Фюзеляж самолета

Фюзеляж самолета предназначен для размещения экипажа самоле­та, полезной нагрузки, оборудования, топлива, двигателей, вооружения и т. д. В силовом отношении фюзеляж связывает между собой другие основные части самолета — крыло, оперение, шасси, силовую ус­тановку.

Вес конструкции фюзеляжа составляет около 40% веса всей конст­рукции самолета, а его аэродинамическое сопротивление — до 50% пол­ного сопротивления самолета.

При общем проекти­ровании фюзеляжа решаются следующие вопросы:

-выбор основных параметров и размеров фюзеляжа;

-выбор формы обводов носовой и хвостовой частей, и фор­мы поперечного сечения;

-выбор конструктивно-силовой схемы фюзеляжа и увязка ее с дру­гими агрегатами самолета;

-определение веса фюзеляжа.

Выбор основных параметров, размеров и обводов фюзеляжа

Рис.1

Основными размерами фюзеляжа являются его длина , диаметр , площадь миделевого

сечения , длина носовой части и длина хвостовой части (рис.1).

Большое влияние на характеристики самолета, особенно на аэроди­намические и весовые, оказывают

параметры фюзеляжа: —удлинение фюзеляжа;

— удлинение носовой части; — удлинение хвостовой части.

Если поперечное сечение фюзеляжа некруглое, то при расчете вместо берется

эквивалентный диаметр:

Выбор пара­метров фюзеляжа в отрыве от параметров крыла, оперения и шасси является прибли­женным решением задачи.

Удлинение фюзеляжа. Величина удлинения фюзеляжа и его частей () выбирается в первую очередь из аэродинамических сооб­ражений. Невыполнение требований аэродинамики может значительно (на одну-две единицы) уменьшить аэродинамическое качество самолета на основных режимах полета.

От удлинения фюзеляжа, а также от удлинения его носовой и хво­стовой частей зависит величина критического значения скорости (). При проектировании необходимо учитывать зависимость фюзеляжа от пара­метров . Очевидно, что число полета для дозвуковых самолетов не должно превышать фюзеляжа. Данное усло­вие обычно выполняется, так как критическая скорость крыла, как пра­вило, меньше критической скорости фюзеляжа.

Для сверхзвуковых самолетов большое значение приобретает удли­нение носовой части фюзеляжа, так как на величину волнового сопротивления глав­ное влияние оказывает форма носовой части тела.

Оптимальное удлинение носовой части фюзеляжа сверхзвукового са­молета зависит от числа М полета и размеров самолета (рис.2).

1-тяжёлые самолёты. 2-лёгкие самолёты.

Рис.2 Рис.3

Из аэродинамических соображений оптимальное значение удлинения фюзеляжа и его частей (как для дозвуковых, так и для сверхзвуковых самолетов) определяется минимумом полного аэродинамического сопро­тивления.

На дозвуковых скоростях это в основном профильное сопротивление (т. е. сопротивление трения и сопротивление давления), на сверхзвуковых скоростях это сумма волнового сопротивления и сопро­тивления трения (рис.3). Индуктивное сопротивление от параметров фюзеляжа не зависит.

Однако выбирать значение удлинения фюзеляжа и его частей сле­дует, исходя не только из соображений аэродинамики, но учитывая и такие важные факторы, как вес, компоновка и условия эксплуатации самолета.

Удлинения фюзеляжа современных самолетов имеют следующие значения:

а) дозвуковые самолеты

= 1,2…1,5; = 2,0…2,5;

= 6 …7 — легкие самолеты;

= 7 … 8 — пассажирские и транспортные самолеты для местных авиалиний;

= 8 … 9 — средние магистральные пассажирские и тяжелые транспортные самолеты;

б) дозвуковые самолеты ()
= 1,7…2,0; = 3,0…3,2;

= 10… 13 - тяжелые пассажирские самолеты большой даль­ности;

в) сверхзвуковые легкие самолеты (истребители)

= 4….5 - с боковыми воздухозаборниками;

= 1,5 …2 - с боковыми воздухозаборниками;

= 4 ….5, - если двигатели вне фюзеляжа

= 7….10

г) сверхзвуковые тяжелые самолеты (военные и пассажирские)

= 5…6; = 5…7; = 16…20.

Длина фюзеляжа и площадь миделя. Длина фюзеляжа определяет­ся из условия обеспечения потребных объемов для размещения экипажа, пассажиров, оборудования, вооружения, грузов.

Кроме компоновочных соображений, длина фюзеляжа определяется еще и потребным плечом горизонтального оперения . Для определения длины фюзеляжа в первом приближении можно воспользоваться следующими статистическими данными:

Форма крыла в плане крыла крыла

Прямое 0 9 – 11 0,65 – 0,75

6 – 8 0,75 – 0,85

Стреловидное 35 – 55 6 – 9 0,8 – 0,95

3 – 3,5 0,95 – 1,25

Треугольное 60 – 65 2 – 3 1,5 – 2,0

Из условия обеспечения потребного объема для заданной нагрузки длина фюзеляжа определяется по формуле:

или

где — необходимый объем фюзеляжа; — коэффициент формы фюзеляжа (по объему), 0,75—0,8 — до­звуковые самолеты; 0,70—0,75 — сверхзвуковые самолеты.

Кроме того, для дозвуковых самолетов в первом приближении дли­ну фюзеляжа можно определять, воспользовавшись связью параметров фюзеляжа и крыла, которая выражается следующей приближенной за­висимостью:

где — удлинение фюзеляжа; — размах крыла; — удлинение крыла.

Далее длину фюзеляжа уточняют в процессе компоновки самолета, а также из условия выбора необходимой величины .

Если выбрана длина фюзеляжа, то длина носовой и хвостовой части определится из соотношений:

При проектировании самолета (особенно сверхзвукового) следует помнить, что площадь миделевого сечения фюзеляжа должна быть ми­нимальной (при выполнении важ­нейших требований, предъявляе­мых к компоновке самолета). Ми­нимальная величина площади миделевого сечения отвечает тре­бованиям аэродинамики — умень­шаются силы аэродинамического сопротивления фюзеляжа и повышается аэроди­намическое качество самолета. Аэродинамическое качество само­лета зависит от от­носительной площади миделевого сечения фюзеляжа ( площадь крыла). При увеличении качество существенно снижается. Это является одной из причин того, что для сверхзвуковых пассажирских самолетов приходится принимать = 16—20. Чтобы получить заданный объем фюзеляжа, приходится уве­личивать его длину, так как увеличивать диаметр нежелательно (чтобы не увеличивать ).

Оптимальный диаметр фюзеляжа сле­дует выбирать, исходя из разумного компромисса между аэродинамиче­скими и весовыми характеристиками фюзеляжа и самолета в целом.

В практике самолетостроения для различных классов самолётов имеем следующие размеры миде­левого сечения фюзеляжей:

а) легкие самолеты без герметической кабины

= 1,0—1,2 м² — одноместный самолет; =1,5—1,7 м² — летчик и пассажир рядом;

б) многоцелевые истребители с ТРД в фюзеляже
=1,3—2,5 м² — самолет с одним ТРД; = 3,0—5,0 м² — самолет с двумя ТРД;

в) средние бомбардировщики
= 3—4 м²; = 2,0—2,3 м;

г) тяжелые бомбардировщики
= 6—12 м²; = 2,8—3,9 м;

д) военно-транспортные самолеты

= 6,5—7,5 м²; =2,9—3,1 м — легкие самолеты;

=10—15 м²; = 3,6—4,4 м — средние самолеты: — ширина грузовой кабины 3,4—3,5 м; высота грузовой кабины 3,2—3,4 м;

=28—50м²; = 6—7 м — тяжелые самолеты:

- ширина грузовой кабины 4,5—5,9

- высота грузовой кабины 3,7—4,5 м.

Форма и обводы фюзеляжа. Форма носовой и хвостовой части, фор­ма поперечных сечений фюзеляжа, а также общий вид фюзеляжа вы­бираются в период эскизного проектирования самолета.

Форма фюзеляжа современных самолетов по тем или иным причи­нам часто отличается от формы, диктуемой аэродинамическими сообра­жениями (цилиндр с обтекаемой симметричной носовой и хвостовой частью).

Форма носовой и хвостовой части фюзеляжа подвержена сильному влиянию условий компоновки и эксплуатации самолета. Так как в носо­вой части фюзеляжа всегда размещается кабина пилотов, а по требо­ваниям компоновки необходимо обеспечить хороший обзор из кабины, то носовую часть фюзеляжа приходится выполнять несимметричной (вид сбоку) (рис.4). Если на дозвуковых скоростях такая форма существенно не влияет на аэродинамические характеристики самолета, то при М>1 несиммет­ричный нос фюзеляжа (а точнее, фонарь кабины пилотов) создает за­метное увеличение лобового сопротивления.

На тяжелых самолетах для уменьшения сопротивления на сверхзву­ковых скоростях и улучшения обзора при взлете и посадке часто при­меняется отклоняемая носовая часть фюзеляжа.

На легких сверхзвуковых самолетах применяют неубирающийся фонарь кабины. По требованиям компоновки для такого типа самолетов (многоцелевые истребители) хороший обзор для летчика необходимо» обеспечить не только на взлете и посадке, но и в течение всего полета. Чтобы снизить сопротивление, фонарь кабины выполняют с удлинением не менее 5—6 (отношение длины фонаря к ширине или высоте). Угол: наклона лобового стекла должен быть не менее 60—65°.

Угол у фонарей дозвуко­вых самолетов (М = 0,7—0,9) делают не менее 50—55° для улучшения аэродинамики са­молета.

1-военно-транспортный самолёт; 2-пассажирский самолёт.

Рис.4 Рис.5

На обводы носовой части фюзеляжа легких самолетов существенное влияние оказы­вает компоновка воздухозабор­ников. Даже если на самолете установлены боковые воздухо­заборники, их форма будет определять форму носовой час­ти фюзеляжа. Например, если воздухозаборник имеет плос­кую форму, то и фюзеляж вблизи воздухозаборника дол­жен быть плоским (чтобы обеспечить равномерный поток на входе в воз­духозаборник).

Носовая часть фюзеляжа тяжелых военно-транспортных самолетов для удобства процесса погрузки — выгрузки иногда выполняется отки­дывающейся. Это тоже влияет на обводы носовой части фюзеляжа.

Не меньшее внимание надо уделять и обводам хвостовой части фю­зеляжа. Решающая роль здесь принадлежит требованиям эксплуатации, особенно у дозвуковых военно-транспортных и пассажирских самолетов. Хвостовая часть фюзеляжа пассажирских самолетов несколько припод­нята для обеспечения нужных углов атаки при взлете и посадке. У воен­но-транспортных самолетов (ВТС) хвостовая часть еще более поднята вверх и часто имеет плоскую нижнюю часть для обеспечения погрузки — выгрузки и воздушного десантирования через задний люк. Такая форма хвостовой части фюзеляжа ВТС неблагоприятно сказывается на аэроди­намических характеристиках фюзеляжа. Для уменьшения в районе заднего люка ВТС иногда применяются специальные ребра (рис.5), с помощью которых удается на 10—15% уменьшить сопротивление фюзеляжа и примерно на единицу увеличить аэродинами­ческое качество в крейсерском полете.

По форме поперечное сечение фюзеляжа должно приближаться к кругу. Круг является лучшей формой поперечного сечения герметизиро­ванной части фюзеляжа, обеспечивающей наименьший вес конструкции. Вследствие этого многие современные гражданские и военные самолеты имеют круглое (либо близ­кое к кругу) сечение фюзеляжа.

Однако форма сечения фюзеляжа часто диктуется компоновочными со­ображениями.

Например, желание получить аэродинамически выгодную конфигурацию крыла с фюзеляжем ит.д._/ Еще сильнее сказываются соображения компоновки на форме поперечного сечения фюзеляжа транспортных и легких самолетов.

Фюзеляж легких самолетов в основном является не герметичным (гер­метизируется только кабина пилота). Так как при равной площади фор­ма сечения не оказывает заметного влияния на аэродинамическое сопро­тивление фюзеляжа (при условии, конечно, что данная форма сечения не увеличивает сопротивление интерференции с крылом), то форма негерметизированной части фюзеляжа может выбираться главным обра­зом из компоновочных и эксплуатационных соображений.

Так, например, истребитель с одним двигателем в фюзеляже имеет, как правило, круглую форму сечения, а с двумя — овальную. Боковые плоские воздухозаборники создают вместе с фюзеляжем сечение, близ­кое к прямоугольной форме и т. д. Если форма поперечного сечения фюзеляжа не оказывает заметного влияния на самолета, то распределение площадей поперечных сече­ний фюзеляжа по его длине оказывает весьма сильное влияние на вели­чину , особенно в зоне трансзвуковых скоростей полета.