Летательные аппараты (ЛА), отличаются друг от друга по конструкции и назначению. Они могут быть легче и тяжелее воздуха. Аппараты легче воздуха имеют герметичную оболочку, наполняемую газом легче воздуха, например, гелием. Как известно из закона Архимеда, такая оболочка с легким газом становится способной плавать в воздухе: на нее действует подъемная сила, по величине равная объему воздуха, вытесненного этой оболочкой.

Летательными аппаратами легче воздуха являются аэростаты и дирижабли.

Основную группу аппаратов, получившую большое практическое применение, составляют ЛА тяжелее воздуха, к которым в первую очередь относятся самолет и вертолет. На рис. 1.1 показаны основные части современного самолета.

Крыло создает подъемную силу, на большинстве самолетов несет на себе двигатели, шасси, топливные емкости (баки), часть оборудования и др.

Фюзеляж — корпус для размещения пассажиров, экипажа, грузов, а в конструктивно-технологическом отношении — основная часть самолета, с которой соединяются крыло, части хвостового оперения, шасси и двигатели.

Хвостовое оперение обеспечивает устойчивость и управляемость самолета.

Шасси — взлетно-посадочное устройство, предназначено для взлета, посадки и перемещения самолета.

Силовые установки — двигатели с системами их обслуживания, обеспечивают движение самолета. Самолет может иметь один двигатель и больше, размещаются они в зависимости от конструкции на крыле, внутри него, на фюзеляже и внутри фюзеляжа.

Конструкция самолета имеет строгую симметрию, которую на чертежном листе удается воспроизвести сравнительно легко, а в производственном процессе такая задача решается гораздо труднее. Достаточно напомнить, что сборочные единицы самолета не обладают высокой жесткостью конструкции и могут деформироваться. Кроме того, геометрические размеры, как и линии симметричных контуров самолета, имеют сравнительно большие габаритные размеры, которые даже в пределах, допускаемых на изготовление отклонений, дают суммарные погрешности, нарушающие симметричную форму летательного аппарата.

Фюзеляж самолета в полете находится под действием не только аэродинамических сил, собственной массы и размещенных на нем грузов, но также под сложным нагружением от крыла, оперения и шасси. В общем случае фюзеляж испытывает изгиб, скручивание и сдвиг.

Виды соединений в летательном аппарате. Во многих соединениях применяются болты, работающие на срез, смятие и растяжение.

Винты используются только в соединениях, где по конструктивным особенностям невозможно применять болты. В местах конструкции, где к местам соединения нет подхода для постановки болтов, также применяются для крепления деталей винты и анкерные гайки. Плавающие гайки, смонтированные на ленте (профиле) и перемещающиеся на ней в пределах 1,5…2 мм, применяются при присоединении обшивки к каркасу, несовпадение осей отверстий компенсируется соответствующим перемещением гаек. В зависимости от конструкции соединения возможна групповая (с помощью длинной ленты) и одиночная постановка плавающих анкерных гаек.

В ряде конструктивных элементов ЛА имеются проушины, профили, при помощи которых осуществляется их соединение болтами. Проушины применяются в неподвижных и подвижных разъемных соединениях элементов конструкции. Сами детали проушины работают на срез (рис. 1.2).

Применяются фитинги, они представляют собой узлы, с помощью которых соединяются различные части, панели, агрегаты ЛА. К различным частям конструкции фитинги прикрепляются болтами, винтами и заклепками. Соединение фитингов при стыковке частей конструкции ЛА между собой выполняется с помощью болтов. Профильные стыковые детали также крепятся к частям конструкции болтами, винтами и заклепками, а между собой соединяются болтами.

Неподвижные разъемные соединения (рис. 1.3) в течение всего срока эксплуатации ЛА обеспечивают неизменное взаимное положение деталей и других элементов конструкции, но при этом, в случае необходимости, может производиться разборка и сборка соответствующего узла, отсека, механизма, коммуникации без повреждения соединяемых и крепежных деталей. Такую многократную сборку-разборку позволяют выполнить болтовые и винтовые соединения.

Подвижные разъемные соединения, надежно скрепляя детали и узлы между собой, одновременно обеспечивают требуемое перемещение соединенных элементов конструкции относительно друг друга в соответствующие рабочие положения. К таким видам соединений относятся, например, шарнирные болтовые лары шасси (рис. 1.4), винтовые и зубчатые передачи, шарнирные соединения в узлах навески элеронов, рулей и др.

Особенности деталей ЛА. Конструкторы летательных аппаратов стремятся создавать машины с возможно большим применением стандартизованных, нормализованных и унифицированных деталей и узлов.

К стандартизованным и нормализованным элементам относятся:

• крепежные детали (болты, винты, шайбы, гайки и др.);
• арматура топливной и масляной систем (краны, штуцеры, переходники, клапаны и др.).

Широкое применение получили монолитные элементы конструкции, например, панели с продольной и поперечной жесткостью, лонжероны, нервюры и др.

Горячая штамповка, являясь высокопроизводительным процессом, обеспечивает хорошие механические свойства получаемых изделий, таких как рамы, лонжероны, нервюры, профили разъемов, стыковочные узлы и др.

Холодная штамповка применяется для изготовления деталей из листового материала.

Литье позволяет выполнять изделия сложной формы с криволинейными поверхностями и внутренними полостями, с минимальным количеством механически обрабатываемых поверхностей и минимальными припусками на их обработку.

Прессование в производстве ЛА позволяет изготовлять профили и панели как из стальных, так и из цветных сплавов, обладающие высокой прочностью, точными размерами, хорошим качеством поверхности, что особенно важно для элементов, образующих внешнюю поверхность ЛА и находящихся в потоке воздуха.

Процессы прокатки, прессования, штамповки, литья не только позволяют изготавливать изделие различной формы без применения операций соединения, но и обеспечивают высокие механические свойства и точность изготовления.

В современных ЛА сборочные работы составляют 40 … 60 % общего объема работ на изготовление изделия, поэтому большое значение приобретает расчленение конструкции ЛА и его агрегатов на составные части: узлы, панели, секции и другие сборочные единицы.

К материалам, используемым в конструкциях ЛА, предъявляются определенные требования. Они должны обладать высокими физико-механическими характеристиками, иметь минимальную массу, быть стойкими к перепадам температур; иметь технологические свойства, которые позволяли бы их обрабатывать давлением, литьем, резанием, а также сваривать, склеивать, паять и др.; обладать антикоррозионными свойствами.

Конструкция фюзеляжа. Форма и размеры поперечного сечения фюзеляжа выбираются в зависимости от назначения самолета и вертолета. Наиболее целесообразен в отношении аэродинамики и обеспечения требуемой прочности фюзеляж круглого сечения. Благодаря одинаковой кривизне поверхности он находится под более благоприятным равномерным воздействием как внешних аэродинамических сил, так и сил внутреннего давления, что особенно важно для его герметизации. Фюзеляжи овальной и прямоугольной формы сечения позволяют лучше использовать внутренний объем самолета.

Самолет

Фюзеляжи самолетов дозвуковых скоростей имеют, как правило, закругленную носовую часть и заостренную кормовую. У сверхзвуковых самолетов головные и хвостовые части в виде усеченного конуса.

Основными конструктивными элементами фюзеляжа являются каркас и обшивка.

Фюзеляжи бывают ферменными, балочными и смешанными. Ферменный фюзеляж (рис. 1.5, а) имеет силовой набор каркаса в виде пространственной фермы, обтянутой обшивкой. Балочный фюзеляж наиболее распространен в современных самолетах (рис. 1.5, б).

В его каркасе по длине проложен набор продольных силовых деталей. Это стрингеры 7 металлические прессованные или прокатанные, а иногда и изготовленные из гибкого листового материала, прутки с различным профилем поперечного сечения. В продольный набор входят также лонжероны 1 и 3. Они по площади поперечного сечения значительно превышают стрингеры и могут в поперечном сечении иметь различную форму. Продольный набор соединяется с поперечным набором, его элементы конструкции называют шпангоутами 8. Шпангоуты могут быть в виде рамы, стенки, усиленной по контуру поясами различного сечения, днища со сферической поверхностью в герметичных отсеках фюзеляжа и др. Продольный (лонжероны и стрингеры) и поперечный (шпангоуты) наборы образуют каркас, к которому присоединяется обшивка, способная воспринимать нагрузки.

Распространение в самолетостроении балочных фюзеляжей диктуется их преимуществами перед ферменными. В балочных фюзеляжах обшивка часто является основным силовым элементом, несущим на себе существенную часть общей нагрузки, одновременно образует все наружные аэродинамические обводы и контуры, т. е. обтекаемую потоком воздуха поверхность. Силовая обшивка наряду с высокой прочностью обладает большой жесткостью, что обеспечивает сохранение с высокой точностью внешней формы фюзеляжа.

Обшивка и прилегающие к ней силовые элементы: лонжероны, стрингеры, шпангоуты располагаются по периферии фюзеляжа, оставляя его внутренний объем свободным.

Различают лонжеронно-балочный, скорлупно-балочный и стрингерно-балочный фюзеляжи.

Каркас лонжеронно-балочного фюзеляжа состоит из лонжеронов, стрингеров и шпангоутов. Обшивка, покрывающая каркас, выполнена из листов алюминиевых сплавов. Примеры соединения деталей каркаса с обшивкой показаны на рис. 1.6. В одном случае шпангоут 2 непосредственно присоединяется к обшивке 1, а затем к шпангоуту приклепываются стрингеры 3 (рис. 1.6, а). В другом (рис. 1.6, б) и стрингеры 3, и шпангоуты 2 скреплены с обшивкой 1. Применение уголков-компенсаторов 4 при сборке стрингеров 1 и шпангоутов 3 с обшивкой  2 показано на рис. 1.6, в.

Скорлупно-балочный фюзеляж не имеет элементов продольного набора и состоит из толстой обшивки, подкрепленной шпангоутами.

Из всех перечисленных конструкций в настоящее время преобладают фюзеляжи стрингерно-балочного типа. Стрингеры как продольные элементы каркаса воспринимают в основном продольные силы и подкрепляют жесткую обшивку. Лонжероны также составляют продольный набор, но благодаря намного большей площади поперечных сечений, чем у стрингеров, они работают как балки, на растяжение и сжатие, а также воспринимают нагрузки от перерезывающих поперечных сил. Шпангоуты, придающие фюзеляжу требуемые поперечные сечения и жесткость, также подкрепляют обшивку и воспринимают местные и сосредоточенные нагрузки.

К шпангоутам крепятся перегородки, разделяющие фюзеляж на ряд отсеков и кабин. Перегородки бывают герметичными, они отделяют герметичные отсеки фюзеляжа от негерметичных. Фюзеляжи подразделяются на неразъемные по всей длине и на разъемные. В последнем случае они расчленяются на отсеки, соединяемые с помощью накидных болтов. Дальнейшее расчленение отсеков на составные части приводит к получению сборочных единиц, называемых панелями.

Расчленение фюзеляжа, как и крыла, стабилизатора, киля и других сборочных единиц на панели, т. е. панелирование конструкции, является одним из эффективных способов повышения технологичности конструкции ЛА. Панельная сборка позволяет расширить фронт работ, создает более удобные условия для проведения сборочно-монтажных операций с высоким качеством и точностью. Наружная поверхность собранных панелей, занявших свое место в фюзеляже, крыле и других частях ЛА, образует в собранном самолете ту поверхность, которая обтекается воздухом, окружающим ЛА в полете.

В отсеках фюзеляжей пассажирских самолетов оборудуются кабины и салоны для пассажиров. При избыточном внутреннем давлении в кабине или салоне полы испытывают нагружения, которые могут привести к деформации. Чтобы избежать деформации полы прикрепляют к каркасу шарнирно. Окна в пассажирских отсеках имеют круглую или прямоугольную форму. На самолетах, где кабины и помещения для экипажа и пассажиров герметизированы, окна состоят из двойных силикатных стекол. В фюзеляжах также предусматриваются необходимые проемы и люки, в том числе люк, предназначенный для эвакуации пассажиров в нештатных ситуациях.

Конструкция и работа крыла. Крыло, создавая подъемную силу, участвует в обеспечении устойчивости ЛА, а также несет на себе отдельные составные части системы управления самолета — элероны, элевоны, средства механизации — щитки, закрылки, предкрылки и т. п., влияющие на величину создаваемой подъемной силы. На крыле в зависимости от конструктивной схемы самолета могут быть размещены силовые установки, шасси, различное оборудование, топливные баки.

По форме в плане крылья могут быть: прямоугольными, эллиптическими, трапециевидными и др.

Прямоугольные крылья (рис. 1.7, а) просты в производстве.

Эллиптические крылья (рис. 1.7, б) отличаются хорошими аэродинамическими свойствами, но технологически сложны и применяются они редко.

Трапециевидные крылья (рис. 1.7, в) нашли широкое применение в самолетостроении. Они наряду с хорошими аэродинамическими характеристиками более удобны в производстве.

Для самолетов, летающих со скоростями, приближающимися к скорости звука, как правило, применяются стреловидные крылья (рис. 1.7, г), так как их аэродинамические свойства отвечают условиям полета с большими скоростями.

На многих сверхзвуковых самолетах используются треугольные крылья (рис. 1.7, д).

Крыло состоит из каркаса с различными соединительными деталями и стыковочными узлами и обшивки (рис. 1.8). В технологическом отношении сборка крыла сходна с процессом сборки фюзеляжа, т. е. оно образуется путем последовательного соединения между собой каркаса с обшивкой или панелей, стыкуемых между собой в единое целое. Такая технологическая преемственность, типичность процессов сборки основных элементов конструкции является показателем высокой степени технологичности. В каждом принципиально новом самолете разработчики стремятся максимально сохранить конструктивные формы панелей, соединительных деталей, стыковочных узлов из ранее созданных самолетов.

Лонжероны крыла воспринимают основную нагрузку от внешних аэродинамических сил, действующих на крыло, и от грузов, находящихся в крыле, стрингеры воспринимают осевые нагрузки, подкрепляют обшивку от возможных прогибов и других деформаций, а также связывают между собой нервюры.

При изготовлении крыла применяют сотовые или пенопластовые заполнители, размещаемые во внутренней полости крыла, элеронов, элевонов, щитков, закрылков и др.

Чтобы привести в действие любой вид механизации крыла (щитки, закрылки и др.), на самолете имеются соответствующие средства и системы управления.

Оперение самолета представляет собой несущие поверхности, предназначенные для обеспечения продольной (относительно оси OZ) и путевой (относительно оси OY) балансировки, устойчивости и управляемости самолета.

Горизонтальное оперение обеспечивает продольную балансировку, устойчивость и управляемость (относительно оси OZ); вертикальное оперение обеспечивает самолету путевую балансировку, устойчивость и управляемость (относительно оси OF).

Оперение, как и крыло, нагружается распределенными и сосредоточенными силами.

Стабилизатор и киль имеют продольный набор (лонжероны, стенки, стрингеры), поперечный набор (нервюры) и обшивку.

Рули и элероны по конструкции однотипны и изготовляются из слоистых конструктивных элементов.

Дополнительными рулевыми поверхностями на рулях и элеронах служат триммеры. Они имеют малую площадь и тонкое поперечное сечение.

Триммер изготовляется (рис. 1.9) из двух обшивок 1, концевого стрингера 2, петли 3 для крепления на руле к передней продольной стенке 4. Триммеры разгружают систему управления, и прежде всего, пилотов от больших нагрузок на командных рычагах, прикладываемых для того, чтобы удержать рули или элероны при полете в нужном отклоненном положении. Управление триммерами осуществляется с помощью механических и электромеханических систем.

Совокупность устройств, обеспечивающих процесс управления ЛА, представляет собой систему управления.

Системы управления подразделяются на неавтоматические, полуавтоматические и автоматические.

Если процесс управления самолетом осуществляется непосредственно пилотом посредством его мускульной силы, прикладываемой к рычагам управления для отклонения рулей и создания управляющих сил и моментов сил, то система является неавтоматической.

Если управление осуществляется пилотом, а механизмы и устройства системы служат для облегчения и улучшения качества процесса управления, то система называется полуавтоматической.

Если управление осуществляется комплексом автоматических устройств, а роль пилота заключается в наблюдении и корректировке их работы, такая система называется автоматической.

Вертолет

Вертолет как летательный аппарат обладает весьма ценным качеством: он способен взлетать и садиться вертикально. Это не только сводит до минимума размеры требуемой взлетно-посадочной площадки, но также позволяет выполнять различные работы над ограниченными по размерам территориями и объектами. Так, например, вертолет может доставить любой груз на небольшую строительную площадку, установить его для монтажа с высокой точностью на заданное место. Известно, что вертолеты участвуют весьма активно при монтаже труб, вышек, мачт, прокладке трубопроводов, успешно переносят по воздуху подвешенные к ним грузы и выполняют множество других задач.

Большое распространение получил вертолет одновинтовой схемы с рулевым винтом. Корпус (фюзеляж) вертолета по своим конструктивным элементам во многом сходен с фюзеляжем самолета. Детали фюзеляжа вертолета, как и самолета, собираются и соединяются между собой с помощью клепки, сварки, склеивания, а также на болтах и винтах. В передней части фюзеляжа находится кабина экипажа вертолета, остальная часть может оборудоваться креслами для пассажиров или отсеками для размещения грузов.

Взлетно-посадочные устройства вертолета (шасси) — колесные, поплавковые, в виде лыж.

Над фюзеляжем вертолета размещен воздушный винт большого диаметра (до 40 м), вращающийся в горизонтальной плоскости благодаря мощности двигателя. Этот несущий винт или ротор выполняет роль крыла, создает подъемную силу и удерживает вертолет в воздухе, создает тягу для движения вертолета в горизонтальном полете.

Лопасти несущего винта вертолета крепятся во втулке с помощью вертикального, горизонтального и осевого шарниров. Это позволяет каждой лопасти совершать движение вверх-вниз относительно горизонтального, вперед-назад относительно вертикального и вращаться вокруг своей продольной оси относительно осевого шарниров.

У основания каждой лопасти (у комля) укреплен специальный поводок. С помощью шарнира он связан с верхним концом вертикально расположенного металлического стержня, а нижний конец крепится к автомату перекоса, осуществляющего управление вертолетом.

Автомат перекоса имеет неподвижное кольцо, закрепленное на кардановом подвесе к кожуху вала. Кардановый подвес позволяет наклонять в любую сторону внутреннее, а вместе с ним и наружное кольцо автомата перекоса, с помощью тяг, управления идущих из кабины пилота. Наружное кольцо автомата перекоса вращается вместе с валом, к которому и крепятся тяги, соединенные с поводками лопастей.

Невращающееся внутреннее кольцо соединено с наружным кольцом шарикоподшипниками.

При отклонении ручки управления кольцо автомата перекоса будет также наклоняться в соответствующем направлении, а это вызовет поворот каждой лопасти несущего винта на определенный угол. Так как эти углы для различных лопастей будут свои, то на них возникнут неодинаковые аэродинамические силы. Они будут создавать как составляющие и подъемную силу, и тягу.

Мощность авиадвигателя, установленного на вертолете, передается на несущий винт с помощью системы валов, редукторов, карданов и муфт. Такая система называется трансмиссией. К сборке и монтажу этой системы предъявляются высокие требования, так как надежность вертолета в большой степени зависит от надежности его трансмиссии.

При расположении на вертолете двигателя с вертикально направленным валом трансмиссия будет включать следующие основные элементы: муфту включения, муфту свободного хода, главный редуктор, промежуточный редуктор, редуктор рулевого винта, валы и карданные шарниры, которыми длинные валы трансмиссии соединяются между собой.

Ротор или несущий винт состоит из втулки и закрепленных в ней лопастей. Число лопастей обычно составляет 2, 3, 4 или 5. Лопасти изготовляют из металла, дерева и пластмасс. Они также могут быть смешанной конструкции. На вертолете Ми-6 лопасти включают стальной лонжерон, сотовые заполнители и обшивку. Особо ответственной частью лопасти является ее стыковочный узел, с помощью которого она присоединяется к втулке (рис. 1.10).

Автомат перекоса обеспечивает выполнение вертолетом сложных маневров путем изменения угла установки лопастей несущего винта (ротора) в течение одного оборота. Рулевой винт на однороторных вертолетах является рулевым органом. Он также обеспечивает уравновешивание реактивного момента, возникающего при вращении ротора.

Для передачи крутящего момента от силовой установки к несущему и рулевому винтам имеется трансмиссия. Она включает в себя редукторы, валы, муфты свободного хода и тормоза несущих винтов. Одни редукторы служат для уменьшения частоты вращения несущего винта (ротора) по сравнению с частотой вращения двигателя, а другие редукторы изменяют направление вращения и частоту вращения рулевого винта.

Муфты включения обеспечивают работу двигателя при отключенном несущем винте. Муфта свободного хода автоматически отключает трансмиссию и несущий винт от двигателя при его отказе.

Фюзеляж вертолета, как и фюзеляж самолета, предназначен для размещения экипажа, пассажиров, оборудования и грузов. К фюзеляжу на особой опоре крепится несущий винт, рулевой винт, шасси, рамы двигателей, элементы трансмиссий и другие узлы и агрегаты. Надежное крепление и стопорение агрегатов и узлов вертолета должно выполняться слесарем-сборщиком с учетом характерных особенностей вертолета — подверженностью его конструкции вибрациям, вызываемым работой несущего винта и трансмиссионных передач.

Фюзеляжи вертолетов конструктивно выполняются ферменными, балочными и смешанными. В них можно найти много общего с каркасно-обшивочной конструкцией фюзеляжа самолета, что подчеркивает преемственность вертолетостроения от самолетостроения. Поэтому многие технологические процессы сборочно-стыковочных и сборочно-монтажных процессов в самолетостроении и вертолетостроении принципиально не отличаются.

Фюзеляжи ферменной конструкции имеют силовую пространственную ферму, сваренную, как правило, из хромансилевых термически обработанных труб, и тонкую обшивку. Балочный фюзеляж образован каркасом из шпангоутов и стрингеров, покрытых работающей обшивкой из алюминиевого сплава. В фюзеляжах смешанной конструкции одна из частей ферменная, а другая — балочная.

На хвостовой части фюзеляжа может быть установлено вертикальное и горизонтальное оперение. На верхней части фюзеляжа находится обтекатель, в котором размещаются механизм управления и опоры вала несущего винта. Для поступления и выхода воздуха, охлаждающего двигатель, в обшивке имеются отверстия.

Шасси вертолета обычно имеет три-четыре опоры с колесами. Ввиду малых скоростей полета делать убирающимся шасси вертолетов нецелесообразно. Передние колеса шасси — самоориентирующиеся, что дает свободу маневра при выруливании и автоматическую ориентировку колес по направлению полета после отрыва вертолета от земли. На вертолете имеется специальная система управления несущим винтом и газом двигателя. Управление несущим винтом осуществляется ручкой управления и рычага «Шаг-Газ». С помощью ножных педалей управляют хвостовым винтом: отклоняя педали в разные стороны, пилот вызывает изменение величины тяги рулевого винта, благодаря этому изменяется момент относительно оси OY и вертолет поворачивается.