Космічні конструкції. Космічні апарати та техніка

Вступ

З курсу фізики я дізналася, що для того, щоб тіло стало штучним супутником Землі, йому потрібно повідомити швидкість рівну 8 км/с (I космічна швидкість). Якщо таку швидкість повідомити тілу в горизонтальному напрямку на поверхні Землі, то за відсутності атмосфери воно стане супутником Землі, що обертається навколо неї по круговій орбіті.

Таку швидкість супутникам здатні повідомляти лише досить потужні космічні ракети. В даний час навколо Землі звертаються тисячі штучних супутників!

А для того, щоб досягти інших планет космічному кораблю необхідно повідомити II космічну швидкість, це близько 11, 6 км/с! Наприклад, щоб досягти Марса, що незабаром збираються зробити американці, потрібно летіти з такою величезною швидкістю понад вісім з половиною місяців! І це крім зворотної дороги Землю.

Яким же має бути пристрій космічного корабля, щоб досягти таких величезних, неймовірних швидкостей? Ця тема мене дуже зацікавила, і я вирішила дізнатися про всі тонкощі конструкції космічних кораблів. Як виявилося, завдання практичного конструювання викликають у житті нові форми літальних апаратів і вимагають розробки нових матеріалів, які у свою чергу створюють нові проблеми та виявляють багато цікавих аспектів старих проблем як у галузі фундаментальних, так і прикладних досліджень.

Матеріали

Основу розвитку техніки становлять знання властивості матеріалів. У всіх космічних апаратах використовуються різноманітні матеріали в різних умовах.

В останні кілька років різко зросла кількість матеріалів, що вивчаються і представляють для нас інтерес характеристик. Швидке зростання кількості технічних матеріалів, що використовуються при створенні космічних кораблів, а також зростання взаємозалежності конструкцій космічних кораблів і властивостей матеріалів ілюструються табл. 1. У 1953 р. алюміній, магній, титан, сталь та спеціальні сплави представляли інтерес насамперед як авіаційні матеріали. П'ять років по тому, 1958 р., вони отримали широке застосування в ракетобудуванні. У 1963 р. кожна із зазначених груп матеріалів включала вже сотні комбінацій елементів або складових частин, а кількість матеріалів, що представляють інтерес, збільшилася на кілька тисяч. Нині майже скрізь потрібні нові та вдосконалені матеріали, і навряд чи становище зміниться у майбутньому.

Таблиця 1

Матеріали, що використовуються в конструкціях космічних апаратів

Матеріал
Берилій
Матеріали, що забезпечують регулювання теплового режиму
Термоелектричні матеріали
Фотоелектричні матеріали
Захисні покриття
Кераміка
Матеріали, армовані нитками
Покриття, що вносяться (абляційні матеріали)
Шаруваті матеріали
Полімери
Тугоплавкі метали
Спеціальні сплави
Титанові сплави
Магнієві сплави
Алюмінієві сплави

Потреба нових знань у галузі матеріалознавства та технології матеріалів знаходить відгук у наших університетах, приватних компаніях, незалежних дослідницьких організаціях та різних урядових органах. Табл.2 дає деяке уявлення про характер та масштаби досліджень, що проводяться НАСА в галузі розробки нових матеріалів. Ці роботи включають як фундаментальні, так і прикладні дослідження. Найбільші зусилля зосереджені у сфері фундаментальних дослідженьз фізики твердого тіла та хімії. Тут цікавлять атомну будову матерії, міжатомні силові взаємодії, рух атомів і особливо вплив дефектів, порівнянних з розмірами атомів.

Таблиця 2

Програма дослідження матеріалів

До наступної категорії відносяться конструкційні матеріали з великою питомою міцністю, як титан, алюміній та берилій, теплостійкі та тугоплавкі сплави, кераміка та полімери. До особливої ​​групи слід зарахувати матеріали для надзвукової транспортної авіації.

У програмі НАСА постійно зростає інтерес до категорії матеріалів, що використовуються в електроніці. Ведуться дослідження надпровідників та лазерів. У групі напівпровідників вивчаються як органічні, і неорганічні матеріали. Ведуться також дослідження у галузі термоелектроніки.

І нарешті, програма дослідження матеріалів завершується розглядом із загальних позицій питань практичного використання матеріалів.

Щоб показати потенційні можливості застосування результатів дослідження матеріалів у майбутньому, я зупинюся на дослідженнях, пов'язаних із вивченням впливу просторового розташування атомів на фрикційні властивості металів.

Якби вдалося зменшити тертя між металевими поверхнями, що стикаються, то це дозволило б удосконалити практично всі типи механізмів з рухомими частинами. У більшості випадків тертя між поверхнями, що стикаються, велике, і щоб його знизити, застосовується мастило. Однак розуміння механізму тертя між незмазаними поверхнями також становить великий інтерес.

На рис.1 представлені деякі результати досліджень, проведених у Льюїському дослідному центрі. Експерименти проводилися за умов глибокого вакууму, оскільки атмосферні гази забруднюють поверхні та різко змінюють їх фрикційні властивості. Перший важливий висновок у тому, що фрикційні характеристики чистих металівсильно залежить від їхньої природної атомної структури (див. ліву частину рис.1). При твердінні металів атоми одних утворюють гексагональну просторову решітку, а атоми інших – кубічну. Було показано, що метали з гексагональними гратами володіють набагато меншим тертям, ніж метали з кубічними гратами.

Рис 1. Вплив атомної структури на сухе тертя (без мастила).

Рис.2. Вимоги до теплостійких матеріалів.

Вирішення всієї сукупності складних конструкційних, схемотехнічних і технологічних завдань при розробці, створенні та експлуатації космічних засобів неможливе без широкого розвитку та впровадження результатів космічного матеріалознавства. При розробці космічних засобів потрібні нові матеріали, які повинні витримувати навантаження космічних польотів (високі температура та тиск, вібраційні навантаження на етапі виведення, низькі температури космічного простору, глибокий вакуум, радіаційний вплив, мікрочастинки тощо) та мати досить низьку питому масу . Весь спектр сильних, найчастіше з різкими переходами впливів на металеві та неметалеві конструкції та елементи істотно впливає на їх глибинні структурні властивості і, як наслідок, на надійність і довговічність космічних засобів різного призначення.

Метали – основні конструкційні матеріали для виробів ракетно-космічної техніки, їхня маса в масі сухих виробів становить понад 90 %. Тому вдосконалення тактико-технічних характеристик виробів багато в чому визначається властивостями сплавів, що застосовуються. За останні роки розроблено та надалі отримає новий розвиток покоління алюмінієвих сплавів, легованих літієм та скандією. Заміна традиційних сплавів новими дозволить знизити масу вузлів виробів РКТ на 10-30%, залежно від типу конструкції. Технологія отримання деталей з нових гранульованих сплавів поряд із можливістю підвищення робочих температур до 850°З забезпечить зниження маси вузлів на 10-30%.

Революційні рішення у створенні перспективних виробів РКТ ХХІ ст. може забезпечити новий класконструкційних матеріалів – інтерметаліди (хімічні сполуки титан – алюміній, нікель – алюміній та ін.). Ці матеріали мають низьку щільність (3,7-6,0 г/см 3) і мають високу жароміцність (до 1200°С), високі характеристики корозійної стійкості, жаростійкості та зносостійкості.

Титановий сплав, що розробляється в даний час за технологічністю в машинобудівному виробництві, буде рівноцінний традиційній нержавіючій сталі (не потрібно обладнання для зварювання та термообробки з контрольованою атмосферою). Сплав завдяки легуванню головним чином гафнієм і ніобієм не окислюватиметься при нагріваннях до 850-900°С. Не потрібно термообробки зварних з'єднань для зняття залишкової напруги, що виключає необхідність використання печей для термообробки та камер для зварювання з контрольованою атмосферою. При необхідності термообробка зварних вузлів для запобігання повідкам від залишкових напруг (наприклад, великогабаритних конструкцій типу рам, ферм, екранів донного захисту тощо) може проводитися в повітряній атмосфері без подальшого очищення і травлення. Зварювання деталей можна здійснювати лише при струминному захисті аргоном, не боячись окислення шва. Сплав буде працездатний у широкому інтервалі температур від -253 до +450 °С. Він відкриває широкі перспективи застосування титану в ракетобудуванні замість нержавіючих сталей, дозволить практично втричі поліпшити масові характеристики виробів.

Підвищення міцності металевих матеріалів традиційними методами(збільшенням вмісту легуючих елементів, покращенням технологій термомеханічного зміцнення тощо) до теперішнього часу вичерпало свої можливості. Сучасні сплави містять велика кількістьдорогих і рідкісних металів: кобальту, вольфраму, ніобію, молібдену, нікелю та ін., що різко підвищує їхню вартість. Крім того, значне збільшення кількості легуючих елементів у сплавах призводить до зональної та об'ємної ліквації в зливках і, як наслідок, до анізотропії властивостей напівфабрикатів та деталей з них. Великий резерв підвищення властивостей конструкцій РКТ лежить у використанні інтерметалідних сполук. Для розробки жароміцних конструкційних матеріалів на основі інтерметалідних сполук найбільший інтерес становлять системи титан-алюміній та нікель – алюміній, залізо – хром – алюміній.

Інтерметаліди (хімічні сполуки металів) за своєю структурою займають проміжне положення між металами та керамікою. Вони мають складну кристалічну структуру з наявністю в міжатомних зв'язках до 30 % ковалентної складової, що визначає їх унікальні фізико-механічні властивості– високі жароміцність та жаростійкість, високу корозійну стійкість у порівнянні з нержавіючими сталями (особливо в кисні) та високу зносостійкість. Крім того, інтерметаліди мають низьку густину. Інтерметалідні сплави на основі титану можуть працювати до температури +850 ° С без захисних покриттів, сплави на основі нікелю – до +1500 °С.

Весь комплекс властивостей інтерметалідів може вплинути на багато сфер техніки і в першу чергу на створення перспективних зразків авіакосмічної техніки, в тому числі літальних апаратів з гіперзвуковими швидкостями (до М = 25). Використання інтерметалідів у рухових установках (ротор, статор, крильчатки, клапанна група, неохолоджувані сопла тощо) дозволить підвищити питому тягу двигунів на 25-30%, забезпечить зниження маси конструкцій до 40%.

Перспективні неметалеві матеріали. Терморегулюючі покриття. Одним з основних факторів, що визначають надійність та довговічність роботи КА, є стабільність його теплового режиму, оскільки сучасна оптико-радіоелектронна апаратура КА працює у певному температурному режимі. У систему терморегулювання апаратів входять різні терморегулюючі покриття (ТРП), які встановлюють баланс між виділенням тепла всередині КА, енергією, що поглинається з космосу, і енергією, що перевипромінюється в космічний простір.

ТРП характеризуються терморадіаційними характеристиками, які під дією різних факторів космічного простору (особливо іонізуючого випромінювання) змінюються, що призводить до збільшення температури всередині КА та зниження термінів його активного існування (САС). Як показав досвід минулих років, низка КА не змогли виконати намічені програми внаслідок перегріву через підвищення коефіцієнтів поглинання сонячного випромінювання ТРП у системі пасивного терморегулювання. Аналіз існуючих ТРП свідчить, що вони не можуть забезпечити збільшення САС до 15 років, особливо для КА, що експлуатуються на високих еліптичних та геостаціонарних орбітах. Тому створення ТРП класів "сонячні відбивачі" і "справжні поглиначі", що володіють стабільними терморадіаційними характеристиками та одночасно антистатичними властивостями при тривалій експлуатації в космосі, з низьким газовиділенням є однією з важливих завданькосмонавтики ХХІ ст. Розробка таких покриттів дозволить знизити до мінімуму відхилення від заданого теплового режиму, зменшити збої в роботі та відмови високочутливої ​​оптичної та радіоелектронної апаратурищо дасть можливість збільшити САС КА до 15 років.

Перспективними напрямками для вирішення цього завдання є:

розробка комбінованих або модифікованих термостійких та радіаційно стійких сполучних з низьким газовиділенням (акрилових, кремнійорганічних, уретанових смол);

підбір чи розробка ефективних стабілізаторів деградації за умов космічного впливу;

розробка білих або чорних пігментів, у тому числі з підвищеною електропровідністю, стійких до тривалого впливу;

розробка знімних покриттів з метою захисту на період виготовлення та зберігання вузлів та виробів до 5 років.

Перспективні конструкційні полімерні композиційні матеріали. Дзеркала антенних конструкцій із вуглепластику знайдуть широке застосування для вирішення задач зв'язку через супутники. Їх застосування при масі до 15 кг забезпечить руйнівне навантаження 900 кг при терміні служби не менше 20 років.

Стільникові матеріали (тришарові) з вуглепластику в несучих елементах конструкцій у порівнянні з одношаровими (монолітними) за заданих умов експлуатації та збільшення навантажень при заданій масі елемента забезпечать:

зниження маси елемента конструкції на 40-50% та підвищення його жорсткості на 60-80%;

підвищення надійності на 20-25% та збільшення гарантійного терміну на 60-70%.

Крім того, цей вид матеріалів дозволить забезпечити спеціальні електрофізичні властивості (наприклад, для антен радіолокаторів), а також вимоги щодо теплостійкості та теплопровідності.

Балони тиску. Легкі судини і ємності, виготовлені з композиційних полімерних матеріалів і працюють під тиском, успішно застосовуються в ракетно-космічній техніці. Створено та експлуатуються паливні баки, кулі-балони, корпуси ракетних двигунів, акумулятори тиску, дихальні балони для льотчиків та космонавтів. Застосування органо- та скловолокон дозволить створювати довговічні балони тиску з високим коефіцієнтом вагової досконалості.

Телескопи Створення елементів прецизійної апаратури пов'язане із забезпеченням незмінності їх геометричних розмірів (розміростабільності) при зміні широкого діапазону (±150 °С) температурного поля. Розроблять технології, які дозволять створювати полімерні композиційні матеріали з вуглепластику, що забезпечують високу розміростабільність елементів апаратури для заданого температурного поля.

"Інтелектуальні" матеріали. Прогрес техніки та технології нерозривно пов'язаний із розробкою та впровадженням нових матеріалів. В останнє десятиліття поряд з постійним удосконаленням існуючих матеріалів, що зумовлюють суттєвий технічний та економічний ефектзавдяки унікальному поєднанню властивостей намітилися тенденції створення нових матеріалів, здатних до активної взаємодії із зовнішніми факторами. Такі матеріали отримали назви "інтелектуальних", "розумних", "мудрих" тощо. Вони здатні “відчувати” свій фізичний стан, зовнішні впливу та особливим чином реагувати на ці “відчуття”, тобто. здатні здійснювати самодіагностику щодо виникнення та розвитку дефекту, його усунення та стабілізувати свій стан у критичних зонах.

Внаслідок різноманіття властивостей “інтелектуальних” матеріалів вони можуть застосовуватись у різних елементах конструкцій ракетно-космічної техніки (корпуси, обтічники, відсіки, вузли тертя та ін.). Застосування таких матеріалів дозволить контролювати та прогнозувати стан різних конструкцій та споруд у потрібний момент часу і навіть на важкодоступних ділянках, значно підвищити ресурс систем та їх надійність. З аналізу експертних оцінокфахівців слід, що у найближчі 20 років 90 % сучасних матеріалів, застосовуваних у промисловості, замінять новими, зокрема “інтелектуальними”, що дозволить створити елементи конструкцій, які визначати технічний прогресХХІ ст.

Ущільнювальні та герметизуючі матеріали. Незважаючи на існуючу різноманітність ущільнювальних та герметизуючих матеріалів є велика потреба у розробці нових, перспективних матеріалів, орієнтованих на потреби космонавтики XXI ст. Вона виникла у зв'язку з вимогами щодо скорочення числа, що посилюються. технологічних процесівпри виробництві виробів, розширенні температурного інтервалу, працездатності та термінів активного існування КА та засобів виведення. Ставляються завдання зі створення нових класів гум, герметиків та компаундів (у тому числі струмопровідних гум та герметиків; термо-, морозо-, агресивностійких гум; термо-, агресивностійких анаеробних герметиків; теплопровідних, що поглинають НВЧ-енергію компаундів). Струмопровідні гуми та герметики з підвищеними в 1,5-2 рази технічними характеристикамизавдяки вдосконаленню технологічних процесів забезпечать зняття статичної електрики з КА та дозволять збільшити САС з 5 до 10-15 років.

Радіаційно-стійкі мастильні матеріалинеобхідні для забезпечення надійної роботи вузлів тертя у різних газових та рідких середовищах у широкому інтервалі температур у наземних умовах та відкритому космосі протягом 10-15 років. Пластичні мастила є універсальним експлуатаційно-консерваційним засобом захисту деталей та машин від кліматичного впливу при їх зберіганні. Мастила, що розробляються, повинні бути ефективні в будь-якій кліматичній зоні і придатні при тривалому зберіганні навіть на відкритих майданчиках.

Конструкційний клей з підвищеною еластичністю та низьким газовиділенням. В даний час для кріплення елементів сонячних батарей, кронштейнів та інших деталей, проведення ремонтних робіт на навантажених поверхнях космічної техніки широко застосовуються вібро-, ударостійкі, стійкі до термоциклювання епоксикремнійорганічні клеї. Їхнім суттєвим недоліком є ​​значне газовиділення (до 8 %) при впливі вакууму та підвищених температур. Газоподібні продукти, що виділяються, забруднюють робочі поверхні оптико-електронних приладів, встановлених на КА і часто визначають їх працездатність. З метою забезпечення чистоти приладів (продовження термінів їх надійної роботи) для зовнішніх поверхонь виробів РКТ слід розробити та застосовувати матеріали (у тому числі і клеї) із загальною втратою маси не більше 1,0 % та виділенням речовин, що легко конденсуються, не більше 0,1 % .

Для склеювання різнорідних матеріалів в умовах термоциклювання та високих вібраційних та ударних навантажень необхідно застосовувати клеї з підвищеною еластичністю у поєднанні з високою міцністю (до 20 МПа). Струмопровідні клеї призначаються для створення електричних контактів у тих випадках, коли гаряче паяння є неприйнятним або неможливим – у важкодоступних місцях стиків екранних перегородок і корпусу.

У виробах РКТ струмопровідні конструкційні клеї з достатньою міцністю склеювання застосовуються в приладах систем керування для:

кріплення струмопровідних елементів, монтаж електричних схем радіоелектронної апаратури;

екранування окремих вузлів у конструкціях складної форми, електрогерметизації складальних одиниць.

В даний час з'явилися науково-технологічні передумови для створення струмопровідних клеїв холодного затвердіння, що не містять дорогоцінних металів, призначених для створення високонадійних електропровідних з'єднань у приладах СУ виробів РКТ, екранування окремих місць (труднодоступних для паяння) у конструкціях складної форми. Створення струмопровідних клеїв з добрими конфекційними властивостями дозволить знімати статичні електричні заряди з поверхні КА і, отже, підвищити надійність та тривалість роботи елементів радіоелектронної апаратури, суттєво знизити пожежонебезпечність виробів.

Матеріали з урахуванням вуглецю. В галузі розробок нових матеріалів на основі вуглецю подальший розвитокотримає створення вуглець-вуглецевих, вуглець-карбідних композиційних матеріалів, які знайдуть широке застосування в РКТ (елементи рухових установок, теплозахисту, осколково- та радіаційно-захисних екранів, радіопрозорих конструкцій тощо) і за більш високих експлуатаційних характеристиках, а й зі збільшенням вартості, дозволять отримати зниження маси виробів на 30-50%.

Технології керування. У галузі перспективних технологій управління необхідно виділити як першочергове вирішення наступних завдань: управління багатосупутниковими розподіленими космічними системами (у тому числі і на базі мікро- та наносупутників); розробка самонавчання автономних систем управління на основі нейромережевих технологій, штучного інтелекту; зменшення наземної інфраструктури засобів управління; забезпечення безпеки використання космічного простору в умовах його засміченості та збільшення числа КА, що розгортаються.

Аналіз тенденцій розвитку орбітальних засобів (ОС) наприкінці XX ст. дозволяє припустити, що з першої половини XXI в. будуть характерні такі основні особливості розвитку. Перша особливість буде пов'язана зі значною концентрацією зусиль у галузі космічного зв'язку на користь створення багатосупутникових систем низькоорбітального зв'язку. Як приклад на рис. наведено очікувану зміну відносної кількості орбітальних засобів різного цільового призначення, розгорнутих в області ближнього космосу. При цьому до середини ХХІ ст. збережеться провідна роль орбітальних засобів зв'язку та передачі, розгорнутих у сфері геостаціонарної орбіти, і засобів навігації у сфері середніх орбіт.

Другою провідною тенденцією розвитку космосу у першій половині ХХІ ст. буде значне збільшення числа орбітальних засобів і систем (насамперед на основі малих КА, а також мікро- та наносупутників), що функціонують в області ближнього космосу.

При цьому очікується істотне збільшення відносної кількості малих КА, у тому числі і наносупутників, при зниженні частки великих КА при вирішенні різних завдань.

Необхідно відзначити, що першочерговий розвиток розглянутих технологій буде основою розвитку космонавтики XXI ст.

Носії важкого класу з числа зарубіжних країнмають у своєму розпорядженні США, країни Європейського космічного агентства (ЄКА) і Японія. Перші важкі носії створили американцями в 1964-1967 рр. . для забезпечення місячної програми Apollo. Найпотужніший із них Saturn-5 дозволяв виводити на навколоземну орбіту висотою 500 км корисний вантаж масою близько 120 т. Із завершенням програм Apollo та Skylab…

Китай експлуатує КА військового та подвійного застосування для зв'язку, метеозабезпечення, ДЗЗ, а також запускає експериментальні КА, у тому числі військові. Для управління цими КА призначений багатопунктний, організаційно єдиний ПКУ, що експлуатується Китайським об'єднанням із запусків, стеження, телеметрії та управління КА. Це об'єднання підпорядковане Комітету з оборонної науки, техніки та оборонної промисловості(КОНТОП) Держради. До складу ПКУ…

Наприкінці 1970-х років. у нашій країні та в США було розпочато вирішення завдання з розробки та розгортання глобальних навігаційних систем ГЛОНАСС та Navstar. В складі яких мали функціонувати 24 повнорозмірних КА (21 основний + 3 резервних). Істотне збільшення числа КА у системі значно ускладнило розв'язання задачі розгортання у встановлені терміни. У 1990-ті рр.….

Ракета-носій "Старт-1" створена Науково-технічним центром (НТЦ) "Комплекс" Московського інституту теплотехніки (МІТ), який добре відомий як творець міжконтинентальних балістичних ракет, у тому числі МБР "Тополь" (SS-25), що стала прообразом нового носія. РН "Старт-1" призначена для виведення малих космічних апаратів на низькі навколоземні орбіти. Вже було проведено два успішні пуски цієї ракети-носія з космодрому Вільний з експериментальним КА.

Існуюча система засобів виведення має у своєму складі КРК легкого, середнього та важкого класів, що базуються на вітчизняному космодромі Плесецьк та космодромі Байконур, розташованому на території Республіки Казахстан. Перехід під юрисдикцію колишніх республік СРСР об'єктів космічної інфраструктури поставив перед Росією низку проблем: забезпечення незалежності у здійсненні космічної діяльності, і насамперед у військовій галузі; раціональне…

Складність об'єктів ракетно-космічної техніки обумовлена ​​різноманітністю розв'язуваних ними завдань наукового, соціально-економічного та оборонного характеру. У перспективі багатофункціональні об'єкти РКТ за своїми можливостями наближатимуться до автоматичних літаючих робіт, а їх угруповання та комплекси управління – до великих просторово розподілених інтелектуальних систем. Такі системи топологічно можуть бути представлені у вигляді наземно-космічної інтелектуальної інформаційної мережі. Інтелектуальність мережі,…

Під час створення європейських носіїв використовувався принцип поступового вдосконалення існуючих систем, що вважається традиційним у літакобудуванні. Це показують різні модифікації РН, зокрема РН Ariane-4. На відміну від них важка Ariane-5 – новий крок уперед у всіх відносинах, тому ця РН, як припускають західноєвропейські фахівці, має стати першою моделлю нової серії. За допомогою РН Ariane-5 передбачається...

Національне управління Японії з космосу NASDA (НАСДА) розробляє та експлуатує КА зв'язку, ДЗЗ, метеозабезпечення та інші, що мають подвійне призначення. Наукові КА веде Інститут авіаційно-космічних досліджень ISAS (ІСАС). Обидві організації мають власні ЦУ КА та КВП. Однак на деяких КВП, розташованих поза територією Японії, мабуть, встановлені кошти обох організацій, які при необхідності використовуються спільно. Тут ПКУ…

Істотне зростання складності РКТ, розробка КА тривалого функціонування та високі вимоги до безвідмовності внесли принципові зміни до методології забезпечення та контролю за їх надійністю. Основна увага при забезпеченні та контролі надійності РКТ була спрямована на аналіз причин потенційних та малих при випробуваннях відмов, розробку ефективних заходів щодо їх попередження. Основні засади сучасної методології забезпечення та…

Державний космічний науково-виробничий центр ім. М.В. Хруничева у межах програми “Ангара” веде розробку цілої низки ракет-носіїв, ключовим ланкою якої є створення ракети-носія важкого класу – носія XXI в. як транспортної основи космічної програми Росії ДКР зі створення сімейства РН “Ангара” проводиться виходячи з Указу Президента РФ № 14 від 6 січня 1995 р. “Про створення…

АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ: АЕРОКОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ

До статті АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ

Транспортні літаки та винищувачі. Типове компонування сучасного транспортного літака складається з посиленого монококового фюзеляжу з дволонжеронними крилами та дволонжеронними елементами хвостового оперення. У конструкціях літаків використовуються переважно алюмінієві сплави, проте для окремих елементів конструкції застосовуються й інші матеріали. Так сильно навантажені кореневі частини крила можуть бути виготовлені з титанового сплаву, а рульові поверхні - з композиційного матеріалу з поліамідними або скляними нитками. У хвостовому оперенні деяких літаків застосовують графіто-епоксидні матеріали. У конструкції сучасного літака-винищувача втілені останні досягнення в галузі авіабудування. На рис. 16 показана конструкція типового літака-винищувача з багатолонжеронним трикутним крилом і посиленим монококовим фюзеляжем. Окремі елементи крила та хвостового оперення цього літака виконані з композиційних матеріалів.

Кольєр. Словник Кольєра. 2012

Дивіться ще тлумачення, синоніми, значення слова і що таке АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ:

• КОСМІЧНІ
  КОСМІЧНІ ШВИДКОСТІ, див. Перша космічна швидкість, Третя космічна швидкість, Параболічна ...
• КОСМІЧНІ у Великому російському енциклопедичному словнику:
  КОСМІЧНІ ПРОМІНІ, потік стабільних частинок високих енергій (прибл. від 1 до 10 12 ГеВ), що приходять на Землю зі світового простору.
• КОСМІЧНІ у Великому російському енциклопедичному словнику:
  "КОСМІЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ", нав. журнал РАН, з 1963, Москва. Засновник (1998) – Президія РАН. 6 номерів у …
• АВІАЦІЙНО у словнику Синонімів російської.
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ у Словнику Кольєра:
  Тут розглядаються основні (силові) елементи конструкцій літаків та повітряно-космічних літальних апаратів, сучасні матеріалита важливі конструктивні особливостіавіаційно-космічної техніки. Див …
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ: КАРКАСНІ КОНСТРУКЦІЇ у Словнику Кольєра:
  До статті АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ Для збільшення швидкості літака довелося кардинально змінити його конструкцію - перейти до каркасних конструкцій. Основою …
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ: МОНОКОКОВА КОНСТРУКЦІЯ у Словнику Кольєра:
  До статті АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ Принцип монококу. Зі збільшенням швидкостей польоту літака дедалі важливішою ставала проблема зменшення лобового опору. Цілком …
• БУДІВЕЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ
  конструкції, що несуть та захищають конструкції будівель та споруд. Класифікація та сфери застосування. Поділ С. до. за функціональним призначенням на несучі …
• СТАЛЕВІ КОНСТРУКЦІЇ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  конструкції будівель та споруд, конструкції, елементи яких виготовлені зі сталі та з'єднані зварюванням, заклепками або болтами. Завдяки високій міцності стали …
• ЗБІРНІ КОНСТРУКЦІЇ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  конструкції в будівництві, конструкції, що збираються (монтуються) з готових елементів, що не потребують доповнення. обробки (обрізки, припасування та ін.) на місці будівництва. …
• ЗАХИСНІ КОНСТРУКЦІЇ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  конструкції будівель і споруд, будівельні конструкції (стіни, перекриття, покриття, заповнення прорізів, перегородки і т.д.), що обмежують обсяг будівлі (споруди) та …
• МЕТАЛЕВІ КОНСТРУКЦІЇ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  конструкції, металоконструкції, загальна назва конструкцій, виконаних з металів та застосовуваних у будівництві. Сучасні М. до. поділяються на сталеві.
• ВЕЛИКОПАНЕЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  конструкції, збірні конструкції будівель та споруд із великорозмірних, що монтуються на будівельному майданчику, площинних елементів (панелей) заводського виготовлення. К. к. - …
• КАМ'ЯНІ КОНСТРУКЦІЇ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  конструкції, що несуть та захищають конструкції будівель та споруд з кам'яної кладки (фундаменти, стіни, стовпи, перемички, арки, склепіння та ін.). Для …
• ЗАЛІЗОБЕТОННІ КОНСТРУКЦІЇ ТА ВИРОБИ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  конструкції та вироби, елементи будівель та споруд, що виготовляються із залізобетону, та поєднання цих елементів. Високі техніко-економічні показники Ж. до.
• ДЕРЕВ'ЯНІ КОНСТРУКЦІЇ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  конструкції, будівельні конструкції, виготовлені з деревини: Д. до. у вигляді стрижневих систем можуть мати металеві, зазвичай розтягнуті, елементи (нижній …
• МІЦНИЙ РОЗРАХУНОК КОНСТРУКЦІЇ у Словнику Кольєра:
  початковий етап проектування конструкції, на якому визначаються сили, що діють на неї. Співвідношення між розрахунком та проектуванням. Головна задачатут - …
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ: СВЕРХЗВУКОВІ ЛІТАКИ І ІН. у Словнику Кольєра:
  До статті АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ Розвиток авіаційно-космічної техніки характеризується сталою тенденцією зростання тягоозброєності (тягоозброєністю називається відношення тяги силової установкилітального апарату.
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ: КК ШАТТЛ у Словнику Кольєра:
  До статті АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ Орбітальний космічний корабель"Шаттл" здатний літати в атмосфері Землі з гіперзвуковими швидкостями. Крила апарату мають багатолонжеронний …
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ: АЕРОКОСМІЧНІ МАТЕРІАЛИ у Словнику Кольєра:
  Багато матеріалів втрачають свою міцність при високих температурах, які виникають у надзвуковому польоті. Тому для аерокосмічних …
• ПАРАЛЕЛЬНІ СИНТАКСИЧНІ КОНСТРУКЦІЇ у Словнику лінгвістичних термінів:
  Конструкції, близькі за значенням, але виражені різними синтаксичними одиницями (порівн.: синонімічні конструкції). Зазвичай паралельні синтаксичні конструкції утворюються як …
• СРСР. ТЕХНІЧНІ НАУКИ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  науки Авіаційна наука і техніка У дореволюційній Росії було побудовано низку літаків оригінальної конструкції. Свої літаки створили (1909–1914) Я. М. …
• КОСМІЧНА СТАНЦІЯ: КОСМІЧНІ СТАНЦІЇ ЧАСІВ ХОЛОДНОЇ ВІЙНИ у Словнику Кольєра:
  До статті КОСМІЧНА СТАНЦІЯ Наприкінці 1950-х років фахівці як у Сполучених Штатах, так і Радянському Союзі не мали …
• Аерокосмічні апарати: СПЕЦІАЛІЗАЦІЯ ЗА ПРОФЕСІЯМИ у Словнику Кольєра:
  До статті АЕРОКОСМІЧНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ КОНСТРУЮВАННЯ У структурі типової авіаційно-космічної компанії можна виявити низку груп фахівців, які виконують специфічні функції. Проектування. …
• Космічні забобони у Довіднику Чудес, незвичайних явищ, НЛО та іншого:
  велика кількість забобонів та повір'їв, що існують серед космонавтів, ракетників та космічних фахівців, виникнення яких пов'язане не так з ідеалістичними настроями, …
• ТОКСИКОЛОГІЯ АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНА у медичних термінах:
  розділ Т., що вивчає вплив на організм шкідливих хімічних речовин, що забруднюють атмосферу кабін літальних апаратів, та розробляє відповідні гігієнічні нормативи та …
• КОСМІЧНІ Промені у Великому енциклопедичному словнику:
  
• Фігури стилістичні у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  стилістичні (грец. schema, лат. figura - контур, зовнішній вигляд; мовний зворот), система історично сформованих способів синтаксичної організації мови, що застосовуються переважно …
• СТІЙКІСТЬ ПРУГИХ СИСТЕМ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  пружних систем, властивість пружних систем повертатися до стану рівноваги після малих відхилень їх із цього стану. Поняття У. в. с. …
• ПРОМИСЛОВІ БУДИНКИ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  будівлі, виробничі будівлі промислових підприємств, будівлі, призначені для розміщення промислових виробництвта які забезпечують необхідні умови для праці людей та експлуатації …
• НАСОС (ТЕХНІЧ.) у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  пристрій (гідравлічна машина, апарат або прилад) для напірного переміщення (всмоктування та нагнітання) головним чином краплинної рідини внаслідок повідомлення їй …
• МІСТ (СПОРУДА) у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  споруда, що прокладає шлях над перешкодою. Розрізняють М.: за видом перебору, що долається - М. через річки та ін. водотоки (власне М.), …
• МЕТРОПОЛІТЕН у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  метро (франц. metropolitain, буквально - столичний, від грецьк. metropolis - головне місто, столиця), міська позавулична Залізна дорогадля масових швидкісних …
• КОСМІЧНІ Промені у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  промені, потік частинок високої енергії, переважно протонів, що приходять на Землю зі світового простору (первинне випромінювання), а також народжене ними в …
• КОСМІЧНІ ЗОНДИ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  зонди, космічні літальні апарати, призначені для проведення фізичних досліджень навколоземного міжпланетного космічного простору, небесних тіл Сонячна системата їх околиць. …
• ЗАЛІЗОБЕТОН у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  поєднання бетону та сталевої арматури, що монолітно з'єднані і спільно працюють у конструкції. Термін "Ж." нерідко вживається як збірна назва залізобетонних …
• АРХІТЕКТУРА у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  (лат. architectura, від грец. architeкton - будівельник), архітектура, система будівель та споруд, що формують просторове середовище для життя та діяльності людей, …
• АВІАЦІЯ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  (франц. aviation, від латинського avis - птах), літання на апаратах важче за повітря в навколоземному повітряному просторі. У 60-ті роки. 20 …
• АВІАЦІЙНА ПРОМИСЛОВІСТЬ у Великій радянській енциклопедії, БСЕ:
  промисловість, що зародилася на початку 20 ст., як велика галузь промисловості розвинулася в роки 1-ої світової війни 1914-18, величезного зростання досягла …
• КОСМІЧНІ ШВИДКОСТІ. У
  
• КОСМІЧНІ Промені у Сучасному енциклопедичному словнику:
  
• КОСМІЧНІ ШВИДКОСТІ. У
  астрономії та динаміці космічного польоту використовуються поняття трьох космічних швидкостей. Першою космічною швидкістю (круговою швидкістю) називається найменша початкова швидкість, яку …
• КОСМІЧНІ Промені в Енциклопедичному словничку:
  потоки заряджених частинок високої енергії (до ~1020 еВ), що приходять до Землі із космічного простору. Відкрито австрійським фізиком В. Гессом у …
• ЕЛЕКТРИЧНІ СТАНЦІЇ*
• ГОДИННИК, ПРИЛАД ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ЧАСУ в Енциклопедії Брокгауза та Єфрона.
• ОПАЛЕННЯ* в Енциклопедії Брокгауза та Єфрона.
• ПОЛЕТА ТЕОРІЯ І ПРАКТИКА: РІШЕННЯ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ у Словнику Кольєра:
  До статті ПОЛЕТА ТЕОРІЯ І ПРАКТИКА Проблеми міцності літака пов'язані з необхідністю мінімізації маси конструкції, хоча вона піддається впливу …
• ПЛОТИНА у Словнику Кольєра:
  масивна перемичка, що зводиться для утримання водного потоку, основна гідротехнічна споруда при використанні та регулюванні водних ресурсів. Вже в доісторичні часи...
• КОСМІЧНІ ПОЛЬОТИ ПІЛОТУЮЧІ: РІШЕННЯ ЛЕТІТИ НА МІСЯЦЬ у Словнику Кольєра:
  До статті КОСМІЧНІ ПОЛЬОТИ "Меркурій", що пілотуються, ще тільки готувався до свого першого польоту, а керівництво та фахівці НАСА планували майбутні …
• у Словнику Кольєра:
  До статті АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ Аеродинамічні характеристики. Елементи конструкції літака повинні мати високу міцність, тому що вони схильні до впливу великих навантажень.
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ: АВІАЦІЯ ДО ПЕРШОЇ СВІТОВОЇ ВІЙНИ у Словнику Кольєра:
  До статті АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ Упродовж перших десятиліть розвитку авіації конструктори намагалися оптимізувати конструкцію літака шляхом експериментування з різними варіантами …
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНА ПРОМИСЛОВІСТЬ: РИНКИ Збуту у Словнику Кольєра:
  До статті АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНА ПРОМИСЛОВІСТЬ Збут авіаційно-космічної продукції здійснюється за п'ятьма основними напрямками. Військові літаки та ракети. Військові літаки розрізняються за …
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНА ПРОМИСЛОВІСТЬ: ОСОБЛИВОСТІ у Словнику Кольєра:
  До статті АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНА ПРОМИСЛОВІСТЬ Виробниче обладнанняавіаційно-космічній промисловості відповідає складності її продукції. У ній широко застосовуються і нові верстати, і …
• АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНА ПРОМИСЛОВІСТЬ у Словнику Кольєра:
  сукупність підприємств, зайнятих конструюванням, виробництвом та випробуваннями літаків, ракет, космічних апаратів та кораблів, а також їх двигунів та бортового обладнання.
• Запорука у Лінгвістичному енциклопедичному словнику:
  (грец. diathesis) - граматична категорія дієслова, що виражає, відповідно до широко поширеної донедавна точки зору, суб'єктно-об'єктні відносини. Однак...
• КОСМІЧНІ Промені в Сучасному тлумачному словнику, Вікіпедія:
  потік стабільних частинок високих енергій (приблизно від 1 до 1012 ГеВ), що приходять на Землю зі світового простору (первинне випромінювання), а …
• МЕДИЧНИЙ ПІСТ АЕРОДРОМУ у медичних термінах:
  етап медичної евакуації в Військово-Повітряних Силах, що розгортається на аеродромі медичною службою авіаційно-технічної частини для надання долікарської допомогита евакуації уражених …

АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ
Тут розглядаються основні (силові) елементи конструкцій літаків та повітряно-космічних літальних апаратів, сучасні матеріали та важливі конструктивні особливості авіаційно-космічної техніки.
ОСНОВНІ ОСОБЛИВОСТІ КОНСТРУКТИВНИХ СХЕМ ЛІТАКІВ
Аеродинамічні властивості.Елементи конструкції літака повинні мати високу міцність, так як вони схильні до впливу великих навантажень при польоті, посадці і русі літака по землі. У той час як форма стаціонарних наземних споруд, наприклад будівель або мостів, може бути визначена конструктором з міркувань міцності та економічності, конструкція літака повинна, крім того, задовольняти низку жорстких додаткових вимог, зокрема аеродинамічних. Наприклад, крило повинно витримувати згинальні та крутні сили та моменти, що виникають в результаті нестаціонарного силового впливу повітряного потоку на поверхню крила. Найбільш ефективно такі навантаження витримує жорстко закріплена балка, проте така конструкція непридатна з точки зору аеродинаміки, згідно з якою поперечні перерізи крила повинні бути тонкими, добре обтічні профілями. Цей приклад ілюструє важливу особливістьавіаційних конструкцій, під час проектування яких поруч із виконанням вимог міцності необхідно забезпечувати високі аеродинамічні характеристики.
Вагові характеристики.Другий характерною особливістюавіаційно-космічних конструкцій є прагнення знизити їхню вагу до мінімально можливого. Інакше літак чи ракета зможе злетіти чи взяти на борт необхідний корисний вантаж. З цієї причини проектування та розрахунок авіаційно-космічних конструкцій проводять з такою точністю, що допускається тільки та вага, яка абсолютно необхідна для міцності. Така мала вага конструкції може бути досягнута тільки в результаті використання тонких та подовжених конструктивних елементів із високоміцних матеріалів.
Конструктивні міркування.Таким чином, дві основні особливості, що відрізняють авіаційні конструкції від наземних інженерних споруд, - це вплив аеродинамічних навантажень на форму конструкції та використання виключно легких подовжених та тонкостінних елементів із високоміцних матеріалів. На різних етапах розвитку авіації пропонувалися різноманітні конструктивні рішення для літаків. Існує очевидний зв'язок між оптимальною конструкцією літака та його швидкістю. Цікаво відзначити, що деякі конструктивні рішення, прийняті на ранній стадії розвитку авіації, виявилися прийнятними і для сучасних літаків, що літають у діапазоні швидкостей. Так, зварний фюзеляж із сталевих трубок під час Першої світової війни був новинкою, що дозволила покращити характеристики винищувачів та збільшити швидкості їхнього польоту до 160 км/год. Подібні конструкції стали непридатними для винищувачів часів Другої світової війни, які літали зі швидкостями близько 640 км/год. З іншого боку, спортивні літаки та літаки для особистого користування, що з'явилися набагато пізніше, рідко розвивають швидкість більше 160 км/год, і в конструкціях їх фюзеляжів успішно застосовуються металеві трубки, що зварюються.
АВІАЦІЯ ДО ПЕРШОЇ СВІТОВОЇ ВІЙНИ
Протягом перших десятиліть розвитку авіації конструктори намагалися оптимізувати конструкцію літака шляхом експериментування з різними варіантами та схемами. Виявилося, що багато конструктивних схем, які пропонувалися в заявках на винаходи в 1930-х роках, мали свої прототипи, які вже пропонувалися на початку цього століття, але були відкинуті і з часом забуті. Одна істотна особливість, загальна всім літаків, побудованих до Першої Першої світової, полягала у цьому, що у них застосовувалися винятково тонкі крила. Тоді вважалося, що необхідна підйомна сила може бути досягнута тільки дуже тонких, плоских або злегка вигнутих аеродинамічних поверхнях. Таке тонке крило, подібне до тонкої пластини, згинається навіть під дією невеликого навантаження. Щоб забезпечити необхідні жорсткість і міцність, крило підкріплювалося зовнішніми розчалками.
Розчалковий моноплан.На ранньому етапі розвитку авіації успішно використовувалися дві компонувальні схеми літаків - розчалковий моноплан (рис. 1, а) та біплан (рис. 2). Прикладами монопланів є літаки конструкції Альберто Сантоса-Дюмона та Луї Блеріо. Біплани конструювали брати Райт. Простий аналіз рівноваги сил і моментів показує, як зовнішні розчалки і розпірки посилюють міцність конструкції. На рис. 1,б видно, що вага G літака врівноважена підйомною силою Y, що виникає при обтіканні крила повітряним потоком. Підйомна сила прикладена на відстані d від центру ваги та створює момент Yd. Цей момент має бути врівноважений моментом сил реакції, оскільки система крило - розчавлення знаходиться в рівновазі, як показано на рис. 1, б. Під дією підйомної сили нижнє розчавлення натягується, а верхня - послаблюється. Отже, у польоті верхнє розчавлення не передає жодних зусиль на фюзеляж, і сили реакції виникатимуть тільки в місці з'єднання крила з нижньою розчалкою. Це сили H на рис. 1, б. Їхня величина може бути обчислена з умови рівноваги для моментів:

З цього простого рівняння алгебри знаходимо величину горизонтальної сили реакції H:

Формула (2) показує, що горизонтальна сила реакції тим менша, чим більша відстань h між крилом і місцем кріплення нижньої розчалки до фюзеляжу. Коли літак приземляється або рухається смугою, підйомна сила на крилі невелика, оскільки вона пропорційна квадрату швидкості. У таких умовах частина ваги крила повинна утримуватися верхньою розчалкою, а нижня розчілка при цьому розвантажується. З цієї причини верхнє розчавлення називається "посадковою", або зворотною, а нижня - "польотною", або несучою. Тонке крило не здатне витримувати великі навантаження. Тому потрібно збільшувати відстань h, тобто. кріпити несучу розчалку поблизу шасі, а верхню - до пілона, який з цією метою розміщують над фюзеляжем.

Розчалковий біплан.Для збільшення вертикальних відстаней при кріпленні розчалок було запропоновано конструкцію біплана (рис. 2). Відстань між верхнім і нижнім крилами біплана відповідає відстані h, розглянутій вище у зв'язку з конструкцією моноплана, тоді як d приймається відстань між розпіркою і фюзеляжем. Рівняння (1) і (2) застосовуються до біплану, який дозволяє збільшити висоту h порівняно з монопланом.

Авіаційні матеріали.У конструкціях перших літаків застосовувалися переважно міцні породи дерева, такі, як ялина і бамбук. Існувала думка, що важкі матеріали, на кшталт металів, непридатні виготовлення авіаційних конструкцій. Сталь використовувалася для розчалок. Деревина, безперечно, чудовий конструкційний матеріал, що успішно сприймає згинальні навантаження при невеликій власній вазі. При цьому зовнішні обводи крила та фюзеляжу отримували шляхом натягування полотна на дерев'яний каркас.
Проблема лобового спротиву.Головним недоліком розчалочних конструкцій є великий лобовий опір (сила опору поступального рухуапарату в повітрі) внаслідок наявності безлічі допоміжних елементів конструкції, таких як розчалки, розпірки, колеса шасі, вали та амортизатори посадкового пристрою, які піддаються впливу повітряного потоку. Такий літак міг розвинути відносно невелику максимальну швидкість(Світовий рекорд швидкості польоту в 1910 становив лише 106 км/год).
КАРКАСНІ КОНСТРУКЦІЇ
Для збільшення швидкості літака довелося кардинально змінити його конструкцію - перейти до каркасних конструкцій. Основою каркасного літака є його фюзеляж, у якому укладено кабіну екіпажу, пасажирський салон та вантажні відсіки. На фюзеляж передаються також великі навантаження, які діють на хвостове оперення літака під час швидкого маневру. Силовий набір каркасної конструкції, показаної на рис. 3,а, має малу вагу і в той же час здатний витримати значні навантаження.

Зварні фюзеляжі із сталевих трубок.Деякі перші літаки мали каркасні фюзеляжі, зібрані з ялинових або бамбукових брусків, скріплених сталевим дротом. Однак такі конструкції були недостатньо міцні; суттєвим просуванням уперед стала зварна конструкція фюзеляжу зі сталевих трубок, запропонована в роки Першої світової війни А. Фоккером. Фоккер використовував для літакових конструкцій м'яку сталь із вмістом вуглецю менше 0,12%, оскільки виготовлені з неї елементи легко зварюються один з одним. Спочатку такий тип фюзеляжу вважали ненадійним, але поступово він знайшов широке застосування, а з появою високоміцних хромомолібденових трубок вдалося суттєво знизити вагу фюзеляжу.
Фюзеляжі із роз'ємними з'єднаннями елементів.Цілком інші авіаційні конструкції розроблялися в Англії, де вважали зварювання ненадійним способом з'єднання та окремі елементи каркасу з'єднували за допомогою механічних, часто дуже майстерних роз'ємів. Відмова від зварювання відкрив англійцям широкі можливості застосування алюмінієвих сплавів та високолегованих сталей, які не піддавалися зварюванню. Ці високоміцні матеріали дозволили знизити вагу конструкції літака, незважаючи на додаткову вагу з'єднань. Головним недоліком фюзеляжу з роз'ємними з'єднаннями елементів була висока вартість виготовлення навіть якщо літаки випускалися великими серіями. Виробництво зварних фюзеляжів із сталевих трубок коштувало набагато дешевше.
Обшивка.Щоб створити комфортні умови для пасажирів, каркас необхідно покрити обшивкою. Більш того, ще на початку століття було встановлено, що для підвищення швидкості та зменшення опору необхідно, щоб зовнішня поверхнялітака була гладкою. Найпростішою обшивкою було полотно, яке натягувалося на балковий каркас, а потім покривалося фарбою або лаком. Однак одержувана таким чином форма не мала плавних обводів: зовнішні елементи каркаса випирали з-під обшивки. Очевидно, що за таких незграбних форм неможливо було домогтися плавного обтікання з мінімальним опором. Щоб усунути цей недолік, конструктори швидкісних літаків почали застосовувати каркасний фюзеляж із шпангоутів овальної форми, скріплених з балками (лонжеронами) та поздовжніми стрінгери, як показано на рис. 3,б. Ці шпангоути та стрінгери надавали прямокутному каркасу добре обтічну форму. Проте виступи, як і раніше, випирали з-під полотняної обшивки, і для їх усунення конструктори почали застосовувати обшивку з тонкої фанери.
Крила біплана.Типовою схемою каркасних літаків був біплан, який використовувався майже повсюдно у роки Першої світової війни. Йому віддавали перевагу до середини 1930-х років. Льотчики-винищувачі негативно ставилися до монопланів, і їхній основний аргумент полягав у тому, що біплан більш маневрений. Дійсно, біплан має гарну маневреність через невеликий розмах своїх крил, внаслідок чого вага літака зосереджена поблизу фюзеляжу. Авіаційні інженери формулюють цю властивість інакше, кажучи, що біплан має невеликий момент інерції. Традиційна конструкція дерев'яного крила біплана показана на рис. 4. Вона містить два головні несучі елементи - лонжерони крила. Зовнішнє обведення крила формується за допомогою елементів, званих нервюрами, і натягнутої на них полотняної обшивки. Ця авіаційна конструкція залишалася незмінною до 1920-х років, коли авіаційна промисловість Англії перейшла на суцільнометалеві конструкції. Тепер лонжерони почали виготовляти зі смуг високолегованої сталі, а нервюри – із сталевих чи алюмінієвих пластин за допомогою штампування потрібних профілів. Лонжерони та нервюри збиралися в ажурну конструкцію каркасного типу.

Моноплан із високорозташованим крилом. Моноплани з високорозташованим крилом з'явилися в 1930-х роках і швидко стали популярними як двомісні літаки для особистого користування та навчально-тренувальних літаків замість біпланної схеми. Навіть після Другої світової війни багато літаків цього типу мали розчалки. Такий моноплан значно відрізнявся від свого попередника. Його набагато товстіше крило розташоване над фюзеляжем, і замість розчалок застосовані стійки. Стійки можуть приймати великі зусилля як стискування, так і розтягування, і одна стійка замінює пару розчалок. Такий літак не містить ряду елементів конструкції розчалкового моноплану та має значно менший лобовий опір (рис. 5).

Вільнонесучий моноплан.Важливим кроком уперед у порівнянні з біпланом стала схема вільнонесучого моноплану, що знайшла широке застосування у 1920-х роках у літаках Фоккера. На рис. 6 показано принципова схемафоккерівського високоплану, на якому було встановлено багато рекордів на дальність польоту. Щодо цієї схеми звернемося ще раз до рівняння (1), що виражає рівність моментів. Тепер сили H - це сили розтягування чи стиснення, які діють фланці лонжерона, і h - відстань між фланцами. Навантаження на фланець можна зменшити, збільшивши відстань між фланцями, для чого необхідно збільшити товщину перерізу крила. Конструкція крила Фоккера з відносною товщиною (відношення максимальної товщини профілю до хорди крила) 20% має гарні аеродинамічні характеристики.

Вільнонесуче крило конструкції Фоккера мало дерев'яні лонжерони та нервюри та обшивку з фанери. Дуже міцне і жорстке, воно все ж було дещо важче за інші аналогічні конструкції. У ряді країн, наприклад в Англії, Італії та Радянському Союзі, були створені металеві вільнонесучі крила зі сталевими та алюмінієвими лонжеронами та нервюрами та полотняною обшивкою. Надалі застосування металевої обшивки дозволило суттєво підвищити міцність крила. Таке крило зазвичай називають крилом з працюючою обшивкою. Методи виготовлення та складання, а також розрахунок таких конструкцій суттєво відрізняються від методів, що використовуються для крила каркасної конструкції.
МОНОКОКОВА КОНСТРУКЦІЯ
Принцип монококу. Зі збільшенням швидкостей польоту літака дедалі важливішою ставала проблема зменшення лобового опору. Цілком природним кроком стала заміна полотняної обшивки крила металевою обшивкою, що виготовляється з тонких листів алюмінієвих сплавів. Металева обшивка дозволила усунути прогини між нервюрами і, отже, точніше відтворити форми, рекомендовані аеродинаміками на основі теоретичних розрахунків та експериментальних досліджень в аеродинамічних трубах. Одночасно змінилася конструкція фюзеляжу. Прямокутний силовий каркас був поміщений усередину оболонкової конструкції, складеної з легких шпангоутів та стрінгерів; така конструкція краще задовольняла вимогам аеродинаміки до форми фюзеляжу. На одномоторних літаках передню частину фюзеляжу теж стали обшивати листовим металом, щоб зменшити ймовірність виникнення пожежі Коли потрібно поліпшити гладкість поверхні, полотняну обшивку замінили фанерною або металевою по всій довжині фюзеляжу, але така обшивка стала надмірно дорогою та важкою. Було занадто марнотратно так збільшувати вагу конструкції і не використовувати її міцності, що зросли, для сприйняття аеродинамічних навантажень. Наступний крок був очевидним. Так як зовнішня оболонка фюзеляжу стала досить міцною, з'явилася можливість усунути внутрішній каркас. У цьому полягає принцип монококової конструкції. Монокок - це цілісна оболонка, форма якої задовольняє вимогам аеродинаміки і в той же час є досить міцною для того, щоб сприймати та передавати навантаження, що виникають при польоті, посадці та русі літака по землі. Термін "монокок" - гібрид, складений з грецького та французького слів і дослівно перекладається як "цілісна раковина". Цей термін застосовують до крил та фюзеляжів, у яких обшивка є головним несучим елементом. Друга важлива перевага монококової конструкції ілюструє рис. 7. Перетин каркасної конструкції, призначеної для розміщення в ній двох осіб, має прямокутну форму, зображену суцільною лінією. Зовнішня оболонка фюзеляжу з полотняною обшивкою показана штриховою лінією. Зовнішній обвід монококового фюзеляжу, в якому містяться дві людини, представлений штрих-пунктирною лінією. За допомогою планіметра легко встановити, що площа поперечного перерізу монококової конструкції на 33% менше, ніж для каркасного фюзеляжу, що добре обтікається. За інших рівних умов опір фюзеляжу пропорційно площі його поперечного перерізу. Отже, монококова конструкція, у першому наближенні, дозволяє зменшити опір на 33% тільки за рахунок меншої площі поперечного перерізу порівняно з каркасною конструкцією. До того ж з'являється виграш у підйомна силавнаслідок кращого обтікання та гладкості поверхні. Однак каркасні конструкції через меншу вартість їх виробництва та відносно меншу вагу продовжували використовувати для тихохідних літаків навіть після Другої світової війни. Монококові конструкції застосовували на літаках, що літають із швидкостями понад 320 км/год.

Тонкостінні монококи.Типовий тонкостінний монокок для транспортного літака виготовляють зазвичай з тонких пластин алюмінієвого сплаву, яким надають форму, що відповідає вимогам аеродинаміки. Цю оболонку підкріплюють поперечними силовими елементами – шпангоутами, та поздовжніми силовими елементами – лонжеронами або стрінгерами. (Ці терміни відносяться до конструкції фюзеляжу. У конструкції крила поздовжні силові елементи – стрінгери, а поперечні – нервюри.) На рис. 8 показано, як влаштований типовий монококовий фюзеляж. (Цю конструкцію зараз прийнято називати "напівмонокок" або "посилений монокок", тоді як термін "чистий монокок" або просто "монокок" використовують для зовнішніх оболонок, що мають мінімум підкріплювальних елементів або не мають їх зовсім.

Внаслідок великих розмірів фюзеляжу та порівняно невеликих аеродинамічних навантажень оболонку монокока роблять дуже тонкою (зазвичай від 0,5 до 1,5 мм). Така тонка оболонка зберігає свою форму, якщо на неї діють сили розтягування, але вона коробиться під дією сил стиснення або зусиль, що зрізують. На рис. 9 показано дію сил стиснення металеву пластину прямокутної форми. Такі сили стиснення зазнають, наприклад, металеві панелі, обмежені по краях стрінгерами, на верхній частині фюзеляжу, коли аеродинамічні сили, що діють на хвостове оперення літака, спрямовані вгору.

Відповідно до законів механіки твердого тіла, критичну напругу (тобто навантаження на одиницю площі), при якому плоска пластина починає коробитися, можна обчислити за формулою

Де fкр - критичне напруження, що викликає жолоблення пластини, Е - модуль пружності матеріалу, t - товщина і b - ширина пластини між опорами (в реальній конструкції це відстань між стрінгерами). Наприклад, якщо панель товщиною 0,5 мм і шириною 150 мм виготовлена ​​з алюмінієвого сплаву, її модуль пружності дорівнює приблизно 70 000 МПа. Підставляючи ці значення формулу (3), отримаємо, що величина критичної напруги, при якому настає короблення обшивки, становить 2,8 МПа. Це значно менше межі плинності (280 МПа) та межі міцності (440 МПа) матеріалу. Матеріал монокока використовуватиметься неефективно, якщо короблення означає втрату здатності пластини витримувати навантаження. На щастя, це негаразд. Випробування, проведені Національним інститутомстандартів і технології США, показали, що навантаження, що діють край панелі, можуть значно перевищувати величину критичного навантаження, що відповідає початку короблення, оскільки навантаження, прикладена до панелі, майже повністю сприймається смужками матеріалу біля її країв. Загальна ширина цих смужок була названа Т. фон Карманом "ефективною шириною" пластини. Відповідно до його теорії, граничне навантаження, яке випробовується панеллю в момент її руйнування внаслідок виникнення плинності матеріалу поблизу затиснутих крайок, може бути обчислено за формулою

Тут P - сумарне навантаження, що діє на панель у момент руйнування, t - товщина панелі, E - модуль пружності і fтек - межа плинності матеріалу (напруга, при якому деформація починає збільшуватися без подальшого збільшення навантаження). Розрахунки за формулами (3) і (4) показують, що критичне навантаження, що викликає жолоблення, приблизно на порядок менше граничного навантаження, що викликає руйнування. Цей висновок необхідно враховувати під час проектування літака. Використання тонких пластин у закритому для короблення стані є однією з головних відмінних ристонкостінних монококових конструкцій. Успіхи у створенні транспортних літаків, бомбардувальників та винищувачів під час Другої світової війни були б неможливі без розуміння того факту, що короблення тонкої пластини не спричиняє її руйнування. У більш консервативних галузях технічної механіки, таких як проектування мостів і будівель, короблення панелей не допускається. З іншого боку, тисячі літаків літають, і при цьому частина металевих пластин в їх конструкціях працює в умовах короблення більшу частину польотного часу. Правильно сконструйовані панелі, що зазнають жолоблення в польоті, стають абсолютно гладкими, як тільки літак здійснить посадку і зникнуть аеродинамічні навантаження, що діють на конструкцію в польоті.
Тонкостінна балка.Інший вид короблення відноситься до тонкостінної балки – важливого елемента авіаційних конструкцій. Концепція тонкостінної балки пояснюється рис. 10. При дії сили W на вільний кінець тонкостінної балки її верхній фланець піддаватиметься впливу зусиль, що розтягують, а нижній - впливу стискаючих зусиль. Величину сил, що діють на фланці, можна вирахувати з умови статичної рівноваги. Зусилля, що зрізує, створюване силою W, передається по тонкій стінці балки. Така тонка пластина втрачає стійкість і починає коробитися при досить невеликому навантаженні. У ньому утворюються діагональні складки, тобто. конфігурація її жолоблення істотно відрізняється від напівсферичних опуклостей, що з'являються при жолобленні поверхні пластини внаслідок її стиснення.

Г.Вагнер розробив практичний методрозрахунку напруг у тонкостінній балці в умовах утворення складок на стінках і довів експериментально, що можна спроектувати тонкостінну балку, яка не руйнується при дії польотних навантажень, що у 100 разів перевищують навантаження, при яких починається викривлення тонкої стінки. Деформації залишаються пружними і складки зникають повністю при знятті навантаження. Внаслідок вигину всієї конструкції під впливом навантаження, показаної на рис. 10 верхній фланець балки розтягується, а нижній - стискається. З появою складок тонка стінка працює як сукупність великої кількості діагональних розчалок, які приймають він зрізувальні зусилля подібно зовнішнім розчалкам крила розчалочного моноплана (рис. 1). Призначення вертикальних стояків - зберегти відстань між фланцями балки. У 1930-х роках концепція тонкостінної балки стала повсюдно використовуватися в авіабудуванні при конструюванні тонкостінних монококів, зокрема, для лонжеронів крила зі стінками, що сприймають зрізуючі зусилля. Компонування конструктивних елементів у тонкостінних монококах. Ідеальний тонкостінний монококовий фюзеляж складається з тонких пластин, підкріплених більшим числом більш менш рівномірно розподілених стрингерів і шпангоутів, як показано на рис. 8. Однак у самому фюзеляжі доводиться робити вирізи, в яких розміщуються ілюмінатори та двері на пасажирських літаках або гарматні турелі та люки для бомбометання на військових літаках. У разі великих отворів, як, наприклад, на важких літаках, призначених для перевезення повністю спорядженої гусеничної техніки, або на торпедоносцях, які несуть усередині фюзеляжу великі торпеди, концентрація напруги біля вирізів стає серйозною проблемою. Часто краї таких вирізів посилюють за допомогою міцних лонжеронів. На деяких літаках у фюзеляжах доводиться передбачати таке велике числовирізів, що конструктор воліє використовувати несучі властивості чотирьох головних лонжеронів і застосовує короткі стрінгери лише як допоміжні силові елементи, оскільки силовий елемент, що розрізає, не здатний передавати навантаження. Внаслідок того, що навантаження впливають в основному на чотири головні елементи конструкції, такий тип фюзеляжу є фактично проміжним між каркасною конструкцією та посиленим монококом. Його можна розглядати як частково посилений монокок. Такі монококи частіше застосовують для крил, ніж для фюзеляжів, оскільки в крилах літака доводиться розміщувати елементи шасі, що забираються, баки з паливом, двигуни, закрилки, що забираються, елерони, кулемети, гармати і численні другорядні деталі. Найбільш серйозні проблеми, зумовлені порушенням цілісності посиленої монококової конструкції, пов'язані з розміщенням шасі та паливних баків, тому що ці агрегати знаходяться поблизу кореневої частини крила, де конструкція має бути найбільш міцною. Крім того, на багатьох компонуваннях не допускається проходження крила крізь фюзеляж, оскільки цей простір необхідний для розміщення екіпажу, пасажирів або двигунів. Тому в конструкції крила застосовують два міцні лонжерони, як це робиться на моноплані з високорозташованим крилом. Простір між двома лонжеронами можна використовувати для розміщення вищезгаданих агрегатів та вузлів. На ділянках крила, що не мають прорізів, обшивка підкріплюється стрінгери, які сприяють додатковому збільшенню міцності крила. Тим не менш, основну частину навантаження беруть на себе два головні лонжерони. Чисто монококову конструкцію мають зовнішні консолі крила (рис. 11). Навантаження сприймаються обшивкою та поздовжніми силовими елементами консолі. Відмінність між вертикальною стінкою і лонжероном полягає в тому, що у стінки стикувальний елемент має ту ж форму, що й інші стрінгери, тоді як лонжерон кріпиться за допомогою масивніших фланців.

Концепція товстостінної монококової конструкції.У роки Другої світової війни швидкість досвідчених літаківпочала наближатися до швидкості звуку, і тонкостінні монококові конструкції перестали задовольняти збільшеним вимогам. Однією з чинників, сприяли підвищенню швидкостей польоту, стало створення т.зв. ламінарних профілів крила, які мали дуже низький опір. Однак переваги ламінарних крил могли бути реалізовані тільки за умови точного дотримання необхідної форми поверхні крила, і найменші порушення гладкості поверхні (заклепки, що виступають, або поглиблення для потаємних заклепок) зводили до нуля всі переваги ламінарного профілю. Тому тонкостінні посилені монококи виявилися непридатними для створення крила з ламінарним обтіканням для високошвидкісних літаків. Іншим фактором, що вимагає точного дотримання форми крила та фюзеляжу високошвидкісних літаків, є нестійкість трансзвукового потоку. У трансзвукових течіях дуже невеликі зміни форми обтічної поверхні можуть викликати повну зміну картини обтікання та появу стрибків ущільнення, які призводять до різкого зростання сили опору. Оскільки витримати потрібну форму поверхні, що виготовляється з тонких пластин, дуже важко, довелося піти на збільшення товщини обшивки авіаційних конструкцій. Ще однією основою збільшення товщини обшивки була недостатня величина будівельної висоти (відстань h на рис. 6) конструкції крила літака. Профілі крила, що розраховані на високі швидкості польоту, повинні бути дуже тонкими (максимальна відносна товщина крил для надзвукових літаків і ракет зазвичай становить менше 10% хорди). Навантаження, що діють на нижню та верхню поверхні такого крила, дуже великі, і їх може витримати лише товста обшивка.
Сендвіч концепції.Першою товстостінною конструкцією, що використовувала концепцію сендвіча (багатошарової конструкції), була обшивка на винищувачі "Хевілленд Москіто". У цій конструкції простір між двома тонкими міцними обшивками (несучими шарами) заповнений значно легшим матеріалом; така складова панель здатна витримувати більш значні згинальні навантаження, ніж дві несучі обшивки без заповнювача, з'єднані разом. Крім того, ця багатошарова конструкція залишається легкою, оскільки заповнювач має невелику щільність. Як приклад легкої багатошарової конструкції, що володіє підвищеною міцністю, можна навести пакувальний картон, в якому між двома зовнішніми листами картону знаходиться гофрований паперовий прошарок. Багатошаровий картон має більшу жорсткість на вигин і міцність, ніж лист картону, відповідний йому за вагою. Важливим фактором, що перешкоджає жолобленню поверхні, є здатність панелі витримувати згинальні навантаження. Товстостінні багатошарові обшивки, що мають підвищену жорсткість на вигин, не допускають жолоблення поверхні при звичайних льотних ситуаціях і сприяють збереженню гладкої форми поверхні крила і фюзеляжу. Несучі шари з'єднуються із шаром із заповнювача за допомогою клею. Клепка не використовується, і це забезпечує гладкість поверхні. Методи виробництва багатошарових конструкцій. Для виробництва елементів багатошарових конструкцій складної форми використовують кілька методів. Один із них пояснюється на рис. 12. Виготовляють прес-форму, що точно відтворює потрібну форму багатошарового елемента. Шари багатошарової конструкції змащують синтетичним клеєм і поміщають у прес-форму. Обшивка багатошарової конструкції накривається оболонкою з герметичного матеріалу, наприклад, з міцної гуми, і прес-форма щільно закривається кришкою. Всередину оболонки під тиском нагнітають гарячу пару, і під дією високої температуриі рівномірного тиску пара клей твердне і надійно з'єднує несучі шари з наповнювачем. Така формувальна технологія може використовуватися виготовлення конструктивних елементів складної форми з викривленими стінками змінної товщини.

Під час Другої світової війни синтетичні клеї та технологія склеювання шарових конструкцій знайшли широке застосування авіаційної промисловості. Ця технологія забезпечувала міцне поєднання таких різнорідних матеріалів, як деревина та метали, та дозволила налагодити дешеве виробництво обшивок з гладкими поверхнями.
Руйнування багатошарової конструкції.Як і у випадках каркасних конструкцій та тонкостінних монококів, руйнування багатошарової конструкції починається на тій стороні, яка піддається стиску. Через велику товщину багатошарової панелі стискаюче зусилля, що викликає втрату стійкості і короблення, істотно перевищує значення, при якому на поверхні тонкостінних посилених монококов вперше з'являються ознаки короблення. Відношення цих величин може досягати 20 або навіть 50. Слід, однак, пам'ятати, що тонкостінні монококи можуть працювати при навантаженнях, що набагато перевищують критичне навантаження початку жолоблення, тоді як жолоблення поверхні багатошарової обшивки завжди викликає руйнування останньої. Критичне навантаження, що викликає втрату стійкості багатошарової обшивки, можна оцінити, використовуючи методи розрахунку однорідних пластин та одношарових оболонок. Однак порівняно невеликий опір зрізу матеріалу легкого заповнювача помітно зменшує величину критичної напруги, і цим ефектом не можна нехтувати. Втрата стійкості багатошарової конструкції зазвичай призводить до жолоблення або утворення складок на поверхні тонких несучих оболонок. На рис. 13 показані два види нестійкості: симетричне спучування та перекіс. Симетричне спукування виникає у разі великої товщини шару із заповнювачем, а перекіс - у разі невеликої товщини такого шару.

Критична напруга, що викликає втрату стійкості багатошарової конструкції, що супроводжується появою обох форм жолоблення поверхні, можна визначити за формулою

Де fкр – критичне значення напруги для несучих шарів, Ef – модуль пружності матеріалу несучого шару, Ec – модуль пружності матеріалу заповнювача, Gc – модуль зсуву матеріалу заповнювача. Як приклад розглянемо багатошарову конструкцію з несучими шарами з алюмінієвого сплаву та пористим заповнювачем з ацетилцелюлозного волокна. Модуль пружності алюмінієвого сплаву становить приблизно 70 000 МПа, а матеріалу заповнювача він дорівнює 28 МПа. Модуль зсуву для матеріалу заповнювача дорівнює 14 МПа. Підставляючи ці значення формулу (5), знайдемо, що критичне значення напруги для короблення дорівнює 150 МПа. Зазначимо, що співвідношення (5) не входять геометричні характеристики панелі. Отже, критична напруга не залежить від товщин несучих шарів та шару із заповнювачем. Єдиною можливістю підвищити несучу здатність конструкції по відношенню до жолоблення є використання заповнювача з кращими механічними властивостями.
Інші типи товстостінних оболонок.Після Другої світової війни було розроблено та впроваджено у виробництво різні модифікації описаної вище початкової багатошарової конструкції. На рис. 14 показана стільникова конструкція. У ній проміжним шаром служить стільниковий (комірчастий) заповнювач. На рис. 15 показаний інший тип багатошарової конструкції, у якій заповнювачем є гофрований алюміній. Ця конструкція, подібна до пакувального картону, характеризується високою жорсткістю та стійкістю, проте гофровану стрічку не слід з'єднувати з несучими оболонками за допомогою заклепок.

В інших конструкціях обшивка та шар, що посилює її жорсткість, вальцуються, і їм надається форма перерізу крила або фюзеляжу. Для сильно навантажених дуже тонких крил було налагоджено виробництво обшивок змінної товщини з міцного алюмінієвого сплаву з максимальними товщинами близько 19 мм. Такі міцні обшивки дозволяють виготовити крило, яке зберігає свою форму навіть без нервюр тільки за рахунок жорсткості самої обшивки, посиленої трьома або чотирма стінками, що спираються на лонжерони, що працюють на зріз.
СВЕРХЗВУКОВІ ЛІТАКИ, КОСМІЧНІ ЛІТАЛЬНІ АПАРАТИ І БАЛІСТИЧНІ РАКЕТИ
Розвиток авіаційно-космічної техніки характеризується стійкою тенденцією зростання тягоозброєності (тягоозброєністю називається відношення тяги силової установки літального апарату до його ваги). Для літаків вертикального зльоту та посадки ця величина перевищує одиницю. Двигуна установка балістичної ракети повинна створювати тягу, що набагато перевищує вагу ракети, щоб підняти її зі стартового столу, прискорити та вивести на потрібну траєкторію. Безперервне зростання тягоозброєності та швидкостей польоту призвело до появи літальних апаратів, які все меншою мірою залежать від аеродинамічних сил, створюваних крилом. Розміри крил стали зменшуватись (на балістичних ракетах вони взагалі відсутні). Однак плануючі літальні апарати, які запускаються в космічний простір за допомогою стартових прискорювачів, повинні мати крила для повернення на землю. Крила та стабілізатори для надзвукових літальних апаратів менші, ніж у дозвукових літальних апаратів, не тільки за площею; вони також тонші і мають менше подовження. Крила та поверхні хвостового оперення надзвукових літальних апаратів мають стрілоподібну або трикутну форму. Товщина обшивки таких крил набагато більша, ніж у крил дозвукових літальних апаратів.
Приклади тонкостінних оболонок.Зниження ваги є першочерговим завданням проектування космічного літального апарату. Багато досягнень у галузі створення тонкостінних оболонок зобов'язані своїм походженням цій вимогі. Типовими прикладамитакої конструкції є рідинна ракета-носій "Атлас" та конструкція твердопаливної ракети. Для "Атласу" було створено спеціальну монококову оболонку з наддувом. Ракета з двигуном на твердому паливі виходить за допомогою намотування на оправлення, що має форму твердопаливного заряду, скляної нитки та просочення намотаного шару спеціальною смолою, що затверджується після вулканізації. За такої технології виходить відразу і несуча оболонка літального апарату, і ракетний двигуніз соплом. Були спроектовані космічні апарати, що повертаються, з оболонкою конічної форми, яка покривалася шаром теплозахисного матеріалу, схильного абляції при високих температурах (концепція охолодження за допомогою покриття). Внаслідок небагато сил гравітації в космосі та на Місяці були створені унікальні конструкції. Наприклад, оболонка місячного модуля містить панелі, які не коробляться на Місяці, але стали б жолобитися від власної ваги на Землі.
Див. такожКОСМОСУ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ВИКОРИСТАННЯ; РАКЕТУ.
АЕРОКОСМІЧНІ МАТЕРІАЛИ
Багато матеріалів втрачають свою міцність за високих температур, які виникають у надзвуковому польоті. Тому для аерокосмічних літальних апаратів особливий інтерес становлять легкі жароміцні матеріали. До кінця 1950-х років основними авіаційними матеріалами для літальних апаратів, що рухаються з числами Маха не більше двох (число Маха - це відношення швидкості польоту до швидкості звуку), були алюмінієві сплави та сталі. Титан став економічно доступним на початку 1960-х років, і його сплави використовували в конструкціях літальних апаратів з числом Маха до 3. Створено металеві суперсплави та порошкові матеріали, які отримують спіканням порошків карбіду кремнію або літію з алюмінієм або титаном. Створено також композиційні матеріали, в яких пластикова (полімерна) основа армується скляними, кевларовими або вуглецевими нитками. Композиційні матеріали широко використовуються в літакобудуванні та космічній техніці через їх хороші вагові та механічних характеристик, що дозволяють створити легкі та міцні конструкції, що працюють і за підвищених температур.
Див. такожСПЛАВИ; ПЛАСТМАСИ.
АЕРОКОСМІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ
Транспортні літаки та винищувачі.Типове компонування сучасного транспортного літака складається з посиленого монококового фюзеляжу з дволонжеронними крилами та дволонжеронними елементами хвостового оперення. У конструкціях літаків використовуються переважно алюмінієві сплави, проте для окремих елементів конструкції застосовуються й інші матеріали. Так сильно навантажені кореневі частини крила можуть бути виготовлені з титанового сплаву, а рульові поверхні - з композиційного матеріалу з поліамідними або скляними нитками. У хвостовому оперенні деяких літаків застосовують графіто-епоксидні матеріали. У конструкції сучасного літака-винищувача втілені останні досягнення в галузі авіабудування. На рис. 16 показана конструкція типового літака-винищувача з багатолонжеронним трикутним крилом і посиленим монококовим фюзеляжем. Окремі елементи крила та хвостового оперення цього літака виконані з композиційних матеріалів.

Мал. 16. F-15С "ІГЛ" фірми "Макдоннелл - Дуглас" - винищувач, що перебуває на озброєнні ВПС США та їх союзників. Має два форсовані турбореактивні двоконтурні двигуни фірми "Пратт - Уітні" і розвиває максимальну швидкість, що відповідає М = 2,5. Його озброєння складається з гармати калібру 20 мм, керованих ракет класу "повітря - повітря" та некерованих авіаційних ракет. Дальність польоту із використанням підвісних паливних баків 5470 км. 1 - склопластиковий обтічник антени станції радіолокації; 2 – доплерівська радіолокаційна станція; 3 - радіоантена та антена радіолокаційної станції; 4 - перебирання; 5 – відсік радіоелектронної апаратури; 6 - приймач покажчика швидкості; 7 - ліхтар кабіни льотчика; 8 – лобове скло; 9 – крісло пілота; 10 – пілотажно-проекційний індикатор; 11 – приладова дошка; 12 – ручка управління; 13 - педалі керма напрямку; 14 – бічний пульт управління; 15 – бортові вогні; 16 – нижні відсіки обладнання; 17 – засоби протиелектронного захисту; 18 - витяг ліхтаря кабіни; 19 – кондиціонер; 20 - шасі; 21 - повітрозабірник двигуна; 22 - гідропідсилювачі; 23 - гармата "Вулкан" калібру 20 мм та боєзапас; 24 - керована ракета "Сперроу" класу "повітря - повітря"; 25 - повітряне гальмо; 26 – паливні баки; 27 - канал повітрозабірника; 28 - штуцер системи дозаправки паливом повітря; 29 - система трубопроводів подачі палива; 30 - обтічники; 31 - елерони; 32 - закрилки; 33 - лонжерони; 34 - штирьові з'єднання; 35 - нервюри крила; 36 - панелі обшивки крила зі стрінгерами; 37 - стільникові конструкції; 38 - посадковий гак для захоплення троса аерофінішера; 39 - відсіки обладнання повітряної системи; 40 - турбореактивні двоконтурні двигуни; 41 - компресор; 42 - допоміжна силова установка (стартер); 43 – коробка передач; 44 - рами кріплення двигунів; 45 – форсажна камера згоряння; 46 - відсік двигуна з кільцевими шпангоутами та стрінгерами з титану; 47 - титанова обшивка; 48 - сопла форсажної камери; 49 - вузол кріплення стабілізатора; 50 – бороволоконні панелі обшивки; 51 - пілон для підвіски вантажу в консольній частині крила; 52 - пілон для підвіски вантажу в кореневій частині крила; 53 - бомбоутримувач; 54 – бомби; 55 - ракета "Сайдуїндер" класу "повітря - повітря"; 56 – підвісний паливний бак.

КК "Шаттл".Орбітальний космічний корабель "Шаттл" здатний літати в атмосфері Землі з гіперзвуковими швидкостями. Крила апарату мають багатолонжеронний каркас; посилений монокок кабіни екіпажу, як і крила, виготовлений із алюмінієвого сплаву. Двері вантажного відсіку виготовлені з графіто-епоксидного композиційного матеріалу. Теплозахист апарату забезпечують кілька тисяч легких керамічних плиток, якими покривають частини поверхні, що піддаються впливу великих теплових потоків.
Див. такожКОСМІЧНІ ПОЛЕТИ ПІЛОТУЮЧІ ; КОСМІЧНИЙ КОРАБЛЬ "ШАТТЛ". Космічні станції. Орбітальний космічний корабель передбачається використовуватиме монтажу довгострокових космічних станцій. Досвід, отриманий під час експлуатації російської орбітальної космічної станції " Світ " , використовується розробки міжнародної космічної станції " Фрідом " . Інженери-конструктори вирішують проблему виведення блоків та елементів конструкції довготривалої орбітальної станції з подальшим її збиранням у космосі.
Енциклопедія Кольєра Вікіпедія

Літальний апарат, що спирається у польоті на крила і рухається за допомогою силової установки. Літаки, керовані льотчиком (чи льотчиками), перевозять корисне навантаження, тобто. вантажі, пасажирів, озброєння або спеціальне обладнання, Таке, як … Енциклопедія Кольєра

Безмоторний літальний апарат важчий за повітря. Планер тримається в повітрі завдяки врівноваженню сили тяжіння, що діє вниз, підйомною силою, що створюється висхідними потоками повітря. Розрізняють два режими польоту планерів: ... Енциклопедія Кольєра

ПІДГРУПА IVB. СІМЕЙСТВО ТИТАНУ ТИТАН, ЦИРКОНІЙ, ГАФНІЙ До перехідних металів відносяться також елементи сімейства титану Ti, Zr і Hf, що відрізняються дивовижною схожістю властивостей. Останні два елементи (Zr і Hf) особливо близькі за властивостями. Енциклопедія Кольєра

Ви використовуєте cookie для кращого розміщення нашого сайту. Continuing to use this site, you agree with this. OK

Невідомі глибини Космосу цікавили людство протягом багатьох століть. Дослідники та вчені завжди робили кроки до пізнання сузір'їв та космічного простору. Це були перші, але значні досягнення на той час, які послужили подальшому розвитку досліджень у цій галузі.

Важливим досягненням був винахід телескопа, за допомогою якого людству вдалося зазирнути значно далі в космічні простори та познайомитися з космічними об'єктами, які оточують нашу планету ближче. Нині дослідження космічного простору здійснюються значно легше, ніж у роки. Наш портал сайт пропонує Вам масу цікавих та захоплюючих фактів про Космос та його загадки.

Перші космічні апарати та техніка

Активне дослідження космічного простору почалося із запуску першого штучно створеного супутника нашої планети. Ця подія датується 1957 роком, коли він був запущений на орбіту Землі. Що стосується першого апарату, який з'явився на орбіті, то він був дуже простим у своїй конструкції. Цей апарат був оснащений простим радіопередавачем. За його створення конструктори вирішили обійтися мінімальним технічним набором. Все ж таки перший найпростіший супутник послужив стартом до розвитку нової ерикосмічної техніки та апаратури. На сьогоднішній день можна сказати, що цей пристрій став величезним досягненням для людства та розвитку багатьох наукових галузей досліджень. Крім того, виведення супутника на орбіту було досягненням для всього світу, а не лише для СРСР. Це стало можливим за рахунок наполегливої ​​роботи конструкторів над створенням балістичних ракет міжконтинентальної дії.

Саме високі досягненняв ракетобудуванні дали можливість усвідомити конструкторам, що при зниженні корисного вантажу ракетоносія можна досягти дуже високих швидкостей польоту, які перевищуватимуть космічну швидкість ~7,9 км/с. Все це і дало змогу вивести перший супутник на орбіту Землі. Космічні апарати та техніка є цікавими через те, що пропонувалося багато різних конструкцій та концепцій.

У широкому понятті космічним апаратом називають пристрій, який здійснює транспортування обладнання чи людей до кордону, де закінчується верхня частина земної атмосфери. Але це вихід лише до ближнього Космосу. При вирішенні різних космічних завдань космічні апарати поділені на такі категорії:

Суборбітальні;

Орбітальні або навколоземні, що пересуваються геоцентричними орбітами;

Міжпланетні;

Напланетні.

Створенням першої ракети для виведення супутника в Космос займалися конструктори СРСР, причому саме її створення зайняло менше часу, ніж доведення та налагодження всіх систем. Також тимчасовий фактор вплинув на примітивну комплектацію супутника, оскільки саме СРСР прагнув досягти показника першої космічної швидкості її створення. Тим більше, що сам факт виведення ракети за межі планети був більш вагомим досягненням на той час, ніж кількість і якість встановленої апаратури на супутник. Вся виконана робота увінчалася тріумфом для людства.

Як відомо, підкорення космічного простору тільки було розпочато, саме тому конструктори досягали все більшого в ракетобудуванні, що дозволило створити досконаліші космічні апарати та техніку, які допомогли зробити величезний стрибок у дослідженні Космосу. Також подальший розвиток та модернізація ракет та їх компонентів дозволили досягти другої космічної швидкості та збільшити масу корисного вантажу на борту. За рахунок цього стало можливим перше виведення ракети з людиною на борту в 1961 році.

Портал сайт може розповісти багато цікавого про розвиток космічних апаратів та техніки за всі роки та у всіх країнах світу. Мало кому відомо, що справді космічні дослідження вченими розпочали ще до 1957 року. У космічний простір першу наукову апаратуру для вивчення було відправлено ще наприкінці 40-х років. Перші вітчизняні ракети змогли підняти наукову апаратуру на висоту 100 кілометрів. Крім того, це був не одиничний запуск, вони проводилися досить часто, при цьому максимальна висота їхнього підйому доходила до показника 500 кілометрів, а це означає, що перші уявлення про космічний простір вже були до початку космічної ери. У наш час при використанні останніх технологій ті досягнення можуть здатися примітивними, але саме вони дозволили досягти того, що ми маємо на даний момент.

Створені космічні апарати та техніка вимагали вирішення величезної кількості різноманітних завдань. Найважливішими проблемами були:

1. Вибір правильної траєкторії польоту космічного апарату та подальший аналіз його руху. Для цієї проблеми довелося активніше розвивати небесну механіку, яка ставала прикладної наукою.
2. Космічний вакуум та невагомість поставили перед вченими свої завдання. І це не тільки створення надійного герметичного корпусу, який міг би витримувати досить жорсткі космічні умови, а й розробка апаратури, яка могла б виконувати свої завдання в Космосі так само ефективно, як і на Землі. Оскільки не всі механізми могли добре працювати в невагомості та вакуумі так само, як і в земних умовах. Основною проблемою було виключення теплової конвекції в герметизованих обсягах, все це порушувало нормальний перебіг багатьох процесів.

1. Роботу обладнання порушувало теплове випромінювання від Сонця. Для усунення цього впливу довелося продумувати нові способи розрахунку пристроїв. Також було продумано масу пристроїв підтримки нормальних температурних умов усередині самого космічного апарату.
2. Великою проблемою стало електропостачання космічних пристроїв. Найоптимальнішим рішенням конструкторів стало перетворення сонячного радіаційного випромінювання на електроенергію.
3. Досить довго довелося вирішувати проблему радіозв'язку та управління космічними апаратами, оскільки наземні радіолокаційні пристрої могли працювати лише на відстані до 20 тисяч кілометрів, а цього замало для космічних просторів. Еволюція наддальнього радіозв'язку в наш час дозволяє підтримувати зв'язок із зондами та іншими апаратами на відстані мільйони кілометрів.
4. Все ж таки найбільшою проблемою залишилося доведення апаратури, якою були укомплектовані космічні пристрої. Насамперед, техніка має бути надійною, оскільки ремонт у Космосі, як правило, був неможливим. Також були продумані нові шляхи дублювання та запису інформації.

Виникли проблеми пробудили інтерес дослідників та вчених різних галузей знань. Спільна співпраця дозволила отримати позитивні результати при вирішенні поставлених завдань. В силу всього цього почала зароджуватись нова галузь знань, а саме космічна техніка. Виникнення такого роду конструювання було відокремлено від авіації та інших галузей за рахунок його унікальності, особливих знань та навичок роботи.

Безпосередньо після створення та вдалого запуску першого штучного супутника Землі розвиток космічної техніки відбувався у трьох основних напрямках, а саме:

1. Проектування та виготовлення супутників Землі для виконання різноманітних завдань. Крім того, ця галузь займається модернізацією та удосконаленням цих пристроїв, за рахунок чого з'являється можливість застосовувати їх ширше.
2. Створення апаратів на дослідження міжпланетного простору та поверхонь інших планет. Як правило, ці пристрої здійснюють запрограмовані завдання, також ними можна керувати дистанційно.
3. Космічна техніка опрацьовує різні моделі створення космічних станцій, у яких можна проводити дослідницьку діяльність вченими. Ця галузь також займається проектуванням та виготовленням пілотованих кораблів для космічного простору.

Безліч областей роботи космічної техніки та досягнення другої космічної швидкості дозволили вченим отримати доступ до більш далеких космічних об'єктів. Саме тому наприкінці 50-х років вдалося здійснити пуск супутника у бік Місяця, крім того, техніка того часу вже дозволяла відправляти дослідні супутники до найближчих планет біля Землі. Так, перші апарати, які були надіслані на вивчення Місяця, дозволили людству вперше дізнатися про параметри космічного простору та побачити зворотний бік Місяця. Все ж таки космічна техніка початку космічної ери була ще недосконала і некерована, і після відділення від ракетоносія Головна частинаоберталася досить хаотично довкола центру своєї маси. Некероване обертання не дозволяло вченим проводити багато досліджень, що, своєю чергою, стимулювало конструкторів до створення досконаліших космічних апаратів і техніки.

Саме розробка керованих апаратів дозволила вченим провести ще більше досліджень і дізнатися більше про космічний простір та його властивості. Також контрольований та стабільний політ супутників та інших автоматичних пристроїв, запущених у Космос, дозволяє більш точно та якісно передавати інформацію на Землю за рахунок орієнтації антен. За рахунок контрольованого керування можна здійснювати необхідні маневри.

На початку 60-х років активно проводилися пуски супутників до найближчих планет. Ці запуски дозволили детальніше ознайомитися з умовами на сусідніх планетах. Але все ж таки найбільшим успіхом цього часу для всього людства нашої планети є політ Ю.А. Гагаріна. Після досягнень СРСР у будові космічної апаратури більшість країн світу також звернули увагу особливу увагуна ракетобудування та створення власної космічної техніки. Все ж таки СРСР був лідером у цій галузі, оскільки йому першому вдалося створити апарат, який здійснив м'яке примісіння. Після перших успішних посадок на Місяці та інших планетах було поставлено завдання для детальнішого дослідження поверхонь космічних тіл за допомогою автоматичних пристроїв для вивчення поверхонь та передачі на Землю фото та відео.

Перші космічні апарати, як говорилося вище, були некерованими і могли повернутися на Землю. Під час створення керованих пристроїв конструктори зіштовхнулися із проблемою безпечного приземлення пристроїв та екіпажу. Оскільки дуже швидке входження пристрою в атмосферу Землі могло просто спалити його високої температури при терті. Крім того, при поверненні пристрою повинні були безпечно приземлятися і наводитися в різних умовах.

Подальший розвиток космічної техніки дозволило виготовляти орбітальні станції, які можна використовувати протягом багатьох років, змінювати склад дослідників на борту. Першим орбітальним апаратом цього типу стала радянська станція «Салют». Її створення стало черговим величезним стрибком людства у пізнанні космічних просторів та явищ.

Вище вказано дуже невелику частину всіх подій та досягнень при створенні та використанні космічних апаратів та техніки, яка була створена у світі для вивчення Космосу. Але все ж таки найвизначнішим став 1957 рік, з якого і почалася епоха активного ракетобудування та вивчення Космосу. Саме запуск першого зонда породив вибухоподібний розвиток космічної техніки у всьому світі. А це стало можливим за рахунок створення в СРСР ракетоносія нового покоління, яке й змогло підняти зонд на висоту орбіти Землі.

Щоб дізнатися про все це та багато іншого, наш портал сайт пропонує Вашій увазі безліч захоплюючих статей, відеозаписів та фотографій космічної техніки та об'єктів.