Значения и время действия перегрузок

Часть 2

конструкция и прочность
летательных аппаратов

Глава 9

Силы, действующие на самолет.
Нормы прочности

 

 

Силы и перегрузки

 

Для обеспечения безопасности полетов конструкция летательных аппаратов должна быть достаточно прочной и жесткой при действии на нее нагрузок, встречающихся в эксплуатации. Необходимо, чтобы прочность и жесткость обеспечивались в течение всего срока службы летательного аппарата и были достигнуты при возможно меньшем весе его конструкции.

При оценке прочности летательного аппарата рассматриваются следующие виды эксплуатационных условий нагружения:

1) маневренный полет;

2) полет в неспокойном воздухе;

3) движение по аэродрому при взлете, посадке и рулении.

К основным нагрузкам, действующим на части летательного аппарата в этих условиях, могут добавляться:

– нагрузки от сил избыточного давления в герметических отсеках;

– нагрузки, связанные с колебаниями и большими деформациями частей конструкции (колебания, вызванные неуравновешенностью двигателя; колебания от акустических воздействий; нарастание деформаций           и колебания несущих поверхностей при взаимодействии аэродинамических и упругих сил и пр.);  

– силовые воздействия, возникающие при нагреве конструкции           (в зоне установки двигателя, при сверхзвуковом полете).

Действие нагрузок на конструкцию проявляется и учитывается при проверке прочности по-разному в зависимости от их величины и количества повторений.

Наибольшие нагрузки, возможные в эксплуатации, но встречающиеся редко, могут вызвать остаточные деформации и даже разрушение конструкции. Они принимаются за основу при оценке необходимых для обеспечения прочности размеров конструкции и рассматриваются как приложенные однократно.

Нагрузки меньшие, но многократно встречающиеся в течение срока службы, могут привести к усталостным повреждениям конструкции. Они являются решающими при определении долговечности конструкции.

Наряду с нагрузками при оценке прочности должны учитываться факторы, которые могут повлиять на прочность, жесткость и долговечность конструкции: износ деталей, воздействие среды (разные виды коррозии), изменение свойств материалов от нагрева, радиации и т. п.

В процессе эксплуатации самолет, его агрегаты и отдельные части подвергаются воздействию разнообразных нагрузок. При этом для одних агрегатов и частей самолета наиболее опасными могут оказаться силы, действующие в полете, для других – силы, действующие при взлете и посадке. Работа агрегатов самолета под нагрузкой будет рассмотрена в следующих главах.

Нагрузки, действующие на самолет, различаются следующим образом:

– по характеру воздействия (статические – не изменяющиеся в течение длительного периода времени и динамические – быстро меняющиеся);

– по распределению (сосредоточенные, распределенные по длине,            поверхности и объему конструкции);

– по величине и направлению.

Удобно все силы, действующие на самолет, разделить на две категории: силы, связанные с массой самолета и его частей (массовые силы),             и силы, не связанные с массой, получившие название поверхностных сил.

Массовые силы – это сила тяжести mg и инерционные силы     и  определяемые нормальным  и тангенциальным  ускорениями. Массовые силы пропорциональны массе и распределены по всему объему конструкции.

К поверхностным силам относятся аэродинамические силы X, Y и Z, тяга двигателей Т,силы реакции земли  силы взаимодействия частей самолета .

Все эти силы показаны на рис. 9.1 в скоростной системе координат ОХ_aУ_aZ_a,когда ось ОУ_a перпендикулярна вектору скорости V,a ОХ_а  – параллельна V.

	Rпов

Горизонталь

х

ЦМ

хa

Т

y

ya

 

Рис. 9.1. Силы, действующие на самолет
в криволинейном полете в вертикальной плоскости [1]

Заменим поверхностные силы их равнодействующей ,а массовые силы – их равнодействующей  Так как учтены все силы, действующие на самолет, в том числе и инерционные, то в соответствии с принципом д’Аламбера под действием этих сил самолет находится в равновесии, и равнодействующая поверхностных сил равна равнодействующей массовых сил:

                                (9.1)

Это справедливо для любого i-го агрегата самолета.

Оценивая нагрузки, действующие на самолет, его агрегаты и части, удобнее степень их загруженности характеризовать безразмерной величиной перегрузки `n,понимая под перегрузкой отношение равнодействующей всех поверхностных сил  квесу самолета G:

                                  (9.2)

В полете , при посадке (взлете) - , где  – равнодействующая аэродинамических сил X, Y, Z. Перегрузка  – величина векторная, и ее направление в общем случае не совпадает с осями скоростной системы координат. Поэтому обычно пользуются проекциями перегрузки на эти оси – п_х, п_у, п_z, где

  (9.3)

которые называются, соответственно, тангенциальной (продольной), нормальной и боковой перегрузками. Проекции  на оси ох_а, oу_a и оz_a обозначены здесь как Пр_хR_пов, Пр_уR_пов, Пр_zR_пов; n – полная перегрузка в центре масс самолета. Выражения для определения перегрузок при движении самолета в скоростной системе координат (см. рис. 9.1) записываются в виде

 

              (9.4)

где R – радиус кривизны траектории движения самолета (при М > 6–7 надо учитывать центробежную силу из-за кривизны Земли: mV ²/ (R₃ + H), где     R₃ – радиус земного шара).

Разделив обе части в выражениях (9.4) на G, получим:

 

(9.5)

 

 

При малых углах α и  ® 0 составляющие перегрузки по осям – n_x, n_у, n_z примут вид:

                      (9.6)

Выражения (9.5) и (9.6) позволяют определять значения перегрузок  либо через известные силы, действующие на самолет, либо через параметры движения V, R и О. Перегрузка п_х определяет величину ускорения по  так как п_х =  (у современных маневренных самолетов максимальные значения Т/ G = 1,2–1,4). Перегрузка п_х может быть и отрицательной, например, при дросселировании двигателей и выпуске тормозных щитков. Перегрузка п_у определяет маневренные возможности самолета, искривление траектории его движения j_n = V  ² / R в плоскости X_aOY_a и, как будет показано ниже, в плоскости X_aOZ_a. В эксплуатации п_у может достигать значений на порядок больших, чем п_х. Перегрузка п_z определяет при отсутствии крена искривление траектории движения самолета в плоскости Y_aOZ_a и либо вообще равна нулю при Z = 0, либо при полете со скольжением больше нуля (табл. 9.1).

Таблица 9.1

Значения и время действия перегрузок

 

Случаи, в которых встречаются перегрузки	Наибольшее значение	Порядок времени действия, с
Выход из пикирования Вход в пикирование Одинарная неуправляемая («штопорная») бочка Штопор Полет в болтанку Посадка, пробег, разбег гидросамолета на воду Раскрытие парашюта с изменением скорости от 60 до 5 м/с   Катапультирование пилота	8–9 (до 11) –4 3 1,5–2 4 3–7   5 16	1 1 Несколько секунд То же 0,1 0,1   0,5 0,1

 

Для авиационных конструкций в большинстве случаев их прочность и жесткость определяется величиной силы Y = n_уG или при определенном значении G – величиной п_у, имеющей из всех составляющих перегрузок наибольшее значение. Поэтому часто, говоря о перегрузке, подразумевают перегрузку п_у, а индекс “у” просто опускают.

Связь перегрузок с ускорениями можно выявить, разделив числитель и знаменатель выражения (9.2) на массу самолета m:

Отсюда перегрузка может быть определена как отношение ускорения `j, вызванного равнодействующей поверхностных сил, к ускорению силы   тяжести g.

Из уравнений (9.5) следует связь составляющих перегрузок п_х и п_у        с тангенциальным  и нормальным  ускорениями:

.  (9.7)

Рассмотрим перегрузки в различных условиях полета.

Установившийся прямолинейный полет в горизонтальной плоскости.При прямолинейном горизонтальном полете с постоянной скоростью (рис. 9.2) на самолет действуют следующие силы: вес самолета G, подъемная сила Y, лобовое сопротивление Х и тяга Т (рис. 9.2, а). Из условий установившегося полета с V = const, получим Т = X; из условий горизонтального полета Y = G; из условий прямолинейного полета Z = 0. Тогда из уравнений (9.6) получим:

.

Криволинейный полет в горизонтальной плоскости.Криволинейный полет в горизонтальной плоскости без снижения (H = const), без скольжения (Z = 0), с постоянной скоростью (Т = X), называется правильным виражом (рис. 9.2, б).

 

Т

а                                                   б

 

Рис. 9.2. Силы, действующие на самолет [1]:

а – в горизонтальном установившемся полете;

б – при выполнении виража в горизонтальной плоскости

 

Криволинейный полет в горизонтальной плоскости достигается за счет крена, а искривление траектории – за счет горизонтальной составляющей Y sin g подъемной силы Y. При правильном вираже перегрузки n_z          и n_x будут равны. Из условия Y sin g = G и n_y = Y/G получим

 n_y = 1/cos g.                                   (9.8)

Центробежная сила на вираже  уравновешивается составляющей Y sin g. Тогда выражая sin q через cos q, перегрузку n_у  через  выражение (9.6), можно получить:

                            (9.9)

Очевидно, чем больше перегрузка n_у на вираже, тем меньше при           V = const значение R_вир и  тем  выше  значение  угловой  скорости  разворота , т. е. выше характеристики маневренности самолета. Однако      с увеличением n_у возрастает масса конструкции.

Криволинейный полет в вертикальной плоскости.Рассмотрим самолет, совершающий криволинейное движение по траектории радиусом R (см. рис. 9.1). В этом случае на него действуют те же силы (G, Y, Х, Т), что и в горизонтальном полете, только они не находятся в равновесии, а дают            некоторую неуравновешивающую силу, приложенную к самолету. Тогда согласно второму закону Ньютона самолет должен двигаться с ускорением, действующим в направлении этой неуравновешенной силы. В общем случае рассматриваются действия неуравновешенных сил и ускорений в двух направлениях:

– вдоль траектории (по касательной): это тангенциальная сила, дающая увеличение или уменьшение поступательной скорости по траектории;

– перпендикулярную (нормально) к траектории, т. е. по направлению радиуса кривизны траектории: это центростремительная сила, вызывающая искривление траектории [1].

Если силу тяжести G (см. рис. 9.1) разложить по указанным направлениям, то вдоль траектории получим следующие силы: тягу Т, тангенциальную составляющую силы тяжести G_t и силу сопротивления самолета Х.   В сумме они дадут тангенциальную силу, ускоряющую или замедляющую движения самолета по траектории. Эта сила по сравнению с другими мала, и в данном случае ею можно пренебречь, так как основное значение имеют силы, перпендикулярные к траекториям движения – подъемная сила Y и силы тяжести G_n = G cos q. Из уравнения (9.4) при малых значениях aи jполучим:

 

(9.10)

 

 

Очевидно, в нижней точке траектории при q = 0 получается максимальное для данных V и R значение перегрузки:

                         (9.11)

Максимальные значения перегрузок.Максимальные значенияперегрузок n_{y max}теоретически определяютсязначением :

,

где p = G/S – удельная нагрузка на крыло; с_{уа mах}– максимальное значение коэффициента подъемной силы.

Анализ выражения показывает, что значения  возрастают         с уменьшением значений Н и р и ростом значений V_max.

При значениях p = 300 кг/м², c_{ya max} = 1и М = 1 величина n_{у max}           может достигнуть 25 [3]. В реальных условиях такой величины достигнуть не удастся, так как переход на с_{уа max}происходит не мгновенно, и за время перехода скорость полета успевает понизиться. Очевидно, что чем быстрее самолет переходит на значение с_{уа mах}, тем большее значение перегрузки может быть достигнуто (для маневренных самолетов надо понижать степень продольной статической устойчивости, инерционность (разнос масс относительно оси z_a),повышать эффективность горизонтального оперения (увеличивать его площадь, углы и скорость отклонения)).

Максимальные значения перегрузок ограничены также физиологическими возможностями летчика. Способность человека переносить ускорения (перегрузки) определяется, в основном, величиной и направлением  перегрузки, продолжительностью и частотой ее действия, состоянием         организма (табл. 9.2). На рис. 9.3 показаны перегрузки, которые в состоянии переносить человек в течение времени. Повысить выносливость летчика можно изменяя его положение в кабине самолета, применяя противоперегрузочные костюмы. Наибольшие перегрузки человек может переносить в направлении «спина–грудь», поэтому уже есть примеры, когда кресло летчика может быть отклонено от вертикали до 30°, чтобы создать более выгодное с точки зрения восприятия перегрузки положение.

Понятие перегрузки впервые было введено русским советским ученым В. П. Ветчинкиным в 1918г., им же она была впервые и замерена    с помощью пружинных весов. Сейчас для тех же целей применяются акселерометры.

 

Таблица 9.2  

---

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1685; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!