CHƯƠNG 1 – ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ KHUNG MÁY BAY

Mục tiêu: giới thiệu các thành phần chính của khung máy bay, mô tả tính năng thiết kế chính của nó, một cái gì đó về các lực làm theo chúng và các ảnh hưởng của trọng lượng và hình dạng của nó.

GIỚI THIỆU

Chi phí lớn cho một chiếc máy bay chỉ có thể là hợp lý nếu nó có thể cung cấp một lợi nhuận lớn hơn so với số tiền đầu tư. Đối với máy bay thương mại điều này có vẻ khá đơn giản - mua máy bay với giá rẻ nhất mà có thể mang hành khách hoặc số lượng hàng hóa vận chuyển yêu cầu. Tuy nhiên, chi phí ban đầu mua máy bay thường chỉ là một phần nhỏ trong tổng chi phí sở hữu trong suốt toàn bộ cuộc đời hoạt động của nó. Nó thường có giá trị trả thêm tiền cho một chiếc máy bay sẽ được rẻ hơn để hoạt động. Khi khấu hao, tuổi đời hoạt động và độ tin cậy sẽ xuống thời gian (thời gian mà máy bay không có sẵn bởi vì nó đang chờ sửa chữa) được đưa vào đánh giá lại, điều này có thể là một quyết định khó khăn để thực hiện. Đối với máy bay quân sự, các câu hỏi là khác nhau, và các quyết định có thể được nhiều hay ít đơn giản hơn so với thương mại, đặc biệt là về các khía cạnh chính trị cần được xem xét.

Dù mục đích của máy bay, nó phải đủ khỏe và đủ cứng, và có thể để duy trì một tuổi thọ  lâu dài  để phục vụ, thường từ ba mươi năm trở lên. Nó cũng phải được xây dựng sao cho rằng nếu bất kỳ phần nào hỏng hóc, như một số ràng buộc để làm, sự hỏng hóc không gây ra sự tổn thất của máy bay, và tuổi thọ của nó. Có nhiều cách để đạt được điều này, nhưng đây là những chủ đề của chương sau. Điều quan trọng là để nói, tuy nhiên, máy bay là một trong các phương tiện vận tải an toàn nhất. Điều này là do không có biện pháp nhỏ để các yêu cầu khắt khe và chi tiết được áp dụng bởi các nhà thiết kế máy bay và các nhà khai thác, bảo vệ an toàn của cơ quan có đủ điều kiện bay trên toàn thế giới.

KẾT CẤU

Thành phần khung máy bay. Hầu như khung máy bay nào có thể được chia thành bốn thành phần chính:

    ­- Mainplane hoặc cánh

    - Thân máy bay hoặc cơ thể

    - Đuôi (hoặc foreplanes, cánh canard ở máy bay chiến đấu)

    - Khung giá cho tất cả các hệ thống khác (bánh xe hạ cánh, động cơ, vv)

Mỗi thành phần chính được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, do đó, khung máy bay hoàn toàn có thể thực hiện công việc mà nó được thiết kế một cách an toàn và hiệu quả. Các tính năng chính của mỗi thành phần chính được định nghĩa trong một vài đoạn văn tiếp theo, cùng với một mô tả ngắn gọn về tải họ sẽ thấy trong quá trình hoạt động. \ Tất cả máy bay đều được lắp gép từ nhiều bộ phận riêng biệt tuyệt vời, và mỗi một phần có công việc cụ thể của riêng của mình để làm. Nhưng ngay cả khi nó đã có thể xây dựng một chiếc máy bay hoàn chỉnh, điều này sẽ không thể là lựa chọn tốt nhất. Một số bộ phận sẽ trở nên hư hỏng, mòn hoặc nứt trong suốt quá làm việc và  phải được cung cấp để sửa chữa hoặc thay thế . Nếu một phần bắt đầu để nứt, nó là bắt buộc rằng cấu trúc không hư hỏng hoàn toàn trước khi nó được tìm thấy trong kiểm tra bảo trì, hoặc hoạt động an toàn của máy bay có thể sẽ bị ảnh hưởng

CÁNH

Cánh phải tạo ra lực nâng  từ luồng không khí qua nó để hỗ trợ tàu bay đang bay. Số lượng của lực nâng cần thiết phụ thuộc vào chiếc máy bay đang bay hoặc vận động. Đối với các chuyến bay thẳng và bay bằng,  tổng số lực nâng sinh ra phải bằng với trọng lượng của máy bay. Để cất cánh và lấy độ cao lực nâng yêu cầu phải được hình thành ở một tốc độ bay thấp. Nếu tàu bay đang bay thay phiên nhau rất chặt chẽ, cánh phải tạo lực nâng  bằng có tám lần trọng lượng máy bay. Để hạ cánh, yêu cầu tốc độ về phía trước chậm nhất có thể, và lực nâng đủ phải được tạo ra để hỗ trợ các máy bay tại các tốc độ thấp. Để cất cánh và hạ cánh, các thiết bị làm tăng lực nâng thường được thêm vào để làm điều này có thể là  cánh tà trước, cánh tà sau vv, cánh cần phải được vững và để khỏe để chống lại lực nâng lớn, và lực cản, lực liên kết giữa chúng

Vì vậy, nó có thể được lập luận rằng cánh là thành phần thiết yếu nhất của một máy bay. Trong thực tế, máy bay đã được thiết kế cánh thuong tot nhat . Thông thường hơn, một sự sắp xếp di chuyển một số cach hướng tới tieu chuan này có thể được nhìn thấy trong máy bay như máy bay Boeing B-2, F-117 và máy bay delta như Concorde.

Trong hầu hết các máy bay lớn, cánh mang tất cả hoặc hầu hết nhiên liệu, và cũng có thể hỗ trợ các bánh đáp chính trong máy bay quân sự, nó thường mang một phần đáng kể của tải trọng vũ khí và được lưu trữ bên ngoài khác. Tất cả những điều này sẽ truyền đạt tải trên kết cấu của cánh.

THÂN MÁY BAY

Thân máy bay phục vụ một số chức năng:

-Nó là cơ thể của máy bay, chứa phi hành đoàn, hành khách hoặc hàng hóa (tải trọng), và  nhiều các hệ thống máy bay như thủy lực, khí nén và mạch điện, điện tử.

-Nó tạo thành liên kết chính cấu trúc giữa cánh và đuôi hoặc foreplanes, giữ chúng ở các vị trí chính xác và góc độ luồng khí cho phép máy bay bay như nó đã được thiết kế để làm. Các lực truyền từ các thành phần này, đặc biệt là cánh và đuôi, tạo ra một loạt các loại tải trọng trên thân máy bay. Nó phải có khả năng hỗ trợ các tải trong suốt thời gian yêu cầu của máy bay.

- Đông cơ có thể được cài đặt bên trong hoặc gắn liền với thân máy bay, và các lực được tạo ra có thể rất lớn.

- Bởi vì độ cao mà tại đó họ bay, máy bay hiện đại nhất có một số hình thức của hệ thống kiểm soát môi trường xung quanh  (nhiệt độ và áp suất) trong thân máy bay. Bên trong của thân máy bay được áp lực để mô phỏng một độ cao thấp hơn so với bên ngoài, khoảng năm 2400 mét (8 000 feet) cho máy bay vận tải, và lên đến 7600 mét (25 000 feet) cho các máy bay quân sự , và nhiệt độ duy trì trong giới hạn thoải mái. Những tải áp lực tạo ra lực căng dọc và xung quanh thân máy bay, như với các vật liệu trong một quả bóng thổi phồng.

Nhiều tải có thể tồn tại cùng một lúc, và có thể thay đổi theo chu kỳ trong suốt tuổi thọ của khung máy bay. Thân máy bay cần phải được khỏe và đủ cứng để duy trì tính toàn vẹn của nó cho toàn bộ tuổi thọ thiết kế của nó.

Thân máy bay thường được ket hop vào cánh để làm giảm lực cản. Trong vài chiếc máy bay rất khó để nhìn thấy thân máy bay kết thúc và cánh bắt đầu.

ĐUÔI

Các đơn vị đuôi thường bao gồm một chiếc vây cá thẳng đứng với một bánh lái độ cao và một đuôi ngang với elevator di chuyển hoặc một stalator tất cả các chuyển động ngang. Có đó, tuy nhiên, một hình thức khác của bề mặt điều khiển được tìm kiếm phổ biến ngày càng tăng trong máy bay chiến đấu, và thậm chí một số môn thể thao và máy bay giám đốc điều hành. Trong cách bố trí này, bề mặt đuôi ngang được thay thế hoặc bổ sung bằng cách di chuyển bề mặt điều khiển ở mũi của máy bay. Các bề mặt này được gọi là foreplanes, và cách bố trí này được gọi là bố trí tin vịt, từ một từ tiếng Pháp cho vịt, các máy bay tương tự như.

Cho dù bố trí được sử dụng, các bề mặt này cung cấp ổn định và điều khiển theo cường độ và yaw, như được định nghĩa dưới đây. Nếu một chiếc máy bay ổn định, bất kỳ sự sai lệch so với con đường đã chọn sẽ được sửa chữa tự động, bởi vì các hiệu ứng khí động học tạo ra một hiệu ứng phục hồi để đưa tàu bay về thái độ ban đầu của nó. Ổn định có thể được cung cấp một cách giả tạo, nhưng ban đầu nó sẽ được coi là đạt được bằng cách có một đơn vị đuôi, vây cố định và tailplane, và bề mặt điều khiển chuyển động gắn liền với chúng. Đó là một lợi thế nếu đuôi là như xa từ trung tâm của lực hấp dẫn càng tốt để cung cấp một đòn bẩy lớn - nó sau đó có thể là nhỏ và nhẹ, với chức năng kéo thấp. Vì lý do này, nó được đặt ở phía sau của thân máy bay.

Lực lượng được tạo ra bởi đuôi hoạt động lên và xuống (bằng tailplane), và bên trái và bên phải (vây). Tất cả các lực lượng này, cộng với tải trọng uốn và xoắn liên quan, phải chống lại và hấp thụ bởi thân máy bay.

TRỌNG LƯỢNG

Đó là thực hành kỹ thuật tốt cho việc thiết kế của tất cả các bộ phận được như hiệu quả và kinh tế nhất có thể, giữ trọng lượng và chi phí thấp. Tất nhiên, các yêu cầu của trọng lượng thấp và chi phí thấp thường xung đột. Ở trên máy bay trọng lượng thấp và độ bền cao là đặc biệt quan trọng, và nỗ lực rất lớn được thực hiện ở giai đoạn thiết kế để đạt được điều này. Trọng lượng tối đa của một máy bay được thiết lập bởi thiết kế của nó, và thêm bất kỳ trọng lượng được đưa lên bởi kết cấu không có sẵn cho tải trọng hay nhiên liệu, làm giảm hiệu quả hoạt động của nó.điều Này được thực hiện tồi tệ hơn bởi hiệu ứng xoắn trọng lượng, tăng trọng lượng trong một khu vực có nghĩa là các khu vực khác cần phải được củng cố để có thêm tải gây ra. Điều này làm tăng trọng lượng của họ, và có thể có nghĩa là động cơ mạnh hơn hoặc cánh lớn hơn được yêu cầu để duy trì hiệu suất cần thiết. Bằng cách này, một chiếc máy bay có thể có hiệu quả lớn hơn hoặc kém hoàn toàn như là một kết quả của kiểm soát trọng lượng kém trong quá trình thiết kế.

Có rất nhiều cách tiết kiệm trọng lượng, nhưng một trong những người phổ biến nhất là sử dụng các vật liệu được cải thiện. Thường thì những có thể đắt hơn, nhưng chi phí phụ thêm có thể được biện minh bằng cách cải thiện hiệu suất, và giảm chi phí hoạt động. Ở giai đoạn thiết kế, những câu hỏi như vậy là đối tượng của nghiên cứu mở rộng thương mại

LỰC KHÍ ĐÔNG – LỰC NÂNG VÀ LỰC CẢN

Khi những dòng khí trên bề mặt khí động học, áp lực của nó sẽ thay đổi khi thay đổi tốc độ . Điều này làm thay đổi áp suất, khi hoạt động trên một khu vực rộng lớn, sẽ tạo ra lượng lực lớn. Tùy thuộc vào hướng mà các lực tác động, họ sẽ vận hành như lực nâng hoặc lực cản .. Lực nâng được định nghĩa như là một lực vuông góc với hướng của chiều bay và lực cản là lực tác động theo hướng của máy bay. Nếu lực không phải chính xác vuông góc cũng không phải chính xác theo hướng của các chuyến bay, nó sẽ có các thành phần của lực nâng và kéo. Như đã giải thích, lựu nâng được sản xuất bởi một chiếc máy bay lớn có thể là vài trăm tấn, với các lực lượng cản thông thường là một phần mười của lực nâng. Nó là không thể để tạo ra lực nâng mà cũng không có sản xuất lực cản, nhưng cẩn thận thiết kế có thể đảm bảo rằng tất cả các hình thức cản được giảm thiểu.

Các nhà điều hành của một máy bay muốn máy bay bay với tốc độ kinh tế cao nhất, sử dụng nó để tối đa tiềm năng của nó. Các nhà khai thác thương mại muốn cung cấp hàng hóa tối đa hoặc tải hành khách trong thời gian ngắn, và các quân lực đạt được một lợi thế rất lớn từ các máy bay chiến đấu rất nhanh. Vấn đề mà họ phải đối mặt là tốc độ cao hơn có nghĩa là tải cản lớn hơn. Những lần lượt cần động cơ mạnh hơn, và tiêu thụ nhiên liệu tăng. Các tải tăng theo bình phương của tốc độ bay. Chắc chắn, có một tốc độ tối ưu mà tại đó để hoạt động bất kỳ máy bay, và tốc độ này thông thường sẽ được chọn là tốc độ chế độ bay đường trương cho máy bay đặc biệt. Để có được hiệu suất tốt nhất có thể và tiết kiệm nhiên liệu tốt nhất một chiếc máy bay phải được định hình để giảm thiểu cản. Hình dạng bên ngoài có ảnh hưởng lớn đến việc thiết kế các cấu trúc cơ bản. Ngược lại, nó không phải là có thể thiết kế một chiếc máy bay để cung cấp cho cản tối thiểu mà không cần dùng đến các yếu tố cấu trúc.

May mắn thay, mối quan hệ giữa tải và tốc độ này cũng được áp dụng để nâng. Tuy nhiên, cấu trúc phải có khả năng để đối phó với tải cao hơn tạo ra. Hầu hết các tải trọng tạo ra những áp lực về cơ cấu khung máy bay đến từ những tác động của áp lực khí động học trên bề mặt khung máy bay bên ngoài, chứ không phải là các nguồn khác. Những áp lực này sẽ thay đổi trong một phạm vi rộng, phụ thuộc vào khi máy bay đang bay, lao xuống, lấy độ cao hoặc trong không khí đầy biến động, và cũng có các khóa học về tốc độ của nó. Cánh mỏng bình thường cung cấp cho lực cản thấp nhưng có thể dễ bị rung (một dao động gây tổn hại gây ra bởi sự tương tác giữa các hiệu ứng khí động học và cấu trúc), cánh dày cứng hơn, và có thể mang nhiều nhiên liệu hơn. Chắc chắn, thiết kế cuối cùng là một thỏa hiệp. Chiếc máy bay thành công nhất là những người trong các thỏa hiệp tốt nhất được tìm thấy

LỰC QUÁN TÍNH

Lực quán tính sinh ra  từ quá trình vận đông có thể là chủ yếu. Nếu một chiếc máy bay đang quay, mỗi phần của máy bay sẽ chống lại bất cứ sự thay đổi chuyển động của nó bằng cách sử dụng  lực quán tính gắn vào nó. Các gắn này nếu sau đó sẽ gây ra một lực bằng nhau và ngược lại, theo luật chuyển động của Newton. Nếu máy bay được quay ở 4 'g', tức là bốn lần gia tốc do trọng lực, các thành phần sẽ xuất hiện để cân nhắc bốn lần trọng lượng tĩnh hoặc bình thường của nó. Điều này 'trọng lượng' phải được chống lại bởi khung giá của các thành phần. Vì vậy, một động cơ có trọng lượng 15 000 N sẽ tạo ra một tải trọng 60 000 N trong cơ động 4 g

LỰC ĐẨY

Loại cuối cùng của tải để xem xét là lực đẩy được tạo ra bởi động cơ. Các tải trọng được truyền thông qua gắn kết  giữa động cơ vào cấu trúc lân cận . Trong chuyến bay có  vận tốc không đổi, lực đẩy sẽ bằng tổng lực cản của máy bay, nhưng thường hoạt động dọc theo một đường khác nhau - động cơ dòng trung tâm. Pylon-gắn trên động cơ được phổ biến trên máy bay thương mại lớn, và lực đẩy hoạt động dọc theo một đường dưới cánh và tạo ra tải xoắn trên cánh. Có thể sử dụng một số ảnh hưởng tải đối lập với tải khác về cấu trúc, do đó làm giảm các yêu cầu sức mạnh tổng thể của cấu trúc và tiết kiệm trọng lượng. Đây là một trong nhiều kỹ thuật được sử dụng bởi các nhà thiết kế để làm cho máy bay của họ hiệu quả hơn.

KẾT LUẬN

Một khung máy bay phải có khả năng đáp ứng nhiều yêu cầu. Nó phải đối phó với các lực lượng khí động học được sản xuất ở tốc độ mà tại đó tàu bay đang bay, để chống lại các lực lượng quán tính tạo ra bởi quá trình hoạt động của máy bay, và tất nhiên để mang tải trọng mà nó được thiết kế để vận chuyển. Chiếc máy bay cũng phải đạt được các khía cạnh hoạt động khác mà nó đã được thiết kế, không để bay ở tốc độ và với nền kinh tế nhiên liệu cần thiết để cung cấp một phương tiện hiệu quả vận chuyển. Nó phải có trọng lượng thấp nhất có thể cơ cấu, nhưng có một cấu trúc cứng và mạnh mẽ với một cuộc sống lâu dài và mức độ an toàn cao. Để đạt được tất cả những điều này, các nhà thiết kế phải giải quyết nhiều vấn đề. Họ phải có một sự hiểu biết thấu đáo về tải trên một cấu trúc máy bay, và làm thế nào họ được hỗ trợ tốt nhất. Họ phải cân bằng các yêu cầu đa dạng của các nhà khai thác, cơ quan đủ điều kiện bay, tổ chức sản xuất và tất cả các chuyên gia khác, do đó, máy bay này là an toàn, tiết kiệm và hiệu quả hoạt động và duy trì. Chúng ta có thể nhìn vào các ví dụ trong chương sau để xem cấu trúc nhẹ nhưng mạnh mẽ và cứng được xây dựng như thế nào.