Выбор схемы СЛА

Хотя требования ТЗ и НЛГС определяют основные цели разработки проекта, конструктор должен выработать свою концепцию, выделающую главное в проекте и куазывающую на пути его реализации

В основу классификации аэродинамических схем самолетов положено взаимное расположение несущих, стабилизирующих и управляющих аэродинамических поверхностей.

Среди легких самолетов классическая схема самолета с хвостовым оперением получила наибольшее распространение. Она в наибольшей степени удовлетворяет комплексу требований, предьявляемых к легким самолетам по устойчивости, управляемости, безопасности и другим летно-техническим характеристикам.

Основные ее достоинства:

• благодаря развитой хвостовой части без затруднений обеспечивается необходимая продольная и путевая устойчивость
• сохраняется безотрывное обтекание горизонтального оперения в некоторой области закритических углов атаки крыла обеспечивая достаточную эффективность продольного управления на больших углах атаки.

Расположение крыла

Расположение крыла по отношению к фюзеляжу в вертикальной плоскости рекомендуется рассматривать в первую очередь.

Как правило, на легких самолетах, применяют схемы с низким (Рис 1а) или высоким (Рис 1б) расположением крыла.


Рис 1 Схемы расположения крыла
а - низкоплан, б - высокоплан

Рекомендуется расположение крыла по отношению к фюзеляжу определять главным образом эксплуатационными требованиями. Вопросы аэродинамики и веса конструкции становятся важными при выборе высоко- или низкорасположенного крыла только после того, как учтены вопросы технического обслуживания и максмальной эксплуатационной гибкости самолета.

Различия в характеристиках высокоплана и низкоплана имеют место при взлете и посадке из за экранного эффекта вследствие близости земли. Этот эффект уменьшается с увеличением высоты крыла над ВПП. Экранный эффект земли прежде всего выражается в уменьшении индуктивного сопротивления, что может привести к уменьшению взлетной и увеличению посадочной дистанции.

Кроме того, из за экранного эффекта земли происходит уменьшение скоса потока в области горизонтального оперения, ведущего к появлению момента на пикирование. Это явление потребует боьшего отклонения руля высоты для отрыва носового колеса при взлете или при выравнивании самолета на посадке и может стать определяющим фактором при выборе площади руля высоты. Экранный эффект земли может вызвать и противоположный эффект, заставляя самолет "приземлиться самостоятельно". Это означает, что после выполнения нормального захода на посадку потребуется незначительное или вообще не потребуется отклонение руля высоты для выравнивания самолета. Такое явление можно наблюдать в случае, когда низкорасположенное крыло вследствие близости земли дает заметное приращение подьемной силы, а указанный выше момент горизонтального оперения на пикирование будет компенсироваться моментом на кабрирование в результате прироста подьемной силы крыла. Такое поведение самолета считается благоприятным, однако достичь этого целенаправленным начальным выбором схемы практически невозможно.

Различия между высокопланом и низкопланом в минимальном сопротивлении могут быть уменьшены соответствующим выбором зализов и обтекателей. Считается, что с точки зрения максимального аэродинамического качества высокоплан выгоднее низкоплана.

Низкорасположенное крыло может выполнять роль энергоемкой массы при вынужденной посадке самолета, хотя имеется опасность пожара при контакте с поверхностью земли, поскольку в крыле обычно находятся топливные отсеки и баки, повреждение которых при посадке более вероятно. При не слишком сильном ударе о землю вероятность повреждения и возникновения пожара у высокопланов меньше. При вынужденной посадке высокоплана на воду фюзеляж будет погружен, в этом случае необходимо предусматривать аварийный выход из кабины через верхний люк.

Дополнительные нагрузки на фюзеляж высокоплана со стороны крыла при аварийной посадке как правило приводят к дополнительным затратам веса конструкции фюзеляжа для их восприятия (по сравнению с низкопланом).

Из за аэродинамического влияния крыла на вертикальное оперение при высоком расположении крыла площадь вертикального оперения должна быть больше, чем у низкоплана.

Уборка основных стоек шасси высокоплана представляет отдельную проблему для конструктора. При расположении двигателей на крыле, основные стойки шасси можно крепить к крылу и убирать в мотогондолы (Рис 2а) или хвостовые балки (при двухбалочной схеме). Однако стойки при этом имеют значительную высоту и вес.



Рис 2 Варианты компоновки шасси высокоплана:
а - шасси, убирающееся в гондолу двигателя
б - неубирающееся шасси
в - шасси, убирающееся в гондолу на фюзеляже


Другим возможным вариантом является размещение стоек на фюзеляже (Рис 2б). Этот вариант требует усиления конструкции фюзеляжа для восприятия нагрузок при посадке и сопровождается дополнительным увеличением веса. В случае уборки стоек и колес шасси в фюзеляж это увеличение веса фюзеляжа повышается из за компенсации соответсвующего выреза. В случае уборки колес и стоек шасси в обтекатели на фюзеляже (Рис 2в) появляется дополнительный вес этих обтекателей. Частично увеличение веса из за уборки шасси в фюзеляж (обтекатели) низкоплана компенсируется более короткими стойками по сравнению с шасси для высокоплана. Кроме того, при размещении шасси на фюзеляже трудно получить широкую колею основных стоек шасси.

На практике вариант размещения основных стоек шасси на фюзеляже высокоплана как правило применяется в случае неубирающегося шасси (Рис 2б).

Перечисленные выше особенности размещения шасси на самолете говорят в пользу схемы низкоплана.

У низкопланов шасси могут убираться в гондолы двигателей (Рис 3а), в отсек фюзеляжа или в отсек между лонжеронами крыла (Рис 3б). Поскольку обшивка крыла легкого самолета является неработающей или слабонагруженной, то компенсация соответствующего выреза в таком крыле будет сопровождаться минимальными затратами веса.


Рис 3 Схемы уборки шасси для низкоплана

Монопланы с подкосным крылом в настоящее время проектируются по схеме высокоплана. Подкосы, прикрепленные к нижней поверхности крыла,создают меньше возмущений и меньше по весу по сравнению с другими вариантами, так как расчетными для них являются растягивающие нагрузки.

Схемы оперения

Конструкция хвостового оперения существенно зависит от общей схемы самолета. Из за особенностей размещения, эффективность оперения находится под влиянием крыла и воздушного винта. Установка оперения на фюзеляже или хвостовых балках определяет и конструктивную схему фюзеляжа (балок) в этом месте.

Примеры схем хвостового оперения, заимствованные из практики приведены на рис 4. Возможны и другие варианты хвостового оперения, которые здесь не рассматриваются (например схема V-образного оперения).


Рис 4 Основные схемы оперения

Наиболее распространенной является схема с одним килем и стабилизатором, установленным на фюзеляже или киле - (Рис 4 а, б, в). Она обеспечивает конструктивную простоту и жесткость, хотя в случае Т-образного хвостового оперения (Рис 4в) необходимо принимать меры, предотвращающие его флаттер.

Схема Т-образного оперения обладает и рядом приемуществ. Расположение горизонтального оперения в верхней части киля создает для последнего эффект концевой шайбы, что может способствовать уменьшению потребной площади вертикального оперения. С другой стороны высокорасположенное горизонтальное оперение находится в зоне небольшого скоса потока от крыла при средних (полетных) углах атаки, что позволяет уменьшить потребную площадь горизонтального оперения. Таким образом площадь Т-образного оперения может быть меньше площади оперения с низким расположением горизонтального оперения.

Необходимая площадь вертикального оперения в значительной мере определяется длиной и площадью боковой проекции части фюзеляжа, находящейся впереди центра тяжести самолета. Чем длиннее носовая част фюзеляжа, (и больше площадь ее боковой проекции) тем при прочих равных условиях больше площадь вертикального оперения, необходимая для устранения дестабилизирующего момента этой части фюзеляжа.

Если двигатели расположены на крыле, то полет с одним отказавшим двигателем является условием для выбора размеров киля и руля направления многодвигательного самолета.

Значительная высота вертикального оперения (в случае его потребной площади) может привести к появлению моментов по крену при отклонении руля направления в результате большого плеча между центром давления вертикального оперения и продольной осью самолета. Если такая опасность существует, заслуживает внимания разнесенная двухкилевая схема хвостового оперения, уменьшающая этот эффект (Рис 4д). Для двухбалочной (Рис 4г) или рамной схемы самолета выбор такого оперения очевиден. Поскольку расположение килей на концах горизонтального оперения создает эффект концевых шайб, то площадь горизонтального оперения может быть уменьшена.

Схема расположения двигателей

Легкие самолеты с поршневыми двигателями как правило бывают двух схем: один тянущий двигатель, установленный в носовой части фюзеляжа, или два тянущих двигателя, установленных на крыле.

Расположение двигателя перед крылом является наиболее приемлемой схемой с аэродинамической и конструктивной точек зрения. Поток от винтов работающих двигателей оказывает благаприятный эффект на срывные характеристики крыла и повышает подьемную силу, особенно при выпущенных закрылках, создавая своеобразную встроенную защиту от сваливания самолета. С другой стороны при отказе двигателя до перевода винта в режим флюгирования, он создает значительное сопротивление при авторотации, нарушая обтекание крыла. Моменты по крену и рысканию, создаваемые при отказе двигателя, представляют серьезную проблему управления, особенно на взлете. Кроме того, изменение мощности двигателя в полете будет влиять на скос потока за крылом и изменять балансирущий момент от хвостового оперения.

По сравнению назкопланом, высокорасположенное крыло в общем случае создает больше возможностей в отношении расположения в вертикальной плоскости двигателей относительно профиля крыла, так как в этом случае легче обеспечить необходимый зазор между винтом и землей.

На самолетах с низким расположением крыла конструкторы часто вынуждены использовать сравнительно высокое положение двигателей на верхней поверхности крыла для обеспечения необходимого зазора между винтом и землей. Это может привести к неблагаприятной интерференции между гондолой и крылом, приводящей к преждевременному срыву потока и появлению дополнительного индуктивного сопротивления.

В отношении одномоторных легких самолетов можн установить следующее:

• Наиболее распространенной схемой является схема с низким расположением крыла. Высокорасположенное крыло как правило делается с внешним подкосом.
• Двигатель располагается в носовой части фюзеляжа
• Наиболее распространенной схемой хвостового оперения является схема с низким расположением горизонтального оперения на фюзеляже или в корневой части вертикального оперения. При Т-образном оперении или П-образной схемах хвостового оперения возникают проблемы, на которые необходимо обратить внимание перед окончательным выбором этих схем оперения:
  • высокорасположенное горизонтальное оперение затрудняет его осмотр без стремянки
  • расположение горизонтального оперения вне струи винта уменьшает эффективность горизонтального оперения на взлете.
• При низком расположении горизонтального оперения для улучшения штопорных характеристик часто применяют разнесение горизонтального и вертикального оперения по строительной горизонтали (горизонтальное оперение располагается около задней кромки или позади вертикального). Однако это не означает, что при других схемах низкого расположения горизонтального оперения нельзя обеспечить вывод самолета из штопора.
• В большинстве случаев вертикальное оперение расположено на фюзеляже и не имеет подфюзеляжных частей (гребней)
• Как правило шасси самолета имеет трехопорную схему с носовой опорой.

Для двухмоторных самолетов можно установить следующее:

• Как правило оба двигателя располагаются на крыле.
• Схема низкоплан применяется чаще, чем высокоплан Среди высокопланов подкосные крылья не являются доминирующими.
• В большинстве схем применяется низкорасположенное горизонтальное оперение. При этом расположение горизонтального оперения и двигателей обеспечивает обдувку оперения струями воздушных винтов. Однако следует учитывать, что струя винта мощного двигателя может создать проблему усталости конструкции оперения.
• Другая концепция расположения горизонтального оперения относительно струй винтов состоит в таком расположении оперения, при котором работа двигателей не будет влиять на работу горизонтального оперения. Эта концепция реализуется в виде Т-образной схемы оперения, а при низком расположении горизонтального оперения - приданием ему поперечного "V".
• Схема вертикального оперения как правило однокилевая. Для повышения эффективности вертикального оперения на больших углах скольжения применяется форкиль.
• Двухкилевое оперение используется редко. Отличительной чертой схем самолетов с двухкилевым вертикальным оперением является малая площадь боковой проекции хвостовой части фюзеляжа, что уменьшает путевую устойчивость самолета.
• Как правило шасси выполнено по трехопорной схеме с носовой опорой
• В большинстве случаев шасси самолета делается неубирающимся. Неубирающееся шасси как правило применяется у высокопланов
• Двигатели в гондолах вынесены таким образом, чтобы плоскости вращения воздущных винтов были впереди кабины экипажа

по материалам: Н. П. Арепьев "Вопросы проектирования легких самолетов. Выбор схемы и параметров"