1.概述
固定機翼飛機的機體由機身、機翼、安定面、飛行操縱面和起落架五個主要部件組成。
直升機的機體由機身、旋翼及其相關的減速器、尾槳(單旋翼直升機才有)和起落架組成。
機體各部件由多種材料組成,并通過鉚釘、螺栓、螺釘、焊接或膠接而聯接起來。飛機各部件由不同構件構成。飛機各構件用來傳遞載荷或承受應力。單個構件可承受組合應力。
對某些結構,強度是主要的要求;而另一些結構,其要求則完全不同。例如,整流罩只承受飛機飛行過程中的局部空氣動力,而不作為主要結構受力件。
1.2.飛機載荷
飛行中,作用于飛機上的載荷主要有飛機重力,升力,阻力和發動機推力(或拉力)。飛行狀態改變或受到不穩定氣流的影響時,飛機的升力會發生很大變化。飛機著陸接地時,飛機除了承受上述載荷外,還要承受地面撞擊力,其中以地面撞擊力最大。飛機承受的各種載荷中,以升力和地面撞擊力對飛機結構的影響最大。
1.2.1 平飛中的受載情況
飛機在等速直線平飛時,它所受的力有:飛機重力G、升力Y、阻力X和發動機推力P。為了簡便起見,假定這四個力都通過飛機的重心,而且推力與阻力的方向相反。則作用在飛機上的力的平衡條件為:升力等于飛機的重力,推力等于飛機的阻力。
即:
飛機作不穩定的平飛時,推力與阻力是不相等的。推力大于阻力,飛機就要加速;反之,則減速。由于在飛機加速或減速的同時,飛行員減小或增大了飛機的迎角,使升力系數減小或增大,因而升力仍然與飛機重力相等。平飛中,飛機的升力雖然總是與飛機重力相等,但是,飛行速度不同時,飛機上的局部氣動載荷(局部空氣動力)是不相同的。飛機以小速度平飛時,迎角較大,機翼上表面受到吸力,下表面受到壓力,這時的局部氣動載荷并不很大;而當飛機以大速度平飛時,迎角較小,對雙凸型翼型機翼來說,除了前緣要受到很大壓力外,上下表面都要受到很大的吸力。翼型越接近對稱形,機翼上下表面的局部氣動載荷就越大。所以,如果機翼蒙皮剛度不足,在高速飛行時,就會被顯著地吸起或壓下,產生明顯的鼓脹或下陷現象,影響飛機的空氣動力性能。
1.2.2 機在垂直平面內作曲線飛行時的受載情況
飛機在垂直平面內作曲線飛行的受載情況如圖1-2所示。這時,作用于飛機的外力仍是飛機的重力、升力、阻力和發動機的推力。但是,這些外力是不平衡的。
曲線飛行雖是一種受力不平衡的運動狀態,但研究飛機在曲線飛行中的受載情況時,為了方便起見,可以假設飛機上還作用著與向心力大小相等、方向相反的慣性離心力。這樣,就可以把受力不平衡的曲線飛行作為受力平衡的運動狀態來研究。
飛機在垂直平面內作曲線飛行時,升力可能大大超過飛機重量。飛機在曲線飛行中所受的載荷可能比平飛時大得多?梢酝茖С鋈缦鹿剑浩渲衦為飛機機動飛行的曲率半徑,v為飛行速度。
Y-Gcosq= m
由于飛機在每一位置的θ角不同,而且飛行速度和曲率半徑也不可能一樣,所以,飛機在垂直平面內做曲線飛行時,飛機的升力也是隨時變化的。
1.2.3 機在水平平面內作曲線飛行時的受載情況
水平轉彎時,飛機具有一定的傾斜角(玻度)β,升力與垂線之間也構成β角。這時,水平分力Y sinβ就是飛機轉彎時的向心力,它與慣性離心力N平衡;升力的垂直分力Ycosβ與飛機重力G平衡,即
Y =
水平轉彎時,cosβ總是小于1,故升力總是大于飛機的重量;傾斜角越大,cosβ越小,因而升力越大。
1.2.4 飛機過載
在曲線飛行中,作用于飛機上的升力經常不等于飛機的重量。為了衡量飛機在某一飛行狀態下受外載荷的嚴重程度,引出過載(或稱載荷因數)這一概念。作用于飛機某方向的除重量之外的外載荷與飛機重量的比值,稱為該方向的飛機重心過載,用n表示。飛機在Y軸方向的過載,等于飛機升力(Y)與飛機重量的比值,即
飛機在X軸方向的過載等于發動機推力P與飛機阻力X之差與飛機重量的比值,即
飛機在Z軸方向的過載等于飛機側向力(Z)與飛機重量的比值,即
飛機在飛行中,Y軸方向的過載往往較大,它是飛機結構設計中的主要指標之一,飛機的結構強度主要取決于Y方向的過載
。而其它兩個方向的過載(
,
)較小,它們對飛機結構強度的影響也較小。
在不同的飛行狀態下,飛機重心過載的大小往往不一樣。過載可能大于1、小于1、等于1、等于零甚至是負值,這決定于曲線飛行時升力的大小和方向。飛機平飛時,升力等于飛機的重量,等于1;曲線飛行時,升力經常不等于1。飛行員柔和推桿使飛機由平飛進入下滑的過程中,升力比飛機重量稍小一些,
就小于1;當飛機平飛時遇到強大的垂直向下的突風或在垂直平面內做機動飛行時,駕駛員推桿過猛,升力就會變成負值,
也就變為負值;當飛機以無升力迎角垂直俯沖時,載荷因數就等于零。
的正、負號與升力的正、負號一致,而升力的正、負號取決于升力與飛機Y軸(立軸)的關系。如果升力的方向與Y軸相同,則取正號;反之則取負號。
1.2.5 飛機部件的過載
在研究飛機各部件的載荷時,只知道飛機的過載是不夠的,還必須知道部件的過載。部件過載是該部件在某一飛行狀態中的質量力與其本身重量的比值。當飛機沒有對重心的角加速度時,部件的過載等于飛機的過載;當飛機有對重心的角加速度時,飛機重心以外各部件的過載,等于飛機的過載加上或減去一個附加過載。
1.2.6 飛機著陸時的過載
飛機著陸接地時的速度可分解為水平分速和垂直分速。由于水平分速是在著陸滑跑過程中逐漸消失的,因此飛機沿水平方向的受力不大;垂直分速是在飛機與地面相對撞擊后很短的時間內消失的,故飛機沿垂直方向的撞擊力較大。飛機著陸接地時承受的載荷,主要就是作用于起落架的垂直撞擊力。飛機接地時垂直方向的過載,為作用于起落架上的垂直撞擊力與飛機重量的比值。
如果飛機沒有繞重心的角加速度,則部件的過載就等于飛機重心的過載;否則,還要加上由角加速度引起的附加過載。例如:前三點式起落架飛機以兩個主輪接地時,作用于起落架的載荷對飛機重心的力矩,要使飛機產生機頭下俯的角加速度。這時,飛機重心后面的部件,其過載等于飛機重心過載加上一個附加過載;而飛機重心前面的部件,則應減去一個附加過載。