нагрузки на летательный аппарат

Рис. 1. Распределение вертикальных проекций аэродинамических нагрузок на самолёт.

нагру́зки на лета́тельный аппара́т — система сил, действующих на летательный аппарат и являющихся основой для определения его прочности. В эту систему входят аэродинамические, аэростатические, инерционные силы, тяга двигателей, силы от реакции земли при движении по аэродрому, от неравномерного изменения температуры конструкции, от акустических давлений, от наддува в гермоотсеках и др. Различают внешние нагрузки — поверхностные (силы давления и трения), объёмные, или массовые (сила тяжести, инерционные силы) и внутренние нагрузки — усилия, потоки напряжений и т. п., являющиеся результатом действия внешних сил, нагревания (тепловые нагрузки) и других факторов. При решении ряда задач применяют способы с использованием интегралов от внешних нагрузок в виде распределённых по длине и сосредоточенных (суммарных) нагрузок, а также в виде перерезывающих сил Q и моментов — изгибающих M_изг и крутящих M_крут. В расчётах летательных аппаратов широко применяется интегральная характеристика нагрузок — перегрузка, равная отношению суммы поверхностных сил к силе тяжести летательного аппарата.

По характеру изменения во времени Н. на л. а. разделяют на статические (например, в установившемся вираже), квазистатические, относящиеся к так называемым манёвренным нагрузкам, и динамические, возникающие в конструкции, когда развиваются упругие колебания (например, от посадочного удара); при этом время изменения внешних поверхностных сил сравнимо или много меньше какого-либо периода собственных колебаний конструкции. Н. на л. а. принято определять в соответствии с Нормами прочности летательных аппаратов, в которых регламентированы типичные условия нагружения и их нормированные параметры для каждого расчётного случая. Например, при манёвре самолёта типичным является показанное на рис. 1 распределение вертикальных проекций аэродинамических нагрузок, уравновешенных массовыми нагрузками. Эти нагрузки разгружают (на 10—30%) крыло самолёта, но для таких его частей, как нос фюзеляжа, пилоны двигателей, являются основными при расчёте на прочность. Н. на л. а. определяют ещё для ряда расчётных случаев: разворота летательного аппарата при рулении, действия ветра на стоянке, остановки двигателей на одном полукрыле в полёте, действия шума реактивных струй, раскрытия тормозного парашюта, вынужденной посадки на воду (действует гидродинамическая нагрузка), примерзания лыжного шасси, буксировки и пр. Для быстро вращающихся агрегатов двигателей существенной является, например, гироскопическая нагрузка.

При расчёте динамической Н. на л. а. во время полёта в неспокойном воздухе кроме воздействия однократных порывов ветра рассматривается и реакция конструкции летательного аппарата на непрерывную турбулентность воздушного потока. В этом случае воздействие Н. на л. а. может быть описано многомерным случайным процессом со спектральными плотностями в виде следующего линейного уравнения:

S(ω) = S_w(ω)|T(iω)|²,

где S_w(ω) — спектральная плотность турбулентности, T(iω) — передаточные функции или амплитудно-фазовые частотные характеристики Н. на л. а. при действии синусоидального порыва ветра, ω — частота. По S(ω) находят повторяемость нагрузок и, задаваясь вероятностью непревышения уровня каких-нибудь нагрузок, получают максимальные эксплуатационные нагрузки. Такой же приём используют и при расчёте нагрузок, возникающих во время пробега самолёта по неровностям аэродрома. Другим примером динамического нагружения летательного аппарата может служить воздействие циклических аэродинамических сил на винтах вертолётов в полёте из-за изменения условий обтекания лопасти при её азимутальном перемещении (аналогично и для винтов самолётов при косой обдувке). Вызываемые этими силами переменные деформации лопасти приводят к появлению инерционных сил. В этом случае имеет место характерное для состояния аэроупругости совместное действие аэродинамических, инерционных и упругих сил. При равенстве их частоты собственной частоте колебаний лопасти возникает резонанс, приводящий к значительному увеличению уровня переменных нагрузок. Переменные Н. на л. а. в совокупности с основными нагрузками определяют выносливость конструкции. При этом первостепенную роль играют не только значения нагрузок, но и их число на единицу пути или времени.

Для расчётов летательных аппаратов на статическую прочность и проведения испытаний из всего многообразия внешних Н. на л. а. важны лишь те, которые дают наибольшие внутренние нагрузки, что в общем случае требует одновременно и решения задачи о напряжённо-деформированном состоянии. На практике эти задачи, как правило, разделяются. В частности, применительно к конструкциям, допускающим балочную схематизацию, о важности для прочности тех или иных нагрузок судят по максимальным или минимальным значениям Q, M_изг или M_крут, так как, как правило, нет одного такого расчётного случая, который давал бы наибольшие нагрузки для всего рассчитываемого элемента конструкции, например, это показывают эпюры M^ν_изг по полуразмаху крыла самолёта (рис. 2).

Теоретическое определение Н. на л. а. зачастую является достаточно сложной задачей: требуется решение систем дифференциальных уравнений, в ряде случаев нелинейных (например, при расчёте люфтов и насыщения в средствах автоматического управления, нелинейности сил шасси и сил при больших углах атаки), а при учёте нестационарности аэродинамических сил — и систем интегро-дифференциальных уравнений. Для нахождения Н. на л. а. используются также методы аэродинамики и динамики полёта, законы теории колебаний и аэроупругости, акустики и теплофизики, а также теории вероятностей и математической статистики. Применяются экспериментальные методы определения Н. на л. а. при лётных испытаниях, испытаниях в аэродинамических трубах, в гидроканалах, на ракетных дорожках, копрах, стендах и т. п. Проводятся измерения перегрузок и других параметров, характеризующих нагружение летательных аппаратов на различных трассах и в разных режимах полёта.

Литература:
Тейлор Дж., Нагрузки, действующие на самолёт, пер. с англ., М., 1971;
Прочность самолёта. Методы нормирования расчетных условий прочности самолёта, под ред. А. И. Макаревского, М., 1975;
Макаревский А. И., Чижов В. М., Основы прочности и аэроупругости летательных аппаратов, М., 1982.

О. А. Кузнецов.

Рис. 2. Эпюры изгибающих моментов по крылу самолёта.