Stężenie (aeronautyka) - Bracing (aeronautics)

W lotnictwie , usztywnienie obejmuje dodatkowe elementy konstrukcyjne, które usztywniają funkcjonalny płatowiec, aby nadać mu sztywność i wytrzymałość pod obciążeniem. Stężenie może być stosowane zarówno wewnętrznie, jak i zewnętrznie i może mieć postać rozpórki , która działa na ściskanie lub rozciąganie, gdy zajdzie taka potrzeba, i / lub drutów , które działają tylko na rozciąganie.

Ogólnie, usztywnienie pozwala na uzyskanie mocniejszej, lżejszej konstrukcji niż ta, która nie jest wzmocniona, ale w szczególności usztywnienie zewnętrzne zwiększa opór, który spowalnia samolot i stwarza znacznie więcej problemów projektowych niż wewnętrzne usztywnienie. Inną wadą drutów usztywniających jest to, że wymagają one rutynowych kontroli i regulacji lub takielunku , nawet jeśli znajdują się wewnątrz.

We wczesnych latach lotnictwa usztywnienie było uniwersalną cechą wszystkich form samolotów, w tym jednopłatów i dwupłatowców, które były wówczas równie powszechne. Obecnie usztywnienia w postaci rozpórek podnoszących są nadal używane w niektórych lekkich konstrukcjach komercyjnych, w których górne skrzydło i niewielka waga są ważniejsze niż najwyższa wydajność.

Zasada projektowania

Usztywnienie działa poprzez utworzenie trójkątnej konstrukcji kratownicy , która jest odporna na zginanie lub skręcanie. Dla porównania, konstrukcja wspornikowa bez usztywnień łatwo się wygina, chyba że niesie dużo ciężkiego zbrojenia. Pogłębienie konstrukcji sprawia, że ​​jest ona dużo lżejsza i sztywniejsza. Aby zmniejszyć wagę i opór powietrza, konstrukcja może być pusta, z usztywnieniem łączącym główne części płatowca. Na przykład górnopłat może mieć ukośną kolumnę podnoszącą biegnącą od spodu kadłuba do pozycji daleko w kierunku końcówki skrzydła. Zwiększa to efektywną głębokość nasady skrzydła do wysokości kadłuba, czyniąc go znacznie sztywniejszym przy niewielkim wzroście masy.

Zazwyczaj końce rozpórek usztywniających są połączone z głównymi wewnętrznymi elementami konstrukcyjnymi, takimi jak dźwigar skrzydłowy lub przegroda kadłuba, a druty usztywniające są przymocowane w pobliżu.

Usztywnienie może być użyte do przeciwstawienia się wszystkim różnym siłom, które występują w płatowcu, w tym podnoszeniu, ciężarze, oporze i skręcaniu. Rozpórka jest elementem usztywniającym wystarczająco sztywnym, aby wytrzymać te siły, niezależnie od tego, czy powodują ściskanie, czy rozciąganie. Drut jest elementem usztywniającym, który jest w stanie wytrzymać jedynie rozciąganie, luzując się pod wpływem ściskania, w związku z czym prawie zawsze jest używany w połączeniu z rozpórkami.

Metody stężeń

Rozpórki międzypłaszczyznowe i druty usztywniające na Tiger Moth de Havilland

Kwadratowa rama wykonana z litych prętów nie jest sztywna, ale ma tendencję do wyginania się w rogach. Mocowanie go dodatkowym ukośnym prętem byłoby ciężkie. Drut byłby znacznie lżejszy, ale powstrzymałby go przed zapadnięciem się tylko w jeden sposób. Aby zachować sztywność, potrzebne są dwa druty wzmacniające krzyżowo. Ta metoda usztywniania krzyżowego jest wyraźnie widoczna na wczesnych dwupłatowcach, gdzie skrzydła i rozpórki międzypłatowe tworzą prostokąt, który jest usztywniony drutami.

Innym sposobem ułożenia sztywnej konstrukcji jest wykonanie poprzeczek na tyle solidnych, aby działały na ściskanie, a następnie połączenie ich końców z zewnętrznym diamentem działającym na rozciąganie. Ta metoda była kiedyś powszechna na jednopłatach, gdzie skrzydło i centralna kabina lub pylon tworzą poprzeczki, podczas gdy usztywnienie drutem tworzy zewnętrzny diament.

Druty usztywniające

Najczęściej spotykane w dwupłatowcach i innych samolotach wielopłatowych , usztywnienia drutowe były również powszechne we wczesnych jednopłatach .

W przeciwieństwie do rozpórek druty usztywniające zawsze działają naprężone.

Grubość i profil drutu mają wpływ na opór, jaki wywołuje, zwłaszcza przy wyższych prędkościach. Druty mogą być wykonane z kabla wielożyłowego, pojedynczego splotu drutu fortepianowego lub ze stali profilowanej płatowo.

Druty usztywniające dzielą się głównie na druty latające, które utrzymują skrzydła w dół podczas lotu i linki do lądowania, które utrzymują skrzydła w górze, gdy nie generują siły nośnej. (Druty łączące kosz lub gondolę z balonem są również nazywane drutami latającymi). Cieńsze druty prowadzące są czasami ułożone ukośnie między przednimi i tylnymi rozpórkami międzypłaszczyznowymi, aby zapobiec skręcaniu się skrzydła i zmianie kąta nachylenia do kadłuba. W niektórych pionierskich samolotach druty usztywniające skrzydła były również prowadzone ukośnie do przodu i do tyłu, aby zapobiec odkształceniom pod obciążeniami bocznymi, takimi jak podczas skręcania. Oprócz podstawowych obciążeń wywieranych przez siłę nośną i grawitację, druty usztywniające muszą również przenosić potężne obciążenia bezwładnościowe generowane podczas manewrów, takie jak zwiększone obciążenie lin do lądowania w momencie przyziemienia.

Olinowanie

Druty usztywniające muszą być starannie ustawione, aby zachować odpowiednią długość i napięcie. Podczas lotu druty mają tendencję do rozciągania się pod obciążeniem, a podczas lądowania niektóre mogą się poluzować. Wymagane są regularne kontrole takielunku i wszelkie niezbędne korekty przed każdym lotem. Regulacje podwieszania mogą być również używane do ustawiania i utrzymywania dwuściennego skrzydła i kąta padania , zwykle za pomocą klinometru i pionu . Poszczególne druty są wyposażone w śruby rzymskie lub końcówki gwintowane, dzięki czemu można je łatwo regulować. Po ustawieniu regulator jest zablokowany.

Wewnętrzne usztywnienie

Wewnętrzne usztywnienie było najbardziej znaczące we wczesnych latach aeronautyki, kiedy płatowce były dosłownie ramami, w najlepszym przypadku pokrytymi domieszkowaną tkaniną, która sama w sobie nie miała wytrzymałości. W celu usztywnienia takich płatowców szeroko stosowano krzyżowe usztywnienia druciane, zarówno w pokrytych tkaniną skrzydłach, jak i w kadłubie, który często pozostawał nagi.

Konieczne było rutynowe mocowanie drutów, aby zachować sztywność strukturalną przeciw zginaniu i skręcaniu. Szczególnym problemem w przypadku przewodów wewnętrznych jest dostęp do ciasnego wnętrza kadłuba.

Usztywnienie zewnętrzne

Często zapewnienie wystarczającego wewnętrznego usztywnienia spowodowałoby, że konstrukcja byłaby zbyt ciężka, więc aby płatowiec był zarówno lekki, jak i mocny, usztywnienie jest montowane na zewnątrz. Było to powszechne we wczesnych samolotach ze względu na ograniczoną moc silnika i konieczność lekkiej wagi, aby w ogóle latać. Ponieważ moc silnika stale rosła w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku, znacznie cięższe płatowce stały się praktyczne i większość projektantów porzuciła zewnętrzne usztywnienia, aby umożliwić zwiększenie prędkości.

Dwupłatowce

Dwupłatowiec z rozpórkami międzypłatowymi i kabanowymi usztywnionymi krzyżowo przez przewody latające i do lądowania

Prawie wszystkie samoloty dwupłatowe mają górną i dolną płaszczyznę połączoną rozpórkami międzypłatowymi , przy czym górne skrzydło biegnie ponad kadłubem i jest z nim połączone krótszymi rozpórkami kabiny. Te rozpórki dzielą skrzydła na przęsła, które są wzmocnione ukośnymi drutami. Te latające przewody prowadzony do góry i na zewnątrz od dolnego skrzydła, a przewody lądowania uruchomić w dół i na zewnątrz od górnego skrzydła. Wynikowa kombinacja rozpórek i drutów jest sztywną konstrukcją podobną do dźwigara skrzynkowego , niezależną od mocowania kadłuba.

Rozpórki międzypłaszczyznowe

Rozpórki międzypłatowe utrzymują skrzydła dwupłatowca lub wielopłatowca, pomagając również w utrzymaniu prawidłowego kąta padania połączonych paneli skrzydłowych.

Równoległe rozpórki : Najpopularniejsza konfiguracja polega na umieszczeniu dwóch rozpórek równolegle, jedna za drugą. Te rozpórki będą zwykle usztywnione „drutami osłonowymi” biegnącymi ukośnie między nimi. Druty te są odporne na skręcanie skrzydła, co wpłynęłoby na jego kąt padania do strumienia powietrza.

Rozpórki typu N zastępują druty padające trzecią rozpórką biegnącą po przekątnej od góry jednej kolumny do dołu drugiej w parze.

Rozpórki w kształcie litery V zbiegają się z oddzielnych punktów mocowania na górnym skrzydle do pojedynczego punktu na dolnym skrzydle. Są często używane do skrzydeł półtorakładowych , w których dolne skrzydło ma znacznie mniejszą cięciwę niż skrzydło górne.

Dwuteowniki zastępują zwykłą parę rozpórek pojedynczą, grubszą, opływową rozpórką, której końce są wysunięte do przodu i do tyłu wzdłuż skrzydła.

Zatoki

Dwupłatowiec wielopłatowy Handley Page V / 1500

Rozpiętość skrzydła między dwoma zestawami rozpórek międzypłaszczyznowych lub kabanowych nazywana jest przęsłem . Skrzydła są opisane liczbą przęseł z każdej strony. Na przykład dwupłatowiec z rozpórkami kabiny i jednym zestawem rozpórek międzypłatowych po każdej stronie samolotu jest dwupłatowcem jednonawowym.

W przypadku małego typu, takiego jak zwiadowca z I wojny światowej, jak Fokker D.VII , zwykle wystarczy jedna zatoka. Ale w przypadku większych skrzydeł przenoszących większe ładunki można zastosować kilka przęseł. Dwóch Użytkowników Curtiss JN-4 Jenny to dwupłatowiec dwie zatoki, podczas gdy duże typy ciężkie były często biplanes multi-bay lub triplanes - najwcześniejsze przykłady niemieckiego Albatros BI , a wszystkie przykłady produkcyjne DFW BI dwumiejscowego nieuzbrojonego Dwupłatowce obserwacyjne z 1914 r. były dwoma z nielicznych jednosilnikowych trójpłaszczyznowych dwupłatowców używanych podczas I wojny światowej.

Niektóre skrzydła dwupłatowca są usztywnione rozpórkami odchylonymi na boki, a przęsła tworzą zygzakowatą kratownicę Warrena . Przykłady obejmują serię jednosilnikowych szybkich dwupłatowców rozpoznawczych Ansaldo SVA z I wojny światowej oraz Fiata CR.42 Falco z początku II wojny światowej .

Zastosowano również inne odmiany. Spad s.xiii fighter, występując być dwupłatowiec dwie zatoki, ma tylko jedną zatokę, ale ma punkty pośrednie olinowania usztywnione z dodatkowymi wspornikami, jednak nie są one strukturalnie przylegający od góry do dołu skrzydła. Sopwith 1 1 / 2   Strutter ma kształt Cabane W Jednakże, ponieważ nie łączy skrzydła względem siebie, że nie dodaje się do liczby wnęk.

Galeria kolumn międzypłatowych

Rozpórki Cabane

I wojny światowej brytyjski Bristol F.2 jest jednym z niewielu biplanes do kiedykolwiek brzuszne cabane rozpórki.
Sprężyny N Cabane i druty skrętne na gąsienicy de Havilland Tiger Moth

Tam, gdzie samolot ma skrzydło poruszające się swobodnie nad głównym kadłubem, dwa elementy są często połączone rozpórkami kabiny biegnącymi od szczytu kadłuba lub kabiny załogi do środkowej sekcji skrzydła. Takie skrzydło jest zwykle również usztywnione w innym miejscu, przy czym rozpórki kabiny stanowią część ogólnego schematu stężeń.

Ponieważ rozpórki kabiny często przenoszą napór silnika na górne skrzydło, aby przezwyciężyć opór, obciążenia wzdłuż każdej przekątnej między rozpórkami przednią i tylną są nierówne i często są uformowane jako rozpórki N. Mogą również mieć krzyżowo usztywnione druty skrętne, które pomagają powstrzymać skręcanie skrzydła. Kilka wzorów dwupłatowiec, takie jak brytyjska 1917 Bristol Fighter dwumiejscowy myśliwiec / towarzyskie, miał jego kadłub wyczyścić dolnego skrzydła, jak i górny, używając brzuszne cabane rozpórki osiągnąć taką cechę konstrukcyjną.

Monoplanów

Jednopłat wzmocniony drutem z linkami od mocowania centralnego do skrzydeł, czyli Fokker Eindecker

Wczesne jednopłatowce opierały się całkowicie na zewnętrznych usztywnieniach drucianych, bezpośrednio do kadłuba lub na słupkach nad nim i rozpórkach podwozia poniżej, aby wytrzymać te same siły podnoszenia i grawitacji. Wiele późniejszych jednopłatów, począwszy od 1915 r. , Wykorzystywało skrzydła wspornikowe z usztywnieniem nośnym w skrzydle, aby uniknąć oporu zewnętrznych drutów i rozpórek ,

Cabanes

W wielu wczesnych jednopłatach usztywnionych drutem , np. Blériot XI i Fokker Eindecker (oba konstrukcje wypaczające skrzydła ), grzbietowe i czasami brzuszne układy rozpórek lub kabiny były umieszczane powyżej, powyżej i poniżej kadłuba. Można to wykorzystać zarówno do zapewnienia pewnej ochrony pilotowi w przypadku przewrócenia się jednostki na ziemi, jak i do zamocowania linek do lądowania, które biegły lekko nachylone do dziobu i rufy w pobliżu końców skrzydeł. W jednopłatach typu „ parasol ” skrzydło przechodzi nad kadłubem i jest połączone z kadłubem rozpórkami kabiny, podobnie jak górne skrzydło dwupłatowca.

W niektórych typach kabinę zastępuje pojedynczy gruby, opływowy pylon.

Podnieś rozpórki

Cessna 152 z jednym podnoszenia podpory, łączącą się z kadłuba z zamontowanym skrzydłem wysokim
Consolidated PBY Catalina z podwójnym równoległym strutted parasol skrzydła i centralnego pylonu

W górnopłatach kolumna podnosząca łączy zewnętrzny punkt na skrzydle z punktem znajdującym się niżej na kadłubie, tworząc sztywną trójkątną strukturę. Podczas lotu rozpórka działa naprężająco, przenosząc uniesienie skrzydła do kadłuba i utrzymując skrzydło w poziomie, podczas gdy po powrocie na ziemię działa kompresyjnie, aby utrzymać skrzydło w górze.

W przypadku statków powietrznych o umiarkowanej mocy i prędkości silnika, rozpórki podnoszące stanowią kompromis między dużym oporem konstrukcji w pełni wzmocnionej krzyżowo a dużym ciężarem skrzydła w pełni wspornikowego. Są powszechne w typach górnopłatów, takich jak Cessna 152, i prawie uniwersalne w typach z parasolami, takich jak Consolidated PBY Catalina .

Piper Pawnee nisko-wing monoplan z V podnoszenia wysięgnika

Rzadziej niektóre dolnopłaty jednopłatowe, takie jak Piper Pawnee, mają rozpórki podnoszące zamontowane nad skrzydłem, działające na kompresję podczas lotu i napięcie na ziemi.

Czasami każde skrzydło ma tylko jedną kolumnę podnoszącą, jak w Cessnie 152, ale często występują one parami, czasami równolegle jak w Catalinie, czasami rozłożone lub jako pary w kształcie litery V (np. Auster Autocrat ) połączone z kadłubem w jednym punkt. Stosowano wiele bardziej skomplikowanych układów, często z dwoma głównymi rozpórkami podnośnika, wzmocnionymi pomocniczymi połączeniami zwanymi rozpórkami przysięgłymi między sobą lub ze skrzydłem lub kadłubem. Na przykład, każda para odwróconych rozpórek w kształcie litery V Pawnee jest wspomagana przez parę pionowych rozpórek wsporczych.

Od dawna te rozpórki podnoszące były usprawniane , często poprzez zamykanie metalowych elementów nośnych w kształtowanych obudowach. Na przykład Farman F.190 miał swoje wysokie skrzydła połączone z dolnym kadłubem za pomocą równoległych rur z duraluminium zamkniętych w opływowych świerkowych owiewkach, a Westland Lysander wykorzystywał wytłaczane belki o przekroju dwuteowym z lekkiego stopu, do których przykręcono przednią i tylną parę owiewki z duraluminium. Późniejsze samoloty miały opływowe rozpórki formowane bezpośrednio z kształtowanego metalu, jak wytłaczane rozpórki ze stopu lekkiego Austera AOP.9 , lub z kompozytów, na przykład rozpórki z włókna węglowego w Remos GX eLITE . Projektanci przyjęli różne metody poprawy aerodynamiki rozpórki i korpusu kolumny, stosując podobne podejście do tych stosowanych w rozpórkach międzypłatowych. Czasami opływowość jest zwężana blisko skrzydła, jak w Farmanie F.190; inne konstrukcje mają wydłużoną, owłosioną stopę, na przykład Skyeton K-10 Swift .

Siłowniki podnoszenia są czasami łączone z innymi funkcjami, na przykład wspomagają silniki, jak w Westland IV lub podwozie, jak w Scottish Aviation Twin Pioneer .

Amortyzatory pozostają powszechne w małych (2/4-miejscowych) lekkich samolotach górnopłatów w kategoriach ultralekkich i lekkich sportów . Większe przykłady obejmują 10-miejscowy samolot pasażerski Pilatus Porter STOL i 19-miejscowy samolot de Havilland Twin Otter .

Rozpórki jury

Skomplikowane jury rozpiera się na Fleet Canuck

Podnośnik może być tak długi i cienki, że zbyt łatwo się wygina. Rozpórki jury to małe pomocnicze rozpórki służące do jej usztywnienia.

Problemy, którym zapobiegają rozpórki jury, obejmują drgania rezonansowe i wyboczenia pod obciążeniami ściskającymi.

Rozpórki jury występują w wielu konfiguracjach. Na jednopłatach z jedną kolumną główną może być tylko jedna kolumna jury łącząca główną kolumnę z punktem pośrednim na skrzydle. Stężony jednopłat z rozpórkami w kształcie litery V, taki jak Fleet Canuck, może mieć skomplikowany montaż rozpórek przysięgłych.

Historia

Wzmocnienia, zarówno wewnętrzne, jak i zewnętrzne, były szeroko stosowane we wczesnych samolotach do wspierania lekkich płatowców, których wymagały niskie moce silnika i dostępne wówczas niskie prędkości lotu. Od pierwszego latającego Wrighta z 1903 roku, kadłub był tylko wzmocnioną ramą, a nawet przednie usztywnienie ukośne zostało użyte do utrzymania skrzydeł pod kątem prostym.

W niektórych bardzo wczesnych samolotach zastosowano rozpórki wykonane z bambusa . W większości projektów zastosowano opływowe rozpórki wykonane z drewna świerkowego lub jesionowego , wybranych ze względu na ich wytrzymałość i niewielką wagę. Zastosowano również metalowe rozpórki, a zarówno drewno, jak i metal nadal są w użyciu.

Potrzeba usztywnień skrzydeł z przodu za rufą zniknęła wraz z pojawieniem się mocniejszych silników w 1909 r., Ale usztywnienia pozostawały niezbędne dla każdego praktycznego projektu, nawet na jednopłatach aż do I wojny światowej, kiedy stały się niepopularne, a wzmocnione dwupłatowce królowały.

Od 1911 r. Brytyjski naukowiec Harris Booth pracujący w National Physics Laboratory i inżynier Richard Fairey , wówczas pracujący dla Blair Atholl Airplane Syndicate JW Dunne'a , zaczęli opracowywać i stosować analizę inżynierską poszczególnych przęseł w dwupłatowcu, aby obliczyć siły konstrukcyjne i użyj minimalnej ilości materiału w każdym przęśle, aby osiągnąć maksymalną wytrzymałość. Techniki analityczne, takie jak ta, doprowadziły do ​​powstania lżejszych i mocniejszych samolotów i zostały powszechnie przyjęte.

W tym samym czasie ilość usztywnień mogła być stopniowo zmniejszana. Przy małych prędkościach cienki drut powoduje bardzo mały opór, a wczesne maszyny latające były czasami nazywane „klatkami dla ptaków” ze względu na liczbę obecnych drutów. Jednak wraz ze wzrostem prędkości drut musi być cieńszy, aby uniknąć oporu, podczas gdy siły, które przenosi, rosną. Stały wzrost mocy silnika pozwolił na równie stabilny wzrost masy, co wymagało mniejszego wzmocnienia. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć opór, opracowano specjalne druty usztywniające z płaskimi lub płatami.

Pochodzący z połowy 1915 roku, całkowicie metalowy Junkers J 1 był pionierem w konstrukcji skrzydeł wspornikowych bez usztywnień.

Niemiecki profesor Hugo Junkers był poważnie zainteresowany pozbyciem się rozpórek i takielunku wywołującego opór na początku I wojny światowej, a do połowy 1915 roku jego firma zaprojektowała całkowicie metalowy jednopłat Junkers J 1 „demonstrator technologii”, nie posiadający żadnych zewnętrzne usztywnienie dla jego grubego płata, wspornikowego skrzydła, które mogło latać z prędkością nieco ponad 160 km / h z rzędowym sześciotłokowym silnikiem o mocy zaledwie 120 koni mechanicznych.

Pod koniec I wojny światowej moc silnika i prędkość lotu wzrosły na tyle, że opór powodowany przez napinanie drutów w typowym dwupłatowcu znacząco wpływał na osiągi, podczas gdy cięższy, ale bardziej elegancki jednopłat parasolowy z rozpórkami stał się praktyczny. Przez pewien czas ten typ jednopłatowca stał się preferowanym projektem. Chociaż w latach trzydziestych ubiegłego wieku został wyprzedzony przez prawdziwy jednopłat samonośny, pozostaje w użyciu od tamtej pory, gdzie najwyższe osiągi nie stanowią problemu.

Powojenne

Skrzydła usztywnione o wysokim współczynniku kształtu były używane przez francuskiego Hurel-Dubois (obecnie część Safran ) z demonstratorem Hurel-Dubois HD.10 w 1948 r., A następnie samoloty HD.31 / 32/34 , nadal używane przez francuski Institut Geographique National aż do wczesnych lat osiemdziesiątych. HD.45 z napędem turboodrzutowym został bezskutecznie zaproponowany do konkurowania z Sud Aviation Caravelle , być może z powodu niedopasowania szybkiego turboodrzutowego do wolniejszego płatowca.

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi

Bibliografia

  • Crane, Dale: Dictionary of Aeronautical Terms, trzecie wydanie , Aviation Supplies & Academics, 1997. ISBN   1-56027-287-2
  • Halliwell, FW „ Rigging: The Erection and True-Up of Airplanes ”. Lot 23 stycznia 1919 r. Str. 107.
  • Kumar, B. Ilustrowany słownik lotnictwa . New York McGraw Hill, 2005. ISBN   0-07-139606-3
  • Steventon, HWB; „Theoretical Considerations in the Design of Wing Strut Joints”, The Aircraft Engineer: Supplement to Flight , 30 maja 1930, strony 33–35 ( strony lotu 586a-586c).
  • Taylor, John WR The Lore of Flight , Londyn: Universal Books Ltd., 1990. ISBN   0-9509620-1-5 .