Применение алюминия. Части самолета: конструктивное значение и особенности эксплуатации Из чего сделан самолет металл

АЛЮМИНИЙ
В ТРАНСПОРТЕ

Все виды транспорта на земле от велосипедов до космических ракет производятся из алюминия. Этот металл позволяет человеку двигаться с высокой скоростью, переплывать океаны, подниматься в небо и покидать пределы нашей планеты. На транспортную сферу уже приходится наибольшая часть мирового потребления алюминия – 27%. И в ближайшие года эта цифра будет только увеличиваться.

Авиация и космос

Алюминий навсегда вошел в историю как металл, позволивший человеку летать. Легкий, прочный и пластичный, он оказался идеальным материалом для создания управляемых летательных аппаратов. Не даром второе имя алюминия – «крылатый металл».

Сегодня на алюминий приходится около 75-80% общей массы современного самолета. А первое его применение в авиации за фиксировано еще до изобретения самих самолетов. Например, граф Фердинанд Цеппелин делал из алюминиевого сплава каркасы для своих знаменитых дирижаблей.

Прорыв, положивший начало современной авиации, произошел в 1903 году, когда братья Райт впервые в истории человечества совершили полет на управляемом летательном аппарате «Флайер-1». Автомобильные двигатели того времени весили слишком много, обладали низкой мощностью и были неспособны поднять аппарат в воздух. Специально для этой цели был разработан новый двигатель, детали которого, в том числе блок цилиндров, были отлиты из алюминия.

В дальнейшем «крылатый» металл заменил дерево, сталь и другие материалы в конструкции первых самолетов и уже в 1917 году знаменитый немец авиаконструктор Хуго Юнкерс поднял в воздух первый цельнометаллический самолет, фюзеляж которого был выполнен из алюминиевого сплава – дюралюминия, в состав которого также входят медь (4,5%), магний (1,5%) и марганец (0,5%). Создателем уникального сплава в 1909 году стал Альфредом Вильмом. Он также обнаружил эффект старения сплава, заключающийся в существенном увеличении его прочности после закалки в течение длительного времени.

Дюралюминий

Во время Первой Мировой войны дюралюминий был настоящей военной технологией. Его состав и технология тепообработки были засекречены, поскольку он являлся важнейшим конструкционным материалом в самолетостроении.

С тех пор алюминий получил статус ключевого конструкционного материала в авиации, и держит эту марку по сей день. Состав авиационных сплавов меняется, самолеты совершенствуются, но главная задача авиаконструкторов остается неизменной: создание легкой машины с максимальной вместимостью, использующей минимальное количество топлива и не поддающееся коррозии со временем. Именно алюминий позволяет инженерам добиваться выполнения всех необходимых условий. В современных самолетах алюминий применяется буквально повсюду: в фюзеляже, закрылках, конструкциях крыла и хвостовой части, крепежных системах, конструкциях выхлопных отверстий, блоков питания, заправочных штангов, дверей и полов, каркасов пилотных и пассажирских сидений, топливных разъемах, гидравлических системах, кабинных стойках, подшипниках, приборах в кабине пилотов, турбинах двигателей и много где еще.

Основные алюминиевые сплавы, применяемые в авиации, - серии 2ххх, 3ххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости разрушения. Сплавы серии 7ххх - для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии 3ххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло- и топливных системах.

Наибольшее применение получил сплав 7075, состоящий из алюминия, цинка, магния и меди. Это самый прочный из всех алюминиевых сплавов, сравнимый по этому показателю со сталью, но в 3 раза легче нее.

Самолеты собираются из листов и профилей, соединяющихся друг с другом алюминиевыми заклепками, число заклепок в одной машине может достигать нескольких миллионов. В некоторых моделях вместо листов используются прессованные панели, и в случае появления трещины она доходит только до конца такой панели. Например, крыло крупнейшего грузового самолета в мире Ан-124-100 «Руслан», грузоподъемностью до 120 тонн, состоит из восьми прессованных алюминиевых панелей шириной 9 метров каждая. Конструкция крыла такова, что оно работает даже при двух разрушенных панелях.

Сегодня авиаконструкторы пытаются найти материал, обладающий всеми преимуществами алюминия, но еще более легкий. Единственным кандидатом, подходящим на эту роль, на данный момент является углеродное волокно. Оно состоит из нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Первым магистральным пассажирским самолетом, фюзеляж которого был полностью изготовлен из композиционных материалов, стал Boeing 787 Dreamliner, выполневший свой первый коммерческий полет в 2011 году.

Однако производство таких самолетов обходится гораздо дороже, чем при использовании алюминия. Кроме этого, углеволокно не обеспечивает должного уровня безопасности летательных аппаратов.

Основные сильные стороны космических алюминиевых сплавов – стойкость к высоким и низким температурам, вибрационным нагрузкам и воздействию радиации. Более того, они обладают свойством «криогенного упрочнения» – с понижением температуры их прочность и пластичность только возрастают. Это сплавы видов «титан-алюминий», «никель-алюминий» и «железо-хром-алюминий».

Алюминий оказался незаменим не только в авиации, но и в космонавтике, где сочетание минимальной массы с максимальной прочностью еще более критично. Корпус первого искусственного космического спутника Земли, запущенного в СССР в 1957 году, был выполнен из алюминиевого сплава.

Ни один современный космический корабль не обходится без алюминия – от 50% до 90% веса космических летательных аппаратов приходится на конструкции из алюминиевых сплавов. Они использовались для изготовления корпуса космических челноков Space Shuttle, телескопической балки антенны космического телескопа Hubble, из них изготавливаются водородные ракетные баки, носовые части ракет, конструкции разгонных блоков, корпуса орбитальных космических станций и крепежей для солнечных батарей на них.

Даже твердотопливные ракетные ускорители работают на алюминии. Такие ускорители разгоняют первую ступень космических кораблей и состоят из алюминиевого порошка, окислителя в виде перхлората того же алюминия и связующего вещества. Например, самая мощная на сегодня в мире ракета-носитель «Сатурн-5» (может вывезти на околоземную орбиту 140-тонный груз) за время полета сжигает 36 тонн алюминиевого порошка.

Автомобилестроение

Автомобиль – самый распространенный вид транспорта в мире. Главным конструкционным материалом здесь является относительно дешевая сталь. Однако вместе с тем как основными приоритетами автомобильной отрасли становятся экономия топлива, снижение выбросов СО 2 , а также дизайн автомобиля, все более важную роль в автомобилестроении начинает играть алюминий.

В 2014 году мировая автомобильная индустрия (без учета Китая) потребила 2,87 млн тонн алюминия. Ожидается, что к 2020 году эта цифра вырастет до 4,49 млн тонн. Ключевыми факторами этого роста являются как увеличение производства самих автомобилей, так и повышение использования алюминия в них.

Каждый килограмм алюминия, использованный при изготовлении автомобиля, позволяет снизить общую массу машины на килограмм. Поэтому на алюминий переводилось производство все большего количества его деталей: радиаторы системы охлаждения двигателя, колесные диски, бампера, детали подвески, блоки цилиндров двигателя, корпуса трансмиссий и, наконец, детали кузова – капоты, двери и даже вся рама. В результате с 1970-х годов доля алюминия в общем весе автомобиля постоянно увеличивается – с 35 кг до сегодняшних 152 кг. Согласно прогнозам экспертов, к 2025 году среднее содержание алюминия в одном автомобиле достигнет 250 кг.

Формула 1

Гоночный болид Формулы-1, согласно требованиям на 2015 год, должен весить не менее 702 килограммов. Две трети этой массы приходится на алюминий. В то время как обшивка кузова выполнена из углепластика, все внутренние узлы и компоненты изготавливаются именно из "крылатого металла".

Алюминий использовался в автомобилестроении практически с момента начала промышленного использования этого металла. В 1899 году на международной выставке в Берлине был представлен первый автомобиль, корпус которого был полностью сделан из алюминия, - спортивный Durkopp. А в 1901 году алюминиевым стал и двигатель - для участия в гонках в Ницце его смастерил знаменитый немецкий изобретатель Карл Бенц. В 1962 году легендарный гонщик Микки Томпсон участвовал в гонках Индианаполис 500 на машине с двигателем из алюминия и показал превосходный результат. Многие фирмы позднее усовершенствовали этот двигатель и использовали его в различных массовых моделях и гоночных автомобилях, в том числе и в болидах Формулы-1. Интерес к алюминиевым деталям подстегнул и нефтяной кризис 1970-х. Вынужденные озаботиться экономией топлива, конструкторы стали заменять детали из стали на более легкие алюминиевые, тем самым снижая общий вес машины.

Микки Томпсон

Индианаполис 500, 1962 г.

Range Rover
Последняя модель Range Rover с полностью алюминиевым кузовом стала легче на 39% или 420 килограмм. Это равноценно весу пяти человек.

Применять алюминий для изготовления кузова первыми стали производители автомобилей класса «премиум». Так, первым серийным автомобилем с полностью алюминиевым кузовом стала Audi A8, выпущенная в 1994 году. За ней последовали и другие люксовые бренды – BMW, Mercedes-Benz, Porsche, Land Rover, Jaguar.

В 2014 году произошло очередное знаковое событие для отрасли – автомобиль с полностью алюминиевым кузовом появился в массовом сегменте. Им стал Ford-150 – самый популярный пикап в США на протяжении 38 лет. Благодаря переходу на алюминий автомобиль стал легче на 315 кг по сравнению с предшествующей моделью, что позволило существенно снизить расход топлива, выхлоп CO 2 , а также увеличить грузоподъемность и улучшить динамику разгона и торможения. При этом автомобиль получил самый высокий рейтинг надежности NHTSA – пять звезд вместо четырех в предыдущей модели.

Основными методами изготовления различных автодеталей являются литье и штамповка из прокатанных листов и полос. Но некоторые из них изготавливаются необычным способом горячего прессования мелкого алюминиевого порошка – САП (спеченная алюминиевая пудра). Окисленную алюминиевую пудру помещают в алюминиевую же оболочку и нагревают до температуры чуть меньшей, чем плавление металла, и в горячем виде прессуют. Получившиеся изделия отличаются высокой прочностью и используются там, где нужны детали для работы в условиях высоких температур с низким коэффициентом трения – например, так делаются поршни двигателей.

Tesla
Полностью дополнительная защита Tesla состоит из трех уровней. Первый – полый алюминиевый брус специальной формы, который либо отбрасывает лежащий на дороге предмет, либо смягчает удар. Второй – плита из титана, защищающая наиболее уязвимые компоненты в передней части автомобиля. Третий – щит из штампованного алюминия, который рассеивает энергию удара и, если препятствие твердое и неподвижное, приподнимает автомобиль над ним.

Еще одно замечательное свойство алюминия – он отлично «гасит» удар, причем делает это в два раза эффективнее, чем сталь. Поэтому автопроизводители уже давно используют этот металл для бамперов. Днище революционного электрического автомобиля Tesla оснащено 8-миллиметровой пуленепробиваемой броней из алюминиевых сплавов, которая защищает батарейный отсек и гарантирует безопасность при движении на скорости в 200 км/ч. Недавно компания установила на свои машины дополнительную алюминиево-титановую защиту, которая позволяет автомобилю в прямом смысле слова разрушать попадающие под колеса препятствия из бетона и закаленной стали, сохраняя управляемость.

Алюминиевый кузов имеет преимущества перед стальным в плане безопасности еще и потому, что деформации в алюминиевых конструкциях локализуются в компактных зонах, не давая деформироваться другим частям кузова и сохраняя максимальную безопасность той части машины, где находятся пассажиры.

Эксперты утверждают, что в ближайшее десятилетие автопроизводители существенно увеличат использование алюминия в своих моделях. «Крылатый металл» в большом количестве будет использоваться в деталях кузова либо для изготовления кузова целиком.

При этом многие автомобильные компании сегодня договариваются с производителями алюминия о создании производств замкнутого цикла, когда из идущих на лом алюминиевых деталей утилизируемых автомобилей создаются запчасти для новых машин. Сложно представить себе более экологичный вид промышленного производства.

Железнодорожный транспорт

Применение алюминия в железнодорожном транспорте началось практически сразу после образования самой алюминиевой промышленности. В 1894 году железнодорожная компания New York, New Haven, and Hartford Railroad, принадлежавшая тогда банкиру Джону Пирпонту Моргану (J.P. Morgan), начала выпускать специальные легкие пассажирские вагоны, сидения которых были выполнены из алюминия.

Однако сначала алюминий оказался наиболее востребованным в сегменте грузоперевозок, где от состава требуется максимально низкий вес, что позволяет перевезти больший объем грузов.

Первые грузовые вагоны, полностью выполненные из алюминия, были выпущены в 1931 году в США. Это был хоппер – вагон для перевозки сыпучих и гранулированных грузов, кузов которого имеет форму воронки с люками для разгрузки в донной части. Сегодня для производства таких вагонов используются, в основном, сплавы 6ххх серии, - они обладают повышенной прочностью и коррозийной стойкостью.

Shinkansen
Первый высокоскоростной поезд в мире появился в Японии в 1964 году. Он курсировал между Токио и Осакой и преодолевал расстояние в 515 км за 3 часа 10 минут, разгоняясь до 210 км/ч. Shinkansen позволил разрешить острую транспортную проблему этого региона, в котором проживало более 45 млн человек.

Сегодня алюминиевые вагоны используются для перевозки угля, различных руд и минералов, а также зерна, в вагонах-цистернах перевозят кислоты. Существуют также вагоны для перевозки готовых товаров, например, новых автомобилей – с завода до автодилерского центра.

Алюминиевый грузовой вагон на треть легче, чем стальной. Его более высокая изначальная стоимость окупается в среднем за два первых года эксплуатации за счет перевозки большего объема грузов. При этом алюминий в отличие от стали не подвержен коррозии, поэтому алюминиевые вагоны долговечны и за 40 лет использования теряют лишь 10% своей стоимости.

В пассажирском железнодороджном транспорте алюминий позволяет производить вагоны на треть более легкие, чем стальные аналоги. В случае метро и пригородных поездов, для которых характерны частые остановки, это позволяет добиться существенной экономии энергии, затрачиваемой на разгон состава. Помимо этого, алюминиевые вагоны проще в производстве и содержат значительно меньшее количество деталей.

В железнодорожном транспорте дальнего следования алюминий активно применяется в производстве высокоскоростных поездов, активное применение которых в мире началось в 1980-х годах. Такие поезда развивают скорость до 360 км/ч и выше. Новые технологии в этом направлении позволят добиться скоростей более 600 км/ч.

Алюминий дает возможность снизить вес такого поезда и соответственно уменьшить прогиб рельсов, создающий сопротивление движению. Кроме того, высокоскоростной поезд, как самолет, должен обладать обтекаемой формой и минимальным числом выступающих деталей – здесь на помощь конструкторам вновь приходит «крылатый металл».

Transrapid
Маглев-трасса в Китае, соединяющая Шанхай и шанхайский аэропорт Пудун. Поезд движется по ней со с коростью 450 км/ч и преодолевает расстояние в 30,5 км всего за 8 минут.

Современные пассажирские и грузовые перевозки просто невозможно представить без самолетов. А ведь за комфортностью и мобильностью этих «железных птиц» стоят десятилетия разработок и тысячи неудачных попыток. Проектированием самолетов и их строительством занимаются лучшие умы авиастроения. Цена ошибки на этом поприще может быть слишком большой. Сегодня мы с вами немного окунемся в мир авиастроения и узнаем, из каких элементов состоит конструкция самолета.

Общая характеристика

В классическом варианте самолет представляет собой планер (фюзеляж, крылья, хвостовое оперение, мотогондолы), оснащенный силовой установкой, шасси и системами управления. Кроме того, неотъемлемой частью современных самолетов является авионика (авиационная электроника), призванная контролировать все органы и системы воздушного судна и в значительной степени упрощать участь пилотов.

Бывают и другие конструктивные схемы, однако они встречаются гораздо реже и, как правило, в военном авиастроении. Так, к примеру, бомбардировщик В-2 сконструирован по схеме «летающее крыло». А яркий представитель самолетостроения в России - истребитель Миг-29 - выполнен по «несущей схеме». В ней понятие «фюзеляж» заменено на «корпус».

В зависимости от назначения, самолеты делятся на две крупные группы: гражданские и военные. Гражданские модели подразделяются на пассажирские, грузовые, учебные и машины специального использования.

Пассажирские версии отличаются тем, что большую часть их фюзеляжа занимает специально оборудованный салон. Внешне их можно узнать по большому количеству иллюминаторов. Пассажирские воздушные суда подразделяются на: местные (летают на дистанции менее 2 тыс. км); средние (2-4 тыс. км); (дальние 4-9 тыс. км); и межконтинентальные (более 11 тыс. км).

Грузовые воздушные суда бывают: легкими (до 10 т груза), средними (10-40 т груза) и тяжелыми (более 40 т груза).

Самолеты специального назначения могут быть: санитарными, сельскохозяйственными, разведывательными, противопожарными и предназначенными для аэрофотосъемки.

Учебные модели, соответственно, необходимы для обучения начинающих пилотов. В их конструкции могут отсутствовать вспомогательные элементы, такие как кресла пассажирского салона и прочее. То же самое касается и опытных версий, которые используются при испытаниях самолетов новой модели.

Военные самолеты, в отличие от гражданских, не имеют комфортного салона и иллюминаторов. Все пространство фюзеляжа в них занято системами вооружения, оборудованием для разведки, системами связи и прочими агрегатами. Боевые самолеты подразделяются на: истребители, бомбардировщики, штурмовики, разведчики, транспортные, а также всяческие машин специального назначения.

Фюзеляж

Фюзеляж воздушного судна является основной частью, выполняющей несущую функцию. Именно на него крепятся все элементы конструкции самолета. Снаружи это: крылья с мотогондолами, оперение и шасси, а изнутри - кабина управления, технические помещения и коммуникации, а также грузовой или пассажирский отсек, в зависимости от принадлежности судна. Каркас фюзеляжа собирается из продольных (лонжероны и стрингеры) и поперечных (шпангоуты) элементов, которые впоследствии обшиваются металлическими листами. В легких самолетах вместо металла используется фанера или пластик.

Пассажирские машины могут быть узко- и широкофюзеляжными. В первом случае диаметр поперечного сечения корпуса составляет в среднем 2-3 метра, а во втором - от шести метров. Широкофюзеляжные самолеты имеют, как правило, две палубы: верхнюю - для пассажиров, и нижнюю - для багажа.

При проектировании фюзеляжа особое внимание уделяют прочностным характеристикам и весу конструкции. В этой связи имеют место такие меры:

1. Форма самолета проектируется таким образом, чтобы подъемная сила была максимальной, а лобовое сопротивление воздушным массам - минимальным. Объем и габариты машины должны идеально соотноситься друг с другом.
2. Для увеличения полезного объема корпуса, при проектировании предусматривается максимально плотная компоновка обшивки и несущих элементов фюзеляжа самолета.
3. Крепления силовой установки, взлетно-посадочных элементов и крыловых сегментов стараются сделать максимально простыми и надежными.
4. Места размещения пассажиров и крепления грузов или расходных материалов проектируются таким образом, чтобы в разных условиях эксплуатации самолета его баланс оставался в пределах допустимого отклонения.
5. Места для размещения экипажа должны обеспечивать комфортное управление воздушным судном, доступ к главным приборам навигации и максимально эффективное управление в случае непредвиденных ситуаций.
6. Компоновка самолета выполняется таким образом, чтобы при его обслуживании мастера имели возможность беспрепятственно продиагностировать необходимые узлы и агрегаты самолета и при необходимост, провести их ремонт.

Фюзеляж самолета должен быть достаточно прочным, чтобы противостоять нагрузкам, возникающим в разных полетных условиях, а именно:

1. Нагрузкам, возникающим в точках крепления основных элементов корпуса (крылья, оперение, шасси) во время взлета и приземления.
2. Аэродинамическим нагрузкам, возникающим во время полета, с учетом работы агрегатов, инерционных сил и функционирования вспомогательного оборудования.
3. Нагрузкам, связанным с перепадами давления, которые возникают при летных перегрузках в герметически ограниченных отсеках самолета.

Крыло

Важным конструктивным элементом любого самолета являются крылья. Они создают подъемную силу, необходимую для полета, и позволяют осуществлять маневрирование. Кроме того, крыло самолета используют для размещения силового агрегата, топливных баков, навесного оборудования и взлетно-посадочных устройств. Правильное соотношение веса, жесткости, прочности, аэродинамики и качества изготовления этого конструктивного элемента обуславливает надлежащие летные и эксплуатационные характеристики самолета.

Крыло самолета состоит из таких частей:

1. Корпус, который состоит из каркаса (лонжероны, стрингеры и нервюры) и обшивки.
2. Предкрылки и закрылки, которые обеспечивают взлет и посадку самолета.
3. Интерцепторы и элероны, с помощью которых пилот может менять направление полета самолета.
4. Тормозные щитки, служащие для более быстрой остановки самолета в момент посадки.
5. Пилоны, на которые крепятся силовые установки.

К фюзеляжу крыло крепится через центроплан - элемент, соединяющий правое и левое крыло и частично проходящий через фюзеляж. У низкопланов центроплан располагается в нижней части фюзеляжа, а у высокопланов - в верхней. У боевых машин он может и вовсе отсутствовать.

Во внутренних полостях крыла (у больших судов) обычно устанавливаются баки для топлива. У легких самолетов-истребителей дополнительные топливные баки могут подвешиваться на специальных консольных креплениях.

Конструктивно-силовая схема крыла

Конструктивно-силовая схема крыла должна обеспечивать противодействие силам сдвига, кручения и изгиба, возникающим во время полета. Ее надежность обуславливается использованием прочного каркаса из продольных и поперечных элементов, а также прочной обшивки.

Продольные элементы каркаса крыла представлены лонжеронами и стрингерами. Лонжероны выполняются в виде фермы или монолитной балки. Они размещаются по всему внутреннему объему крыла с определенным интервалом. Лонжероны придают конструкции жесткость и нивелируют воздействие поперечных и сгибающих сил, возникающих на той или иной стадии полета. Стрингеры играют роль компенсатора осевого усилия сжатия и растяжения. Они также нивелируют местные аэродинамические нагрузки и повышают жесткость обшивки.

Поперечные элементы каркаса крыла представлены нервюрами. В данной конструкции они могут выполняться в виде ферм или тонких балок. Нервюры обуславливают профиль крыла и придают его поверхности жесткость, необходимую при распределении нагрузки в момент формирования полетной воздушной подушки. Также они служат для более надежного крепления силовых агрегатов.

Обшивка не только придает крылу необходимую форму, но и обеспечивает максимальную подъемную силу. Наравне с другими элементами каркаса, она увеличивает жесткость конструкции и нивелирует воздействие внешних нагрузок.

Крылья самолетов могут отличаться по конструктивным особенностям и функциональности обшивки. Выделяют два главных типа:

1. Лонжеронные. Отличаются небольшой толщиной обшивки, которая образует замкнутый контур с ребрами лонжеронов.
2. Моноблочные. Основное количество внешней нагрузки распределяется по поверхности толстого слоя обшивки, закрепленного набором стрингеров. В таком случае обшивка может быть как монолитной, так и состоять из нескольких слоев.

Говоря о конструкции крыла, стоит отметить, что его стыковка и последующее крепление должны выполняться таким образом, чтобы в конечном итоге обеспечивалась передача и распределение крутящего и изгибающего моментов, которые могут возникнуть в разных режимах эксплуатации самолетов.

Оперение

Оперение самолета позволяет менять траекторию его движения. Оно может быть хвостовым и носовым (используется реже). В большинстве случаев хвостовое оперение представлено вертикальным килем (или же несколькими килями, обычно их два) и горизонтальным стабилизатором, по конструкции напоминающим крыло уменьшенного размера. Благодаря килю регулируется путевая устойчивость самолета, то есть устойчивость по оси движения, а благодаря стабилизатору - продольная (по тангажу). Горизонтальное оперение может устанавливаться на фюзеляж или поверх килей. Киль, в свою очередь, ставится на фюзеляж. Существуют разные вариации компоновки хвостового оперения, но в большинстве случаев она выглядит именно так.

Некоторые военные самолеты дополнительно оснащаются носовым оперением. Это необходимо для обеспечения должной путевой устойчивости на сверхзвуковых скоростях.

Силовые установки

Двигатель является важнейшим элементом в конструкции самолета, ведь без него воздушное судно не сможет даже взлететь. Первые самолеты летали совсем недолго и могли вмещать всего лишь одного пилота. Причина тому проста - маломощные моторы, не позволяющие развить достаточную тяговую силу. Чтобы самолеты научились перевозить сотни пассажиров и неподъемные грузы, конструкторам всего мира пришлось немало потрудиться.

За всю эволюцию «железных птиц» было использовано немало типов моторов:

1. Паровые. Принцип работы таких двигателей основан на превращении энергии пара в движение, которое передается на винт самолета. Так как паровые моторы имели низкий коэффициент полезного действия, они использовались авиационной промышленностью совсем недолго.
2. Поршневые. Это стандартные моторы внутреннего сгорания, по конструкции напоминающие двигатели автомобилей. Принцип их работы заключается в передаче тепловой энергии в механическую. Простота в изготовлении и доступность материалов обуславливают использование таких силовых установок на некоторых моделях самолетов до настоящего времени. Несмотря на небольшой КПД (около 55%), эти моторы пользуются определенной популярностью благодаря своей неприхотливости и надежности.
3. Реактивные. Такие моторы преобразуют энергию интенсивного сгорания топлива в тягу, необходимую для полета. На сегодняшний день реактивные двигатели используются в строительстве самолетов наиболее широко.
4. Газотурбинные. Принцип работы этих двигателей основан на пограничном нагреве и сжатии газа сгорания топлива, направленного на вращение турбины. Они используются преимущественно в военных типах самолетов.
5. Турбовинтовые. Это один из подвидов газотурбинных моторов. Отличие состоит в том, что энергия, полученная при работе, преобразуется в приводную и вращает винт самолета. Незначительная часть энергии идет на формирование толкающей реактивной струи. Такие моторы применяют главным образом в гражданской авиации.
6. Турбовентиляторные. В этих двигателях реализовано нагнетание дополнительного воздуха, необходимого для полного сгорания горючего, благодаря чему удается достичь максимальной эффективности и экологической благоприятности силовой установки. Моторы такого типа широко применяются в строительстве крупных авиалайнеров.

Мы с вами познакомились с основными типами авиационных двигателей. Список моторов, которые авиаконструкторы когда-либо пытались установить на воздушные суда, рассмотренным перечнем не ограничивается. В разные времена предпринималась масса попыток по созданию всяческих инновационных силовых агрегатов. К примеру, в прошлом веке велись серьезные работы по созданию атомных авиационных моторов, которые не прижились из-за высокой экологической опасности, в случае крушения самолета.

Обычно двигатель устанавливается на крыло или фюзеляж самолета посредством пилона, через который к нему подводятся приводы, топливные трубки и прочее. В таком случае мотор облачают в защитную мотогондолу. Существуют также самолеты, в которых силовая установка находится непосредственно внутри фюзеляжа. На воздушных судах может быть от одного (Ан-2) до восьми (В-52) двигателей.

Управление

Органами управления самолета называют комплекс бортового оборудования, а также командные и исполнительные приборы. Подача команд происходит из кабины пилота, а выполняется элементами крыла и оперения. В разных самолетах могут использовать различные виды систем управления: ручная, автоматизированная и полуавтоматическая.

Независимо от вида системы, рабочие органы подразделяют на основные и дополнительные.

Основное управление . Включает в себя действия, которые отвечают за регулировку режимов полета и восстановление баланса судна в заранее установленных параметрах. К органам основного управления относятся:

1. Рычаги, которые непосредственно управляются пилотом (рули высоты, рули горизонта, штурвал, командные панели).
2. Коммуникации, служащие для соединения управляющих рычагов с исполнительными механизмами.
3. Исполнительные устройства (стабилизаторы, элероны, спойлерные системы, подкрылки и закрылки).

Дополнительное управление . Используется только при взлетном и посадочном режиме.

Независимо от того, ручное или автоматическое управление реализовано в конструкции самолета, только пилот может собирать и анализировать информацию о состоянии систем самолета, показателях нагрузки и соответствии траектории с планом. И что самое главное, только он способен принять решение, максимально эффективное в сложившейся обстановке.

Контроль

Для считывания объективной информации о состоянии воздушного судна и летной обстановки пилот пользуется приборами, разделенными на несколько основных групп:

1. Пилотажные и навигационные. Служат для определения координат, вертикального и горизонтального положения, скорости и линейных отклонений самолета. Кроме того, эти приборы контролируют угол атаки воздушного судна, работу гироскопических систем и другие важные параметры полета. На современных самолетах эти приборы представлены в виде единого пилотажно-навигационного комплекса.
2. Контролирующие работу силовой установки. Данная группа приборов обеспечивает пилота данными о температуре и давлении масла, расходе топливной смеси, частоте вращения коленчатых валов, а также вибрационных показателях.
3. Приборы для наблюдения за работой дополнительного оборудования и систем. Данный комплекс состоит и приборов, датчики которых можно встретить во всех элементах конструкции самолета. К ним относятся: манометры, указатели перепада давления в герметичных кабинах, указатели положения закрылков и прочее.
4. Приборы для оценки состояния окружающей среды. Служат для измерения температуры наружного воздуха, влажности, атмосферного давления, скорости ветра и прочего.

Все приборы, которые служат для контроля состояния самолета и внешней среды? адаптируются к работе в любых погодных условиях.

Взлетно-посадочные системы

Взлет и посадка являются довольно сложными и ответственными этапами полета. Они неизбежно сопряжены с сильными нагрузками, приходящимися на все элементы конструкции. Приемлемый разгон для поднятия многотонного судна в небо и мягкое касание посадочной полосы при его посадке обеспечивает надежно сконструированная взлетно-посадочная система (шасси). Данная система также необходима для стоянки машины и ее руления при езде по аэропорту.

Шасси самолета состоит из демпферной стойки, на которой закреплена колесная тележка (у гидропланов вместо нее используется поплавок). Конфигурация шасси зависит от массы самолета. Чаще всего встречаются такие варианты взлетно-посадочной системы:

1. Две основных стойки и одна передняя (А-320, Ту-154).
2. Три основных стойки и одна передняя (Ил-96).
3. Четыре основных стойки и одна передняя ("Боинг-747").
4. Две основных стойки и две передних (В-52).

На ранних самолетах устанавливали пару основных стоек и заднее вращающееся колесо без стойки (Ли-2). Необычную схему шасси также имела модель Ил-62, которая оснащалась одной передней стойкой, парой основных стоек и выдвигающейся штангой с парой колес в самом хвосте. На первых самолетах стойки не использовали вовсе, а колеса крепились на простые оси. Колесная тележка может иметь от одной (А-320) до семи (Ан-225) колесных пар.

Когда самолет находится на земле, его управление осуществляется посредством привода, которым оснащена передняя стойка шасси. У судов с несколькими двигателями для этих целей может использоваться дифференциация режима работы силовой установки. Во время полета шасси самолета убирается в специально оборудованные отсеки. Это необходимо для уменьшения аэродинамического сопротивления.

Стал незаменимым материалом во многих производствах. Авиационный алюминий - группа сплавов, отличающихся повышенной прочностью с включением магния, кремния, меди и марганца. Дополнительную прочность сплаву придают при помощи т. н. «эффекта старения» - особого метода закалки под воздействием в течение длительного времени агрессивной атмосферной среды. Сплав был изобретен в начале 20 века, получив название дюралюминий, сейчас известен также под названием «авиаль».

Определение. Исторический экскурс

Началом истории авиационных алюминиевых сплавов считается 1909 год. Немецкий инженер-металлург Альфред Вильм опытным путем установил, если сплав алюминия с незначительным добавлением меди, марганца и магния после закалки при температуре 500 °C и резкого охлаждения выдержать при температуре 20-25 градусов в течение 4-5 суток, он поэтапно становится тверже и прочнее, не теряя при этом пластичности. Процедура получила название «старение» или «возмужание». В процессе такой закалки атомы меди заполняют множество мельчайших зон на границах зерен. Диаметр атома меди меньше, чем у алюминия, потому появляется напряжение сжатия, вследствие чего повышается прочность материала.

Впервые сплав был освоен на немецких заводах Dürener Metallwerken и получил торговую марку Dural, откуда и произошло название «дуралюмин». Впоследствии, американские металловеды Р. Арчер и В. Джафрис усовершенствовали состав, изменив процентное соотношение, в основном магния. Новый сплав получил название 2024, который в различных модификациях широко применяется и сейчас, а все семейство сплавов - «Авиаль». Название «авиационный алюминий» этот сплав получил практически сразу после открытия, поскольку полностью заменил дерево и метал в конструкциях летательных аппаратов.

Основные виды и характеристики

Выделяют три основных группы:

• Семейства алюминий-марганец (Al-Mn) и алюминий-магний (Al-Mg). Основная характеристика - высокая, едва уступающая чистому алюминию коррозийная стойкость. Такие сплавы хорошо поддаются пайке и сварке, но плохо режутся. Не упрочняются термической обработкой.
• Коррозионно-стойкие сплавы системы алюминий-магний-кремний (Al-Mg-Si). Упрочняются термической обработкой, а именно закалкой при температуре 520 °C с последующим резким охлаждением воде и естественным старением около 10 суток. Отличительная характеристика материалов этой группы - высокая коррозионная стойкость при эксплуатации в обычных условиях и под напряжением.
• Конструкционные (Al-Cu-Mg). Их основа - легированный медью, марганцем и магнием алюминий. Изменяя пропорции получают авиационный которого могут отличаться.

Материалы последней группы обладают хорошими механическими свойствами, но при этом весьма подвержены коррозии, чем первое и второе семейство сплавов. Степень подверженности коррозии зависит от вида обработки поверхности, которую все равно необходимо защищать лакокрасочным покрытием или анодированием. Коррозионная стойкость частично увеличивается введением в состав сплава марганца.

Помимо трех основных видов сплавов различают также ковочные высокопрочные конструкционные и др. обладающие необходимыми для конкретной сферы применения свойствами.

Маркировка авиационных сплавов

В международных стандартах первая цифра маркировки авиационного алюминия обозначает основные легирующие элементы сплава:

• 1000 - чистый алюминий.
• 2000 - дюралюмины, сплавы легированные медью. В определенный период - самый распространенный аэрокосмический сплав. В связи с высокой чувствительностью к коррозийному растрескиванию все чаще заменяются сплавами серии 7000.
• 3000 - легирующий элемент - марганец.
• 4000 - легирующий элемент - кремний. Сплавы известны также как силумины.
• 5000 - легирующий элемент - магний.
• 6000 - самые пластичные сплавы. Легирующие элементы - магний и кремний. Могут подвергаться термозакалке для повышения прочности, но по этому параметру уступают сериям 2000 и 7000.
• 7000 - термически закаленные сплавы, самый прочный авиационный алюминий. Основные легирующие элементы - цинк и магний.

Вторая цифра маркировки - порядковый номер модификации алюминиевого сплава после исходного - цифра «0». Две заключительные цифры - номер самого сплава, информация о его чистоте по примесям. В случае если сплав опытный, к маркировке добавляется пятый знак «Х».

На сегодняшний день, самые распространенные марки авиационного алюминия: 1100, 2014, 2017, 3003, 2024, 2219, 2025, 5052, 5056. Отличительными особенностями этих сплавов являются: легкость, пластичность, хорошая прочность, стойкость к трению, коррозии и высоким нагрузкам. В авиастроении наиболее широко используемые сплавы - авиационный алюминий 6061 и 7075.

Состав

Основными легирующими элементами авиационного алюминия являются: медь, магний, кремний, марганец, цинк. Процентное содержание этих элементов по массе в сплаве определяют такие характеристики, как прочность, гибкость, стойкость к механическим воздействиям и др. Основа сплава - алюминий, основные легирующие элементы: медь (2,2-5,2% массы), магний (0,2-2,7%) и марганец (0,2-1%).

Семейство авиационных сплавов алюминия с кремнием (4-13% массы) с незначительным содержанием других легирующих элементов - медь, марганец, магний, цинк, титан, бериллий. Используется для изготовления сложных деталей, известный также как силумин или литейный алюминиевый сплав. Семейство сплавов алюминий-магний (1-13% массы) с другими элементами обладают высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.

Роль меди в составе авиационного алюминия

Присутствие меди в составе авиационного сплава способствует его упрочнению, но в то же время плохо влияет на его коррозионную стойкость. Выпадая по границам зерен, в процессе закалки, медь делает сплав подверженным под напряжением и межзеренной коррозии. Зоны богатые медью более гальванически катодные, чем алюминиевая матрица вокруг, а потому более уязвимы для коррозии, происходящей по гальваническому механизму. Увеличение содержания меди в массе сплава до 12% повышает прочностные свойства за счет дисперсного упрочнения в процессе старения. При содержании меди в составе свыше 12% сплав делается хрупким.

Сферы применения

Алюминиевые сплавы являются наиболее востребованным металлом по продаже. Легкий вес авиационного алюминия, прочность делают этот сплав хорошим выбором для многих производств от самолетов до предметов быта (мобильные телефоны, наушники, фонарики). Алюминиевые сплавы применяются в судостроении, автомобилестроении, строительстве, производстве ж/д транспорта, в атомной промышленности.

Широко востребованы сплавы с умеренным содержанием меди (2014, 2024 др.). Профили из этих сплавов имеют высокую коррозийную стойкость, хорошую обрабатываемость, точечную свариваемость. Из них изготавливают ответственные конструкции самолетов, большегрузных автомобилей, военной техники.

Особенности соединения авиационного алюминия

Сварка авиационных сплавов осуществляется исключительно в защитной среде инертных газов. Преимущественными газами являются: гелий, аргон или их смесь. Более высокой теплопроводностью обладает гелий. Это определяет более благоприятные температурные показатели сварочной среды, что позволяет достаточно комфортно соединять толстостенные элементы конструкций. Использование смеси защитных газов способствует более полному газоотводу. При этом вероятность образования пор в сварном шве значительно уменьшается.

Применение в авиастроении

Авиационные алюминиевые сплавы изначально специально создавались для строительства авиационной техники. Из них изготавливают корпуса летательных аппаратов, детали двигателей, шасси, топливные баки, крепежные устройства и др. Детали из авиационного алюминия используются в интерьере салона.

Алюминиевые сплавы серии 2ххх используют для производства деталей, подвергающихся воздействию высоких температур. Детали малонагруженных узлов, топливных, гидро- и маслосистем изготавливают из сплавов 3ххх, 5ххх и 6ххх. Наиболее широкое применение в авиастроении получил сплав 7075. Из него изготавливаются элементы для работы при значительной нагрузке, низких температурах с высокой стойкостью к коррозии. Основой сплава является алюминий, а основными легирующими элементами: магний, цинк и медь. Из него изготавливают силовые профили конструкций самолетов, элементы обшивки.

Для улучшения лётно-тактических характеристик боевых самолётов и вертолётов в странах агрессивного блока выполняются дорогостоящие программы, предусматривающие снижение веса конструкции летательных аппаратом за счёт применения новых, более перспективных материалов, к числу которых относятся так называемые композиционные материалы.

Ведущее место в капиталистическом мире по разработке композиционных материалов и их использованию в конструкциях летательных аппаратов (особенно военного назначения) принадлежит , где темпы работ и этой области непрерывно растут. Если в 1958 году на НИОКР по созданию таких материалов Пентагону было выделено 400 тыс. долларов, то к 1967 году расходы по той же статье поставили около 11 млрд. долларов. Координацию проводимых исследований (применительно к авиационным конструкциям) осуществляет лаборатория материалов ВВС США и . Лаборатория материалов занимается оценкой эффективности применения композиционных материалов к конструкции военных самолётов. В настоящее время по контрактам с ВВС и программам, финансируемым крупными авиастроительными фирмами, производится и испытывается большое количество элементов конструкции самолётов и вертолётов из композиционных материалов.

Композиционный материал (иногда его называют композит) состоит из высокопрочного наполнителя, ориентированного в определённом направлении, и матрицы. В качестве армирующих наполнителей (силовая основа композиции) применяются волокна бериллия, стекла, графита, стали, карбида кремния, бора или так называемые нитевидные кристаллы окиси алюминия, карбида бора, графита, железа и т. д. Матрицы изготовляются из синтетических смол (эпоксидных, полиэфирных, кремниево-органических) или сплавов металлов (алюминия, титана и других) Соединение волокон или нитевидных кристаллов с матрицей производится горячим прессованием, литьём, плазменным напылением и некоторыми другими способами.

Наибольшее распространение в авиа- и ракетостроении за рубежом получили композиционные материалы на основе высокопрочных волокон. Композиционный материал ведёт себя как единое структурное целое и обладает свойствами, которых не имеют составляющие его компоненты. Особенностью композиционных материалов является анизотропность их свойств (то есть зависимость, физических, в том числе механических, свойств материалов от направления), которая определяется ориентацией армирующих волокон. Заданную прочность материала получают, ориентируя волокна наполнителя в направлении действия основных усилии. Иностранные специалисты считают, что это открывает новые возможности при конструировании силовых элементов самолётов и вертолётов.

По мнению зарубежных специалистов, с точки зрения характеристик удельной прочности и удельной жёсткости наиболее перспективны композиционные материалы, в которых в качестве упрочняющей арматуры используются волокна бора, карбида бора и углерода. К таким материалам относятся бороэпоксидные материалы (боропластики, углепластики, бороалюминий).

Бороэпоксидные композиционные материалы

За рубежом наибольшее распространение получили материалы (боропластики) с армирующим наполнителем из волокон бора (бороволокон) и эпоксидными матрицами. По данным иностранной печати, применение боропластиков позволяет уменьшил вес конструкции на 20-40%, увеличить её жёсткость и повысить эксплуатационную надёжность изделия. Композиционные материалы на основе бороволокна имеют высокие показатели по прочности, жёсткости и сопротивлению усталости. Например, в иностранной печати отмечалось, что отношение удельной прочности боропластиков к удельной прочности алюминиевого сплава при растяжении составляет 1,3-1,9, сжатии - 1,5, сдвиге - 1,2, смятии - 2,2, а усталостная характеристика возрастает в 3,8 раза. Кроме того, боропластики сохраняют свои качества в диапазоне температур от -60 до + 177°С. Сочетание этих свойств и предопределило перспективность широкою использования боропластиков в авиационной и ракетно-космической технике.

Как следует из сообщении зарубежной печати, масштабы применения боропластиков в самолётостроении США уже в настоящее время весьма значительны. Например, на один истребитель расходуется около 750 кг боропластиков. Эти материалы используются для усиления элементов силового набора накладками из боропластика, что обеспечивает снижение веса элементов конструкции и повышение их несущей способности, а также для изготовления обшивок.

Благодаря применению боропластиков значительно упрощается технология производства, и, кроме того, возможно сокращение общего количества узлов и деталей в некоторых элементах конструкции самолёта. Например, по заявлению специалистов фирмы «Макдоннелл Дуглас», при изготовлении из боропластиков руля направления самолёта F-4 число деталей сократилось с 240 до 84.

Композиционные материалы с углеродными волокнами

Иностранные специалисты считают, что в условиях высоких температур, возникающих при сверхзвуковом полете, наиболее эффективны композиционные материалы на основе матриц, армированных волокнами графита (углерода). Использование этих материалов в конструкциях современных и перспективных сверхзвуковых самолётов выгодно с точки зрения экономии веса конструкции, особенно для узлов, вес которых в большей степени определяется требованиями жёсткости, чем прочности. Наибольшее распространение за рубежом получили материалы с углеродными волокнами на основе эпоксидных матриц (углепластики) и материалы на основе углеродных графитизированных матриц, армированных волокнами углерода («углерод-углерод»).

Углепластики

Иностранная печать отмечает, что углепластики имеют малый удельный вес - 1,5 г/куб.см. (алюминиевые сплавы 2,8 г/куб.см., титановые 4,5 г/куб.см); высокие жёсткость, вибропрочность и показатели усталостной прочности. Всё это делает их одними из самых перспективных материалов для производства авиационной и космической техники. Сообщается, при всех основных видах действующих нагрузок удельная прочность углепластиков оказывается выше прочности алюминиевого сплава. Иностранные специалисты отмечают, что прочность и жёсткость углепластиков примерно в шесть раз выше, чем у основных сортов стали, используемых в конструкциях самолётов.

В 1969 году лаборатория материалов ВВС США заключила с фирмой «Нортроп» контракт на разработку опытных образцов конструкции из композиционных материалов на основе графита. Первоначально использование углепластиков в конструкциях самолётов было незначительным из-за высокой стоимости углеродного волокна (700-900 долларов за 1 кг). Впоследствии, в результате организации широкого выпуска волокна, стоимость снизилась до 120-150 долларов. Но прогнозам американских специалистов, через три-пять лет она не будет превышать 50-80 долларов.

По данным зарубежной печати, в настоящее время применение углепластиков в авиастроении значительно возросло. Различные элементы конструкций из этого материала проходят испытания на самолётах F-5E, A-4D и F-111. Фирма «Боинг» по контракту с ВВС США исследует возможности использования этих материалов в конструкции крыла перспективного высотного беспилотного разведывательного самолёта. Подобные работы ведутся и в других капиталистических странах. Например, английская Фирма «Бритиш эркрафт» по контракту, заключённому с министерством обороны Великобритании, создаёт из углепластиков элементы планеров некоторых самолётов.

Композиционные материалы «углерод-углерод» обладают малым удельным весом (1,4 г/куб.см.), высокими теплозащитными свойствами, способностью сохранять прочностные характеристики при температурах свыше 2500 градусов Цельсия. Благодаря этим и другим качествам они считаются весьма перспективными для изготовления тех деталей и узлов самолётов, которые работают в условиях высоких температур, а также для теплозащитных экранов летательных аппаратов, прежде всего космических кораблей. По сообщениям зарубежной печати, в настоящее время из этого материала для самолётов разработаны детали колёсных тормозов, вес их составляет около 30% веса стальных тормозов. По мнению специалистов американской фирмы «Данлоп», ресурс тормозных устройств из этих материалов - 3000 посадок, что в пять-шесть раз превышает срок эксплуатации обычных тормозов.

Бороалюминиевый композиционный материал (бороалюминий)

В качестве армирующего наполнителя этого композиционного материала используются волокна бора (иногда с покрытием из карбида кремния), а в качестве матрицы - алюминиевые сплавы. Бороалюминий в 3,5 раза легче алюминия и в 2 раза прочнее его, что позволяет получить значительную весовую экономию. Кроме того, при высоких температурах (до 430°С) бороалюминиевый композиционный материал имеет в 2 раза большие значения удельной прочности и жёсткости по сравнению с титаном, что даёт возможность его применения для самолётов со скоростями полёта М=3, в конструкциях которых в настоящее время используется титан. Зарубежные специалисты считают бороалюминий также одним из перспективных композиционных материалов, применение которого может дать до 50% экономии веса конструкции летательных аппаратов.

По сообщениям иностранной печати, работы по исследованию характеристик бороалюминия и внедрению его в авиастроение выполняются несколькими американскими фирмами. Например, фирма «Дженерал дайнэмикс» из этого материала изготовляет элементы конструкции хвостовой части самолёта F-111, а фирма «Локхид» - экспериментальный кессон центроплана самолёта С-130 . Специалисты фирмы «Боинг» изучают возможность применения бороалюминиевого материала в стрингерах сверхтяжёлых самолётов.

В настоящее время бороалюминиевый композиционный материал находит все большее применение в конструкциях авиационных двигателей. По данным зарубежной печати, фирма «Пратт-Уитни» использует его при производстве лопаток вентилятора первой и третьей ступеней ТРДД JT8-D, TF-30, F-100, а Фирма «Дженерал электрик» - лопаток вентилятора двигателя J-79, что, по мнению специалистов фирмы, позволит получить около 40% экономии веса этих элементов.

В США существует 79 программ, в рамках которых ведутся работы по исследованию и практическому использованию композиционных материалов в авиастроении.

Анализируя полученные при выполнении экспериментальных работ результаты, иностранные специалисты считают, что композиты могут быть использованы при конструировании большинства узлов и деталей боевого самолёта. На рис. 1 показана схема планера боевого самолёта с указанием тех элементов, в конструкциях которых, по взглядам иностранных специалистов, возможно применение композиционных материалов.

Рис. 1. Схема планера боевого самолёта, изготовленного с использованием композиционных материалов: 1 - каркас остекления кабины; 2 - обшивка кабины; 3 - главные лонжероны; 4 - силовой набор крыла и хвостового оперения; 5 - пилон; 6 - обшивка фюзеляжа; 7 - предкрылки; 8 - закрылки, спойлеры, элероны: 9 - рули направления и высоты; 10 - места крепления двигателя и люки; 11 и 12 - конструкция пола кабины; 13 - передняя и задняя стенки кабины; 14 - основные элементы поперечного силового набора; 15 - бимсы;: 16 - топливный бак.

На создаваемом фирмой «Рокуэлл интернэшнл» стратегическом бомбардировщике В-1 внутренние и внешние лонжероны, расположенные в хвостовой части фюзеляжа, делаются с применением накладок из бороэпоксидного композиционного материала. Эти лонжероны состоят из сплошных боропластиковых накладок, соединённых с деталями из металлов. Металлические элементы (сталь, титан) обеспечивают прочность, а накладки из боропластика увеличивают жёсткость лонжеронов. Отмечается, что лонжероны такой конструкции не только обладают улучшенными механическими свойствами, но и на 28-44% легче цельнометаллических.

Предусматривая дальнейшее внедрение композиционных материалов в конструкцию бомбардировщика В-1, лаборатория материалов ВВС США заключила контракты с фирмой «Рокуэлл интернэшнл» на разработку киля из графитоэпоксидного и бороэпоксидного материалов, а с фирмой «Грумман» - на создание стабилизатора самолёта из этих материалов.

В соответствии с программой, осуществляемой фирмой «Дженерал дайнамикс» (по контракту с ВВС США), на изготовленной из высокопрочной стали нижней поверхности шарнирной опоры крыла истребителя-бомбардировщикa , устанавливаются усиливающие накладки из эпоксидного боропластика. Американские специалисты считают, что применение этих накладок более чем вдвое увеличивает усталостную прочность шарнирного соединения узла поворота крыла. На двух самолётах F-111A испытываются экспериментальные стабилизаторы из бороэпоксидного композиционного материала, которые, по данным иностранной печати, на 27% легче обычных.

В самолёте F-l4 применение композиционных материалов в силовой конструкции было предусмотрено в самом начале его проектирования. Из композиционного материала на основе бороволокна изготовляются четыре панели обшивки стабилизатора.

По данным иностранной печати, результаты проведённых испытании показали, что усталостные характеристики стабилизатора с обшивкой из боропластика в 2,5 раза выше заданных техническими требованиями, а но стоимости он в настоящее время эквивалентен цельнометаллическому. Общий вес стабилизатора с обшивкой из боропластика 350 кг; экономия в весе по сравнению со стабилизатором с титановой обшивкой 82 кг (или 10%). По сравнению со стабилизатором аналогичной конструкции из алюминиевых сплавов выигрыш в весе получается ещё больше - 117 кг (27%).

В конструкции самолёта F-15 (фирма «Макдоннелл Дуглас»), исходя из соображений обеспечения требуемой центровки с целью экономии веса хвостовой части самолёта, обшивка горизонтальных управляемых стабилизаторов и вертикального хвостового оперения выполнена из боропластика. По сообщениям зарубежной печати, завершены усталостные испытании планера самолёта F-15 с панелями обшивки из композиционных материалов. Продолжительность испытаний 10 тыс. ч., что в четыре раза превышает его нормальный ресурс. Затем были проведены статические испытания горизонтального управляемого стабилизатора при нагрузке в два раза больше расчётной разрушающей; стабилизатор выдержал и эти испытания. По сравнению с конструкцией горизонтального стабилизатора, выполненной из титана, экономия веса при использовании боропластиковых обшивок составила 22%.

Как отмечается в зарубежной печати, самолёт F-15 является первым военным самолётом ВВС США, на котором установлена тормозная система фирмы «Гудьир», детали которой изготовлены с использованием композиционного материала на основе углеродных волокон. Это обеспечило, по мнению американских специалистов, экономию веса (около 32 кг на каждый тормоз) и более плавное и в то же время более эффективное торможение, а также увеличило надёжность действия тормозной системы.

Фирма «Макдоннелл Дуглас» уже третий год ведёт исследования по специальной программе, предусматривающей применение композиционных материалов для различных элементов крыла самолёта F-15, что, по расчётам специалистов фирмы, позволит уменьшить вес крыла на 130-180 кг. В ходе прочностных испытаний крыло самолёта из композиционных материалов разрушилось при нагрузке, составляющей 110% расчётной разрушающей. Лётные испытания этого крыла планируется начать в 1976 году (в случае успешного завершения статических испытаний).

Иностранная печать сообщает, что высокая стоимость технической оснастки, необходимой дли изготовления деталей из таких материалов, не позволила в должном объёме использовать перспективные композиционные материалы. Однако применение композиционных материалов в конструкциях новых боевых самолётов США все возрастает. Опыт применения графитоэпоксидных композитных материалов, полученный Фирмой «Дженерал дайнемикс» при разработке самолёта F-111, учтён и при создании самолёта F-16 . Благодаря изготовлению обшивки киля, стабилизатора и руля направления из углепластика фирме удались снизить вес хвостовой части фюзеляжа самолёта F-16 примерно на 30%. В настоящее время фирма по контракту с ВВС разрабатывает переднюю часть фюзеляжа этого самолёта из графитоэпоксидных материалов.

Во время модернизации тяжёлого военно-транспортного самолёта С-5А при создании некоторых узлов и деталей планера самолёта (например, секции предкрылков) применяли композиционные материалы. На рис. 2 показана секция предкрылка, изготовленная с использованием бороэпоксидного материала, и обычная металлическая. Новая секция имеет повышенную прочность и жёсткость, она значительно легче металлической.

Рис. 2. Секция предкрылка тяжёлого военно-транспортного самолёта С-5А: вверху - изготовленная с использованием композиционных материалов; внизу - из алюминиевых сплавов

Предпринимаются попытки использовать композиционные материалы в вертолётостроении. В частности, с целью исследования возможности изготовления некоторых основных элементов конструкции вертолётов из таких материалов американские и западногерманские фирмы проводят ряд опытно-конструкторских работ. По данным иностранной печати, американская Фирма «Сикорский» участвует в программе, предусматривающей повышение усталостной долговечности и улучшение динамических характеристик вертолёта СН-54В за счёт упрочнения композиционными материалами его хвостовой балки. Сообщается, что в результате упрочнения стрингеров бороэпоксидным материалом ресурс планера вертолёта повысился в несколько раз, а вес снизился на 30% (рис. 3).

Рис. 3. Использование боропластика для усиления стрингеров хвостовой балки на тяжёлом вертолёте CH-54B.

В зарубежной печати сообщалось, что министерство обороны США заключило с фирмой «Хьюз» контракт стоимостью 1,2 млн, долларов на разработку из композиционных материалов лопасти несущего винта для вертолёта . По заявлению специалистов фирмы, применение композиционных материалов в конструкции лопасти позволит уменьшить её вес, сохранить прочностные характеристики, добиться относительной неуязвимости лопасти от пуль. Кроме того, такие лопасти будут иметь большой ресурс и малую стойкость, а их производство можно наладить на автоматизированной линии.

Широкое применение композиционных материалов в конструкции несущего винта запланировано также в рамках перспективной программы HLH, предусматривающей создание тяжёлого транспортно-десантного вертолёта максимальной грузоподъёмностью около 30 т. По данным иностранной печати, к настоящему времени фирма «Боинг», с которой министерство обороны США заключило контракт на выполнение работ по программе HLH, изготовила роторы с несущими винтами, в их конструкции использованы композиционные материалы.

На основе исследований, проводившихся крупнейшей американской вертолётостроительной фирмой «Сикорский» применительно к вертолёту CH-53D, сделан вывод о том, что широкое внедрение композиционных материалов в конструкциях вертолётов станет целесообразным в 80-х годах. Специалисты фирмы считают, что максимальная эффективность достигается при включении композиционных материалов в конструкцию фюзеляжа вертолёта; при этом в наиболее нагруженных элементах фюзеляжа следует применять материал на основе углерода. Проведённый анализ показал, что за счёт использования композиционных материалов вес конструкции вертолёта CH-53D может быть снижен на 18,5%.

Изучая опыт применения композиционных материалов в конструкциях самолётов, американские специалисты считают эти материалы с точки зрения веса и механических характеристик весьма перспективными для ракетно-космической техники. По сообщениям иностранной печати, в США при изготовлении головных частей ракет предполагается использовать композиционные материалы с углеволокнистой матрицей, обладающие высокой радиопрозрачностью. Сообщается также о проведении тепловых испытании сопла ракетного двигателя, выполненного целиком из композиционных материалов.

Из углепластиков в сочетании с алюминиевой сотовой конструкцией уже изготовляется ряд деталей искусственных спутников Земли, например каркасы антенн. Это обеспечило не только экономию веса по сравнению с алюминиевой конструкцией, но и стабильность размеров панелей, так как у углепластиков чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения (в 50 раз меньше, чем у металлов).

Композиционные материалы планируется широко использовать для изготовления некоторых элементов орбитальной ступени, разрабатываемой в США транспортно-космической системы «Шатл». В частности, для теплозащиты носка фюзеляжа, нижней поверхности носовой части фюзеляжа, передней кромки крыла будет применён композиционный материал «углерод-углерод». Фирмой «Боинг» разработана рама жидкостного реактивного двигателя основной двигательной установки орбитальной ступени, располагающаяся в хвостовой части фюзеляжа. Она сделана из бороэпоксидного композиционного материала в сочетании с элементами из титанового сплава. Эта конструкция, по данным фирмы, позволит по сравнению с обычной титановой достичь экономии в весе около 30%.

Исследования, выполненные рядом американских самолётостроительных фирм под руководством лаборатории материалов ВВС США, показали, что применение композиционных материалов в конструкции военных самолётов и вертолётов 80-х годов позволит не только значительно снизить их вес и стоимость, но и повысить живучесть.

По прогнозам зарубежных специалистов, к началу 80-х годов доля композиционных материалов в планере самолёта возрастёт до 50%. Это должно обеспечить 20-30% экономию веса в равной мере как для дозвуковых, так и сверхзвуковых самолётов. Достигнутое при этом снижение веса конструкции позволит увеличить запас топлива или боевую нагрузку или уменьшить размеры самолёта. Более того, считается, что высокие прочностные характеристики этих материалов могут привести к улучшению аэродинамических характеристик (путём уменьшения относительной толщины профиля и удлинения крыла), а в конечном итоге - к улучшению лётных характеристик самолёта.

О полетах в небе с помощью специального устройство задумывался еще Леонардо да Винчи в 16 веке, однако первый полет официально зарегистрирован в начале прошлого века. О том, кому мы обязаны возможностью авиаперелетов, до сих пор ведутся ожесточенные споры, однако факт остается фактом – официально первый полет зарегистрирован в 1903 году. Самый первый самолет в мире изобрели братья Райт.

История авиации

Первые попытки строительства летательного аппарата, способного поднять человека в воздух, начались в конце 18 века. История изобретения летательного аппарата берет начало в Англии, когда сер Джордж Кейли всерьез занялся этим вопросом и издал несколько научных трудов, в которых подробно изложил принцип строительства и функционирования прототипа современного самолета.

Свои работы изобретатель начал с наблюдения за птицами. Ученый посвятил длительное время измерениям скорости полета птиц и размаху крыла. Эти данные впоследствии стали основой нескольких публикаций, положивших начало развитию авиации.

В своих первых зарисовках Кейли представлял самолет как лодку с хвостовым оперением на одном конце и парой весел на носу. Конструкция должна была приходить в движение с помощью весел, которые передавали бы вращение на крестообразный хвостовик в конце судна. Таким образом, Кейли безошибочно изобразил основные элементы самолета. Именно работы этого ученого положили начало развития авиации и стали толчком к разработке концепции самолета.

Первооткрывателем авиации в современном ее понимании стал еще один английский изобретатель – Уильям Хенсон. Именно он получил заказ на разработку проекта летательного аппарата в 1842 году.

Предложенный Хенсоном проект «парового воздушного экипажа» описывал все основные элементы винтомоторного самолета. В качестве устройства, осуществляющего движение всей конструкции, изобретатель предлагал использовать воздушный винт. Многие идеи, предложенные Хенсоном, в последствие нашли развитие и стали применяться в ранних моделях самолетов.

Российский изобретатель Н.А. Телешов запатентовал проект строительства «системы воздухоплавания». Концепция летательного аппарата также была основана на паровой машине и воздушном винте. Спустя несколько лет, ученый усовершенствовал свой проект и одним из первых предложил идею создания реактивного самолета.

Особенностью проектов Телешова была идея перевозки пассажиров в закрытом фюзеляже.

Кто изобрел самолет

Несмотря на то, что разработка конструкции летательного аппарата велась многими учеными в середине 19 века, изобретение самолета приписывают братьям Райт, чей аэроплан совершил кратковременный полет в 1903 году.

Не все согласны с тем, что братья Райт были первыми. Бразилец Альберто Сантос-Дюмонт сконструировал, собственноручно построил и сам же испытал первый в мире прототип дирижабля в 1901 году. Именно тогда было доказано, что управляемые полеты действительно возможны.

По еще одной версии, первенство в изобретении первого рабочего летательного аппарата следует присвоить российскому изобретателю А.Ф. Можайскому, чье имя навсегда останется в истории авиации. Таким образом, споры о том, кто изобрел, и кто создал, самолет ведутся до сих пор.

Интересно! Несмотря на то, что официально изобретение самолета присуждают братьям Райт, все бразильцы уверены в том, что первый в мире самолет изобрел Сантос-Дюмонт. В России же считается, что первый прототип современного самолета построил Можайский.

Работа братьев Райт

Братья Райт не стали первыми изобретателями самолета. Более того, первый неуправляемый полет человека также принадлежит не им. Тем не менее, братья Райт смогли доказать самое главное – то, что человек способен управлять летательным аппаратом.

Именно Уилбур и Орвилл Райт первыми осуществили управляемый полет на летательном аппарате, благодаря чему идея о возможности осуществления пассажирских перевозок по воздуху получила дальнейшее развитие.

В то время, когда все ученые ломали головы над возможностью установки более мощных двигателей для поднятия самолета в воздух, братья сосредоточились на вопросах возможности управления летательным аппаратом. Результатом стал ряд экспериментов с аэродинамической трубой, послуживших основой для разработки крыльев и пропеллеров аэроплана.

Первый планер с двигателем, построенный братьями, получил название «Флаер-1». Он был изготовлен из ели, так как этот материал отличается легкостью и надежностью. Устройство приводилось в движение бензиновым двигателем.

Интересно! Двигатель для «Флаер-1» изготовлен механиком Чарли Тейлором, особенностью конструкции стал небольшой вес. Для этого механик использовал дуралюмин, также называемый дюралем.

Первый успешный полет был совершен 17.12.1903 года. Самолет поднялся на несколько метров и пролетел около 40 метров за 12 секунд. Затем были повторные испытания, в результате которых длительность и высота полета увеличились.

Сантос-Дюмонт и 14-бис

Альберто Сантос-Дюмон известен как изобретатель воздушных шаров, он также иногда указывается как создатель первого в мире управляемого самолета. Ему также принадлежит изобретение дирижаблей, которые управлялись с помощью двигателя.

В 1906 году его самолет под названием «14-бис» поднялся в воздух и пролетел более 60 метров. Высота, на которую изобретатель поднял свой летательный аппарат, составила порядка 2,5 метров. Спустя месяц, Альберто Сантос-Дюмон совершил полет длинной в 220 метров на этом же самолете, установив в результате первый рекорд по дальности перелета.

Особенностью «14-бис» стала то, что конструкция смогла взлететь самостоятельно. Братьям Райт не удалось этого добиться, и их самолет поднялся в воздух с посторонней помощью. Именно этот нюанс стал основополагающим в спорах о том, кого же следует считать изобретателем первого самолета.

После «14-бис» изобретатель всерьез занялся разработкой моноплана, в результате мир увидел «Демуазель».

Альберто Сантос-Дюмон никогда не останавливался на достигнутом и не хранил свои изобретения в тайне. Конструкциями своих летательных аппаратов изобретатель охотно делился с тематическими изданиями.

Летательный аппарат Можайского

Проект своего летательного аппарата ученый представил на рассмотрение еще в 1876 году. Можайский столкнулся с непониманием чиновников Военного министерства, в результате ему не выделили средств на продолжение исследований.

Несмотря на это, ученый продолжил разработки, вкладывая собственные средства, из-за чего строительство прототипа самолета Можайского затянулось на долгие годы.

Самолет Можайского был построен в 1882 году. Первые испытания летательного аппарата закончились катастрофой, однако свидетели утверждают, что летательный аппарат все же поднялся на некоторое расстояние от земли прежде, чем потерпел крушение.

Так как документальных подтверждений полета нет, считать Можайского первым человеком, совершившим полет на самолете, нельзя. Однако разработки ученого послужили основой для развития авиации.

Так кто же был первым

Несмотря на многочисленные споры, о том, в каком году был изобретен летательный аппарат, первый официально зарегистрированный полет принадлежит братьям Райт, поэтому именно американцы считаются «отцами» первого самолета.

Сравнивать вклад в развитие авиации братьев Райт, Сантос-Дюмона и Можайского нецелесообразно. Несмотря на то, что первый самолет Можайского был построен за 20 лет до первого управляемого полета, изобретатель использовал другой принцип строительства, поэтому сравнивать его самолет с «Флаером» братьев Райт невозможно.

Сантос-Дюмон не стал первым, кто осуществил полет, однако изобретатель использовал принципиально новый подход к строительству летательного аппарата, благодаря чему его устройство самостоятельно поднялось в воздух.

Помимо первого управляемого полета, братья Райт внесли весомый вклад в развитие авиации, первыми предложив принципиально новый подход к строительству пропеллера и крыльев летательного аппарата.

Нет смысла спорить, кто из этих ученых стал первым, потому что все они внесли огромный вклад в развитие авиации. Именно их работы и исследования стали основой для изобретения прототипа современного авиалайнера.

Первые военные самолеты

Прототипы «Флаера» братьев Райт и летательного аппарата Сантос-Дюмон использовались в военных целях.

Если братья изначально преследовали цель изобретения техники, которая дала бы преимущество американской армии, то бразилец Сантос-Дюмон был против использования авиации в военных целях. Несмотря на это, его работы послужили отправной точкой для создания ряда летательных аппаратов, которые затем использовались во время войны. Интересно, что Можайский изначально также преследовал строительство летательного аппарата, который бы использовался в военных целях.

Первый реактивный самолет появился в разгар Второй мировой войны.

Первые пассажирские самолеты

Первые пассажирские самолеты появились благодаря И.И. Сикорскому. Прототип современного авиалайнера поднялся в воздух в 1914 году, на борту присутствовало 12 пассажиров. В этом же году авиалайнер «Илья Муромец» установил мировой рекорд, совершив первый полет на дальнюю дистанцию. Он пролетел расстояние от Санкт-Петербурга до Киева, сделав одну посадку для дозаправки.

Авиалайнер также участвовал для перевозки бомб во время Первой мировой войны. Война заставила российскую авиацию на некоторое время замереть в развитии.

В 1925 году появился первый самолет «К-1», затем мир увидел пассажирские авиалайнеры Туполева и самолеты разработки ХАИ. С этого времени пассажирским самолетам уделяется все больше внимания, они приобретают большую пассажировместимость и способность совершать полеты на дальние расстояния.

История развития реактивных самолетов

Первым идею реактивного самолета предложил российский изобретатель Телешов. Попытка заменить винт поршневым двигателем была осуществлена в 1910 году конструктором из Румынии А. Коанда.

Эти попытки не увенчались успехом, и первое успешное испытание реактивного самолета прошло в 1939 году. Испытания проводила немецкая компания Heinkel, однако в ходе конструирования модели было допущено несколько ошибок:

• неправильный выбор конструкции двигателя;
• большой расход горючего;
• частая потребность в дозаправке.

Тем не менее, первый прототип реактивного самолета смог развить высокую скорость набора высоты – более 60 метров за одну секунду полета.

Из-за допущенных конструктивных ошибок реактивный самолет не мог удаляться от аэродрома больше, чем на 50 километров, из-за необходимости частой дозаправки. Из-за ряда недостатков, первая удачная модель так и не попала в серийное производство.

Первым серийным самолетом стал Me-262 в 1944 году. Эта модель стала усовершенствованной версией предыдущей модели компании Heinkel.

Затем разработку реактивной авиационной техники подхватили Япония и Великобритания.

Видео

Таким образом, реактивные самолеты появились в самый разгар Второй Мировой войны. На их счету серьезные боевые победы, однако, потери среди них также очень велики. В первую очередь это связано с тем, что пилоты просто не успели пройти полноценное обучение по управлению принципиально новым летательным средством. С момента первого удачного полета до появления реактивных самолетов прошло всего 30 лет, в течение которых произошел большой прорыв в авиации.