khmelikvictor (khmelikvictor) wrote,
khmelikvictor
khmelikvictor

Category:

Конструкции легких самолетов: дерево, алюминий, сталь, композиты и свойства каждого...

Авиационные конструкции в основном однонаправленные. Это означает, что одно измерение, длина, намного больше, чем другие - ширина или высота. Например, размах крыльев и хвостовых лонжеронов намного длиннее их ширины и глубины; нервюры имеют гораздо большую длину хорды, чем высоту и / или ширину; целое крыло имеет размах, превышающий его хорду или толщину; и фюзеляж намного длиннее, чем его ширина или высота. Даже пропеллер имеет диаметр, намного превышающий ширину и толщину лопасти и т. д. По этой простой причине разработчик выбирает использование однонаправленного материала при проектировании для эффективного соотношения прочности к весу конструкции.

01.jpg



Однонаправленные материалы в основном состоят из тонких, относительно гибких, длинных волокон, которые очень прочны на растяжение (например: нить, веревка, многожильный стальной трос и т. д.)
Для конструкции самолета также характерна симметричность. Это означает, что нагрузки вверх и вниз почти равны друг другу (или, по крайней мере, соизмеримы). Нагрузка на хвостовое оперение может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от того, поднимает ли пилот или опускает нос самолета, потянув или нажав ручку управления самолетом; руль направления может отклоняться вправо и влево (боковые нагрузки на фюзеляж). Порывы воздушного потока на крыло могут быть положительными или отрицательными, вызывая повышающие или понижающие нагрузки, которые испытывают пассажиры, когда их толкают в сиденье или они висят на ремнях.
Из-за этих факторов, разработчик должен использовать конструкционный материал, который может выдерживать как растяжение, так и сжатие. Однонаправленные волокна могут иметь превосходные параметры по растяжению, но из-за их малого поперечного сечения они имеют очень небольшую сопротивляемость сжатию. В качестве иллюстрации: вы не можете загрузить нить, веревку или цепь на сжатие.
Чтобы сделать тонкие волокна прочными на сжатие, их нужно «склеить» какой-то основой (матрицей). Таким образом, мы можем воспользоваться преимуществами их прочности на растяжение и избавляемся от их низкой прочности при сжатии, так как они становятся более устойчивыми к сжатию, помогая друг другу не сгибаться. Основа или матрица обычно представляет собой смолу, удерживающую волокна вместе и позволяющую им выдерживать требуемые нагрузки сжатия. Это очень хороший конструкционный материал.

Дерево
Исторически дерево использовалось в качестве первого однонаправленного конструкционного материала. Природа, в своей мудрости, дала прекрасный однонаправленный материал, заставляя определенные деревья расти в определенных условиях: они должны быть высокими и прямыми, а их древесина должна быть прочной и легкой. Поперечное сечение ствола дерева показывает годовые кольца, чтобы мы могли посчитать возраст дерева. Темные полосы (поздняя древесина) содержат много волокон, тогда как светлые полосы (ранняя древесина) содержат гораздо больше «смолы». Таким образом, чем шире темные полосы, тем сильнее и тяжелее древесина. Если темные полосы очень узкие, а светлые - довольно широкие, дерево светлое, но не очень прочное. Чтобы получить наиболее эффективное соотношение прочности и веса для дерева, нам нужно определенное количество полос на дюйм. Фактически, мы хотим получить хороший баланс «ранней» и «поздней» древесины, или, другими словами, очень особых условий выращивания, то есть географической высоты, где рост дерева зависит от широты и местных климатических условий. Хотя это очень интересная тема, мы не будем вдаваться в такие подробности, кроме как упомянуть, что именно природа снабжает нас очень эффективным материалом из своего растительного царства. Помните, что вопреки строго минеральному миру, безнадежно подверженному гравитации, растягивающей все вокруг, растение имеет в себе силу, которая заставляет его расти против силы тяжести вверх. Если бы мы могли использовать эти жизненные силы в наших машинах, мы могли бы подняться без помощи двигателя. Авиации еще многое предстоит открыть...

Еще одна тема, которую мы не будем касаться - это испытания древесины Есть несколько простых тестов (влажность, динамика, устойчивость), но кажется, что никто их больше не знает.

Некоторые из наших авиационных конструкций двумерные (длина и ширина большие по толщине). Для таких структур часто используется фанера. Несколько тонких листов шпона склеены между собой так, что волокна разных слоев пересекаются под разными углами: обычно под 90 градусов, также можно 30 и 45). Фанера весьма эффективно работает на сдвиг, если конструктор правильно ее использует.

Чтобы завершить эту дискуссию о древесине, давайте прямо заявим, что наша нынешняя цивилизация использует так много бумаги, что мы истощаем планету от деревьев, не пересаживая их правильно. Сегодня хорошую древесину для строительства самолетов очень трудно найти. Вместо того, чтобы использовать одну хорошую доску для лонжерона, мы должны использовать ламинирование, потому что большие куски дерева практически недоступны, и мы больше не можем доверять качеству древесины. Мы должны использовать много слоистых материалов, чтобы получить необходимую прочность без слишком большого перетяжеления. С точки зрения доступности нам просто нужна замена того, что природа снабжала нас до сих пор.

Алюминиевые сплавы
Итак, поскольку дерево может быть не таким доступным, как было раньше, мы смотрим на другой материал, который является прочным, легким и легко доступным по разумной цене: алюминиевые сплавы. Нет смысла обсуждать титан - он просто слишком дорогой. Мы обсудим свойства алюминиевых сплавов, которые используются в конструкции легких самолетов, более подробно позже. Пока мы будем рассматривать алюминий как конструкционный материал.
Экструдированные алюминиевые сплавы: благодаря процессу производства алюминия мы получаем однонаправленный материал, который в продольном направлении немного прочнее, чем в поперечном, при этом прочный и на сжатие. Если характеристики растяжения и сжатия практически одинаковы для алюминиевых сплавов, то дерево, с другой стороны, имеет предел прочности при растяжении, примерно вдвое превышающий его прочность на сжатие; соответственно, необходимо использовать специальные методы анализа напряжений, и для того, чтобы избежать концентрации напряжений, необходимо хорошее понимание работы древесины под нагрузкой!
Алюминиевые сплавы в тонких листах (0,016-0,125 дюйма или 0,4-3,1 мм) представляют собой превосходный двумерный материал, широко работающий на сдвиг, с подкрепляющими элементами и без, а также в качестве элементов растяжения-сжатия, когда они надлежащим образом согнуты.
Стоит помнить, что алюминий - это искусственный металл. Алюминий получают путем электролиза из боксита (оксид алюминия), который затем смешивают с различными добавками, повышающими прочность. В следующей статье мы увидим, какие добавки используются, и почему и как мы можем повысить прочность алюминия путем холодного упрочнения или закалки. Все обычно используемые алюминиевые сплавы, которые доступны на рынке. По запросу при покупке вы можете получить сертификат, который гарантирует химические и физические свойства в соответствии стандартами.
Как правило, алюминий в три раза тяжелее, но и в три раза прочнее дерева. Сталь снова в три раза тяжелее и прочнее алюминия.

Стали
Таким образом, следующим материалом для конструкции самолета будет сталь, которая имеет такую же удельную прочность, как дерево или алюминия.
Мы в основном используем хром-молибденовый сплав под названием 4130.
Распространенным полуфабрикатами являются трубы и листовой материал. Сталь из-за большого удельного веса не используется в качестве обшивки, так как алюминиевые листы или фанера. Если из прочностных соображений, там, где нам понадобится фанера толщиной 0,1 дюйма (2,5 мм), нам потребуется алюминиевый лист 0,032 дюйма (0,8 мм), стальной же лист в этой ситуации должен иметь толщину 0,01 дюйма (0,25 мм), который слишком тонок. Вот почему стальной фюзеляж использует трубы в качестве элементов ферменной конструкции для передачи сжатия или растяжения, и вся конструкция затем покрывается легкой тканью, чтобы придать ей необходимую аэродинамическую форму или желаемый вид. Следует отметить, что этот метод включает в себя два метода: обработка стали и покрытие ткани.
Преимущество стальной конструкции состоит в том, что ее можно легко сваривать. Это особенно относится к Северной Америке, где сварщик не должен быть аттестован, как некоторых других странах. Исторически эта разница в нормативных документах связана с «духом пионеров» и объясняет, почему сварные стальные фюзеляжи так распространены здесь и практически нигде больше.
Мы будем обсуждать трубы и сварные стальные конструкции более подробно позже, а теперь перейдем к «искусственной древесине» или композитным конструкциям.

Композиционные материалы
Разработчик композитного самолета просто использует волокна в нужном направлении именно там, где требуется. Волокна залиты смолой, чтобы удерживать их на месте и обеспечивать необходимую опору для предотвращения коробления. Вместо фанеры или листового металла, который допускает только одну кривизну, композитный конструктор использует ткань, где волокна уложены в двух направлениях, также встроенные в смолу. Это имеет преимущество свободы формы в двойной кривизне, как того требуют оптимальные аэродинамические формы и очень привлекательный внешний вид.
Современные волокна (стеклянные, нейлоновые, кевларовые, углеродные или монокристаллические волокна различного химического состава) очень прочные, поэтому конструкция становится очень легкой. Недостаток - очень маленькая жесткость низкая устойчивость. Конструкция нуждается в подкреплении, которое достигается либо обычными незаметными ребрами жесткости, либо более элегантно с многослойной структурой: два слоя тонких однонаправленных или двунаправленных волокон разделяются легким наполнителем (пенопластом или «сотами»). Это позволяет конструктору достичь необходимой жесткости.
С инженерной точки зрения этот метод очень привлекателен и поддерживается многими органами власти, поскольку он позволяет новые разработки, которые необходимы в случае войны. (США, не имеющие титана или хрома, нуждаются в разработке практических альтернатив.) Но этот метод также имеет свои недостатки для жилищного строительства: необходима форма, и необходим строгий контроль качества для правильного количества волокон и смолы и для хорошей адгезии. между обоими, чтобы предотвратить слишком «сухую» или «мокрую» структуру. Также отверждение смолы довольно чувствительно к температуре, влажности и давлению. Наконец, смолы являются активными химическими веществами, которые будут вызывать не только хорошо известные аллергии, но также химические вещества, которые воздействуют на наш организм (особенно глаза и легкие), и они обладают неблагоприятным свойством кумулятивного повреждения и в результате (в частности, ухудшения глаз) появляется только через несколько лет после первого контакта.
Другим недостатком смол является их ограниченный срок хранения, то есть, если смола не используется в течение указанного промежутка времени после изготовления, результаты могут быть неудовлетворительными и небезопасными.
Наконец, если формы не очень хорошо спроектированы, изготовлены и обслуживаются, внешняя часть конструкции нуждается в сложной и трудоемкой финальной отделке. Также следует проявлять большую осторожность, так как слишком много шлифования может привести к ослаблению силовой конструкции. Исторически сложилось, что композиты достигли своего пика несколько лет назад. Сегодня доказано, что только опытные специалисты могут создать надежную и совершенную конструкцию, при этом рисковать своим здоровьем.

Подведем итоги
• Природа предоставляет сырье, прекрасно подходящее для авиационных конструкций. К сожалению, мы эксплуатируем природу, и сегодня трудно найти запасы древесины и фанеры необходимых размеров и качества.
• Алюминиевые сплавы в экструдированной и ламинированной форме являются привлекательной альтернативой, особенно потому, что их легко поставлять с гарантированными свойствами.
• Стальные трубы по-прежнему очень популярны в Северной Америке, поскольку сварка, кажется, не создает никаких проблем, как это опасается в других частях мира. Трубчатая структура покрыта тканью.
• Композиты можно рассматривать как «искусственное дерево» со структурной точки зрения. Как и все искусственное, оно может быть лучше, чем натуральный продукт, но производитель должен учитывать в процессе производства мудрость, присущую природе, и / или качество, обеспечиваемое другими производителями сырья (алюминий, сталь). Это в дополнение к опасностям для нашего собственного здоровья (и здоровья нашей семьи при строительстве в гараже).


Оригинал статьи на английском языке.
Специальное спасибо переводчику Google, ведь с каждым днем он становится комфортым.

Ну и немного о себя
Так получилось, что период моего обучения на авиационного инженера пришелся на середину и конец восьмидесятых. Это было пиком развития отечественной авиационной промышленности. Дерево, великолепный конструкционный материал, особенно для легких самолетов, использовался исключительно при изготовлении макетов. Наиболее распространенными были алюминиевые сплавы: Д-16Т, В95, АК4-1 и тому подобные: легко обрабатываемые и со стабильными характеристиками. Сталь 30ХГСА применялась в высоконагруженных конструкциях и сварных узлах. Ее отличием и недостатком одновременно, по сравнению с хромолибденовой американской сталю, является обязательная необходимость термообработки (закалки или нормализации), а процесс этот не очень простой технологически. Крис Хайнц обходит стороной титан. У нас же денег никто тогда не считал, вот почему титановые рессоры на легких самолетах были нормой. О композитах хочу сказать отдельно. Тогда, в 80-х было четкое мнение, которое спустя сорок лет прочно сидит в сознании многих не только обывателей, но и инженеров: металлические конструкции (кроме титана и нержавеющей стали, естественно) – неэффективные и устаревшие, а вот композитные – уникальные, высокоэффективные, современные и, позволю себе сказать, модные. Такое мнение поддерживалось везде, на всех уровнях.
Пару лет назад, готовя публикацию о самолете Cessna 400, я обнаружил следующее. Прежде чем прекратить выпуск данной модели самолета в 2018 году из-за низких продаж, собирали его, как и положено в США, а вот производство композитных агрегатов было перенесено в Мексику из-за проблем с экологией и общей вредностью композитного производства.
Если посмотреть с точки зрения материалов на самолеты, которые выпускает компания Zenith Aircraft, то заметны следующие принципы. Основной конструкционный материал – алюминиевые сплавы, сталь в ферменных конструктивных элементах и сложных узлах. Композиты – в несиловых конструкциях сложной формы: капоты и обтекатели шасси. При чем такой здравомыслящий подход заметен в конструкциях многих современных легких самолетов: не это ли «инженерная мудрость»?

Tags: homebuild, zenithair, АВИАколледж
Subscribe

Posts from This Journal “АВИАколледж” Tag

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 8 comments