К статье АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
Принцип монокока. С увеличением скоростей полета самолета все более важной становилась проблема уменьшения лобового сопротивления. Вполне естественным шагом при этом стала замена полотняной обшивки крыла металлической обшивкой, изготавливаемой из тонких листов алюминиевых сплавов. Металлическая обшивка позволила устранить прогибы между нервюрами и, следовательно, более точно воспроизвести формы, рекомендованные аэродинамиками на основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований в аэродинамических трубах. Одновременно изменилась конструкция фюзеляжа. Прямоугольный силовой каркас был помещен внутрь оболочечной конструкции, составленной из легких шпангоутов и стрингеров; такая конструкция лучше удовлетворяла требованиям аэродинамики к форме фюзеляжа. На одномоторных самолетах переднюю часть фюзеляжа тоже стали обшивать листовым металлом, чтобы уменьшить вероятность возникновения пожара. Когда потребовалось улучшить гладкость поверхности, полотняную обшивку заменили фанерной или металлической по всей длине фюзеляжа, но такая обшивка стала чрезмерно дорогой и тяжелой. Было слишком расточительно так увеличивать вес конструкции и не использовать ее возросшие прочностные свойства для восприятия аэродинамических нагрузок.
Следующий шаг был очевиден. Так как внешняя оболочка фюзеляжа стала достаточно прочной, появилась возможность убрать внутренний каркас. В этом состоит принцип монококовой конструкции. Монокок - это цельная оболочка, форма которой удовлетворяет требованиям аэродинамики и в то же время является достаточно прочной для того, чтобы воспринимать и передавать нагрузки, возникающие при полете, посадке и движении самолета по земле. Термин "монокок" - гибрид, составленный из греческого и французского слов и дословно переводимый как "цельная раковина". Этот термин применяют к крыльям и фюзеляжам, у которых обшивка является главным несущим элементом.
Второе важное достоинство монококовой конструкции иллюстрирует рис. 7. Сечение каркасной конструкции, предназначенной для размещения внутри нее двух человек, имеет прямоугольную форму, изображенную сплошной линией. Внешняя оболочка фюзеляжа с полотняной обшивкой показана штриховой линией. Внешний обвод монококового фюзеляжа, в котором помещаются два человека, представлен штрих-пунктирной линией. С помощью планиметра легко установить, что площадь поперечного сечения монококовой конструкции на 33% меньше, чем для хорошо обтекаемого каркасного фюзеляжа. При прочих равных условиях сопротивление фюзеляжа пропорционально площади его поперечного сечения. Следовательно, монококовая конструкция, в первом приближении, позволяет уменьшить сопротивление на 33% только за счет меньшей площади поперечного сечения по сравнению с каркасной конструкцией. К тому же появляется выигрыш в подъемной силе вследствие лучшего обтекания и гладкости поверхности. Однако каркасные конструкции из-за меньшей стоимости их производства и относительно меньшего веса продолжали использовать для тихоходных самолетов даже после Второй мировой войны. Монококовые конструкции применяли на самолетах, летающих со скоростями более 320 км/ч.
Тонкостенные монококи. Типичный тонкостенный монокок для транспортного самолета изготавливают обычно из тонких пластин алюминиевого сплава, которым придают форму, согласующуюся с требованиями аэродинамики. Эту оболочку подкрепляют поперечными силовыми элементами - шпангоутами, и продольными силовыми элементами - лонжеронами или стрингерами. (Эти термины относятся к конструкции фюзеляжа. В конструкции крыла продольные силовые элементы - стрингеры, а поперечные - нервюры.) На рис. 8 показано, как устроен типичный монококовый фюзеляж. (Эту конструкцию сейчас принято называть "полумонокок" или "усиленный монокок", тогда как термин "чистый монокок" или просто "монокок" используют для внешних оболочек, имеющих минимум подкрепляющих элементов или не имеющих их вовсе.)
Вследствие больших размеров фюзеляжа и сравнительно небольших аэродинамических нагрузок оболочку монокока делают очень тонкой (обычно от 0,5 до 1,5 мм). Такая тонкая оболочка сохраняет свою форму, если на нее действуют силы растяжения, но она коробится под действием сил сжатия или срезывающих усилий. На рис. 9 показано действие сил сжатия на металлическую пластину прямоугольной формы. Такие силы сжатия испытывают, например, металлические панели, ограниченные по краям стрингерами, на верхней части фюзеляжа, когда аэродинамические силы, действующие на хвостовое оперение самолета, направлены вверх.
Согласно законам механики твердого тела, критическое напряжение (т.е. нагрузка на единицу площади), при котором плоская пластина начинает коробиться, можно вычислить по формуле
где fкр - критическое напряжение, вызывающее коробление пластины, Е - модуль упругости материала, t - толщина и b - ширина пластины между опорами (в реальной конструкции это расстояние между стрингерами). Например, если панель толщиной 0,5 мм и шириной 150 мм изготовлена из алюминиевого сплава, то ее модуль упругости равен приблизительно 70 000 МПа. Подставляя эти значения в формулу (3), получим, что величина критического напряжения, при котором наступает коробление обшивки, составляет 2,8 МПа. Это значительно меньше предела текучести (280 МПа) и предела прочности (440 МПа) материала.
Материал монокока будет использоваться неэффективно, если коробление означает утрату способности пластины выдерживать нагрузку. К счастью, это не так. Испытания, проведенные Национальным институтом стандартов и технологии США, показали, что нагрузки, действующие на край панели, могут значительно превышать величину критической нагрузки, соответствующей началу коробления, поскольку нагрузка, приложенная к панели, почти полностью воспринимается полосками материала у ее краев.
Общая ширина этих полосок была названа Т.фон Карманом "эффективной шириной" пластины. Согласно его теории, предельная нагрузка, испытываемая панелью в момент ее разрушения вследствие возникновения текучести материала вблизи зажатых кромок, может быть вычислена по формуле
Здесь P - суммарная нагрузка, действующая на панель в момент разрушения, t - толщина панели, E - модуль упругости и fтек - предел текучести материала (напряжение, при котором деформация начинает увеличиваться без дальнейшего увеличения нагрузки). Расчеты по формулам (3) и (4) показывают, что критическая нагрузка, вызывающая коробление, примерно на порядок меньше предельной нагрузки, вызывающей разрушение. Этот вывод необходимо учитывать при проектировании самолета.
Использование тонких пластин в закритическом для коробления состоянии является одной из главных отличительных черт тонкостенных монококовых конструкций. Успехи в создании транспортных самолетов, бомбардировщиков и истребителей во время Второй мировой войны были бы невозможны без понимания того факта, что коробление тонкой пластины не вызывает ее разрушения. В более консервативных областях технической механики, таких, как проектирование мостов и зданий, коробление панелей не допускается. С другой стороны, тысячи самолетов летают, и при этом часть металлических пластин в их конструкциях работает в условиях коробления большую часть полетного времени. Правильно сконструированные панели, испытывающие коробление в полете, становятся абсолютно гладкими, как только самолет совершит посадку и исчезнут аэродинамические нагрузки, действующие на конструкцию в полете.
Тонкостенная балка. Другой вид коробления относится к тонкостенной балке - важному элементу авиационных конструкций. Концепция тонкостенной балки разъясняется на рис. 10. При действии силы W на свободный конец тонкостенной балки ее верхний фланец будет подвергаться воздействию растягивающих усилий, а нижний - воздействию сжимающих усилий. Величину сил, действующих на фланцы, можно вычислить из условия статического равновесия. Срезывающее усилие, создаваемое силой W, передается по тонкой стенке балки. Такая тонкая пластина теряет устойчивость и начинает коробиться при довольно небольшой нагрузке. На ней образуются диагональные складки, т.е. конфигурация ее коробления существенно отличается от полусферических выпуклостей, появляющихся при короблении поверхности пластины вследствие ее сжатия.
Г.Вагнер разработал практический метод расчета напряжений в тонкостенной балке в условиях образования складок на стенках и доказал экспериментально, что можно спроектировать тонкостенную балку, которая не разрушается при действии полетных нагрузок, в 100 раз превышающих нагрузки, при которых начинается коробление тонкой стенки. Деформации остаются упругими, и складки исчезают полностью при снятии нагрузки.
Вследствие изгиба всей конструкции под действием нагрузки, показанной на рис. 10, верхний фланец балки растягивается, а нижний - сжимается. При появлении складок тонкая стенка работает как совокупность большого числа диагональных расчалок, которые принимают на себя срезывающие усилия подобно внешним расчалкам крыла расчалочного моноплана (рис. 1). Назначение вертикальных стоек - сохранить расстояние между фланцами балки.
В 1930-х годах концепция тонкостенной балки стала повсеместно использоваться в авиастроении при конструировании тонкостенных монококов, в частности, для лонжеронов крыла со стенками, воспринимающими срезывающие усилия.
Компоновка конструктивных элементов в тонкостенных монококах. Идеальный тонкостенный монококовый фюзеляж состоит из тонких пластин, подкрепленных большим числом более или менее равномерно распределенных стрингеров и шпангоутов, как показано на рис. 8. Однако в самом фюзеляже приходится делать вырезы, в которых размещаются иллюминаторы и двери на пассажирских самолетах или пушечные турели и люки для бомбометания на военных самолетах. В случае больших отверстий, как, например, на тяжелых самолетах, предназначенных для перевозки полностью снаряженной гусеничной техники, или на торпедоносцах, которые несут внутри фюзеляжа большие торпеды, концентрация напряжений около вырезов становится серьезной проблемой. Часто края таких вырезов усиливают с помощью прочных лонжеронов. На некоторых самолетах в фюзеляжах приходится предусматривать столь большое число вырезов, что конструктор предпочитает использовать несущие свойства четырех главных лонжеронов и применяет короткие стрингеры только как вспомогательные силовые элементы, так как разрезанный силовой элемент не способен передавать нагрузку.
Вследствие того что нагрузки воздействуют в основном на четыре главных элемента конструкции, такой тип фюзеляжа является фактически промежуточным между каркасной конструкцией и усиленным монококом. Его можно рассматривать как частично усиленный монокок. Такие монококи чаще применяют для крыльев, чем для фюзеляжей, поскольку в крыльях самолета приходится размещать убирающиеся элементы шасси, баки с топливом, двигатели, убирающиеся закрылки, элероны, пулеметы, пушки и многочисленные второстепенные детали. Наиболее серьезные проблемы, обусловленные нарушением целостности усиленной монококовой конструкции, связаны с размещением шасси и топливных баков, потому что эти агрегаты находятся вблизи корневой части крыла, где конструкция должна быть наиболее прочной. Кроме того, на многих компоновках не допускается прохождение крыла сквозь фюзеляж, поскольку это пространство необходимо для размещения экипажа, пассажиров или двигателей. Поэтому в конструкции крыла применяют два прочных лонжерона, как это делается на моноплане с высокорасположенным крылом. Пространство между двумя лонжеронами можно использовать для размещения вышеупомянутых агрегатов и узлов. На участках крыла, не имеющих прорезей, обшивка подкрепляется стрингерами, которые способствуют дополнительному увеличению прочности крыла. Тем не менее, основную часть нагрузки берут на себя два главных лонжерона.
Чисто монококовую конструкцию имеют внешние консоли крыла (рис. 11). Нагрузки воспринимаются обшивкой и продольными силовыми элементами консоли. Различие между вертикальной стенкой и лонжероном заключается в том, что у стенки стыковочный элемент имеет ту же форму, что и остальные стрингеры, тогда как лонжерон крепится с помощью более массивных фланцев.
Концепция толстостенной монококовой конструкции. В годы Второй мировой войны скорость опытных самолетов стала приближаться к скорости звука, и тонкостенные монококовые конструкции перестали удовлетворять возросшим требованиям. Одним из факторов, способствовавших повышению скоростей полета, явилось создание т.н. ламинарных профилей крыла, которые имели очень низкое сопротивление. Однако преимущества ламинарных крыльев могли быть реализованы только при условии точного соблюдения требуемой формы поверхности крыла, и малейшие нарушения гладкости поверхности (выступающие заклепки или углубления для потайных заклепок) сводили к нулю все преимущества ламинарного профиля. По этой причине тонкостенные усиленные монококи оказались непригодными для создания крыла с ламинарным обтеканием для высокоскоростных самолетов.
Другим фактором, требующим точного соблюдения формы крыла и фюзеляжа высокоскоростных самолетов, является неустойчивость трансзвукового потока. В трансзвуковых течениях очень небольшие изменения формы обтекаемой поверхности могут вызвать полное изменение картины обтекания и появление скачков уплотнения, которые приводят к резкому возрастанию силы сопротивления.
Поскольку выдержать точно нужную форму поверхности, изготавливаемой из тонких пластин, очень трудно, пришлось пойти на увеличение толщины обшивки авиационных конструкций. Еще одним основанием для увеличения толщины обшивки являлась недостаточная величина строительной высоты (расстояния h на рис. 6) конструкции крыла самолета. Рассчитанные на высокие скорости полета профили крыла должны быть очень тонкими (максимальная относительная толщина крыльев для сверхзвуковых самолетов и ракет обычно составляет менее 10% хорды). Нагрузки, действующие на нижнюю и верхнюю поверхности такого крыла, очень велики, и их может выдержать только толстая обшивка.
Концепция сэндвича. Первой толстостенной конструкцией, использовавшей концепцию сэндвича (многослойной конструкции), была обшивка на истребителе "Хэвилленд Москито". В этой конструкции пространство между двумя тонкими прочными обшивками (несущими слоями) заполнено значительно более легким материалом; такая составная панель способна выдерживать более значительные изгибающие нагрузки, чем две несущие обшивки без заполнителя, соединенные вместе. Кроме того, эта многослойная конструкция остается легкой, так как заполнитель имеет небольшую плотность. В качестве примера легкой многослойной конструкции, обладающей повышенной прочностью, можно привести упаковочный картон, в котором между двумя внешними листами картона находится гофрированная бумажная прослойка. Многослойный картон обладает большей жесткостью на изгиб и прочностью, чем лист картона, соответствующий ему по весу. Важным фактором, препятствующим короблению поверхности, является способность панели выдерживать изгибающие нагрузки. Толстостенные многослойные обшивки, обладающие повышенной жесткостью на изгиб, не допускают коробления поверхности при обычных летных ситуациях и способствуют сохранению гладкой формы поверхности крыла и фюзеляжа. Несущие слои соединяются со слоем из заполнителя с помощью клея. Клепка не используется, и это обеспечивает гладкость поверхности.
Методы производства многослойных конструкций. Для производства элементов многослойных конструкций сложной формы используют несколько методов. Один из них разъясняется на рис. 12. Изготавливают пресс-форму, точно воспроизводящую нужную форму многослойного элемента. Слои многослойной конструкции смазывают синтетическим клеем и помещают в пресс-форму. Обшивка многослойной конструкции накрывается оболочкой из герметического материала, например из прочной резины, и пресс-форма плотно закрывается крышкой. Внутрь оболочки под давлением нагнетают горячий пар, и под действием высокой температуры и равномерного давления пара клей отвердевает и надежно соединяет несущие слои с наполнителем. Такая формовочная технология может использоваться для изготовления конструктивных элементов сложной формы с искривленными стенками переменной толщины.
Во время Второй мировой войны синтетические клеи и технология склеивания слоевых конструкций нашли широкое применение в авиационной промышленности. Эта технология обеспечивала прочное соединение таких разнородных материалов, как древесина и металлы, и позволила наладить дешевое производство обшивок с гладкими поверхностями.
Разрушение многослойной конструкции. Как и в случаях каркасных конструкций и тонкостенных монококов, разрушение многослойной конструкции начинается на той стороне, которая подвергается сжатию. Из-за большой толщины многослойной панели сжимающее усилие, вызывающее потерю устойчивости и коробление, существенно превышает то значение, при котором на поверхности тонкостенных усиленных монококов впервые появляются признаки коробления. Отношение этих величин может достигать 20 или даже 50. Следует, однако, помнить, что тонкостенные монококи могут работать при нагрузках, намного превышающих критическую нагрузку начала коробления, тогда как коробление поверхности многослойной обшивки всегда вызывает разрушение последней.
Критическую нагрузку, вызывающую потерю устойчивости многослойной обшивки, можно оценить, используя методы расчета однородных пластин и однослойных оболочек. Однако сравнительно небольшое сопротивление срезу материала легкого заполнителя заметно уменьшает величину критического напряжения, и этим эффектом нельзя пренебрегать.
Потеря устойчивости многослойной конструкции обычно приводит к короблению или образованию складок на поверхности тонких несущих оболочек. На рис. 13 показаны два вида неустойчивости: симметричное вспучивание и перекос. Симметричное вспучивание возникает в случае большой толщины слоя с заполнителем, а перекос - в случае небольшой толщины такого слоя.
Критическое напряжение, вызывающее потерю устойчивости многослойной конструкции, сопровождаемую появлением обеих форм коробления поверхности, можно определить по формуле
где fкр - критическое значение напряжения для несущих слоев, Ef - модуль упругости материала несущего слоя, Ec - модуль упругости материала заполнителя, Gc - модуль сдвига материала заполнителя.
В качестве примера рассмотрим многослойную конструкцию с несущими слоями из алюминиевого сплава и пористым заполнителем из ацетилцеллюлозного волокна. Модуль упругости алюминиевого сплава составляет приблизительно 70 000 МПа, а для материала заполнителя он равен 28 МПа. Модуль сдвига для материала заполнителя равен 14 МПа. Подставляя эти значения в формулу (5), найдем, что критическое значение напряжения для коробления равно 150 МПа.
Отметим, что в соотношение (5) не входят геометрические характеристики панели. Следовательно, критическое напряжение не зависит от толщин несущих слоев и слоя с заполнителем. Единственной возможностью повысить несущую способность конструкции по отношению к короблению является использование заполнителя с лучшими механическими свойствами.
Другие типы толстостенных оболочек. После Второй мировой войны были разработаны и внедрены в производство различные модификации описанной выше первоначальной многослойной конструкции. На рис. 14 показана сотовая конструкция. В ней промежуточным слоем служит сотовый (ячеистый) заполнитель. На рис. 15 показан другой тип многослойной конструкции, в которой заполнителем является гофрированный алюминий. Эта конструкция, сходная с упаковочным картоном, характеризуется высокой жесткостью и устойчивостью, однако гофрированную ленту не следует соединять с несущими оболочками при помощи заклепок.
В других конструкциях обшивка и слой, усиливающий ее жесткость, вальцуются, и им придается форма сечения крыла или фюзеляжа. Наконец, для сильно нагруженных очень тонких крыльев было налажено производство обшивок переменной толщины из прочного алюминиевого сплава с максимальными толщинами около 19 мм. Такие прочные обшивки позволяют изготовить крыло, которое сохраняет свою форму даже без нервюр только за счет жесткости самой обшивки, усиленной тремя или четырьмя опирающимися на лонжероны стенками, работающими на срез.