Кессонная схема крыла.

Кессонная силовая схема крыла предусматривает использование ослабленных поясов лонжерона, которые воспринимают небольшую часть изгибающего момента, а большая его доля передается на силовые панели, установленные между лонжеронами.

Силовые панели имеют различное конструктивное исполнение:

-сборные панели из толстой обшивки и мощного стрингерного набора,

-монолитные панели с оребрением, изготовленные штамповкой или фрезерованием,

-трехслойные панели с сотовым заполнителем,

-клееные панели из композиционных материалов.

При изгибе крыла аналогично поясам лонжеронов одна панель растягивается, а вторая - сжимается осевыми нагрузками. Разрушение сжатой панели определяется критическими напряжениями общей или местной потери устойчивости, которые всегда ниже предела прочности материала.

Кессонная схема крыла требует принципиально иной схемы стыковки в разъеме по сравнению с лонжеронными крыльями. Для полноценной передачи изгибающего момента силовые панели в разъеме должны стыковаться не в отдельных точках, а по всему контуру этой панели. Конструктивно такой контурный стык может выполняться по-разному - уголками, стыковыми фитингами, накладками и т.п.

Моноблочная схема крыла.

В крыле моноблочной конструкции весь изгибающий момент воспринимается только силовыми панелями. Пояса лонжеронов полностью отсутствуют, а от лонжеронов остаются только их стенки, которые связывают между собой верхнюю и нижнюю силовые панели. В разъеме крыла силовые панели обязательно должны иметь контурный стык. По своим качествам и конструктивным особенностям моноблочное крыло почти ничем не отличается от крыла кессонного. Поэтому часто в литературе встречается термин кессонно-моноблочное крыло, объединяющий обе рассмотренные схемы.

Сравнительная оценка силовых схем крыла.

Кессонные и моноблочные крылья по своим качествам и конструктивным особенностям практически полностью идентичны. Поэтому часто встречается объединяющий их термин - кессонно-моноблочная силовая схема крыла. В данном разделе проводится сравнение кессонных и лонжеронных крыльев, причем все сказанное о крыльях кессонных полностью будет относиться и к моноблочным крыльям.

Сравнение по массе конструкции.

Основное отличие в массе лонжеронных и кессонных крыльев определяется разницей массы сжатых поясов лонжеронов и сжатых силовых панелей при одинаковой нагрузке. Теоретическая масса этих элементов зависит от величины их расчетных напряжений сжатия. У сжатых силовых панелей, как отмечено выше, эти напряжения всегда меньше. Однако, здесь следует учитывать, что в лонжеронном крыле к теоретической массе силовых поясов, определяемой нагрузкой, необходимо добавить массу обшивки и подкрепляющих ее стрингеров, которые хотя и не участвуют в работе на изгиб, но необходимы как чисто конструктивные элементы для образования внешней поверхности крыла и восприятия местной воздушной нагрузки. У кессонных крыльев такой конструктивной «неработающей» добавки не будет, т.к. силовая панель выполняет одновременно обе функции - и силовую, и конструктивную. Таким образом, сказать сразу какая силовая схема выгоднее по массе нельзя. Все будет определяться уровнем критических напряжений сжатой силовой панели кессонного крыла. Эти напряжения зависят от величины нагрузки, приходящейся на панель при изгибе, а нагрузка определяется размерами и массой самолета, его максимальной скоростью полета, сильно зависит от относительной толщины профиля. Практика проектирования показывает, что для скоростных, тяжелых самолетов выгоднее по массе кессонная схема, а для небольших и тихоходных самолетов - меньшую массу имеет лонжеронное крыло. Приближенно выгодность перехода от лонжеронной схемы к кессонной можно оценить по эквивалентной толщине плиты постоянного сечения, площадь которой равна площади сечения реальной панели. Если эта толщина меньше 5 мм, то выгоднее по массе крыло лонжеронное, а при толщине более 5-6 мм более выгодным становится крыло кессонное.

Сравнение по жесткости.

Более низкий уровень изгибных напряжений и более толстая обшивка кессонных крыльев дают меньшие деформации изгиба и кручения, т.е. эта схема обладает большей жесткостью, что особенно важно для получения требуемых характеристик аэроупругости. Кессонные крылья имеют более высокие критические скорости дивергенции крыла, реверса элеронов, флаттера.

Сравнение по удобствам компоновки и эксплуатационной технологичности.

В лонжеронных крыльях достаточно просто, без заметного увеличения массы конструкции можно делать любые вырезы для размещения в них различных грузов, оборудования, вооружения, шасси. В кессонных крыльях даже небольшие вырезы существенно нарушают его силовую работу и требуют значительного увеличения массы конструкции за счет дополнительных местных усилений. Поэтому иногда по компоновочным и эксплуатационным соображениям конструктору приходится отказываться от более выгодной кессонной схемы и переходить на лонжеронную.

Живучесть кессонного крыла выше из-за распределения силового материала по большей поверхности. В таком крыле местные повреждения конструкции приводят к меньшей потере прочности, чем у лонжеронных крыльев, у которых повреждение одного пояса лонжерона может вывести из строя все крыло. Это свойство благоприятно влияет и на повышение ресурса самолета, делая его конструкцию менее чувствительной к усталостным повреждениям конструкции.

Аэродинамические качества.

Толстые панели кессонных крыльев обеспечивают высокое качество поверхности, меньшие деформации и искажения заданного контура крыла под нагрузкой. Это дает меньшее сопротивление и более стабильные аэродинамические качества кессонных крыльев по сравнению с лонжеронными.

Органы управления на крыле.

На концах крыла в хвостовой его части шарнирно подвешиваются элероны, которые обеспечивают управление и балансировку самолета по крену.

Правый и левый элероны отклоняются в противоположные стороны и за счет разницы в подъемной силе крыльев создают момент крена. У самолетов, имеющих крылья большого удлинения и высокие околозвуковые скорости полета, эффективность элеронов падает из-за проявления аэроупругого явления, получившего название реверс (обратная работа) элеронов. Суть его связана с тем, что изменения подъемной силы, вызванные отклонением элеронов, закручивают крыло и изменяют его угол атаки, что приводит к появлению новых приращений подъемной силы, которые направлены в противоположные по отношению к силам, создаваемым элеронами, сторону. В результате уменьшается кренящий момент самолета, что летчиком ощущается как снижение эффективности элеронов с ростом скорости полета. В конечном счете при определенной скорости полета, называемой критической скоростью реверса, элероны полностью перестают работать, а на более высоких скоростях создают кренящий момент обратного знака. Устранить обратную работу элеронов и уменьшить деформации кручения крыла при их отклонении можно или переносом элеронов с конца крыла в среднюю его часть, или сокращением размеров, прежде всего размаха, элеронов. В том и другом случае эффективность элеронов снижается. Компенсировать падение эффективности можно установкой дополнительных поверхностей управления по крену - интерцепторов. Интерцептор представляет собой щиток, шарнирно закрепленный на верхней поверхности крыла, который дополнительным приводом синхронно с идущим вверх элероном отклоняется также вверх и, вызывая интенсивный срыв потока на крыле, увеличивает кренящий момент самолета. При отклонении элерона вниз интерцептор прижат к крылу и не работает. Такие интерцепторы принято называть элеронными или элерон-интерцепторами. Их не следует путать с тормозными интерцепторами - гасителями подъемной силы, которые отклоняются синхронно на левом и правом крыльях и служат для симметричного срыва подъемной силы, что в полете может использоваться для увеличения крутизны траектории снижения, а на пробеге для увеличения нагрузки на колеса шасси и более интенсивного их торможения.