Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард (книги онлайн .txt) 📗
Рис. 132. Распределение подъемных сил вдоль профиля крыла.
В простом крыле моноплана с тканевой обшивкой как положение центра изгиба,так и его крутильная жесткость почти целиком зависят от относительной жесткостилонжеронов на изгиб. В самолете Д-8 центр изгиба находился значительнодальше центра давлений, где-то около середины хорды. Крыло не имело достаточнойжесткости, чтобы сопротивляться закручиванию, в результате чего оно разрушалось.После модификации крыла, когда задний лонжерон был сделан более жесткими прочным, центр изгиба передвинулся еще дальше назад, что еще больше ухудшилоситуацию.
Осмыслив все это, Фоккер предпринял теперь уже очевидный шаг: уменьшилтолщину и жесткость заднего лонжерона и передвинул тем самым центр изгибавперед, ближе к центру давления. После этого Д-8 превратился в сравнительнонадежную машину, опасную для британских и французских военно-воздушныхсил.
По законам аэродинамики центр давления подъемной силы, действующей накрыло самолета, должен всегда находиться примерно на расстоянии четвертихорды от передней кромки крыла. Для уменьшения крутящего момента, действующегона крыло, его необходимо сконструировать таким образом, чтобы передвинутьцентр изгиба вперед, как можно ближе к центру давления. Однако элероны,с помощью которых самолет получает крен и выполняет виражи, действуют наконец крыла большими вертикальными силами, приложенными вверх или внизвблизи задней кромки, то есть далеко сзади от центра изгиба. Тем самымэлероны неизбежно вызывают большие крутящие нагрузки на крыло всякий раз,когда летчик закладывает вираж.
Рис. 133. Элерон действует с большойнаправленной вниз силой на заднюю кромку крыла. Эта сила приложена довольнодалеко от центра изгиба, она стремится закрутить крыло таким образом, чтовозникающие аэродинамические силы будут противоположны тем, к которым стремилсялетчик, отклоняя элерон.
Из рис. 133 видно, что направление закрутки изменяет величину подъемнойсилы в направлении, противоположном действию элеронов, уменьшая производимыйими эффект. Если крыло имеет недостаточную крутильную жесткость, его элеронымогут оказать на самолет обратное действие: выполнив операции, необходимыедля крена вправо, летчик может вдруг обнаружить, что самолет делает кренвлево. Этот не только неожиданный, но и весьма опасный эффект носит название"обратные элероны". С ним связаны серьезные трудности при проектированиисовременных скоростных самолетов. Профилактической мерой здесь являетсядостаточная крутильная жесткость конструкции крыла.
В ранних обшитых тканью монопланах, таких, как Д-8, крутильная жесткостькрыла почти целиком определялась относительной жесткостью на изгиб двухглавных лонжеронов и их расположением. Однако это не очень эффективноесредство, и величина крутильной жесткости, достигаемая в таких конструкцияхдаже с помощью системы проволочных растяжек, довольно ограничена. По этойпричине такие самолеты были довольно опасны, и правительственные органыпочти каждой страны были настроены против монопланов, а кое-где они дажебыли запрещены.
Предпочтение, отдаваемое бипланам, не было следствием консерватизманекоторой части чиновников соответствующих ведомств; скорее оно явилосьследствием характерных для биплана больших прочности и жесткости, особеннона кручение. На практике бипланы были и легче, и безопасней моноплановв течение многих лет, а разница в скоростях поначалу у них была не такуж велика. Конструкция крыла биплана с растяжками и распорками представляетсобой, по существу, некоторую коробчатую, или кессонную, балку, котораяобеспечивает большую прочность и жесткость не только на изгиб, но и накручение. Из рис. 134 видно, что четыре главных лонжерона (по два в каждомкрыле) идут вдоль ребер короба, а расположенные между ними элементы образуютрешетчатую ферму. На самолете диагональные распорки на верхнем и нижнемкрыле, конечно, не видны, так как скрыты обшивкой. Однако на самом делеэти горизонтально расположенные элементы имеются, и их назначение состоитв том, чтобы воспринимать сдвиг, возникающий при кручении крыла.
Рис. 134. Схематическая конструкцияпары крыльев биплана с проволочными растяжками, на которую действуют крутящиемоменты, возникающие, например, от элеронов.
На рис. 134 схематически показано, как такая конструкция работает на кручение.Видно, что каждая сторона короба нагружена сдвигом подобно решетчатой стенкепри изгибе фермы. Заметим, что сдвиг всех четырех сторон короба происходитсовместно и взаимозависимо. Если разрезать или убрать одну из четырех сторон,конструкция вовсе не сможет сопротивляться кручению. В биплане эти работающиена сдвиг панели по необходимости делаются из стержней и тросов. Но есликонструкция призвана не летать, а работать на земле, то решетка из стержнейи тросов может быть заменена сплошными металлическими панелями или листамифанеры. С чисто конструктивной точки зрения работать она будет точно также, как и рассмотренные нами выше фермы.
Кручению может противостоять короб или трубы любого типа как со сплошнымистенками, так и со стенками решетчатой конструкции. И в том и в другомслучае в стенках действуют касательные напряжения. Если же сравнивать прочностьи жесткость с весом, то крыло биплана с точки зрения крутильных характеристикгораздо более эффективно, чем конструкция, в которой все зависит от парысоединенных между собой балок.
Формулы для прочности и жесткости на кручение стержней и труб различныхтипов приведены в приложении 3. Следует отметить, что жесткость на кручениетрубы или короба определяется квадратом площади поперечного сечения. Поэтомукороб большого поперечного сечения (такой, как в старомодных бипланах)требует мало материала и имеет очень небольшой вес. Когда мы строим современныймоноплан, то, по существу, заставляем работать всю конструкцию крыла вместес ее обшивкой, будь она металлической или фанерной. Хотя мы вынуждены делатькрыло гораздо толще, чем крылья бипланов, все же площадь его поперечногосечения гораздо меньше, чем у крыла биплана. Поэтому, чтобы добиться необходимойжесткости и прочности, мы вынуждены применять относительно толстую и тяжелуюобшивку. Таким образом, довольно большая доля веса всей конструкции современногосамолета предназначена для того, чтобы сопротивляться кручению.
Недостаток крутильной жесткости для автомобиля не так опасен, как длясамолета, хотя качество подвески автомобиля и его способность "держатьдорогу" также определяются жесткостью корпуса. Автомобили довоенного временибыли порой великолепны, но, как и самолеты прошлого, страдали от того,что их создатели гораздо больше внимания уделяли двигателю и трансмиссии,чем кузову или шасси. Действительно, крутильная жесткость их кузова целикомзависела от разницы изгибов двух длинных довольно гибких балок, как и встаром Д-8. Именно малая крутильная жесткость кузова приводила к тому,что автомобиль так плохо "держал дорогу", и управление им было трудными утомительным делом.
Чтобы удержать колеса от потери контакта с дорогой, рессоры и амортизаторыспортивных автомобилей тех времен делались все более жесткими, пока непревратилисьв практически недеформируемые элементы. В результате, конечно, езда сделаласьпочти невыносимой из-за резких толчков и подпрыгиваний. Как и громкий выхлоп,все это, без сомнения, производило впечатление на тогдашних пассажирок,но в действительности не очень-то помогало удерживать автомобиль на дороге.Решение, принятое большинством конструкторов современных автомобилей, состоитв том, что они выбросили не выдерживавшее кручения шасси, а изгибающиеи крутящие нагрузки переложили на стальной штампованный кузов. Вместе скрышей он образует коробку, которая в принципе не очень сильно отличаетсяот крыльев старых бипланов. Имея в своем распоряжении такую жесткую конструкцию,инженер может сосредоточить свои усилия на разработке научно обоснованнойсистемы подвески, которая одновременно была бы и безопасной, и комфортабельной.
