Развитие силовой схемы оперения

Вопросы расчета оперения, имеющего руль, навешенный по статически неопределимой схеме, считаются достаточно хорошо разработанными, установившимися [8] и в периодических научных изданиях им не уделяется внимания уже три-четыре десятилетия.

Руль и стабилизатор, как правило, представляют собой тонкостенные стержни, расчет которых можно проводить методами, построенными для крыла, если известны эпюры их изгибающих и крутящих моментов, а также перерезывающих сил. Для построения эпюр необходимо знать реакции в узлах навески руля, определение которых проводится или по теореме трех моментов в предположении абсолютной жесткости стабилизатора, или методом сравнения перемещений [8]. Заметим, что всегда, насколько нам известно, расчет этот проводится в предположении, что руль и стабилизатор находятся в одной плоскости. Но ведь внешняя нагрузка на оперение почти во всех расчетных случаях определяется углом отклонения руля. В существующей схеме расчета имеется какой-то разрыв: нагрузка определяется по углам отклонения, а затем проводится расчет на прочность оперения с неотклоненным рулем. Более того, и статические испытания проводятся при нейтральном положении руля.

Такое рассогласование, на наш взгляд, определилось эволюцией развития конструкции оперения и методов его расчета. Методы определения реакций в узлах навески многошарнирных рулей сложились еще в тридцатые годы, когда конструкции выполнялись с полотняной обшивкой и основным элементом руля был трубчатый лонжерон (рис. 1.1.1, а), поворот которого не мог существенно изменить долю жесткости руля в общей системе стабилизатор - руль, а следовательно, и величину реакций в кронштейнах навески. Ведь изгибные жесткости руля с полотняной обшивкой относительно осей и , т.е. и , близкие величины.

Рис. 1.1.1

Далее эволюция развития конструкции оперения пошла по пути увеличения жесткости обшивки, сначала в лобовой части руля, затем и в хвостовой. Увеличение скоростей полета привело к тому, что доля воздушной нагрузки на оперение, воспринимаемой рулем, значительно возросла. Это увеличило изгибную жесткость рулей и количество точек крепления их на стабилизаторе. В настоящее время существуют рули, навешенные на девяти опорах, а также рули, у которых обшивка подкреплена стрингерным набором. При малых относительных толщинах современных оперений, достигающих 4-6%, руль представляет собой тонкостенный стержень с очень маленькой строительной высотой, который выгодно выполнять как трехслойную пластину, появились рули с сотовым заполнителем. В рулях со стрингерами, а тем более, с заполнителем обшивка может работать с высокими напряжениями и при вычислении моментов инерции должна учитываться почти полностью. Так и делают при вычислении . Лобовой момент инерции руля , как правило, не вычисляют, так как традиционные методы расчета не требуют этого [8].

Эволюция развития конструкции оперения привела к тому, что рули превратились в стержни, лобовая жесткость E которых в десятки, а иногда и в сто раз больше нормальной E . Некоторые конструкторы, чтобы избавиться от тяжелых " бесполезных" балансиров, выполняют носовую часть рулей из толстой стальной обшивки, как бы размазывая балансиры по носику руля: и балансировка сохраняется, и обшивка еще лучше выполняет свою роль. У таких рулей соотношение особенно велико. На рис. 1.1.1, б изображена примерная кривая, определяющая изменение максимального соотношения по годам развития авиации, показывающая тенденцию постоянного роста этого соотношения. Рассчитывая современные конструкции, необходимо учитывать влияние лобовой изгибной жесткости руля при его отклонении. Использование старой расчетной схемы приводит не только к ошибочному определению реакций, но и к неправильному пониманию работы составных стержней типа стабилизатора с рулем, соединенных через кронштейны.

Отклонение руля, во-первых, изменяет долю его жесткости, которая вместе со стабилизатором воспринимает поперечный изгиб. Изменение этой жесткости может существенно изменить нормальные реакции в узлах навески. М.Ф. Астахов пишет: " Подсчет реакций должен производиться тщательно. Возможны случаи, когда при уменьшении реакции в крайнем шарнире на 10% изгибающие моменты в других сечениях могут измениться в несколько раз" (см. [8, фиг. 236]).

Отклоненный руль, во-вторых, участвуя в поперечном изгибе системы стабилизатор - руль, изгибается и в плоскости своей наибольшей жесткости. Этот изгиб может быть осуществлен лишь в результате возникновения в шарнирах навески лобовых реакций , лежащих в плоскости стабилизатора и направленных вдоль оси соответствующих кронштейнов навески руля (рис. 1.1.1, в).

Таким образом, расчет оперения с учетом отклонения руля выявляет новые силы - лобовые реакции в шарнирах, величина которых, как показывают расчеты реальных конструкций, может оказаться больше, чем реакции , определяемые существующей расчетной схемой. Никаких замечаний о существовании этих сил ни в отечественной, ни в зарубежной литературе встретить не удалось.

Третьей существенной особенностью многошарнирного оперения, имеющего руль с большой лобовой жесткостью, является определяющее влияние последней на величину шарнирного момента при отклонении руля. Замеченный факт значительного увеличения лобовой изгибной жесткости руля должен сказаться на величине шарнирного момента. Если при малой лобовой жесткости руля усилия управления связаны в основном с преодолением воздушной нагрузки, действующей на руль, то при большой жесткости необходимы еще и усилия, изгибающие руль в своей плоскости, так как его приходится поворачивать относительно криволинейной оси, и лобовой изгиб при этом неизбежен.