован с гермокабиной для проведения обширных летных испытаний на высоте, что проложило путь для Boeing 307 Stratoliner , который стал первым самолетом с герметизированной кабиной, поступившим в коммерческую эксплуатацию. [4]
Вторая мировая война
[ редактировать ]Во время Второй мировой войны военные нужды снова стали доминировать в конструкции планеров. Среди наиболее известных были американские C-47 Skytrain , B-17 Flying Fortress , B-25 Mitchell и P-38 Lightning , британский Vickers Wellington, в котором использовался геодезический метод строительства, и Avro Lancaster — все это модернизация оригинальных конструкций из 1930-е годы. Первые самолеты были произведены во время войны, но не в больших количествах.
Из-за нехватки алюминия во время войны истребитель-бомбардировщик de Havilland Mosquito был построен из дерева — фанерные облицовки, соединенные с сердцевиной из бальзы и сформированные с использованием форм для изготовления монококовых конструкций, что привело к развитию соединения металла с металлом , которое позже использовалось для de Havilland Comet и Fokker F27 и F28 . [3]
Послевоенный
[ редактировать ]Послевоенное коммерческое проектирование планеров было сосредоточено на авиалайнерах , турбовинтовых двигателях, а затем и на реактивных двигателях . Серьезными проблемами были , как правило, более высокие скорости и растягивающие напряжения турбовинтовых и реактивных самолетов. [8] Недавно разработанные алюминиевые сплавы с медью , магнием и цинком сыграли решающую роль в этих конструкциях. [9]
Совершивший полет в 1952 году и предназначенный для крейсерского полета со скоростью 2 Маха, где трение обшивки требовало его термостойкости , Douglas X-3 Stiletto был первым титановым самолетом, но он имел недостаточную мощность и едва ли был сверхзвуковым ; со скоростью 3,2 Маха Lockheed A-12 и SR-71 также были в основном титановыми, как и отмененный Boeing 2707 со скоростью 2,7 Маха сверхзвуковой транспортный самолет . [3]
Поскольку жаропрочный титан трудно сваривать и с ним трудно работать, сварная никелевая сталь использовалась для истребителя Микояна-Гуревича МиГ-25 со скоростью 2,8 Маха , впервые поднявшегося в воздух в 1964 году; со скоростью 3,1 Маха а в North American XB-70 Valkyrie использовались паяные панели из нержавеющей стали сотовые и титан, но к моменту полета в 1964 году его сняли с производства. [3]
Система автоматизированного проектирования была разработана в 1969 году для McDonnell Douglas F-15 Eagle , который впервые поднялся в воздух в 1974 году вместе с Grumman F-14 Tomcat , и оба использовали композиты из борсодержащих волокон в хвостовом оперении; менее дорогой полимер, армированный углеродным волокном, использовался для обшивки крыльев McDonnell Douglas AV-8B Harrier II , F/A-18 Hornet и Northrop Grumman B-2 Spirit . [3]
современная эпоха
[ редактировать ]
Airbus и Boeing являются доминирующими сборщиками больших реактивных авиалайнеров, в то время как ATR , Bombardier и Embraer лидируют на региональном рынке авиалайнеров ; многие производители производят компоненты планера. [ соответствующий? ]
Вертикальный стабилизатор самолета Airbus A310-300 , впервые поднявшегося в воздух в 1985 году, был первой первичной конструкцией из углеродного волокна, использованной в коммерческих самолетах ; С тех пор в авиалайнерах Airbus все чаще используются композиты: горизонтальный стабилизатор А320 в 1987 году и А330 / А340 в 1994 году, а также центральный кессон и хвостовая часть фюзеляжа А380 в 2005 году. [3]
Cirrus SR20 , получивший сертификат типа в 1998 году, был первым широко производимым самолетом авиации общего назначения , изготовленным с цельнокомпозитной конструкцией, за ним последовало несколько других легких самолетов . в 2000-х годах [10]
Boeing 787 , впервые поднявшийся в воздух в 2009 году, был первым коммерческим самолетом, конструкция которого на 50% состоит из композитов из углеродного волокна, а также на 20% из алюминия и на 15% из титана: этот материал обеспечивает меньшее лобовое сопротивление и более высокий аспект крыла . передаточное число и более высокий наддув кабины; конкурирующий Airbus A350 , летавший в 2013 году, на 53% состоит из углеродного волокна по весу конструкции. [3] Он имеет цельный фюзеляж из углеродного волокна, который, как говорят, заменит «1200 листов алюминия и 40 000 заклепок». [11]
2013 года Bombardier CSeries имеет крыло с перекачиванием смолы из сухого волокна и легкий фюзеляж из алюминиево-литиевого сплава , обеспечивающий устойчивость к повреждениям и ремонтопригодность - комбинацию, которая может быть использована для будущих узкофюзеляжных самолетов . [3] В 2016 году Cirrus Vision SF50 стал первым сертифицированным легким реактивным самолетом, полностью изготовленным из композитов из углеродного волокна.
В феврале 2017 года Airbus установила машину для 3D-печати для изготовления титановых деталей самолетов с использованием аддитивного электронно-лучевого производства от Sciaky, Inc. [12]
| Материал | Б747 | Б767 | Б757 | Б777 | Б787 | А300Б4 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Алюминий | 81% | 80% | 78% | 70% | 20% | 77% |
| Сталь | 13% | 14% | 12% | 11% | 10% | 12% |
| Титан | 4% | 2% | 6% | 7% | 15% | 4% |
| Композиты | 1% | 3% | 3% | 11% | 50% | 4% |
| Другой | 1% | 1% | 1% | 1% | 5% | 3% |
Безопасность
[ редактировать ]Производство планера стало трудоемким процессом. Производители работают под строгим контролем качества и государственными нормами. Отступления от установленных стандартов становятся предметом серьезной озабоченности. [14]
Веха в авиационном дизайне, первый в мире реактивный авиалайнер de Havilland Comet , впервые поднялся в воздух в 1949 году. Ранние модели страдали от катастрофической усталости металла планера , что привело к серии широко освещавшихся в прессе катастроф. Расследование Королевского авиастроительного предприятия в аэропорту Фарнборо положило начало науке о реконструкции авиакатастроф. После 3000 циклов повышения давления в специально сконструированной барокамере выяснилось, что отказ планера произошел из-за концентрации напряжений, возникшей из-за окон квадратной формы. Окна были спроектированы так, чтобы их можно было склеить и заклепать, но клепали только пробойником. В отличие от клепки сверлом, несовершенный характер отверстия, созданного при клепке пуансоном, может вызвать появление усталостных трещин вокруг заклепки.
Турбовинтовой самолет Lockheed L-188 Electra , впервые поднявшийся в воздух в 1957 году, стал дорогостоящим уроком по контролю колебаний и планированию с учетом усталости металла . Крушение рейса 542 компании Braniff в 1959 году продемонстрировало трудности, с которыми могут столкнуться производители планеров и ее авиалинии- клиенты при внедрении новых технологий .
Этот инцидент можно сравнить с крушением Airbus A300 при взлете рейса 587 American Airlines в 2001 году, после того как его вертикальный стабилизатор оторвался от фюзеляжа , что привлекло внимание к проблемам эксплуатации, технического обслуживания и проектирования, связанным с композитными материалами , которые используются во многих современных планерах. [15] [16] [17] У А300 были и другие структурные проблемы, но не такого масштаба.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Рэгг, Дэвид В. (1974). Словарь авиации (1-е американское изд.). Нью-Йорк: Frederick Fell, Inc., с. 22. ISBN 0-85045-163-9 .
- ^ «Определения ФАУ» . Проверено 30 апреля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м Грэм Уорвик (21 ноября 2016 г.). «Конструкции, изменившие способ создания самолетов» . Неделя авиации и космических технологий .
- ^ Jump up to: а б с Ричард П. Халлион (июль 2008 г.). «Самолеты, изменившие авиацию» . Журнал «Авиация и космос» . Смитсоновский институт.
- ^ Вагнер, Рэй и Новарра, Хайнц (1971). Немецкие боевые самолеты: комплексный обзор и история развития немецких военных самолетов с 1914 по 1945 год . Нью-Йорк: Даблдей. стр. 75 и 76.
- ^ Дэвид А. Вайс (1996). Сага о Железном Гусыне . Камберленд Энтерпрайзис.
- ^ Питер М. Бауэрс (1986). DC-3: 50 лет легендарного полета . Вкладка «Книги».
- ^ Чарльз Д. Брайт (1978). Производители реактивных самолетов: аэрокосмическая промышленность с 1945 по 1972 год . Риджентс Пресс Канзаса.
- ^ Применение самолетов и аэрокосмической техники . ИНИ Интернешнл. 2005. Архивировано из оригинала 8 марта 2006 г.
{{cite book}}:|work=игнорируется ( помогите ) - ^ «100 лучших самолетов: Платиновое издание» . Летающий . 11 ноября 2013. с. 11.
- ^ Лесли Уэйн (7 мая 2006 г.). «Boeing делает ставку на свой 787 Dreamliner» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ Грэм Уорвик (11 января 2017 г.). «Airbus распечатает конструкции планера на 3D-принтере» . Неделя авиации и космических технологий .
- ^ Войдаски, Йорг; Клинке, Кристиан; Жанвре, Себастьян (5 ноября 2017 г.). «Материальный фонд парка гражданской авиации» . Переработка . 2 (4): 21. doi : 10.3390/recycling2040021 .
- ^ Флоренс Грейвс и Сара К. Гу (17 апреля 2006 г.). «Запчасти и правила Boeing нарушены, говорят информаторы» . Вашингтон Пост . Проверено 23 апреля 2010 г.
- ^ Тодд Кертис (2002). «Расследование крушения рейса 587 American Airlines» . AirSafe.com .
- ^ Джеймс Х. Уильямс младший (2002). «Рейс 587» . Массачусетский технологический институт.
- ^ Сара Кехаулани Гу (27 октября 2004 г.). «NTSB ссылается на ошибку пилота в катастрофе в Нью-Йорке в 2001 году» . Вашингтон Пост . Проверено 23 апреля 2010 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Михаэль Губиш (9 июля 2018 г.). «Анализ: возможны ли композитные планеры для узкофюзеляжных самолетов?» . Флайтглобал .