Проектирование конструкции киля и стабилизатора

Особенностью киля и стабилизатора является значительное нагружение заднего лонжерона (или стенки) сосредоточенными силами в узлах подвески рулей. В соответствии с распределением давлений по хорде, задаваемым нормами прочности при нагруз­ках, возникающих при маневрах, задняя часть нагружена больше, чем передняя.

Конструктивно-силовые схемы киля и стабилизатора выбира­ются как из условия компоновки самого оперения, так и из усло­вия его увязки с компоновкой фюзеляжа. Технологически выгодно, чтобы конструкция киля и стабилизатора была аналогична кон­струкции крыла. В этом случае освоенные уже процессы изго­товления и сборки могут частично повторяться, и стоимость кон­струкции уменьшается.

Стабилизатор работает аналогично крылу. Изгибающий момент, действующий на стабилизатор, так же как и в крыле, во многих конструкциях воспринима­ется центропланом и не передается на фюзеляж. Стыковые узлы лонжеронов стабилизатора полностью идентичны узлам крыла. По силовой увязке с фюзеляжем киль несколько отличается от крыла и стабилизатора. Изгибающий момент, действующий на киль, передается на фюзеляж, вызывая в нем кручение и изгиб. Наличие дополнительных нижних килей несколько уменьшает суммарный крутящий момент, действующий на фюзеляж.

На большинстве даже нескоростных самолетов киль выпол­няется стреловидной формы, что объясняется стремлением увели­чить расстояние между его центром давления и центром масс самолета . Это несколько увеличивает массу киля, но сни­жает массу фюзеляжа благодаря уменьшению действующего на него крутящего момента. Переднюю часть киля — так называе­мый форкиль — из-за его криволинейности целесообразно выпол­нять заодно с фюзеляжем (а иногда вообще отдельно) легкой кон­струкции и соединять с килем при окончательной сборке.

 

 

Рис. 2

 

Полностью съемный форкиль используют для подхода к элементам управления, монтируемым в зоне форкиля. Некоторые конструктивно-силовые схемы киля представлены на рис.2. Киль может быть как лонжеронной, так и кессонной конструкции; в послед­нем случае осложняется его увязка с фюзеляжем. На рис.2, а и б показаны кили лонжеронных схем, на рис.2, в — лонжеронной схемы с внутренним подкосом. Конструктивно схема на рис. 2,а представляет двухлонжеронную конструкцию (иногда вместо переднего лонжерона может быть установлена стенка, но это хуже из условия живучести). Нервюры киля расположены перпендикулярно стенке переднего или зад­него лонжеронов, и имеют открытую малку поясов. В зоне под­вески руля направления установлены усиленные нервюры, так же как и по борту фюзеляжа. Панели обшивки могут быть выполнены как стрингер­ной, так и монолитной конструкции. Концевой обтекатель киля состоит из мембран, закрепленных на отформованной обшивке и бортовой нервюре, присоединенной с помощью анкерных гаек к законцовке киля. Для удобства сборки и ремонта желательно предусматривать в его конструкции съемные панели, позволяющие просматривать и при необходи­мости ремонтировать элементы внутреннего набора. В представ­ленной на рис.2,а конструктивно-силовой схеме при расчете бортовой нервюры необходимо учитывать дополнительную на­грузку, вызываемую моментом М ₂, возникающим из-за стреловидности киля в зоне крепления его лонжеронов к шпангоутам, которые способны воспринимать только момент М₁ действующий в их плоскости.

 

Момент М₂ совместно с крутящим моментом, дей­ствующим на киль, должна воспринять бортовая нервюра и пере­дать в виде поперечных сил на узлы стыка лонжеронов, работая при этом на срез и изгиб.

В схеме, приведенной на рис.2,б, киль однолонжеронной конструкции стыкуется с косым шпангоутом, расположенным в плоскости лонжерона киля. В этой конструкции бортовая нер­вюра передает на стыковые узлы только крутящий момент. Из­гибающий момент полностью воспринимает шпангоут и в виде поперечных и осевых сил передает на обшивку фюзеляжа. Но технологически косой шпангоут нецелесообразен, так как под­ходит к различным сечениям фюзеляжа с переменной малкой, и поэтому его установка вызывает ряд трудностей.

На рис.2,в приведена схема киля с внутренним подкосом, расположенным перпендикулярно к оси фюзеляжа и передающим на силовой шпангоут фюзеляжа весь изгибающий момент от киля. В этой схеме подкос является дополнительной опорой для перед­него лонжерона, поэтому изгибающий момент по переднему лон­жерону в зоне его стыка с фюзеляжем становится равным нулю, а в зоне подхода подкоса имеет максимум. Поэтому наибольшее сечение поясов лонжерона должно быть в точке его крепления к подкосу, после чего пояса лонжеронов можно постепенно умень­шать, оставляя только слабые полки для крепления к обшивке.

Стык киля с фюзеляжем в передней точке осуществляется через проушину, передающую только силу. При креплении зад­него лонжерона в месте его стыка с подкосом можно использовать шарнирное соединение. Тогда задний лонжерон превращается в стенку и передает к месту стыка только силу. Если задний лон­жерон способен передать изгибающий момент, то в зоне стыка возникает дополнительная составляющая момента М₂ (рис.2,а), которую должна воспринять бортовая нервюра. Тяжелые самолеты в отдельных случаях имеют трехлонжеронный киль с большой хордой. При большой хорде носка киля бы­вает целесообразно устанавливать в передней части дополнитель­ную стенку (рис.2,г). К этой стенке носок крепится на анкерных гайках и в нем монтируется система противообледнения.

На некоторых скоростных самолетах встречается двухкилевая схема, при которой кили разнесены по отношению к фюзеляжу или расположены на концах крыла. Конструктивно-силовая схема киля при этом не меняется. На килях, устанавливаемых на крыле, часто отказываются от рулей направления, а делают поворотной часть киля. В этом случае нижняя часть киля выполняется не­подвижной, жестко связанной с крылом. Она состоит из двух или трех лонжеронов и нескольких нервюр.

При двухлонжеронной схеме (рис.3) неподвижная часть киля может крепиться к крылу четырьмя узлами, закрепленными на поясах лонжеронов. Ответные узлы на крыле устанавливают поверх его обшивки (в неподвижной части киля) и связывают с лонжеронами крыла и усилен­ными нервюрами при помощи специальных фитингов. В двух усиленных нервюрах 3, 4 запрессовываются подшипники 6, 7, в которых перемещается ось вращения 1 поворотной части киля. Ось управляется при помощи качалки 2, расположенной внутри крыла. В подвижной части киля жестко заделанная ось снимает с подвижной части все нагрузки, а именно — изгибающий момент, поперечную силу и крутящий (шарнирный) момент, так что на все эти нагрузки ось должна быть рассчитана. Опорные нервюры получают нагрузки от подшипников и, работая на изгиб и срез, передают их на два лонжерона и на обшивку. У борта неподвижной части киля эти нагрузки через стыковые узлы передаются на крыло и восприни­маются его силовыми элементами (лонжеронами и нервюрами). Подвижная часть киля 5 выполняется аналогично схеме цельно­поворотного горизонтального оперения (ЦПГО) с заделанной в нем осью.

 

Рис. 3

 

На некоторых самолетах применяется разнесенное оперение с шайбами, определенная специфика приводит к ряду преимуществ. Наличие шайб на концах стабилизатора повышает его эффектив­ность. Кили не попадают в поток заторможенного воздуха от фюзеляжа. Для нескоростных самолетов повышается эффектив­ность килей за счет обтекания их струей воздуха от винтов двига­телей.

 

Конструктивная силовая схема такого оперения (рис.4) состоит из трапециевидного стабилизатора 2, закрепленного че­тырьмя узлами 3 на фюзеляже самолета. Стабилизатор двухлон­жеронной схемы, на его концах установлены узлы 4 подвески ки­лей 1. Все узлы выполнены в виде проушин, закрепленных на

лонжеронах и нервюрах. Ответные узлы установлены на фюзеляже и на килях. Стабилизатор снабжен рулем высоты 6 и двумя трим­мерами 5. Кили двухлонжеронной конструкции 7 имеют эллипти­ческую форму. К килю на трех узлах 8 (два крайних и один сред­ний) подвешивается руль направления 11. Конструкция руля од- нолонжеронная с двумя балансирами 12, выполненными в виде рога. На руле установлены триммер 10 и сервокомпенсатор 9.

 

Рис. 4