UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREŞTI FACULTATEA DE INGINERIE AEROSPAŢIALĂ TEMA de CASĂ CONSTRUCŢIA STRUCTURILOR AEROSPAŢIALE - Avion de transport - Model B747-200B
Titular curs: Ş.l. ing. I. Predoiu
Student:Stoican Elena-Bianca
Coordonare tema: Ş.l. ing. I. Predoiu
Grupa:931
2011-2012
1
CSA - TEMA de CASA - 2010/2011
Să se studieze un avion de… - Model… Lucrarea va cuprinde: Termen
Cap
…
Obs…
de control
1 2 3
– [3-5 – [3-5 pagini] Săpt. 9 – Sintetic! – Sintetic! – Se – Se acceptă poze, tabele, etc… – [1 – [1 pagină] Săpt. 9 – Desen – Desen la scară - cotat! Săpt. 9 – Editat! – Editat! (recomandare: ACAD... / Catia V5R16) - sau manual! – Format: – Format: (minim) A3 (2xA4) – [3-5 – [3-5 pagini] Săpt. 9 – Sintetic! – Sintetic! – Schiţe – Schiţe la scară A - F - AO - AV – Se – Se recomandă ataşarea unei poze cu avionul "explodat" şi legenda sintetică (minim 25-30 25-30 pozitii cu accent pe structura!) – Detalii – Detalii structură A - F - AO AV: (tip, materiale…) – [3-5 – [3-5 pagini] Săpt. 11 – Sintetic: – Sintetic: formule şi tabele – Două – Două variante de centraj: 1) Avionul gol echipat 2) Avionul la Gmax ("nominal") – Evaluare – Evaluare momente de inerţie – [3-5 – [3-5 pagini] Săpt. 11 – Sintetic: – Sintetic: formule şi rezultate… – [cca – [cca 5-10 pagini] – Sintetic: – Sintetic: valori, formule, rezultate… – DMR: – DMR: Grafic + Tablou de valori… – Studiul – Studiul punctelor... – [cca – [cca 3 pagini] – Sarcini – Sarcini de calcul pe AO – Sarcini – Sarcini de calcul pe AV – Aterizarea – Aterizarea
Prezentare generală a avionului: istoric, fabricaţie, exploatare, dezvoltare, perspective… Caseta tehnică Avionul în trei vederi
4
Descriere tehnică a subansamblelor principale: Structură (A - F - AO - AV) Sistem de propulsie - Tren de aterizare Instalaţii şi echipamente (sintetic)
5
Devizul de greutăţi şi epura de centraj
6
Evaluări aerodinamice ( C z , etc…)
7
Diagrama de manevră şi rafală (DMR)
8
Alte cazuri de calcul:
2
UNITĂTI de MĂSURĂ / CONSTANTE TEHNICE SISTEME de UNITĂTI
L
G F M
EN (USA) Pound-Foot-Secundă Unităţi de bază: Pound-mass/force - Foot - Sec Pound-mass (lb) - Masă etalon Pound-force (lbf) "Greutatea" masei de 1 lb-mass: 1 lbf = 1 lb "g" (ft/s2) 1 foot (ft) = 12 inch (in) = ... 1 inch (in) sau "ţol" (") = ... Unităţi tehnice: – Mile (mila terestră) 1 mile =... – Nautical Mile (mila marină) 1 nm =... 32.17405 (ft/s 2) 32.2 (ft/s2) = ... 1 pound-force (lbf) 1 pound-mass (lb) Masă - unitate tehnică: Slug (slug) Este masa inerţială care corespunde forţei de 1 lbf sub o acceleraţie de 1 ft/s 2 (Este o unitate foarte mare!) 1 lbf = 1 slug 1 ft/s2 1 [lbf] 1[lbf×s2 /ft] =... 1slug = 2 1 [ft/s ]
MKS (SI) Metru-Kilogram-Secundă
MKfS Metru-Kilogram forţă-Secundă
Unităţi de bază: Kg-masă/Newton/Metru/Sec Kg-masă - Masă etalon Newton (N) Definiţie: 1 N = 1 kg 1 m/s2 0.3048 m 25.4 mm
Unităţi de bază: Kg-masă/-forţă/Metru/Sec Kg-masă - Masă etalon Kg-forţă (kgf) "Greutatea" masei de 1 kg: 1 kgf = 1 kg "g" (m/s2) 0.3048 m 25.4 mm
1609.344 m 1.609 km
1609.344 m 1.609 km
1852 m = 1.852 km 9.80665 m/s 2 9.81 m/s2 4.448222 N 4.45 N 0.4535924 kg 0.454 kg
1852 m = 1.852 km 9.80665 m/s2 9.81 m/s2 0.4535924 kgf 0.454 kgf 0.4535924 kg 0.454 kg Add Fe-09 [Site „RA- Aus”...]
4.44...[N] 0.3048[m/s2 ]
14,5939[kg] 14.6 kg
V
foot/sec (ft/s)
p (σ )
Presiune / Tensiune mecanică psf (lbf/ft 2) - pund-per-square-foot psi (lbf/in 2) - pund-per-square-inch 1 psi =...
K: OK!
m/sec: 1m/s
1 ft/s =... Unitate tehnică:Knot (nod) 1 knot = 1 nm/h=...
„Old british mass unit”: 1 slug = 32.174 lb(m) Verificare: 1 slug 0.454 x ... = 14.594 kg
1/ 1000 [km] 1/3600 [h]
3.6[km/h]
0.3048 m/s =...
Add Fe-09 [Hoblit pag 8]
1.852 km/h = 1852 m/s... N/m2 (Pascal - Pa) N/mm2... bar: 1 bar =10 3 mb = 105 Pa 4.44...[N] 0,006895 N/mm2 2 2 25.4 [mm ]
1 kt = 1689 fps
kgf/m2... kgf/mm2... at (atmosfera tehnică) kgf/cm 2... etc...
0.007 N/mm2 ATMOSFERA STANDARD*)
p0
59 F 288.15 K 2116.22 lbf/sq.ft = 14.696 lbf/sq.in
15 C 288.15 K 101325.0 N/m 2 = 1013.25 mb
15 C 288.15 K 10332.27 kgf/m 2 = 1.033... at
0
0.0023769 0.0024 slugs/ft 3
1.225 kg/m3
0.12492 0.125 (1/8!) kgf s2 /m4
a0
1116.45 ft/s2 = 661.48 knots
340.294 m/s = 1225.06 km/h
...
0
Viscozitate cinematică 1.5723 10-4 sq.ft/s
... 1.4607 10-4 m2 /s
...
T 0
3
1.Prezentare generală Boeing 747
Boeing 747 este un avion american de pasageri cvadrimotor lung și foarte lung, curier de mare și foarte mare capacitate produs de firma Boeing. Este un avion cu două culoare (de diametru mare, sau wide body). Timp de 35 de ani (1970-2005) a deținut recordul de cel mai mare avion de pasageri din lume, record doborât de Airbus A380. Din cauza mărimii, a fost poreclit și Jumbo Jet. Avionul este un avion cu două etaje, etajul superior fiind mai scurt decât cel inferior, creând impresia unei cocoașe, fiind astfel ușor recunoscut inclusiv de către publicul larg. Este cel mai popular avion de capacitate foarte mare, fiind produse 1387 de bucăți, cu încă 120 comenzi, atât de marfă cât și de pasageri. În mod normal, transportă până la 524 pasageri la 0.85 Mach pe o distanță de maxim 13.446 km. Deși proiectanții se așteptau să devină rapid depășit, au fost produse 4 generații ale modelului. Avionul a fost produs ca urmare a revoluției în transportul aerian survenite în anii 1960. Dacă cu doar 10 ani în urmă, transportul aerian era un produs de lux, inaccesibil majorității populației, revoluția adusă de avioanele cu reacție, precum Boeing 707 și DC-8 a dus la necesitatea unui produs care să poată transporta un număr foarte mare de oameni, mai ales la clasa economic (pe atunci numită "turist"), pe distanțe mari, fără oprire. Ideea a aparținut lui Juan 4
Trippe, de la PanAm o figură legendară în aviație, acesta contactând Boeing după ce acesta pierduse un contract pentru realizarea unui avion de mare capacitate pentru armata americană. Un lucru revoluționar la acest avion a fost includerea de motoare cu reacție turboventilatoare cu bypass înalt, având putere mai mare pentru un consum de combustibil mult redus.
Boeing 747 încărcând prin uşa din bot, uşă pentru care avionul a fost construit cu două etaje Inițial s-a gândit oferirea modelului cu două etaje pe întreaga capacitate, dar, problemele legate de evacuarea în cazul de urgență au dus la creșterea diametrului fuselajului, și reducerea etajului superior. A fost astfel creat primul avion cu diametru mare și două culoare din lume. Etajul superior a fost lăsat dintr -un motiv simplu - se credea că viitorul aparține avioanelor supersonice, precum Concorde, și Boeing 747 va fi destinat exclusiv transportului de mărfuri. Plasarea cabinei de pilotaj la etaj superior, permite încărcarea frontală, prin conul din botul avionului. Cum din cauza prețurilor la combustibil, și crizei petroliere din anii 1970 transportul supersonic nu s-a materializat pe scară largă, Boeing 747 a rămas, timp de aproape 30 de ani, un avion preponderent de pasageri. De-abia după 1997, producția modelului de marfă a depășit-o pe cea de pasageri. Prima comandă a fost dată de PanAm, pentru 25 de bucăți, în aprilie 1966. Construcția efectivă a avionului s-a dovedit o provocare - Boeing nu avea nicio clădire suficient de mare, așa că a trebuit construită una, la Everett lângă Seattle. Așa de mare a fost graba, încât modelul de test a fost produs odată cu construcția clădirii, avionul trebuind terminat până în 1970. Clădirea construită pentru proiect este cea mai mare (după volum) din lume. Testarea avionului a fost problematică - evacuarea a 560 de oameni în 90 de secunde dovedindu-se o provocare. În plus, a trebuit adăugat balast de uraniu sărăcit în nacelele a două motoare pentru a împiedica oscilații periculoase. Alte probleme au fost cu motoarele JT9D, care aveau probleme majore de construcție, făcând ca 20 de fuselaje să aștepte la un moment dat motoarele în curtea fabricii. În plus, designul și producția au fost atât de scumpe, încât Boeing a trebuit să se împrumute masiv, ratarea fiind sinonimă cu falimentul. Deși inițial au existat îndoieli, mai ales că odată cu 747 apăreau și o serie de avioane trimotoare de mare capacitate, mai mici, dar mai puțini consumatoare de combustibi, Boeing 747 5
s-a dovedit a fi foarte popular în serviciu, fiind inițial cumpărat de toate liniile aeriene mari din vestul Europei și SUA, (precum British Airways, Air France, TWA etc.). Criza petrolului din anii '70, urmată de apariția de avioane bi-motoare de mare capacitate a scos avionul de pe rute mai scurte și mai puțin căutate, acesta fiind însă păstrat pe rute de mare distanță cu încărcare mare, și pe rute cu cerere foarte mare - precum Londra-Sydney, LondraHong Kong, Tokyo-San Francisco, Tokyo-Osaka etc. Avionul mai este folosit și pe multe rute de vacanță și charter, fiind umplut cu pasageri clasa economic (precum Amsterdam - Sint Martin în Caraibe, sau Paris - Tahiti). Astfel, de-a lungul timpului, avionul a fost lungit, pentru mai mulți pasageri (747-300 și 747-400), scurtat, pentru autonomie mai mare (747SP), dotat cu tehnologii din ce în ce mai noi, pentru a se adapta rolurilor noi. Avionul deține recordul de pasageri transportați într -un singur zbor - peste 1087 au fost transportați într -un avion ElAl în 1991 participând într-o acțiune umanitară.
Modele
747-100, aparţinând Iran Air
747-200, aparţinând Air France
747-300, aparţinând PIA aparţinând Qantas
747SP 6
747-400,
747-100, a fost modelul inițial, produs la fabrica Everett și lansat în 1968. Primul zbor comercial pe 22 ianuarie 1970, cu PanAm, pe ruta Londra - New York. Modelul are o autonomie de 7242 km, etajul superior fiind inițial dotat cu doar 6 ferestre , și fiind gândit pentru a fi folosit ca salon, apoi fiind dotat cu 20 ferestre, pentru pasageri. Având o masă de serviciu maximă autorizată mai mică decât a modelului 747-200 (333.39 față de 377.84), a fost oferit doar ca model de pasageri. Cu toate acestea, există și modele de marfă, conversii făcute în special de curierii rapizi 747-100B a întărit trenul de aterizare, crescând masa maximă de serviciu la 340.1 t. A fost oferit doar către Saudia și Iran Air. 747-100SR (sau 747SR, rază scurtă) a fost modelul oferit liniilor aeriene japoneze pentru transporturi interne. Având o capacitate mare de pasageri (498-550), au o rezervă redusă de combustibil, parcurgând distanțe mici. Au fost folosite de All Nippon Airways și Japan Air Lines.
205 avioane din seria 100 au fost produse, din care 38 mai sunt în serviciu, o parte cu pasageri.
747SP este modelul scurtat, și poate zbura mai mult și mai repede ca un 747-100. A fost construit pentru o piață de nișă, ca un concurent pentru McDonnell-Douglas DC-10. Au fost produse doar 45 din care 12 rămân în uz, mai ales cu operatori din Orientul Mijlociu. 747-200 a adus motoare mai puternice, permițându-i să zboare distanțe mai lungi. Pentru acest model, s-a oferit posibilitatea extinderii etajului superior, dar doar KLM a realizat acest lucru. 747-200B este un model cu rază mai lungă de acțiune, de până la 10.700 km 747-200C este un model convertibil rapid pasageri-marfă, având ușă cargo mai mare pe lateral, ușă în bot, și scaune ușor de scos. 747-200M (combi) este un model mixt pasageri-cargo, prima jumătate a avionului fiind rezervată pentru circa 200 de pasageri, fiind urmată de un perete despărțitor, restul punții fiind rezervat mărfii. 747-200F este modelul de marfă, putând transporta până la 105 tone.
În total au fost produse 393, din care 225 rămân în serviciu, atât de pasageri cât și cargo.
747-300 s-a vrut inițial un avion trimotor de pasageri, care să fie în concurență cu Lockheed L-1011 și McDonnell Douglas DC-10. Proiectul a fost abandonat, iar clasificarea a fost dată pentru un model îmbunătățit de 747. Acesta avea etajul superior prelungit cu 7.1 m, viteză și autonomie crescută (Mach 0.85 respectiv 12.392 km). 81 au fost produse, din care 71 sunt în continuare în serviciu. 747-300SR este modelul pentru piața internă japoneză, fiind similar cu 747-100SR, doar că, datorită lungimii mai mari a etajului superior, se oferă spațiu pentru peste 600 pasageri 747-300M este modelul combi, putând transporta atât marfă cât și pasageri, dovedindu-se foarte util pe rutele cu puțini pasageri dar foarte mult cargo.
7
747-400 este modelul în producție, având foarte multe modificări, printre care lungirea aripilor cu 1.8m, adăugarea de dispozitive winglet de 1.8 m, rezervoare suplimentare (în coadă), motoare îmbunătățite, un interior nou, și instrumente de zbor digitale, reducând numărul piloților la 2. Se oferă versiunea ER și ERF, cu autonomie sporită suplimentar, modele F (cargo), și modele BCF (Boeing Converted Freighter), conversii din avion de pasageri în avion de marfă. 627 au fost produse, cu 46 comenzi încă nelivrate. 747-400 LCF (Dreamlifter) este un model construit de Boeing pentru transportul de fuselaje de avion. A fost construit prin extinderea dimensiunilor fuselajului avionului, și este folosit pentru programul Boeing 787. Nu este oferit spre vânzare, ci este doar pentru uz intern. 4 au fost produse. 747-8 este modelul propus de Boeing, care va fi lansat în 2009. Motoarele și instrumentele de zbor vor fi preluate de la Boeing 787. În plus, va fi lungit la 76.4 m, devenind cel mai lung avion de linie, și va fi dotat cu aripi noi, pentru capacitate sporită. Este primul avion pentru care varianta principala este cea cargo, varianta de pasageri fiind oferită ca produs secundar. Modelul de marfă (747-8F) transportă 140 t de marfă, incluzând ușa frontală. Modelul de pasageri (747-8I) este oferit începând cu 2010. În total, au fot comandate 87 de avioane 747-8 din care 24 de pasageri.
În plus, numeroase modele sunt folosite ca avioane particulare sau de transport oficial. Avionul “despuiat”(cutaway airplane):Boeing 747-200B
8
2.Caseta tehnică
Un avion Boeing 747 are peste 6 milioane de părți/componente, jumătate din ele fiind elemente de prindere și 274 km de cabluri. Modelele inițiale erau dotate pentru transportul sub aripă a 5 motoare, unul fiind transportat ocazional ca piesă de schimb în cazul în care un alt avion s-a defectat pe un aeroport care nu deținea un motor disponibil. Îmbunătățirea tehnologiei motoarelor a dus la eliminarea acestei funcții. Caseta tehnică B747 747-100
747-200B
Piloți
3
Pasageri
366 (3 clase)
747-300
747-400
747-400ER
747-8I
2
Lungime
416 (3 clase) 70.6 m
Lungime aripi
59.6 m
64.4 m
Înălțime
19.3 m
19.4 m
467 (3 clase) 76.4 m 68.5 m 19.4 m
Masă proprie
358,000 lb 162,400 kg
174,000 kg
178,100 kg 178,756 kg
164,382 kg 185,972 kg
Masă maximă autorizată la decolare (MTOW)
333,390 kg
377,842 kg
377,842 kg 396,890 kg
412,775 kg 439,985 kg
Viteză de croazieră
Mach 0.84 (555 mph, 895 km/h, 481 knots la FL350)
Viteză maximă
Mach 0.89 (587 mph, 945 km/h, 510 knots)
Necesar pistă la MTOW
N/A
10,466 ft (3,190 m)
Autonomie
5,300 mile nautice (nm) (9,800 km)
6,850 nm (12,700 km)
Capacitate combustibil
48,445 US gal (183,380 L)
Consum maxim spcific la MTOW (capacitate/autonomie)
(18.7 L/km)
(15.7 L/km)
PW JT9D-7A GE CF6-45A2 RR RB211524B2
PW JT9D7R4G2 GE CF650E2 RR RB211525D4
Motoare (x 4)
10,893 ft (3,320 m) 6,700 nm 8,000 nm 7,260 nm 7,670 nm (12,400 (13,450 km) (14,205 km) (14,815 km) km)
52,410 US gal (199,158 L)
(16.1 L/km)
9
Mach 0.85 Mach 0.855 (567 mph, (567 mph, 913 km/h, 490 913 km/h, knots) 487 knots) Mach 0.92 (608 mph, 977 km/h, 527 knots) 9,902 ft 10,138 ft N/A (3,018 m) (3,090 m)
57,285 US 63,705 US 57,285 US gal gal gal (216,840 L) (241,140 L) (216,840 L) (16.1 L/km) (17.0 L/km) (14.6 L/km)
PW JT9DPW 4062 7R4G2 GE CF6GE CF680C2B5F 80C2B1 RR RB211RB211524H 524D4
PW 4062 GE CF680C2B5F
GEnx-2B67
3.Avionul in trei vederi
10
4. Descriere tehnică a subansamblelor principale
Forma exterioară a avionului, dimensiunile, motorizarea, organizarea structurală a componentelor sale îi influențează direct performanțele. Avionul este un aparat complex alcătuit în mod normal din patru subsisteme: 1. 2. 3. 4.
structura de rezistență sistemul de propulsie echipamentele de bord și aparatele de comandă a zborului instalațiile și mecanizarea aeronavei
În general, un avion este alcătuit din următoarele părți principale: aripa cu dispozitivele sale de sustentație, fuzelajul, ampenajele orizontal și vertical cu părțile lor mobile, trenul de aterizare și sistemul de propulsie . Părțile mobile ale avionului sunt: eleroanele, profundorul, direcția, flapsurile, voleții, frâna aerodinamică și compensatoarele.
Structura unui avion civil Aparatura de bord este alcătuită din: sisteme pentru controlul zborului, sisteme pentru
controlul funcționării motoarelor, sisteme de navigație aeriană, aparatură radio/radiolocație. Acționarea comenzilor avionului se realizează prin intermediul instalațiilor hidraulice și pneumatice. Esențiale pentru zborul avionului sunt și instalațiile de alimentare cu combustibil și ulei, instalațiile electrice, de antigivraj (dezghețare), sanitară, de izolație termică și fonică, climatizare și comenzile agregatelor aeronavei, echipamentul de dirijare. Comanda sistemului de propulsie și a comenzilor părților sale mobile asigură manevrarea aeronavei. 11
Comanda tracțiunii se realizează prin maneta de gaze care acționează sistemul de propulsie. Comenzile părților mobile sunt asigurate prin manșă, paloniere, flapsuri, frâne, etc. De exemplu, acționarea manșei înainte și înapoi implică bracarea profundoarelor în sus și în jos, fapt care duce la o mișcare a avionului în sus sau în jos. Mișcarea manșei spre stânga sau dreapta acționează eleroanele de pe aripi, ducând la o mișcare de ruliu (rotație) în jurul axei longitudinale. Călcarea palonierelor (pedalelor) spre stânga sau dreapta acționează direcția avionului în lateral. Ceea ce trebuie reținut însă, este că manevrarea aeronavei se face prin acționarea combinată a diferitelor comenzi.
Cabina de pilotaj
12
Aripa
În zborul aerodinamic, bazat pe forța portantă, cea mai importantă parte a avionului este aripa. Împreună un ampenajele, aripa asigură sustentația, stabilitatea și manevrabilitatea avionului. În general aripa este compusă din structura de rezistență, înveliș exterior, rezervoarele integrate de combustibil, aparatura hidro-pneumatică aferentă comenzilor. Sub aripă se instalează trenul principal de aterizare al avionului, sistemul de propulsie, acroșaje speciale rachete, bombe sau rezervoare lărgabile. Elementele constructive ale unei aripi de avion obișnuite sunt: lonjeroanele, lisele , nervurile, panourile de înveliș și alte piese componente, de rigidizare (ex: montanți) folosite pentru transmiterea eforturile între aripă și fuzelaj sau între tronsoanele aripii. Aripile cu cel puțin două lonjeroane împreună cu învelișul formează chesonul de rezistență, care are sarcina de a prelua eforturile aerodinamice și mecanice la care este supusă aripa.
Cheson de rezistență
Componentele principale ale chesonului Lonjeroanele sunt elemente de rigidizare așezate de-a lungul aripii, care preiau cea mai
mare parte din forțele și momentele ce acționează asupra acesteia. Au aspectul unei grinzi consolidate alcătuite din tălpi (profile corniere) și inimă (platbandă), îmbinate între ele cu nituri. Sunt realizate de regulă din materiale rezistente la încovoiere și răsucire: duraluminiu, titan, oțeluri speciale. Nervurile sunt elemente de rigidizare transversală a aripii, montate de obicei
perpendicular pe bordul de atac al aripii. Nervurile au rolul de a păstra forma aripii și de a transmite solicitările aerodinamice la lonjeroane și lise. Pot fi nervuri simple sau nervuri de forță, 13
acestea din urmă având rolul suplimentar de a prelua forțele concentrate datorate diverselor echipamente și instalații acroșate de aripi. Lisele sunt elemente de rigidizare montate în lungul aripii cu rolul de a prelua solicitările
axiale datorate încovoierii aripii. Ele trebuie să fie rezistente la întindere și compresiune și măresc rezistența învelișului la deformație. Sunt obținute tehnologic prin extrudare sau îndoire și sunt alcătuite din duraluminiu, aliaje pe bază de titan sau oțel inoxidabil. Învelișul aripii are rolul de a menține forma sa și este realizat din tablă de duraluminiu sau aliaje pe bază de titan, magneziu etc. Învelișul este solicitat la eforturi de încovoiere și răsucire. Ele este prins de celelalte elemente prin nituri. Dacă distanța dintre lise este mică se folosește pentru rigidizarea învelișului tablă ondulată. Îmbinarea tablei ondulate cu învelișul se poate face prin metoda suduri, nu prin nituire. Dacă aripa are grosime mică, învelișul se poate realiza prin panouri monolit. Construcția unei astfel de aripi se realizează prin îmbinarea panourilor dintr-o singură bucată. La aripile cu grosime foarte mică, spațiul interior nu mai cuprinde elemente de rigidizare, ci este umplut cu structură de tip fagure sau cu alt material compozit, rezultând o structură compactă, cu rezistență mecanică mare. Fuzelajul
Fuzelajul (din franceză fuselage) este partea aeronavei în care este plasată cabina piloților, cabina pasagerilor, încărcătura de transport și cea mai mare parte a echipamentelor și instalațiilor de bord. El reprezintă corpul central de care se leagă aripa, ampenajele și trenul de aterizare. Fuzelajul trebuie să aibă o rezistență la înaintare minimă. De aceea forma sa trebuie să fie aerodinamică, să aibă cât mai puține proeminențe, suprafața "spălată" de curentul de aer să fie bine finisată și cu cât mai puține ondulații. Fuzelajele tip cocă sunt cele mai folosite în prezent în construcția aerospațială, ele s-au impus definitiv odată cu apariția motoarelor turboreactoare. Elementele principale ale fuzelajelor de tip cocă sunt: structura longitudinală formată din lonjeroane și lise, structura transversală formată din cadre, și învelișul rezistent.
Structura fuzelajului
14
Se folosesc în prezent la aeronave două tipuri de fuzelaje tip cocă:
semimonococă cu structură formată din lonjeroane puternice și dintr -o rețea rară de lise
și înveliș subțire semicocă, structura constând dintr-o rețea deasă de lise, lonjeroane false (lise rigidizate) și înveliș subțire.
Fuzelajele tip cocă sunt rigidizate cu ajutorul unor pereți și podele care formează împreună cu restul structurii diverse compartimente folosite pentru amplasarea echipamentelor și instalațiilor de bord, pentru depozitarea încărcăturii de transport. Ampenajele
Structura ampenajului orizontal văzut "de sus" Ampenajele sunt elemente care reprezintă pentru aeronavă organele de echilibru, stabilitate și comandă. După modul cum sunt construite depinde în mare măsură capacitatea de manevră a aeronavei. Se compun de regulă din ampenajul orizontal format din stabilizator (partea fixă) și profundor (partea mobilă) și ampenajul vertical format din derivă(partea fixă) și direcție(partea mobilă). La aeronavele supersonice se instalează câteodată două ampenaje verticale, iar stabilizatorul are numai parte mobilă, fiind realizat dintr -o singură bucată. În configurația clasică stabilizatorul este plasat în spatele aripii, dar la avioanele de vânătoare moderne poate apare în fața sa, rezultând așa-zisa configurație "canard" (rață) . Motor turboreactor cu dublu flux
Motoarele turboreactoare cu dublu flux - denumite generic turboventilatoare - sunt de fapt turboreactoare modificate. Ele se caracterizează prin existența a două fluxuri de curgere paralele: unul secundar, de aer, antrenat de un ventilator montat pe același ax cu compresorul de joasă presiune a turbinei, care îmbracă fluxul de aer primar (interior) format din gaze de ardere. 15
Tracțiunea MTR -DF este suma tracțiunilor rezultate de cele două fluxuri. Nu trebuie uitat că ventilatorul are rol de propulsie, funcționând ca o elice. Un sistem MTR -DF este prezentat în desenele alăturate.
16
5.
Devizul de greutați și epura de centraj
Stabilirea greutăţii unei aeronave respectiv a componentelor sale ca şi repartiţia acestora pe avion sunt esenţiale pentru un proiect nou întrucât aceste date se reflectă în toate evaluările ulterioare care privesc performanţele ca şi proiectul de detaliu al avionului. Pentru faza de anteproiect se recurge de regulă la estimări. Două proceduri pot fi menţionate în această ordine de idei: – Primul procedeu este pur statistic şi constă din valorificarea experienţei de construcţie anterioare. Această cale, de altfel foarte comodă, are dezavantajul că introduce un anume grad de aproximare sau nesiguranţă în selectarea valorilor unor parametri - fapt de altfel de aşteptat de la un asemenea procedeu... Statistici "individualizate" pe categorii mai restrânse de avioane pot conduce totuşi la rezultate de încredere. – Al doilea procedeu, (semi-)analitic, încearcă să evalueze greutăţile - cel puţin pentru subansamblele principale (aripă, fuzelaj, ampenaje) - pe baza unor calcule de rezistenţă elementare pornind de la parametri geometrici deja fixaţi şi aplicând criterii de proiectare de ordin general. Procedeul are desigur limite evidente... După cum se ştie din Rezistenţa materialelor , singurele corpuri care pot fi reprezentate prin formule simple de verificare/dimensionare sunt barele; avionul este însă o structură complexă şi reducerea acesteia la un model simplu de tip bară este, totuşi, forţată. Pe de altă parte, o operaţie de dimensionare permite doar definirea elementelor primare de rezistenţă ca structură "optimă"; pentru evaluarea "restului" structurii, într-un asemenea procedeu se introduc diverşi factori de corecţie pentru structura "neoptimă" respectiv pentru structura "secundară", ceea ce lasă locul unor aproximări inevitabile. O literatură destul de bogată există în legatură cu subiectul "gravimetrie preliminară". Aici se vor da unele principii ilustrative... După [Sechler], în evaluarea greutăţii componentelor majore ale avionului se porneşte, oarecum natural, de la doi parametri prestabiliţi; aceştia sunt Gmax (asimilat cu "design gross weight") respectiv Gu (greutatea "operaţională"). – Gmax se fixează apriori pe baza datelor statistice; alternativ, se poate proceda astfel: – Se porneşte cu Gu care, pentru un tip de avion anume, poate fi stabilit foarte riguros. Mai departe, în funcţie de categoria avionului, din date statistice se selectează raportul Gu/Gmax (pentru avioane în general, acesta este cuprins între (25-40)%...); din acesta rezultă însuşi Gmax. Grup / Subgrup
% Gmax
G0/Gmax
40-60
aripa coada
13-17 1,5-2,5 5,5-8,8
Tren de aterizare(2)
Tren de aterizare principal Roata de coada Tren de aterizare(3)
Tren de aterizare principal
5-8 0,5-0,8 5,5-9,5 4-7 17
Observații
Roata de coada
1,5-2,5
Ansamblul motor
Motoare Elice Accesorii motor Sisteme de control Sistem de pornire Sistem de ulei Sistem de lubrifiant Suprafețe de comandă Echipament standard
15-27
10-20 2-4 1-2 0,1-0,4 0,3-0,9 1,5-2,5 0,3-0,6 1-2 4,5-7,2
Instrumente Echipament electric Echipamet de comunicare Instalație de dezgheț Mobilă Greutate pe pasager Combustibil și ulei rezidual Gu/Gmax
0,5-1,2 2-3 2-3 0,06 4-10
45-85 daN/pax 15 daN/motor 20-40
Echipaj/pasageri Încarcare necesară(apă și măncare) greutate pe pasager
80-20=100 daN/pax 1,5-4,0 daN/pax
0,3-0,6
0.4
0.1
Wwing 0.0051(Wdg N z )0.557 S w0.649 A0.5 t / c root 1 Whorizontal tail
F 0.0379K uht 1 w Bh
1.0
cos
0.25
0.225
Wvertical 0.0026 1 H t / H v tail
0.639
Wdg
0.10
0.75
1.0
N z S ht Lt
0.704
Ky
cos ht
1.0
0.1 S csw 2.102 104 lb
S 0.166 Ah 1 e Sh
1
0.1
3.664 103 lb
0.5
Wdg0.556 N z0.536 Lt 0.5 Svt0.5 K z0.857 cos vt Av0.35 t / c root 3.121 103 lb 0.10
L W fuselage 0.3280 K door K Lg Wdg N z L S 1 K ws 1.658 10 4 lb D 0.5 0.1 0.321 Wmain N mw N mss Vstall 3.14 103 lb 0.0106 K mpWl 0.888 N l0.25 L0.4 m 0.5
0.5
0.302 f
0.04
landing gear
Wnose
landing gear
0.45 N nw 0.032 K npWl 0.646 N l0.2 L0.5 1.18 103 lb n
18
W dg -design
gross weight(Ib) N z -ultimate load factor=1,5*limit load factor=3,75 2 S w -suprafața aripii=249 m A -alungirea aripii=52 ctip / croot -raport de trapezoidalitate -aripa la 25% MAC 2 S csw suprafața de control (wing-mounted) ft 226.6 K uht 1 F w -lațimea fuselajului în zona ampenajului orizontal =173.58 in=14.465 ft Bh -anvergură
ampenaj orizontal=3.57 2 S ht -aria cozii orizontale ft Lt -lungimea cozii=69,33 ft K y -unghiul de tangaj 0.3 Lt H t / H v 0.0 Svt -aria cozii verticale ft
2
K door =1
L -lungimea fuselajului =115 ft D -diametrul fuselajului=23,06 ft K z -unghiul de girație K Lg =1 S f -aria
feselajului
K mp =1
W l -greutatea trenului de aterizare N l N gear 1.5 Lm -lungimea trenului de aterizare principal=77,69 in
N mw -numarul de roți ale trenului de aterizare principal N mss -numarul de amortizoare de șoc K np =1
Ln -lungimea trenului de aterizare principal N nw -numarul de roți la trenul de aterizare din față
Momente de inerție 19
J x k x2
G AV
J y k y
G AV
J z k z
G AV
2
2
g g g
2
2b 2.297 106 2
L H 1.27 107 2
2b L 9.285 106
Geometria aripii
1) Sistem de referinta “Gross Wing” 20
Prin conventie consideram aripa “completa” de la o extremitate la cealalta (conceptul “gross wing”). Deci suprafata de referinta a acesteia va cuprinde planurile si partea fictiva din fuzelaj ce le conecteaza. In cazul aripilor de alungire relativ mica, unele metode de calcul din aerodinamica impun considerarea planurilor extremale (“net wing”). In acest caz, caracteristicile aripii rezulta din interactiunea aripa-fuzelaj. Vom introduce in continuare un sistem de referinta propriu al aripii Oxyz astfel: axa Ox orientata dupa coarda profilului din planul de simetrie, cu originea in varful aripii si axa Oz perpendiculara pe prima etc. Introducem de asemenea si o linie de referinta proprie a aripii – prin conventie linia 25% CMA si presupunem ca torsiunea aripii e definita in raport cu aceasta linie. 2) Geometrie generala Aripa este descrisa de urmatorii parametri generali: -Conturul aripii – se refera la aripa in planul xOy -Anvergura aripii (2b, in cazul nostru 17.53m), C0, Ce (anume coarda in planul de simetrie si respectiv coarda la extremitate. -Unghiul de sageata (χ – in cazul nostru aproximativ = 0) – unghiul dintre proiectia liniei sfert de coarda si axa Oy. -Unghiul diedru (δ) – unghiul dintre proiectia liniei “sfert de coarda” in planul yOz si axa Oy. 3) Parametri generali -Suprafata aripii – definita geometric prin urmatoarea formula, in care C(y) este distributia de corzi in anvergura:
() () -Raportul de trapezoiditate:
Observatie: r≥1 ! -Alungirea, definita ca raportul dintre patratul anvergurii si suprafata aripii:
()
4) Parametri derivati -Coarda medie geometrica este coarda unei aripi dreptunghiulare avand aceeasi anvergura si suprafata ca aceasta (geometric echivalenta): 21
Cu aceasta, alungirea se mai scrie:
-Aripa echivalenta, coarda medie aerodinamica. Fortele aerodinamice de pe aripa razulta din distributia de presiuni; in particular, aceste forte se pot reprezenta prin coeficientii locali de portanta/rezistenta/moment pe sectiunile (profilele) aripii. Pentru aerodinamica generala a avionului e important sa se dispuna de o reprezentare sintetica a intregii aripi. In acest sens definim aripa aerodinamic echivalenta, drept o aripa dreapta netorsionata, de aceeasi suprafata ca si aripa data. Pe aceasta avem formulele:
De aici vom avea:
() ∫
Pozitia acesteia in anvergura e determinata (grafic) de valoarea coardei insasi, si analitic se calculeaza cu formula:
()
-Focarul aripii se defineste analog cu focarul unui profil: este un punct din planul xOz in raport cu care coeficientul de moment al aripii este constant cu incidenta aripii pana la valoarea CZmax in regim subcritic. Prin urmare, momentul se scrie:
Pentru aripi cu sageata moderata, focarul unei semiaripi poate fi identificat cu buna aproximatie cu sfertul de coarda al CMA corespunzatoare. Pentru o aripa trapezoidala, coordonatele F se calculeaza dupa formulele:
() () 22
Focarul general al aripii coincide cu proiectia focarului oricarui semiplan pe planul de simetrie al avionului xOz. 5) Aripi simplu trapezoidale – formule de calcul In acest caz, se pot stabili formule de calcul simple in care apare doar raportul de trapezoiditate:
()
-F si CMA se pot determina printr-un procedeu grafic simplu. -O formula utila. Adesea cautam unghiul “de sageata” la bordul de atac/fuga sau la o linie oarecare. Cu procedee geometrice elementare se stabileste urmatoarea formula de trecere de la linia definita de o abscisa a1[%]·C(y) la o alta a2[%]·C(y):
() () (( )) () Calcul aripă Boeing 747-200B
b
b
2
28.45m
C e 4064 mm=4.064 m=160 in C 0 13462 mm=13.462 m=530 in r
S 2
Ce C 0 28.45 2
2b
C e
13.462 4.046
498 m2
2
7.13 5 folosesc Gross-Wing
S
CMG
C 0
S
2b
4.37 m
23
3.32
CMA
2 3
C z 2
r r 1 2
C0
r r 1
2
9.65 m
6.05
Calcul ampenaj orizontal bo
bo
11.1m 2 C e 2540 mm=2,540 m=100 in C 0 9906 mm=9,906 m=390 in
So r o
o
Ce C0 bo 2 C 0 C e
69m2
3.9
2bo
2
7.14
S
Calcul ampenaj vertical
bv
bv
10.41 2 Ce 3.962m C0 13.56 m
Sv
r v
v 2
bv S
Ce C0 bv 2 C 0 C e
3.42
2
2.37
24
91.20m2
Diagrama de manevră și rafală
Avionul în resursă - Factor de sarcină Se consideră avionul într-o evoluţie simetrică în plan vertical (resursă). Se presupune avionul raportat la un sistem central. Forţele se introduc în modul uzual; pentru simplificare, tracţiunea s-a reprezentat pe direcţia axei longitudinale a avionului, etc.
Ecuaţiile de mişcare se scriu prin proiecţii pe direcţii legate de viteză. La acestea se adaugă ecuaţia de momente faţă de axa de tangaj. Conform cu normele, evoluţia se presupune stabilizată, prin urmare aceasta din urmă se reduce la o condiţie de echilibru.
25
Mai sus am introdus, în conformitate cu definiţiile uzuale, factorul de sarcină ( propriu zis) n respectiv factorul de sarcină "secundar " (factor "de accelerare") n' .
Cu aproximaţii uzuale ecuaţiile se reduc la cele cunoscute P n G; T R n ' G
Def iniţii FAR: Redăm textul din FAR -25 § 25.321 General a) Flight load factors represent the ratio of the aerodynamic force component (acting normal to the assumed longitudinal axis of the airplane) to the weight of the airplane. A positive load factor is one in which the aerodynamic force acts upward with
respect to the airplane… Aşadar, notăm: N z P cos R sin
2 V SC N nz G 2
Prin urmare scriem
n
P G
/ 2SV 2C z sau n
26
P G
/ 2SV 2C L
Diagrama de manevră şi rafală
Calcule 11000
n1 2.1
2.423 105 4500 2.5 n1 3.8
2.14
n1 adoptat este 2.6
n2 0.4 n1 1.04 n2 adoptat este 1.1
V s V A
2G z max
SC
2n1G
SC z max
V C ( E ) 7.7
47.64
m s
Vs n1 76.81
m s
G daN m 107.41 S m2 s
V c adoptat este 110 m/s
1.25V c V D Vc V V G
2n2G
SC zmax
V D adoptat este 130m/s
62.31
m s
27
Diagrama de manevră și rafală n
3 A
C
D
2.6 B'
C'
2 D'
S 1
D'' E VS
VA
VG B''
VC
V
VD
C''
-1 1.1 G
F
-2
Profil Wing Root Airfoil Boeing 747-200 (E-4, C-25) BAC 463 to BAC 468
28
Wing Tip Airfoil BAC 469 to BAC 474
