Немного расскажу о подходах к обеспечению жёсткости элементов конструкции RSM-5.
Под действием нагрузки тело изменяет форму, оно деформируется.
Жёсткость характеризует степень способности тела сохранять форму при внешнем воздействии.
На изгиб, растяжение и кручение каждый материал или конструкция отреагируют разными удлинениями, прогибами и углами поворота.
- Один и тот же груз можно удержать как стальным тросом, так и резиновым жгутом.
- Ваш вес выдержит не только стальной швеллер на двух опорах, но и доска.
- Вы можете сидеть на балконе и на ветке дерева.
В первом случае при равной прочности, будут разные удлинения, во втором разные прогибы, в третьем разные углы поворота (как и во втором случае, но ярче выраженные).
Конструкция самолёта должна быть не только прочной, но и ЖЁСТКОЙ.
Показатели прочности регламентируются коэффициентами запаса прочности. Авиационные правила (АПУ-23) строго регламентируют ПРОЧНОСТЬ, устанавливая общий коэффициент запаса прочности 1,5 и специальные коэффициенты прочности для различных узлов. Но крайне расплывчато АП регламентируют ЖЁСТКОСТЬ (прогибы и углы поворота) конструкции. Требования к жёсткости в АП конечно есть, но выражены они в показателях наземных и лётных испытаний, которые не имеют ПРЯМЫХ ссылок на жёсткость конструкции, а могут быть понятны только прочнисту и аэродинамику. Отсюда, и
не достаточность внимания, которая уделяется жёсткости при конструировании сверхлёгких самолётов. Антиподом жёсткости есть гибкость.
Пожалуй, единственным элементом СЛА, требующим СОЧЕТАНИЯ жёсткости и гибкости является рессора. «Сочетания», потому что в комплексе жёсткость и гибкость определяют энергоёмкость, которой должно обладать шасси для поглощения кинетической энергии вертикальной составляющей скорости самолёта при посадке. «Шасси» написал потому, что часть энергии кроме рессоры, поглощает пневматик.
Лучшей удельной энергоёмкостью для рессоры обладает стеклопластик. От формы сечений рессоры, будет зависеть её прогиб.
Сделать рессору переменного сечения из стали 65Г проще, но вес будет больше стеклопластиковой. Рессора работает не только на изгиб от веса. Она воспринимает ещё изгиб и кручение от моментов инерции колёс при касании ВПП и аналогичные нагрузки при использовании тормозов. Стальную рессору лучше делать круглого сечения. Если с круга снять вверху и внизу фаски, высотой равной 0,11 диаметра, прочность и гибкость увеличатся, а вес соответственно уменьшится.
При расчёте убираемого шасси RSM-5, было рассмотрено много вариантов его конструкции. Расчёты показали, что наименьшим весом будет обладать шасси с пневмогидравлическим амортизатором, который можно взять от велосипеда. Приведу ранние эскизы основной стойки RSM-5:
Вложение:
Основная стойка.jpg [ 150.22 КБ | Просмотров: 2748 ]
Изготовление такого шасси требует бОльших трудозатрат, чем стеклопластиковой рессоры, но при равном энергопоглощении, это окупается меньшим весом.
Вернёмся к подходам, которые были использованы для обеспечения жёсткости конструкции RSM-5.
Немного о крыле. Взглянем на таблицу:
Вложение:
ПРОГИБ таблица.jpg [ 132.37 КБ | Просмотров: 2748 ]
Jx – это осевой момент инерции (существует ещё полярный момент инерции для расчётов на кручение). У реального крыла эта величина меняется вдоль размаха.
Е – модуль Юнга (есть ещё модули сдвига G и объёмного сжатия K).
Если прочность крыла зависит от напряжений растяжения и сжатия, противодействующих моментам изгиба, то в формулах прогиба и угла поворота, напряжений мы И БЛИЗКО не видим.
Это говорит о том, что
крыло ДОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ может быть ЧРЕЗМЕРНО ГИБКИМ и СКЛОННЫМ к флаттеру, реверсу элеронов, изменению углов атаки и отказам в управлении рулевыми поверхностями.Поэтому оправдание гибкости крыла его амортизирующими свойствами при полётах в турбулентной атмосфере, являются не более чем рекламным трюком, оправдывающим ошибки конструктора. Для безподкосного крыла можно считать, что 90% изгиба воспринимают лонжероны, а 90% кручения держит обшивка.
Двутавр обладает минимальным весом для восприятия изгиба. Основную нагрузку несут его полки. Для уменьшения прогиба, полки должны иметь высокий модуль Юнга.
Углепластик - идеальный материал для полок лонжерона, т.к. его модуль упругости выше чем у стали.
Однако многое зависит от направления волокон в композите.
У углеткани волокна расположены так:
Вложение:
Ткань.jpg [ 85.41 КБ | Просмотров: 2748 ]
При действии растягивающей нагрузки изогнутая нить будет удлиняться, не смотря на её заделку в эпоксидной смоле, т.к. модуль Юнга угленити, в сотни раз превышает модули сдвига и объёмного сжатия смолы.
Поэтому в полках лонжерона нити не должны иметь изгибов. Для полок лонжерона нужно использовать углеровинг или улеленту (не путать с чулками, носками и плетенными косичками от горе-авиастроителей
).
Поперечные нити растягивающих нагрузок не воспринимают, а только наносят вред, изгибая работающие на растяжение нити. Кроме этого вреда, они увеличивают массу конструкции не только своим весом, но и весом смолы, заполняющей пустоты от этих нитей.
Учитывая , что в двутавре нагрузки распределяются не равномерно по сечению двутавра, между нитями углеволокна возникают большие напряжения сдвига. Прочности смолы может оказаться не достаточно, особенно в полке, работающей на сжатие, т.к. при сжатии важна устойчивость каждого элемента. И полка может расслоиться. Для предотвращения этого, между слоями углеленты (углеровинга) ложат тонкую стеклоткань. Желательно, чтобы до начала желатинизации смолы, угленити были равномерно преднатянуты для исключения их искривлений внутри композита.
В стенках лонжерона, целесообразно так же применить углеленту. Направление волокон должно соответствовать направлению РЕЗУЛЬТИРУЮЩИХ напряжений (сжатия и сдвига) при максимальной как положительной, так и отрицательной расчётной нагрузке.
Эти направления будут разными вдоль размаха крыла.
Учитывая разную величину положительной и отрицательной нагрузки, КОЛИЧЕСТВО нитей и их направление должно соответствовать расчётной нагрузке на конкретном участке крыла. Ближе к корню крыла, нити должны занимать более вертикальное положение, равно, как и в местах навески элеронов и механизации. Т.к. результирующая вертикальная сила от распределённой вдоль размаха воздушной нагрузки увеличивается к корню крыла. А сила сдвига между верхней и нижней полками лонжерона,- постоянна по направлению, и мало отличается по величине в разных сечениях вдоль размаха крыла.
Из сказанного следует, что в стенке лонжерона, для минимизации веса и повышения жёсткости, угол между нитями не должен быть равным 45 градусам, как в бытующем расхожем мнении, кочующем с форума на форум.
Выше я упоминал о влиянии жесткости крыла на управление рулевыми поверхностями. Прогиб лонжерона вызовет изменение расстояний между качалками в канале управления, что повлияет на углы отклонения элеронов, т.к. длина тяг останется прежней.
Если в приводе элеронов используется торсион, то поворот осей втулок, в которых торсион вращается, вызывает увеличение сил трения, вплоть до заклинивания.
Не достаточная жёсткость крыла на кручение, может вызвать реверс элеронов за счёт изменения угла атаки концевой части крыла.
Кроме того, чрезмерный ИЗГИБ крыла, изменит его угол атаки, когда ОСЬ жёсткости крыла меняет своё направление вдоль размаха.
Не достаточная жёсткость в проводке управления элеронами может закончиться катастрофой, как это произошло 02.09.17 с АН-2.
Выдержка и фото из Отчёта МАК:
Вложение:
Жёсткость троса.jpg [ 449.11 КБ | Просмотров: 2748 ]
Вложение:
Катастрофа Ан-2.jpg [ 594.1 КБ | Просмотров: 2748 ]
Вот Вам и результат КАЙФОЛЕТАНИЯ, на который горько смотреть в очередной раз.