Цельнометаллические конструкции

Конструкции самолетов из листового металла являются наиболее распространенными при строительстве летательных аппаратов, они широко используются в большой авиации на протяжении последних пятидесяти лет. Кроме того, фактически в конструкциях остальных самолетов листовой металл используется в той или иной степени, независимо будет это приборная панель в самолете из композитных материалов, противопожарная перегородка в деревянном или обшивка носка крыла в самолете с мягкой обшивкой.

Классической цельнометаллической конструкцией можно считать полумонокок с работающей обшивкой. В этом случае обшивка воспринимает нагрузки совместно со шпангоутами, лонжеронами и стрингерами. Элементы конструкции в основном соединяются заклепками.

Цельнометаллические авиационные конструкции заменили трубчатые и деревянные конструкции с тканевой обшивкой из- за множества приемуществ: цельнометаллические конструкции не требуют отдельного каркаса для восприятия нагрузок и обшивки, обеспечивающей внешнюю форму самолета. Кроме того металл не требует деликатного обращения, по сравнению с тканью и деревом, на него в меньшей мере воздействует влажность, и ультрафиолетовые лучи. Характеристики метала позволяют делать конструкцию более легкой и долговечной.

Вот неплоный список приемуществ, которые дает использование конструкций из листового металла при постройке летательного аппарата:

• Снижается вес при одновременном повышении прочности
• Повышается антикоррозионная стойкость, особенно при использовании новейших материалов
• Широкая доступность материалов и их сравнительно невысокая стоимость
• Высокая долговечность и устойчивость к атмосферным условиям, в частности ультрафиолетовому излучению и влажности
• Легкость работы с материалом: достаточно простых средств инструментальной обработки, технология изготовления очень простая, не требуется контроля за окружающей температурой или обеспечение отсутствия пыли, как при изготовлении композитных конструкций. Современные технологии клепки значительно упрощают процесс сборки конструкции
• Пластичность: из листового металла можно выгнуть деталь практически любой формы
• Безопасность: этот материал не наносит никакого вреда для здоровья в процессе работы с ним.
• Легкость контроля за качеством материалов: конструкционные дефекты материала легко обнаруживаются
• Легкий ремонт: заклепки и зажимы можно легко удалить, для замены поврежденных частей или секций, отдельные части могут быть заменены без необходимости менять целую секцию конструкции самолета.

К тому же, хорошо спроектированная конструкция из листового металла имеет высокую безопасность при аварии, так как энергия гасится постепенно деформирующейся конструкцией.

2024-T4 и 6061-T6 (в России естественно Д16Т - прим. перев.) два наиболее популярных сплава использующихся сегодня в авиационных конструкциях, они доступны и имеют невысокую цену. Более современный сплав 6061-T6 обеспечивает более высокую коррозионную стойкость, пластичность и прочность.

Конструкции из листового металла

Существуют как простые, так и сложные пути решения какой либо задачи. Это наиболее очевидно при разработке авиационных конструкций. Чтобы самолет имел простую конструкцию, разработчик должен не только провести аэродинамический расчет и расчет прочности, но и продумать процесс его изготовления. К несчастью многие об этом забывают. Часто хороший по аэродинамическим характеристикам самолет требует значительного количества оборудования и квалифицированного персонала для его изготовления и обслуживания, что делает такой самолет дорогим как в производстве, так и в эксплуатации. При этом другой самолет, обеспечивающий такие же характеристики может быть построен значительно быстрее и дешевле.

Простую конструкцию разработать значительно сложнее. Особенно если самолет предполагается собирать любителям, весь процесс сборки конструкции и монтажа систем должен быть абсолютно понятен. Тем меньше шансов, что в процессе сборки будут допущены какие либо ошибки. К тому же сборка простой технологичной конструкции потребует меньших затрат времени и инструментальных средств.

Самолеты Криса Хейнца

Крис Хейнц - ведущий инженер и президент компании Zenithair Ltd начал свою карьеру на предприятиях, производящих различные модели самолетов (Aerospatiale, Avions Robin и de Havilland), где набирался опыта в области аэродинамики и проектирования авиационных конструкций. Тем не менее, он также обнаружил, что большинство разрабатываемых им самолетов сложные и дорогие в производстве. Для примера он создал для себя самолет и убедился, что намного удобнее работать с листовым металлом, который позволял создать более простую конструкцию, без потери приемуществ, свойственных другим конструкциям. Создание самолета не заняло много времени. Успех первого проекта и переход к любительским моделям позволил Хейнцу открыть собственное производство сборных самолетов и конструкторское бюро. Он стал одним из первых, кто начал предлагать любителям собирать собственные самолеты из комплектов деталей. В то время этого практически никто не предлагал. Спустя 30 лет Zenithair стала лидером в производстве сборных комплектов, имеющей более 12 удачных моделей самолетов. При этом Хейнц не забывал что именно сделало его модели успешными - простота конструкции. Действительно, в этот период, комплекты стали даже более легкими и быстрыми в постройке, технология все время упрощалась. В 1994 году Хейнц успешно получил сертификат FAA на новый учебный самолет ZENITH CH 2000, использующий ту же конструкцию, что и остальная линия моделей Хейнца.

Исследование популярных серий самолетов компании Zenithair - ZODIAC CH 601 и STOL CH 701 позволяют говорить о простоте их сборки, доступной для конструкторов-любителей.

Использование слепых заклепок (вместо стандартных "двухсторонних" заклепок) позволило упростить процесс соединения элементов конструкции самолета. Это тип заклепок не требует использования пневматического клепального молотка (который дополнительно требует компрессора) и поддержек с обратной стороны. Для клепки вполне достаточно простого ручного приспособления.

Заклепка может быть установлена, если имеется доступ только с лицевой стороны. Никаких поддержек с обратной стороны не требуется. Поэтому монтаж секций самолета слепыми заклепками может вести один человек. Процесс клепки абсолютно бесшумен. С связи с простотой, процесс клепки идет достаточно быстро и исключает какие либо ошибки. В простых конструкциях как правило не требуется использовать заклепки с потайной головкой. Слепые заклепки, выступающие над поверхностью обшивки практически не влияют на характеристики самолета и не портят его внешний вид. Еще одно приемущество слепых заклепок - большая длина тела заклепки, что позволяет соединять материалы различной толщины одними и теми же заклепками, без необходимости использовать заклепки различной длины для каждого соединения имеющего разную толщину.

Простота создания элементов конструкции

Из алюминиевых сплавов может быть изготовлена деталь практически любой формы, но зачастую при этом приходится использовать дорогостоящее оборудование, которое многим недоступно. Стоимость производства значительно понижается благодаря использованию готового проката и листов, а также использованию простых форм и прямых изгибов для изготовления элементов конструкции. Имеется ввиду, что к приеру детали обшивки должны иметь изгиб только в одной плоскости, без использования обьемных форм. По возможности большинство деталей, к примеру лонжероны должны иметь прямую форму. Такие детали как шпангоуты должны вырезаются из плоского листа, а отгибы делаются вручную. Использование прямого крыла позволяет сделать нервюры одинаковыми, что тоже упрощает процесс изготовления самолета.

На всех самолетах Хейнца используется достаточно толстый профиль крыла - такие использовались на старых самолетах, типа DC-3. Толстый профиль крыла обеспечивает максимальную прочность при минимальном весе и при этом не приводит к ухудшению летных характеристик самолета. Основой конструкции крыла является лонжерон, выгнутый из листа, к которому спереди и сзади крепятся элементы нервюр. Достаточная прочность лонжерона позволяет уменьшить количество нервюр и стрингеров в конструкции крыла.

Легкость сборки конструкции

для конструктора-любителя конструкции из листового металла являются наиболее приемлемыми. В отличии от сварных или композитных конструкций имеющих большой размер секций, конструкции из листового металла состоят из меньших секций, которые монут быть собраны позже, минимизируя требования к размеру мастерской. Плоские секции, изгибаемые в одной плоскости позволяют производить все работы на простом верстаке. Для временного крепления элементов используются специальные фиксаторы. С их помощью можно собрать всю конструкцию, а затем быстро разобрать при необходимости.

Подобная технология сборки позволяет исправить любую ошибку без необходимости производить полную замену какой либо дорогостоящей секции. Ошибки устраняются значительно проще, чем при использовании сварных или выкленных изделий. Достаточно просто выровнять деталь и закрепить ее снова. Открытость конструкции позволяет иметь необходимый доступ для монтажа различных систем и агрегатов самолета.

Готовый самолет

Самолет является изделием с длительным сроком эксплуатации. Цельнометаллические самолеты обеспечивают большую долговечность кострукции, чем самолеты с тканевой обшивкой или из композитных материалов. Вот некоторые из приемуществ:

• Самолет может храниться на открытом воздухе. Долговечность металлической конструкции самолета позволяет хранить его без использования ангара или отстыковки консолей крыла для транспортировки самолета к месту хранения
• Легкость контроля. Как внешняя так и внутренняя структура конструкции может быть легко проверена. Это является важным показателем безопасности, так как потенциальные проблемы могут возникнуть прежде, чем они обнаружатся сами
• Легкость эксплуатации. Долговечность цельнометаллической конструкции уменьшает эксплуатационные требования, и поскольку большинство пилотов-любителей обслуживают свои самолеты сами, это делается с минимальными затратами времени и сил, без привлечения механика

по материалам: Chris Heintz Design College