Проектирование самолетов

Пол грузовой кабины должен быть рассчитан на удельную нагрузку 400 даН/м².

2. О схеме легкого многоцелевого самолета

При проектировании самолетов любого назначения обычно анализируются несколько возможных (конкурирующих) схем. Если этот анализ проводится при фиксированных значениях скорости и дальности полета, заданной ВПП, известном типе и количестве двигателей, одинаковом во всех вариантах оборудовании и при заданной целевой нагрузке, то критерием выбора наилучшей схемы является взлетная масса самолета.

Если на легком самолете, у которого эквивалентный диаметр фюзеляжа сравнительно небольшой (1,7...1,8 м), а оптимальная относительная толщина крыла у корня, наоборот, весьма значительная (14...18%), расположить крыло в районе центра масс целевой нагрузки - снизу или сверху (для уменьшения разбега центровки загруженного и пустого самолета), то мидель фюзеляжа вместе с центропланом существенно возрастает. Примерами таких самолетов-низкопланов являются Як-40 и HS-125 “Джет Драгон” (рис. 1 и рис.2). При этом на 15...20% растет коэффициент аэродинамического сопротивления самолета С_х0 , а максимальное аэродинамическое качество уменьшается на 7...9% по сравнению со схемами, представленными на рис. 3...5 (самолеты-среднепланы или полунизкопланы с кормовым расположением двигателей). Продольные силовые элементы центроплана в последнем случае (рис. 3...5) располагаются позади целевой нагрузки. У этой схемы возрастает разбег центровки загруженного и пустого самолета, а для взлета требуется более мощное горизонтальное оперение, чем в первом случае (см. рис. 1,2). И все же данная схема в последнее время все чаще применяется на легких реактивных пассажирских самолетах, так как кроме аэродинамического совершенства дает возможность существенно (в 1,6...1,8 раза) уменьшить расстояние от земли до пола кабины (улучшаются условия погрузки и разгрузки), снизить массу двери-трапа и носовой стойки шасси. Кроме этого в новой схеме (рис. 3...5) более рационально используется объем хвостовой части фюзеляжа (возрастает плотность компоновки).

Что касается схемы легких многоцелевых самолетов с ПД и ТВД, то классическая (нормальная) схема здесь не имеет какого-либо развития. На новых легких турбовинтных самолетах Бе-32(рис. 6), GAF-24 “Номад” (рис. 7) применяется высокопланная схема. Схему, аналогичную GAF-24, имеет и самолет Ан-28, являющийся развитием легкого самолета Ан-14 “Пчелка”.

Большинство американских легких турбовинтных самолетов “общего пользования” имеют классическую низкопланную схему (рис.8;9).

3. Расчет массы легких самолетов

Масса самолета обычно определяется методом последовательных приближений. Первое приближение соответствует этапу предварительного проектирования (техническое предложение), второе и последующие приближения делаются при эскизном проектировании. Ниже рассмотрено определение массы легкого самолета (в кг) при взлете (m₀) в первом и втором приближениях.

1. Расчет взлетной массы самолета в первом приближении

Из уравнения баланса массы самолета в относительных величинах

; (1)

имеем в первом приближении

.

Здесь предполагаются известными или заданными тип двигателя и масса силовой установки, массы целевой и служебной нагрузок. Относительные массы конструкции _кон , оборудования и управления _об.упр в первом приближении берутся по статистике (табл. 1).

Назначение самолетов	кон	об.упр
Многоцелевые, а также для местных авиалиний Спортивно-пилотажные Специализированные для сельского хозяйства Гидросамолеты Мотопланеры	0,28...0,30 0,30...0,32 0,24...0,26 0,34...0,38 0,48...0,52	0,10...0,12 0,08...0,10 0,08...0,10 0,10...0,12 0,05...0,06

Относительную массу топлива _т входящую в (2), можно рассчитать для самолетов с ТРД и ДТРД по формуле

;(3)

Для самолетов ПД и ТВД

;(4)

Здесь L_p в км, V_крейс в км/ч; для монопланов без подкосов в крейсерском полете аэродинамическое качество K=7...9 - в случае неубирающихся посадочных средств (колеса, поплавки); K=10...12 - в случае убирающегося шасси. Значения с_р, с_е , _в для заданного двигателя известны.

Входящие в числитель (2) величины m_с.у , m_служ могут быть рассчитаны в первом приближении следующим образом.

Для самолетов с ТРД и ДТРД

m_с.у = 1,6 _дв P₀ ;(5)

Для самолетов с ПД и ТВД

m_с.у = 2 _дв N₀ ;(6)

Масса служебной нагрузки

m_служ = 85 n_эк ;(7)

Масса целевой нагрузки m_ц.н (масса пассажиров, грузов, почты- на многоцелевых самолетах, химикатов - на сельскохозяйственных, медицинского персонала и пациентов - на санитарных самолетах и т.д.) обычно задается. На одноместных спортивных самолетах и мотопланерах целевой может быть служебная нагрузка.

2. Расчет взлетной массы легкого самолета во втором приближении

Основное отличие этого расчета от расчета (m₀)_I состоит в учете зависимости _кон, _об.упр, _т от взлетной массы, параметров крыла и других частей самолета, от режима полета.

В связи с тем, что _кон весьма сложным образом зависит от m₀ (см. ниже), уравнение (1) получается трансцендентным и относительно m₀ в явном виде не решается (как в первом приближении). Поэтому приходится для вычисления (m₀)_II применять либо графический способ решения уравнения баланса массы самолета, либо последовательно приближаться к решению и находить его с помощью ЭВМ.

Рассмотрим определение (m₀)_II по элементам. Приведенные ниже формулы названы именами их авторов. В ряде случаев формулы несколько модифицировалась применительно к легким самолетам.

Масса конструкции

Эту величину составляют массы крыла, фюзеляжа, оперения и шасси:

m_кон = m_кр + m_ф + m_оп + m_ш ;(8)

Масса крыла

Масса свободнонесущего (без подкосов) крыла легких самолетов (m_кр) может быть рассчитана по одной из следующих формул:

Формула Зинина:

;(9)

Формула Фомина:

;(10)

Формула Лебедева для прямых и стреловидных крыльев:

; (11)

Формула Торенбика:

; (12)

Формула для прямых и стреловидных крыльев, предлагаемая нами:

Ключевые слова и выражения

Многоцелевой легкий самолет - легкий самолет, позволяющий быстро переоборудовать для использования в различных сферах народного хозяйства: здравоохранении, сельском хозяйстве, геодезии, патрулировании и т.п.

Контрольные вопросы

Перечислите общие требования к легким самолетам.

Перечислите специальные требования к легким самолетам.

Обоснуйте выбор схемы легкого самолета на примере санитарного или сельскохозяйственного самолета.

Как определяется взлетная масса легкого самолета в первом приближении?

Методика определения взлетной массы второго приближения.

ЛЕКЦИЯ №12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАССАЖИРСКИХ САМОЛЕТОВ

План лекции

Размещение экипажа

Компоновка пассажирской кабины

Определение геометрических параметров фюзеляжа пассажирского самолета

1. Размещение экипажа

Второй главной задачей объемно-весовой компоновки является размещение экипажа. Служебная кабина, или кабина экипажа, размещается в передней части фюзеляжа. Ее размеры и компоновка зависят от состава экипажа.

Экипаж современных пассажирских магистральных самолетов обычно состоит из трех человек: командира корабля -- первого пилота, второго пилота и бортинженера. Для специальных рейсов в состав экипажа включаются иногда штурман, специальный радист; для них предусматривается место, которое используют и для размещения в кабине инструктора или инспектора, проверяющего работу членов экипажа. Возможные схемы размещения экипажа в служебной кабине показаны на рис. 8.25.

На рис. 8.26 показана компоновка носовой части и кабины экипажа современного магистрального пассажирского самолета. Размещение в кабине экипажа органов управления показано в гл. 18.

Важно обеспечить экипажу необходимый обзор. Требования к обзору летчика следующие:

Рис. 8.25. Возможные схемы размещения экипажа в служебной кабине:

1 -- первый пилот; 2 -- второй пилот; 3 -- бортинженер; 4-- штурман; 5 -- отсек радиолокатора

1. Зона беспрепятственного обзора для левого летчика:

-- влево 20°;

-- вправо 30°;

-- вниз (по оси сиденья летчика) не менее 16°;

-- вверх (по оси сиденья летчика) 20°.

2. В диапазоне углов 20 ... 45° влево по азимуту допускается в конструкции фонаря наличие одной силовой стойки.

3. Обзор назад--влево должен обеспечивать видимость половины концевого обтекателя крыла (на самолете Ил-86 это потребовало иметь обзор назад по азимуту до 145° вместо нормируемых 135°).

4. Ширина затенения обзора конструкцией основных силовых стоек фонаря не должна быть более 70 мм.

5. От глаза летчика до внутренней поверхности стекла в плоскости сиденья летчика (размер L_с на рис. 8.27) должно быть не менее 500 мм.

6. При снятии диаграмм обзора из точки С₁. допускается перемещение головы Р = 100 ... 120 мм (в пределах хода привязных ремней).

Рис. 8.27. Требуемый нормами летной годности пассажирских самолетов обзор из кабины летчика:

С -- положение глаза летчика при взлете и посадке самолета;

С₂ -- положение глаза летчика в крейсерском полете;

-------- зона обязательного обзора,

-- -- зона желательного обзора

Требуемая диаграмма обзора левым летчиком из кабины пассажирского магистрального самолета показана на рис. 8.27.

При компоновке носовой части фюзеляжа и фонаря летчиков рекомендуется наряду с требованиями НЛГС-2 учитывать и желание летчиков:

-- видеть в момент касания поверхности ВПП колесами полосу посадки на удалении от самолета не более 50 ... 70 м;

-- видеть в момент захода на посадку ночью на высоте «принятия решения» (на высоте 30 м при посадке по второй категории икао) не менее 5 ... 6 огней подхода к ВПП.

Выполнение этих условий требует обзора вниз прямо перед летчиком до 19 ... 22°. На самолете Боинг 747 этот угол равен 18,5°, а на самолете ИЛ-86 - 20°.

2. Компоновка пассажирской кабины

Размещение на пассажирском самолете полезной (коммерческой) нагрузки в первую очередь связано с компоновкой пассажирской кабины. При компоновке пассажирского самолета важно обеспечить размещение заданного числа пассажиров и грузов при наименьшей массе пустого самолета. Однако при этом должна учитываться и возможность модификации самолета в сторону увеличения коммерческой нагрузки (увеличения числа пассажиров).

В настоящее время в практике воздушных пассажирских перевозок применяются три различных класса кабин, отличающихся друг от друга комфортом размещения пассажиров и условиями обслуживания пассажиров в полете.

В высшем, I классе, увеличены ширина сидений и расстояние между рядами (шаг сидений), пассажиры чаще получают питание (увеличен объем кухонь) и т. п. Во II, или туристском, и в III, или экономическом, классах ставятся соответственно более узкие сидения и делается меньший шаг между рядами сидений.

3.Определение потребной ширины пассажирской кабины

Основные размеры пассажирских сидений показаны на рис. 9.1 и приведены в табл. 9.1.

Основные требования к конструкции и размещению пассажирских сидений следующие.

Пассажирские сидения обычно делают в виде блоков из двух или трех сидений. Для салонов I класса применяют только блоки с двумя сидениями; для II и III классов возможны блоки как с двумя, так и с тремя сидениями.

Табл. 9.1

Классы пассажирских сидений	Расстояние между подлокотниками В, мм	Ширина подлокотников b,мм	Длина подушки сидения до спинки L, мм	Высота сидения над полом h, мм	Высота сидения со спинкой Н, мм	Угол отклонения спинки от вертикали, градус	Ширина блока сидений, мм
							В2	В3
I	500	70	500	445	1140	45	1260	-
III	440	50	470	445	1120	36	1030	1520

Примечание: В блоках сидений I класса расстояние между сидениями равно 120 мм; в сидениях повышенного комфорта этот размер увеличивается до 300 мм, а общая ширина блока В₃ увеличивается до 1480 мм.

Сидения в салонах I класса должны иметь спинку, откидывающуюся назад на угол до 45° от вертикали, и съемную площадку- подножку, чтобы обеспечить полулежачее положение пассажира для отдыха; спинки сидений II и III класса должны откидываться назад на угол до 36° и 25° соответственно.

Рис. 9.1. Основные размеры пассажирских сидений

3. Сидения салонов И и III классов должны иметь спинку, свободно откидывающуюся вперед, с тем, чтобы при аварии пассажир заднего ряда не мог удариться головой о спинку переднего сидения.

4. Подушки сидения в салонах III класса должны быть откидными (как сидения в театральных залах) из-за малого шага между сидениями.

5. Каждое сидение I класса обязательно должно иметь два подлокотника шириною не менее 70 мм. В блоках сидений салонов II и III классов средние подлокотники делаются по одному между сидениями; ширина их не менее 50 мм.

6. При установке в одном ряду нескольких блоков сидений ширина прохода между этими блоками на высоте от пола 635 мм (зона размещения подлокотников сидений) и более должна быть при числе пассажиров от 20 до 299 не менее 510 мм и при числе пассажиров 300 и более -- не менее 650 мм.

7. На самолетах, имеющих только один основной продольный проход в пассажирской кабине, следует помещать не более трех сидений с каждой стороны прохода. Следовательно, при числе пассажиров в ряду более шести в пассажирской кабине должны быть два продольных прохода.

8. Зазор между внутренней обшивкой пассажирской кабины и конструкцией сидения (по подлокотнику или по верху спинки) должен быть не менее 50 мм при сидениях салонов I класса и не менее 30 мм при сидениях II и III классов.

9. Толщина стенки пассажирской кабины, включая силовую конструкцию, теплозвукоизоляцию и декоративную отделку, при компоновке принимается равной 120 ... 130 мм.

Приведенные выше условия позволяют определить потребную из компоновочных соображений ширину фюзеляжа на уровне 635 ... 650 мм выше пола пассажирской кабины. Она определяется по формуле:

В_ф = В₂n₂ + В₂n₃ + с_Пn_П + 2₁ + 2₂, (9.3)

где В₂ и n₂ , B₃ и n₃-- соответственно ширина и число двухместных и трехместных блоков сидений; c_П и n_П -- соответственно ширина и число основных проходов; ₁ -- зазор между сидением и внутренней поверхностью стенки кабины; ₂ -- толщина стенки кабины.

Подставляя в (9.3) числовые значения из приведенных выше условий, можно получить потребную ширину фюзеляжа для различных значений числа сидений II класса (туристских) в ряду.

В табл. 9.2 учитывается, что при компоновке в ряду десяти сидений между средними двухместными блоками делается вставка шириною 250...260 мм. На самолете Боинг 747 при девяти сидениях в ряду компоновка делается по схеме 3+22+2.

Таблица 9.2 Размещение сидений в пассажирском салоне

Число сидений в ряду	Число и тип блоков	Ширина прохода, мм	Зазор между подлокотником и стенкой, мм	Ширина фюзеляжа в зоне сидений или его диаметр, мм	Диаметр фюзеляжа у конкретных пассажирских самолетов, мм
3	1+2	510	30	2380	--	--
4	2+ 2	510	30	2870	Ту-124, Ту-134	2900
5	2+3	510	30	3360	Ту-104, Ил-18	3500
6	3+ 3	510	30	3850	Ту-154, Ил-62	3800
7	2+3+2	6502	40	5200	Боинг 707	3760
8	3+2+3	6502	45	5700	Локхид-1011 Дуглас ДС-10 Ил-86	5970 6020 6080
9	3 + 3 +3	6502	50	6200	Боинг 747 6490Х	6800
10	3+212+3	6502	50	7050	--

Знак «», как и в нижней строке таблицы, означает наличие вставки в 250 мм. Тогда по формуле (9.3) ширина фюзеляжа будет равна 6500 мм (на самолете Боинг 747 -- 6490 мм).

Потребная ширина фюзеляжа совпадает с его диаметром (при круглом сечении фюзеляжа) лишь в том случае, если подлокотники кресел находятся в зоне центра окружности (линия пола на 550...600 мм ниже максимальной ширины или диаметра фюзеляжа).

Выше показан метод выбора диаметра фюзеляжа только из компоновочных соображений. Однако на выбор диаметра оказывают влияние и соображения аэродинамики (обеспечение максимального аэродинамического качества самолета в целом) и прочности (обеспечение минимальной массы конструкции). Эта оптимизационная задача рассмотрена в гл. 15.

4. Определение потребной длины пассажирской кабины

Длина пассажирской кабины находится с учетом следующих условий.

1. По заданному числу пассажиров и выбранному числу сидений в одном ряду определяется потребное число рядов сидений. Как правило, в хвостовой части пассажирской кабины ширина кабины сужается из-за придания фюзеляжу формы, хорошо обтекаемой воздушным потоком. Вследствие этого последние ряды приходится делать с уменьшенным числом сидений, и для размещения заданного числа пассажиров потребное число рядов сидений приходится увеличивать на 1-2 ряда (в кабинах с двумя проходами -- на 3-4 ряда);

2. Расстояние t между рядами сидений (шаг) делают кратным 30 мм (в Западной Европе и США -- кратным одному дюйму -- 25,4 мм):

Класс салона .......................... I II III

t, мм ...................................... 980 ... 1080 840 ...870 780 ... 810

3. Минимальное расстояние l₁ от плоскости передней перегородки кабины до первого ряда сидений:

Класс салона .......................... I II III

l, мм .................................... 630 615 585

4. Минимальное расстояние l₂ от плоскости задней перегородки кабины до переднего крепления последнего ряда сидений:

Класс салона .................. I II III

l₂ , мм ............................ 1000 800 750

Размер l₂ необходим, чтобы при полностью отклоненной спинке зазор между конструкцией сидения и перегородкой был не менее 20 мм; требования пп. 2 ... 4 показаны на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Схема установки пассажирских сидений относительно передней и задней перегородок кабины: 1 -- передняя стенка пассажирской кабины; 2 -- передний ряд сидений; 3 -- второй ряд сидений; 4 -- последний ряд сидений; 5 -- задняя стенка пассажирской кабины

5. Отношение длины пассажирской кабины к ее ширине k_ф (коэффициент формы кабины) должно выбираться так, чтобы оно находилось в пределах k_ф = 0,2 ... 0,5. Если k_ф < 0,2, то пассажирская кабина становится похожей на «трубу», а если k_ф > 0,5, то создается впечатление «зажатого» объема.

В связи с этим условием при большом числе пассажиров приходится делить пассажирскую кабину на два и более салонов.

6. Высота пассажирской кабины должна быть не менее 1900 мм и не более 2500 мм, чтобы помещение не напоминало ангар.

Исходя из этого выбранная компоновка (длина и ширина кабины или отдельных салонов) проверяется по величине удельного объема кабины (салона) Уф, приходящегося на одного пассажира (табл. 9.3).

Таблица 9.3. Минимальные значения удельного объема пассажирской кабины _в , м³/человек

Диаметр	Продолжительность полета, ч
фюзеляжа, мм	До 1	1 ... 2	2 ... 4	4 ... 6	6 ... 8	8 ... 10
<4000 >5000	0,84 0,96	0,85 0,98	0,92 1,06	0,98 1,13	1,2 1,27	1,2 1,36

На основании приведенных выше условий потребная длина пассажирской кабины (мм) определяется по формуле

L_{к потр} =l₁ +(i_ряд - 1) t + l₂ (9.4)

где l_ряд -- число рядов кресел.

Ключевые слова и выражения

Шаг кресел - расстояние между рядами кресел.

Коэффициент формы кабины k_ф - отношение длины пассажирской кабины к ее ширине.

Контрольные вопросы

Какие вы знаете требования к обзору летчика?

Какие основные требования к конструкции и размещению пассажирских сидений вы знаете?

С учетом каких условий находится длина пассажирской кабины?

В качестве примера рассмотрите компоновку пассажирской и пилотской кабин какого-либо пассажирского самолета.

ЛЕКЦИЯ № 13. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГРУЗОВЫХ САМОЛЕТОВ

План лекции

Конвертируемые самолеты

Специальные грузовые самолеты

Проблемы проектирования магистральных гражданских грузовых самолетов

1. Конвертируемые самолеты

По мировой статистике объем перевозок грузов самолетами в последние 20...25 лет растет быстрее, чем объем пассажирских перевозок (средний годовой прирост объема грузовых перевозок 12...15 %, пассажирских 8...10 %). В связи с этим для грузовых авиаперевозок используют модификации пассажирских самолетов. С самолета снимают пассажирское оборудование, пол пассажирской палубы усиливают, исходя из удельной нагрузки 400 даН/м², п в левом борту носовой части фюзеляжа на уровне пола делают большую грузовую дверь высотой 2200...2300 мм и шириной 3300...3500 мм. Усиление конструкции недостаточно для обеспечения прочности фюзеляжа при таком большом вырезе и поэтому дверь грузового люка делают силовой: в закрытом положении она замками включается в работу силовой конструкции фюзеляжа.

В зависимости от объема грузовых перевозок модифицируют либо полностью всю пассажирскую кабину, либо ее переднюю часть, как это показано на рис. 1. Размещение грузов в передней части фюзеляжа связано с обеспечением безопасности пассажиров, перевозимых в заднем помещении, так как в случае аварии груз может сдвинуться вперед. На этот случай экипаж может быть размещен выше пассажирского помещения, как это сделано на самолете Боинг 747 (см. рис. 2).

Такие модифицированные самолеты могут быть использованы и для грузовых и пассажирских перевозок. В этом случае пассажирские сидения крепят на специальных площадках, которые в свою очередь крепят к узлам на силовом грузовом полу; внутри самолета сохраняется часть бытового оборудования (туалеты, кухни и т. п.). Самолет при этом можно быстро переоборудовать (конвертировать) из грузового в пассажирский или сделать грузопассажирским.

2. Специальные грузовые самолеты

Подобно тому, как на других видах транспорта (автомобильном, железнодорожном и водном) пассажирские и грузовые средства (вагоны, корабли) делаются специальными, так и при развитии воздушных перевозок естественно появление специальных грузовых самолетов.

Особенностью грузовых самолетов является то, что они делаются высокопланами, чтобы фюзеляж мог быть максимально приближен к поверхности аэродрома для облегчения погрузочно-разгрузочных работ. Желательно, чтобы уровень грузового пола при стоянке самолета на земле находится на уровне площади кузова грузового автомобиля.

Для погрузки в хвостовой части фюзеляжа делают люк, отклоняющаяся вниз часть которого является погрузочной рампой. На некоторых грузовых самолетах для обеспечения погрузки и выгрузки делают отклоняющуюся в сторону хвостовую (самолет Канадэр СL-44) или носовую часть фюзеляжа.

Рис. 1. Вариант грузо-пассажирского самолета (грузовой отсек затемнен)

Рис. 2 Грузовой вариант самолета Боинг 747

3. Проблемы проектирования магистральных гражданских грузовых самолетов

Проблема дальнейшего развития грузовых авиационных перевозок является чрезвычайно актуальной как для гражданской авиации, так и для всего народного хозяйства. За последние годы во всем мире возрастает доля транспортных перевозок различных грузов самолетами.

Современные экономические и научно- технические развитие создает предпосылки для значительного роста грузовых авиационных перевозок. Этому будет способствовать создание и ввод в эксплуатацию новых грузовых самолетов, имеющих большую производительность и меньшие эксплуатационные затраты, механизация и автоматизация погрузочно- разгрузочных работ, улучшение перевозочных процессов и взаимодействие с другими видами транспорта. Как было отмечено ранее, самолетный парк авиакомпаний, осуществляющих грузовые перевозки состоит в основном из различных грузовых модификаций магистральных пассажирских самолетов. В странах СНГ грузовые перевозки осуществляются гражданскими модификациями военно-транспортных самолетов.

На всех военно-транспортных самолетах применяется схема с высоким расположением крыла, которая имеет следующие преимущества:

уменьшение аэродинамического сопротивления интерференции;

снижение вероятности выхода из строя двигателей, расположенных на крыле, в результате попадания твердых частиц с ВПП при взлете и посадке;

уменьшение расстояния от пола грузовой кабины до земли, что облегчает погрузку и выгрузку.

Однако по абсолютной величине экономичность эксплуатации самолета-высокоплана в большинстве случаев получается несколько хуже, чем низкоплана, за счет весовых потерь. Эти потери объясняются следующими причинами;

на самолете- высокоплане специально усиливать нижнюю часть фюзеляжа на случай аварийной посадки при не выпущенном шасси;

увеличивается вес силовых элементов (шпангоутов) фюзеляжа, воспринимающих нагрузки от крыла и шасси (если основные стойки шасси крепятся к фюзеляжу);

наличие обтекателя шасси увеличивает сечение фюзеляжа, ухудшает аэродинамику;

на 25-40% увеличивается потребная площадь вертикального определения в связи с ухудшением путевой устойчивости самолета-высокоплана;

увеличивается на 2,5-3% взлетный вес, если все стойки шасси крепятся к фюзеляжу, и на 0,7-1% если основные стойки крепятся к крылу.

При окончательном решении вопроса о расположении крыла по высоте фюзеляжа нужно учитывать, таким образом, ряд противоречивых факторов высокоплан имеет лучшие аэродинамические и эксплуатационные характеристики, но уступает низкоплану по весу конструкции.

Главным фактором повышения транспортной эффективности при разработке чисто грузовых модификаций пассажирских самолетов является возможность существенного увеличения массы коммерческой нагрузки за счет снижения массы пустого снаряжения самолета, это снижение массы частично обеспечивает пассажирское оборудование:

уменьшением массы бытового оборудования, куда входит декоративная отделка салонов, пассажирские кресла, массы кухонь с оборудованием, туалеты и их системы и т.п.;

уменьшением массы служебной нагрузки, составляющими которой является масса продуктов питания, напитки, посуда, вода и химсостав в туалетах, обслуживающий персонал и т.п.;

уменьшением массы аварийно-спасательного оборудования;

возможностью ликвидации отсеков с оборудованием.

Определенное снижение массы конструкции фюзеляжа дает в чисто грузовой модификации отсутствие большого количества вырезов. Это пассажирские окна, пассажирские, багажные и служебные двери.

Однако, при этом необходимо учесть определенное увеличение массы конструкции фюзеляжа за счет необходимости усиления пола пассажирских салонов и оснащением специальной грузовой двери большого размера. Кроме того, грузовая модификация пассажирских самолетов должна быть оснащена специальным грузовым оборудованием, состоящего из рольгангового оборудования, системы замков крепления грузов, швартовочных сетей и ремней. А это в свою очередь приведет к увеличению массы пустого самолета. Но это увеличение массы незначительно по сравнению с уменьшением массы пустого самолета при разработке чисто грузовой модификации. Так, для самолета Б 747-200В общий выигрыш в массе составил:

М = М^баз_{пуст.сн.} - М^груз_{пуст.сн.}= 170,40 - 146,57 = 23,83 т.

Это означает, что в чисто грузовой модификации масса коммерческой нагрузки может составить:

М^груз_кн = М^баз_кн.+ М = 68,63 + 23,83 = 92,46 т.

Практика использования в гражданских грузовых перевозках военно-транспортных самолетов и грузовых модификаций пассажирских самолетов показывает, что в этой области специализация еще только предстоит. По существу, в настоящее время самолеты, спроектированные и созданные специально для осуществления массовых грузовых авиаперевозок отсутствуют. Те же самолеты, которые сегодня используются в грузовых перевозках обладают в определенной степени рядом конструктивных и аэродинамических несовершенств.

Можно отметить ряд конструктивных особенностей, которые указывают на целесообразность создания специализированных грузовых самолетов:

1). Сравнивая удельную грузовместимость фюзеляжа существующих самолетов с удельной погрузочной кубатурой основных видов народнохозяйственных грузов, можно отметить, что фюзеляжи существующих самолетов переразмерны в 2-3 раза. Так, например, военно-транспортный самолет фирмы «Локхид» С-5В и грузовая модификация пассажирского широкофюзеляжного самолета В 747 при максимальной грузоподъемности порядка 110 тонн имеют суммарные объемы грузовых кабин 900 М*3. Однако, потребный объем для размещения 110 тонн грузов в стандартных контейнерах UCO типа ID составляет всего 300-380 М*3. Таким образом, в случае специализации самолетов С-5В и В 747 для контейнерных перевозок грузов, фюзеляжи этих самолетов переразмерны более чем 2 раза. Другими словами, объемы фюзеляжей существующих самолетов существенно превосходят экономически целесообразные потребности для повседневных коммерческих перевозок.

2). Низкой весовой отдачей, из-за конструктивных особенностей (схемы), обладают существующие военно-транспортные самолеты (ВТС), например Ил-76Т, С-5В, Ан-12, Ан-124 и С-141В. Наличие грузовой рампы и гермостворок в хвостовой части, аварийных люков и окон, остекленные отсеки штурмана и наличие второго локатора с обтекателем, увеличение миделевого сечения из-за обтекателей шасси, приводят к потерям аэродинамического качества и увеличению массы конструкции планера.

3). Специализированные грузовые самолеты, могли бы иметь меньшую по сравнению с существующими ВТС стартовую тявооруженность, что даст определенный выигрыш в массе силовой установки.

4). Конструкция фюзеляжа существующих самолетов в полете нагружена внутренним избыточным давлением, хотя большинство грузов можно перевозить и в негерметичном грузовом отсеке, что дало бы уменьшение массы как конструкции так и высотного оборудования.

5). При разработке грузовых модификаций пассажирских самолетов осуществляется усиление конструкции пола, оснащение большой грузовой дверью (в основном боковой) и обеспечение специальным грузовым оборудованием. Все эти мероприятия вызывают дополнительные весовые затраты, увеличивающие массу конструкции.

В целом можно отметить, что специализированные самолеты, за счет уменьшения геометрических размеров фюзеляжа, применения рациональной схемы с точки зрения аэродинамического качества и минимума массы конструкции планера, будут обладать большей весовой отдачей по коммерческой нагрузке по сравнению с существующими пассажирскими и военно-транспортными самолетами.

Большие экономические резервы лежат в основе специализации технических средств воздушного транспорта для осуществления массовых гражданских грузовых авиационных перевозок.

Ключевые слова и выражения

Конвертируемый самолет - самолет, компоновка которого позволяет перевозить на нем и пассажиров, и грузы, при переоборудовании в минимальный срок под конкретную задачу.

Специальный транспортный самолет - транспортный самолет, предназначенный для перевозки какого-либо конкретного типа груза.

Контрольные вопросы

1. Чем обусловлено появление конвертируемых самолетов?

2. Расскажите об особенностях специальных грузовых савмолетов.

3. Перечислите пути повышения транспортной эффективности при разработке чисто грузовых модификаций пассажирских самолетов.

4. Какими факторами обусловлено создание специализированных грузовых самолетов?

ЛЕКЦИЯ №14. ТЕОРИЯ МОДИФИКАЦИЙ

План лекции

Терминология модификации самолетов

Классификации модификации пассажирских самолетов

Общие положения

Для современного уровня развития науки и техники характерно быстрое обновление многих видов машин на основе создания новых моделей и их модификаций. Одновременно преобразуется сам процесс разработки модификаций. Если в прошлом при создании пассажирских самолетов третьего поколения проектирование модификаций приобрело плановый характер, то при создании самолетов четвертого поколения новым является разработка обширных семейств модификаций одновременно с базовым самолетом.

Под теорией модификаций понимается систематизация обобщенных знаний, включающих закономерности развития, основанные на диалектике машин; основные понятия и терминологию; классификацию различных видов модификаций. Неотъемлемой частью теории являются также методы экономического обоснования модификаций и система критериев для количественной оценки роста всех видов эффективности относительно базового самолета.

Теория модификации является частью общей науки о проектировании самолетов, подобно тому, как история модификаций органически связана с историей авиации.

Модификациями называют как процесс видоизменения, так и сам самолет, отличающийся от базового одним или одновременно несколькими из следующих признаков:

целевым назначением или специализацией;

областью применения (средние или дальние магистральные самолеты);

основными характеристиками;

более высоким техническим совершенством;

более высокой экономической эффективностью.

Специализированные модификации отличаются от базового самолета целевым назначением (грузовые или военный модификации пассажирских самолетов и т.п.).

Усовершенствование модификации могут быть двух видов отличающихся от базового самолета, одни из них ограничены техническим, друге - экономическим усовершенствованием.

Комплексными модификациями называются те, на которых проведено одновременно и техническое и экономическое усовершенствование.

Дальние модификации (названные по аналогии с магистральными самолетами ДМС) предназначены для дальних рейсов (с протяженности рейсов большей, чем у базового самолета). При этом коммерческую нагрузку сохраняют или изменяют.

Ближние модификации предназначены для более коротких рейсов, чем те, на которых эксплуатируются базовые самолеты. При этом массу коммерческой нагрузки и число пассажиров увеличивают без изменения ли и изменением длины фюзеляжа.

Грузопассажирские модификации предназначены для одновременной транспортировки пассажиров и грузов.

Грузовыми модификациями называются те модификации, в которых пассажирские салоны полностью переоборудованы в грузовые помещения, усилены полы, вмонтированы погрузочно-разгрузочные устройства и т.п. В конструкцию таких фюзеляжей встраиваются больших размеров грузовая дверь для погрузки стандартных контейнеров и грузов на поддонах.

Военными модификациями пассажирских самолетов называют переоборудованные самолеты и используемые в военно-воздушных силах.

Проектные производные - модификация, одновременно создаваемые с базовым самолетом на основе метода модульного проектирования. Базовый самолет отличается в этих случаях от модификаций тем, что его параметры оптимизируются, а некоторые параметры модификаций могут быть не вполне оптимальными.

Модульное проектирование семейства модификаций - объединение комплексов компонентов (скомплексированных при проектировании базового самолета) с целью: расширения транспортных возможностей самолетов, более точного удовлетворения требований воздушного транспорта, максимальной унификации, создания семейства или гаммы самолетов.

Базовым самолетом называют ту новую модель самолета, на основе которого разрабатывается одна модификация или их семейство. Главное отличие базового самолета новой модели от модификации заключается в том, что при его создании реализуется большое число нововведений, приводящих к более высокому техническому совершенству, к новому уровню техники. В модификациях лишь повторяются те же нововведения, она находится на том же общем уровне совершенства. Производят лишь частичное усовершенствование или изменяют область применения, или повышают производительность, или целевое назначение.

Жизненный цикл самолета--период с момента разработки проекта до снятия с эксплуатации базового самолета. Этот цикл подразделяют на ряд стадий, связанных с разработкой, постройкой и испытанием базового самолета, его производством и эксплуатацией.

Стоимость жизненного цикла самолета определяют как стоимость самолета, включающую расходы на его разработку, и стоимость его эксплуатации за период, связанный с ресурсом.

Область применения--комплекс линий (их протяженность), для эксплуатации на которых предназначен данный самолет.

Расчетная дальность полета соответствует наибольшей дальности с максимальной массой коммерческой нагрузки. Размеры, прочность и масса самолета, а также многие виды его эффективности (весовой, энергетической, экономической) определяются этой характеристикой. Значения k_т.э часто определяют при дальности полета, соответствующей полетам с коммерческой нагрузкой, равной m_к.н== 100n_пас , что приводит к равным условиям значений коэффициента коммерческой нагрузки k_к.н .

Классификации модификации пассажирских самолетов

Классификация модификаций в их законченном виде построена по двум признакам -- назначению и характеру видоизменений. Причина этого заключена в двойственном характере самого термина «модификация».

Классифицировать модификации по группам, подгруппам и видам будем по двум признакам, образующим, в конечном счете, две классификации: первый признак назовем эксплуатационным (рис. 16.1), к нему отнесены все видоизменения, связанные с усовершенствованием самолетов и их специализацией. Второй--назван производственным признаком, характеризующим конструктивные и производственные изменения.

Классификация модификаций по эксплуатационному признаку включает две группы, к первой из которых отнесены усовершенствованные (с сохранением целевого назначения), ко второй--специализированные (с изменением назначения).

Первая группа включает две подгруппы, отличающиеся: одни - техническим усовершенствованием, другие -- экономическим. Первая подгруппа объединяет два вида, отличающиеся областью применения. Вторая подгруппа -- экономически усовершенствованных модификаций -- включает большее, число видов, три из них приведены на схеме. Возможны и другие, например разновидности грузопассажирских модификаций.

Группа специализированных модификаций на подгруппы не подразделяется, но включает различные виды.

К технически усовершенствованным модификациям относятся модификации, отличающиеся от базового самолета такими видоизменениями, которые не влияют на его .экономическую эффективность. Усовершенствования могут касаться повышения надежности и безопасности различных систем оборудования (например, автоматизации систем навигации) и различных устройств обеспечения комфорта. Особенностью технически усовершенствованных модификаций является следующее: если изменения заключаются в установке дополнительного оборудования или замене на улучшенное, изменения могут внедряться в серийное производство, начиная с какой-либо модификации. Бывает, что такие усовершенствования постепенно реализуются на базовом самолете и предыдущих модификациях, находящихся в эксплуатации.

Рис. 14.1. Классификация модификации пассажирских самолетов по эксплуатационному признаку (по назначению)

Экономически усовершенствованными модификациями называются модификации, отличающиеся от базового самолета более высокими значениями одной или одновременно нескольких характеристик, таких как: грузоподъемность, пассажировместимость и дальность полета (а следовательно, производительность). К этой же подгруппе относятся модификации с уменьшенным расходом топлива (при замене двигателей) и увеличенным ресурсом, словом те, у которых в результате видоизменений повышается, экономическая эффективность.

Область применения модификации -- это их эксплуатационные возможности. При небольшом увеличении или уменьшении дальности полета модификация сохраняет класс базового самолета, при значительном изменении -- переходит в другой класс. Примером последних из зарубежной практики могут служить самолеты и их модификации, приведенные в табл. 14.1.

Таблица 14.1. Самолеты, модификации которых переходили в иной класс

Фирма	Самолет	Класс базовых	Класс модификаций
Сюд Авиасьон	Каравелла I Каравелла III; VI Супер Карагелла	БМС --	-- CMC
Локхид	L=1011=1 L=1011=500	CMC --	-- ДМС

Рис. 14.2. Классификация модификаций пассажирских самолетов по производственному признаку

В зависимости от того, изменилось ли назначение самолета или нет, модификации предлагается именовать однородными и смешанными. К первым из них относить модификации с сохранением гражданского назначения. К смешанным--те, что принято называть специализированными. Предлагается также подразделение на частичные, осуществляемые повышением одних характеристик за счет других, и комплексные--с одновременным повышением ряда характеристик.

Классификация модификаций по производственному признаку (рис. 14.2) предусматривает подразделение на две основные группы. Первая группа объединяет виды, отличающиеся объемом конструктивных изменений и называемые малыми и глубокими модификациями. К малым отнесены: замена двигателей (при сохранении их числа) с целью наращивания тяги или снижения расхода топлива; увеличение длины фюзеляжа (в пределах, ограниченных посадочным углом) с целью увеличения коммерческой нагрузки при сохранении или увеличении взлетной массы. К глубоким модификациям отнесено значительное изменение площади крыла (связанное с необходимостью усиления конструкции) или изменение его аэродинамической компоновки; замена двигателей при изменении их числа; уменьшение длины фюзеляжа при уменьшении взлетной массы.

Вторая группа объединяет три следующих вида, отличающиеся производственной преемственностью: модификации, запускаемые в производство с сохранением базового самолета (к числу таких относятся ближние, дальние и другие модификации, являющиеся дополняющими); модификации, запускаемые в производство со снятием базового самолета (такими являются усовершенствованные модификации; во многих случаях характер видоизменений позволяет проводить доработку самолетов, находящихся в эксплуатации); модификации эксплуатируемых самолетов, серийное производство которых прекращено (обычно непланируемые модификации).

Таблица 14.2 Отличительные особенности малых и глубоких модификаций

Область изменений	Малые модификации	Глубокие модификации
Силовая установка Геометрические размеры фюзеляжа	Замена двигателей при сохранении их числа. Увеличение длины фюзеляжа, связанное с увеличением коммерческой нагрузки, что приводит к возрастанию взлетной массы и необходимости частичного усиления конструкции (при этом используются резервы прочности)	Замена двигателей при изменении их числа. Укорочение фюзеляжа, связанное с уменьшением коммерческой нагрузки, что приводит к уменьшению взлетной устранения избыточных прочности и массы
Геометрические размеры крыла и оперения Конструкция и технология Вид транспортируемого груза	-- Внедрение новых материалов, технологических процессов, систем оборудования Изменения конструкции фюзеляжа, связанные с грузопассажирской модификацией при сохранении или незначительном увеличении коммерческой нагрузки (без устройства грузовой двери и усиления пола)	Увеличение площади и размаха крыла (и площади оперения), связанное с увеличением взлетной массы, приводит к необходимости летных и других испытаний -- Изменения конструкции фюзеляжа, связанные с грузовой модификацией, при значительном увеличении коммерческой нагрузки (с устройством грузовой двери и усилением элементов конструкции)

Заметим, что понятия малая и глубокая модификация не связаны ни с их назначением, чи с количественной оценкой результатов, а связаны лишь с объемом и сложностью изменения базового самолета. В зависимости от постановки задачи глубокая модификация может привести к большему эффекту, чем малая, либо--к равному. Когда при эксплуатации самолета появляется необходимость улучшения или изменения характеристик, не предусмотренных при его проектировании, глубокая модификация приводит к большим результатам. Возможность модификаций, малых и глубоких, определяется в значительной степени наличием резервов у эксплуатируемого самолета или созданием резерва при проектировании базового.

Примеры малых и глубоких модификаций приведены в табл. 14.2.

При изменениях, отнесенных к малым модификациям, накладывается дополнительное условие: одновременное увеличение взлетной массы или невелико, или вызывает лишь незначительные усилия. В некоторых случаях значительное увеличение взлетной массы допустимо лишь при наличии резервов прочности. При иной ситуации модификация с подобными видоизменениями может оказаться глубокой.

К глубоким модификациям отнесено изменение крыла при значительном увеличении его площади, поскольку оно может быть связано с увеличением площади оперения (а, следовательно, с возрастанием нагрузок на фюзеляж), с большим объемом конструктивных изменений, с расширенной программой различных лабораторных (в том числе в аэродинамических трубах) и летных испытаний.

К глубоким модификациям отнесены также видоизменения, связанные с уменьшением длины фюзеляжа при одновременном уменьшении массы коммерческой нагрузки и взлетной массы самолета, а следовательно, и нагрузок, действующих на конструкцию не только фюзеляжа, но и крыла, оперения, шасси. При этом образуется избыточная прочность и избыточная масса, устранение которых связано с пересмотром всей силовой конструкции. В случаях, когда при уменьшении длины фюзеляжа не уменьшают массу коммерческой нагрузки и взлетную массу самолета, объем изменений значительно меньше. Избыточная масса может оказаться лишь в конструкции фюзеляжа вследствие уменьшения изгибающих моментов (в функции уменьшения длины плеч как массовых сил, так и нагрузок от оперения на фюзеляж при уменьшении его длины).

Контрольные вопросы

1. Что понимается под теорией модификаций?

2. Отличительные особенности модификаций самолетов?

3. Основные виды модификаций?

4. Тип самолета, модель самолета, жизненный цикл самолета и базовый самолет?

5. Классификации модификации пассажирских самолетов?

ЛЕКЦИЯ № 15. МЕТОДЫ ПЛАНИРОВАНИЯ МОДИФИКАЦИЙ. ГРУЗОВЫЕ МОДИФИКАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ПАССАЖИРСКИХ САМОЛЕТОВ

План лекции

Причины возникновения модификаций уже существующих самолетов

Анализ технико-экономических показателей средств воздушного транспорта, осуществляющих грузовые перевозки

Алгоритм расчета летно-технических характеристик чисто грузовых модификаций магистральных пассажирских самолетов

1. Причины возникновения модификаций уже существующих самолетов

Проблема дальнейшего развития грузовых авиационных перевозок является чрезвычайно актуальной как для гражданской авиации, так и для всего народного хозяйства. За последние годы во всем мире возрастает доля транспортных перевозок различных грузов самолетами.

Быстрый рост грузовых перевозок обусловлен экономическими, техническими и коммерческими факторами, к которым можно отнести: рост валового производства во всех странах, развитие международной торговли, создание многонациональных компаний, модернизация наземного оборудования, строительство специализированных грузовых аэровокзалов (комплексов), использование унифицированных поддонов и контейнеров, создание и эксплуатация грузовых модификаций широкофюзеляжных самолетов, надежность, скорость и регулярность авиаперевозок, сохранность грузов, увеличение предложения при снижении тарифов, расширение грузовых перевозок и т.п.

Все возрастающая потребность народного хозяйства нашей Республики в грузовых авиационных перевозках обуславливает дальнейшего совершенствования и повышения эффективности технических средств воздушного транспорта, осуществляющих грузовые авиационные перевозки. Один из путей решения этих задач, это создание грузовых модификаций существующих и перспективных магистральных пассажирских самолетов, позволяющих при минимальных затрат значительно улучшить летно-технические характеристики и экономические показатели. Другой путь создание специализированных гражданских магистральных грузовых самолетов различных классов дальности и грузоподъемности. Большие экономические резервы лежат в основе специализации технических средств воздушного транспорта при осуществлении массовых грузовых авиаперевозок. Специализированные самолеты, за счет уменьшения геометрических размеров фюзеляжи, применения рациональной схемы с точки зрения аэродинамики и минимальной массы конструкции планера будут обладать существенно большей весовой отдачей по коммерческой нагрузке по сравнению с грузовыми модификациями пассажирских и военно-транспортных самолетов.

2. Анализ технико-экономических показателей средств воздушного транспорта, осуществляющих грузовые перевозки

Развитие грузовых авиационных перевозок сопровождается техническим прогрессом самолетного парка, оборудования аэропортов. Количественно и качественно изменился состав парка самолетов. За период с 1978 по 1990г. парк коммерческих самолетов вырос на 20%. Доля реактивных самолетов составила 76% всего парка (68% в 1978г.). Увеличилось и число самолетов с ТВД с 16,9% парка в 1978г. , до 18,4% в 1990г. В настоящее время для осуществления грузовых авиационных перевозок применяются следующие модификации магистральных самолетов:

А) конвертируемые модификации магистральных пассажирских самолетов;

Б) комбинированные модификации (“Комби”) магистральных пассажирских самолетов;

В) чисто грузовые модификации.

В табл. 1.3. приведены основные летно-технические характеристики конвертируемых, комбинированных и чисто грузовых модификаций существующих и перспективных пассажирских самолетов.

В настоящее время широкое применение получает конвертируемые самолеты, т.е. такие, которые в процессе эксплуатации легко переоборудуются из пассажирского варианта в грузовой или грузо-пассажирский. На зарубежных авиалиниях их эксплуатация началась в 1973г. Общее количество конвертируемых самолетов находящихся в эксплуатации превысило 700. Рациональная компоновка, наличие погрузочно-разгрузочных устройств, возможность переоборудование самолетов, высокий коэффициент коммерческой нагрузки - все это обуславливает экономическую эффективность конвертируемых самолетов.

...