Московский государственный

Андрюхин В.А., Ефимов В.В., Бехтина Н.Б.

Рекомендовано УМО вузов РФ по образованию в области эксплуатации авиационной и космической техники в качестве учебного пособия

К современным ЛА предъявляются весьма разнообразные и зачастую противоречивые требования. Одним из основных является требование наименьшего веса ЛА и достаточной его прочности, поскольку повышение прочности обычно связано с утяжелением конструкции, а облегчение конструкции - с понижением прочности.

Под прочностью ЛА принято понимать способность его конструкции воспринимать, не разрушаясь, определенные внешние нагрузки. Для правильной оценки работоспособности конструкции ЛА необходимо в комплексе рассматривать назначение конструкции, действующие на нее внешние нагрузки, устройство конструкции и, наконец, ее прочность и жесткость. Знание всех этих сторон работы авиационных конструкций необходимо инженеру-механику для понимания и грамотного решения вопросов конструкции и прочности самолетов и вертолетов, которые могут встретиться в его практической деятельности при эксплуатации ЛА гражданской авиации.

В связи с ограниченным объемом пособие содержит лишь основные положения разделов курса “Конструкция и прочность летательных аппаратов”, которые могут составить основу знаний по настоящему предмету. Поэтому в процессе изучения курса желательно использование литературы, сведения о которой приведены в конце пособия.

1.Понятие о перегрузке

В полете на самолет действуют следующие силы (рис. 1): тяга двигателя P, аэродинамические — подъемная сила Y и лобовое сопротивление X, сила тяжести G. Эти силы показаны для самолета, рассматриваемого в виде материальной точки. Некоторые из них иногда могут отсутствовать: например, сила тяги при неработающем двигателе, аэродинамические силы при полете вне атмосферы.

В общем случае силы, действующие на самолет, не находятся в равновесии. Однако, если к движущемуся с ускорением телу приложить силы инерции mj_τ и mj_n, где т — масса, а j_τ и j_n — тангенциальное и нормальное ускорения соответственно, то согласно принципу Даламбера можно считать, что такое тело находится в равновесии.

Рис. 1	Рис. 2

Удобно все силы, действующие на самолет, объединить в две группы — поверхностные и массовые; к поверхностным силам отнести аэродинамические силы и силу тяги, а к массовым — силы тяжести и инерционные.

Заменим поверхностные силы Р, Y и X их равнодействующей R_п, а массовые силы G, mj_τ, mj_n их равнодействующей R_м (рис. 2). Из условия равновесия сил, действующих на самолет, следует, что равнодействующая поверхностных сил равна равнодействующей массовых сил:

Силы, действующие на отдельные агрегаты самолета, можно разбить на те же группы. При этом для агрегата, расположенного внутри самолета, поверхностными силами будут силы реакций, возникающие в узлах крепления его к конструкции. Как и для всего самолета, для любого агрегата (рис. 2) можно записать:

где R_Пi, R_Мi — равнодействующая соответственно поверхностных и массовых сил i-го агрегата.

Она может быть выражена также через массовые силы:

Перегрузка показывает, во сколько раз равнодействующая поверхностных (массовых) сил больше или меньше силы тяжести самолета.

Перегрузка — величина векторная. Ее направление совпадает с направлением равнодействующей поверхностных сил. На практике обычно пользуются не полной перегрузкой п, а ее проекциями на оси скоростной (х_а, у_а, z_а) или связанной (x, у, z) системы координат. Перегрузкой в данном направлении называют отношение проекции равнодействующей поверхностных сил на это направление к силе тяжести самолета. При этом

поперечная (нормальная) перегрузка ;

продольная (тангенциальная) перегрузка ;

боковая перегрузка .

Здесь R_х, R_у и R_z — проекции равнодействующей поверхностных сил на координатные оси х, у и z соответственно.

Полная перегрузка п связана с ее составляющими соотношением

Зная перегрузку и вес, можно определить силы, действующие на самолет и отдельные агрегаты его. Например, если пренебречь составляющей силы тяги на ось у, то подъемная сила

Массовая сила от веса груза или агрегата, например, от веса двигателя G_дв,

Выше речь шла о перегрузках в центре тяжести самолета. Если вращение самолета относительно центра тяжести отсутствует и он рассматривается как жесткое тело, то все его части испытывают одинаковые ускорения и одинаковые перегрузки, равные перегрузкам n_y0 и n_x0 в центре тяжести.

При вращении самолета с угловой скоростью ω и ускорением ε линейные ускорения в различных его точках будут неодинаковыми. В точке i самолета (рис. 3), расположенной на расстоянии х от центра масс (ц.м.), добавятся ускорения относительного движения — нормальное ∆j_n = – ω²х и тангенциальное ∆j_τ = εx. Этим ускорениям соответствуют перегрузки

∆п_х = ∆j_n /g = - ω²х/g;

и

∆п_у = ∆j_τ /g = εх/g.

ε_y = M_y/J_y, ε_z = M_z/J_z – угловые ускорения относительно тех же осей, 1/с²;

По длине самолета перегрузки изменяются линейно (рис. 3).