Егер - Проектирование самолетов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ САМОЛЕТОВ

ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Под редакцией д-ра техн. наук проф. С. М. Егера

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов авиационных специальностей высших технических учебных заведений

МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1983

Проектирование самолетов: Учебник для вузов/ С. М. Егер, В. Ф. Мишин, Н. К. Лисейцев и др.

Под ред. С. М. Егера. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1983. — 616 с.

В пер.: 1 р. 60 к.

© Издательство «Машиностроение», 1972 г.

Издательство «Машиностроение», 1983 г., с изменениями.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга является третьим изданием учебника по курсу «Проектирование самолетов», читаемому для студентов авиационных институтов (второе издание—в 1972 г.). За годы, прошедшие со времени выпуска второго издания, в авиационной науке и технике произошли существенные изменения. Эти изменения касаются прежде всего самого объекта проектирования — самолета. Эволюция в развитии весовых и геометрических параметров, повышение требований к летно-техническим характеристикам, совершенствование оборудования и снаряжения привели к дальнейшему существенному усложнению самолетов, увеличению цикла и стоимости их разработки. Применение традиционных методов проектирования уже не могло обеспечить создание высокоэффективных авиационных комплексов.

Стремление разрешить противоречие между возрастающей сложностью проектируемых самолетов и необходимостью сокращения сроков разработки проектов и повышения их технико-экономических показателей стимулировало развитие и все более широкое практическое применение методов автоматизированного проектирования с использованием ЭВМ.

Авторы отдавали себе отчет, что в условиях научно-технической революции, бурного развития авиационной науки и техники фактический материал быстро морально устаревает. Несомненно, что методы проектирования самолетов будут развиваться и совершенствоваться и в дальнейшем, однако фундаментальные методические положения остаются неизменными.

В связи с этим в учебнике основное внимание уделяется изложению основ проектирования, методологии разработки и принятия проектно-конструкторских решений. Вместе с тем, где это возможно, в учебнике приводятся алгоритмы решения задач. Значительное внимание уделено изложению узловых проблем проектирования перспективных самолетов.

Предлагаемый учебник состоит из трех частей.

В первой части (гл. 1 ... 12) рассматриваются вопросы общего проектирования самолетов и особенности проектирования самолетов различного назначения, во второй (гл, 13 .., 19) излагаются материалы, связанные с проектированием отдельных частей самолета, позволяющие уточнить, оптимизировать параметры, полученные в процессе общего проектирования. В третьей части книги (гл. 20 и 21) показаны особенности применения методов автоматизированного проектирования.

В приложении даны справочные материалы, которые могут помочь студентам авиационных вузов при работе над дипломными проектами.

Расположение глав учебника в основном соответствует последовательности изложения лекционного курса, а также сложившейся технологической цепочке разработки проекта самолета.

Гл. 4, 8 (кроме разд. 8.1.4 и 8.1.5), 9 и 13 написаны С. М. Егерем; гл. 3 и 6 — А. А. Бадягиным; гл. 5 (кроме разд. 5.4) и 14 — В. Е. Ротиным и С. М. Егером; введение и гл. 1, 2, И, 20 и 21 — Н. К. Лисейцевым; гл. 10, 12, 16 и разд. 5.4 — В. Ф. Мишиным; гл. 7 — В. Е. Ротиным; гл. 17, 18 и разд. 8.1.4, 8.1.5 — Ф. И. Склянским, гл. 15 — В. А. Киселевым, гл. 19 — Н. А. Кондрашовым. При написании гл. 8, И, 14 использованы материалы Н. А. Фомина

Приложения к учебнику подготовлены А. А. Бадягиным, В. Ф. Мишиным и Н. А. Кондрашовым.

ВВЕДЕНИЕ

РАЗВИТИЕ САМОЛЕТОСТРОЕНИЯ В СССР

Более трех четвертей века отделяет нас от полетов первых практически пригодных самолетов. Их появлению предшествовали многовековые попытки изобретателей многих стран покорить воздушный океан с помощью летательных аппаратов тяжелее воздуха. К концу XIX — началу XX столетия, благодаря работам многих выдающихся ученых, среди которых видное место занимали члены Российской Академии наук М. В. Ломоносов, Л. Эйлер, Д. И. Менделеев, был разработан ряд положений теории полета летательных аппаратов тяжелее воздуха. Творцами этой теории являются Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин и др. Их труды заложили реальную основу для создания самолетов. Неоценимый вклад в развитие практического самолетостроения внесли выдающиеся русские конструкторы А. Ф. Можайский, С. В. Гризодубов, И. И. Стеглау и др. Построенные в России в начале XX столетия самолеты «Русский витязь» и «Илья Муромец» И. И. Сикорского, «Святогор» В. А. Слесарева, самолеты Я- М. Гаккеля обладали уникальными для своего времени характеристиками.

Подлинный расцвет отечественной авиации неразрывно связан с победой Великой Октябрьской социалистической революции, с именем В. И. Ленина, который стоял у колыбели советской авиации. Прозорливо увидев потенциальные возможности использования авиации для организации обороны молодой Советской республики и развития ее экономики, В. И. Ленин уделял постоянное внимание созданию научной и производственной базы авиастроения, организации воздушного флота.

Несмотря на невероятно трудные условия, вызванные последствиями первой мировой и гражданской войн, уже в 1923—1924 гг. появляются советские самолеты оригинальной конструкции. Среди них: И-1 Н. Н. Поликарпова — первый в мире истребитель — свободнонесущий моноплан, АНТ-2 А. Н. Туполева — первый отечественный цельнометаллический самолет. В 1925 г. начались испытания самолета АНТ-4 (ТБ-1) — цельнометаллического свободнонесущего моноплана с двигателями, расположенными на крыле, ставшего эталоном для всех самолетов аналогичного класса.

в годы первой пятилетки благодаря ленинской политике индустриализации продолжались реконструкция существующих и строительство новых авиационных предприятий. Укреплялись научно-исследовательские учреждения. В этот период советские авиаконструкторы создали такие широко известные самолеты, как У-2, И-3, И-4, И-5, Р-5, ТБ-3, АНТ-9, АНТ-14, К-5, «Сталь-2», «Сталь-3», Ш-2 и др. Эти самолеты составляли основу воздушного флота страны в конце 20-х и первой половине,30-х годов. На них были осуществлены рекордные полеты, показавшие, что советская авиация уверенно выходит на передовые рубежи в мире. Так, самолет Р-5 Н. Н. Поликарпова на международном конкурсе самолетов-разведчиков в Тегеране, проходившем в 1930 г., занял первое место.

Необычна судьба самолета У-2 (По-2) конструкции Н. Н. Поликарпова. Построенный в 1928 г. как самолет первоначального обучения летного состава, он также широко использовался для нужд народного хозяйства в качестве транспортного, санитарного и сельскохозяйственного. Благодаря своим уникальным свойствам он оказался одним из самых долговечных самолетов в мире.

Около 40 тысяч самолетов У-2 построили наши заводы. Выдающимся достижением советской конструкторской мысли явилось создание в 1930 г. и серийное производство тяжелого бомбардировщика ТБ-3 (АНТ-6). Этот цельнометаллический свободнонесущий моноплан с четырьмя двигателями А. А. Микулина, являвшийся дальнейшим развитием самолета ТБ-1, обладал непревзойденными для своего времени характеристиками.

В 30-е годы на базе достижений первой пятилетки, обеспечивших создание отечественных авиационных двигателей различной мощности, производство высокопрочных авиационных материалов, а также успехов в развитии авиационной науки были созданы самолеты И-15, И-16, АНТ-25 (РД), «Максим Горький» (АНТ-20), «Сталь-7», «Родина» (АНТ-37 БИС), ДБ-3 (Ил-4), УТ-2, Пе-8 (АНТ-42), И-153 «Чайка». На них были установлены международные рекорды скорости, высоты и дальности полета.

В предвоенные годы и годы Великой Отечественной войны были созданы знаменитые самолеты Пе-2, Ил-2, Як-1, Як-3, Ла-5, Ла-7, ЛаГГ-3, МиГ-3, Ту-2, обеспечившие превосходство советской авиации над авиацией противника. Отечественная авиация, советская конструкторская школа с честью выдержали суровые испытания войны.

В послевоенные годы в кратчайшие сроки наша авиация осуществила переход на реактивные двигатели. Появляются самолеты с изменяемой геометрией крыла, укороченного и вертикального взлета и посадки.

В нашей стране создаются первый в мире реактивный пассажирский самолет Ту-104, самолеты ИЛ-18, Ан-10, турбовинтовые гиганты Ту-114, Ан-22 «Антей». С советского аэродрома в декабре 1968 г. взлетел первый в мире сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144. В настоящее время завершается переоснащение парка Аэрофлота реактивными самолетами третьего поколения. Воздушные лайнеры Ту-154, Як-42 и первый отечественный аэробус Ил-86 отвечают самым высоким требованиям, предъявляемым к современным самолетам.

Постоянная забота Коммунистической партии и Советского правительства о развитии авиации, талант советских ученых и авиационных конструкторов, всенародная любовь — вот те слагаемые, которые вывели отечественную авиацию на передовые рубежи в мире.

Советский строй воспитал целую плеяду выдающихся ученых и конструкторов, без деятельности которых трудно себе представить современные достижения авиационной науки и техники.

Всемирную известность получили самолеты, созданные конструкторскими коллективами, возглавляемыми А. Н. Туполевым, Н. Н. Поликарповым, Д. П. Григоровичем, А. С. Яковлевым, С. В. Ильюшиным, А. И. Микояном, П. О. Сухим, С. Л. Лавочкиным, О. К. Антоновым, Г. М. Бериевым, В. М. Мясищевым в тесном сотрудничестве с коллективами двигателестроителей, возглавляемыми А. А. Микулиным, А. Д. Швецовым, В. Я. Климовым, С. К. Туманским, А. М. Люлька, А. Г. Ивченко, Н. Д. Кузнецовым, П. А. Соловьевым, и коллективами научно-исследовательских институтов.

Огромны заслуги в развитии фундаментальных и прикладных авиационных дисциплин — аэродинамики, гидрогазодинамики, теории управления полетом, прочности и аэроупругости — таких советских ученых, как М. В. Келдыш, А. И. Макаревский, С. А. Христианович, В. В. Струминский, И. В. Остославский, Б. С. Стечкин, А. Н. Журавченко, А. И. Черемухин и др.

Советская школа проектирования самолетов опирается на научный, диалектический метод. Характерными чертами этой школы являются:

постоянное стремление к простоте, надежности и высокой технологичности разрабатываемых конструкций;

новаторский, творческий подход к решению возникающих задач;

умение рационально сочетать технический риск с трезвыми расчетами, постоянная опора на достижения науки;

нацеленность на решение сложнейших инженерно-технических проблем ценой минимальных затрат.

Успехи этой школы во многом определяются продуманной системой подготовки кадров авиационных конструкторов. Особую роль в формировании авиационного образования^инженера играет курс «Проектирование самолетов».

Становление проектирования самолетов как научной дисциплины относится ко второй половине 30-х годов. В это время появляются первые работы по выбору рациональных параметров самолета, первые учебники по проектированию самолетов. Авторами их были советские ученые и конструкторы П. М. Крейсон, П. Д. Самсонов, Н. Н. Фадеев, Л. И. Сутугин, Н. Н. Поликарпов.

Дальнейшее развитие теоретических основ проектирования связано с именами таких ученых, как В. Ф. Болховитинов, Н. А. Фомин, А. Л. Гиммельфарб и др. Работы этих ученых заложили тот фундамент, который позволил, опираясь на достижения прикладных авиационных наук и общей теории проектирования сложных систем, на развитие численных методов оптимизации, создать подлинно научный курс «Проектирование самолетов».

Часть первая

ОБЩЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ САМОЛЕТА

Глава 1

ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ САМОЛЕТА

1.1. САМОЛЕТ КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Самолеты относятся к классу летательных аппаратов, использующих аэродинамический принцип полета. Они расходуют энергию запасенного топлива для создания движущей, подъемной и управляющих сил с помощью воздушной среды. В настоящее время это самый распространенный тип летательных аппаратов с огромным потенциалом дальнейшего развития, так как освоенная область скоростей и высот полета, в которой возможна реализация аэродинамического принципа полета, очень мала, а потребности общества в таких летательных аппаратах постоянно возрастают.

Как объект проектирования современный самолет представляет собой сложную техническую систему с развитой иерархической структурой, большим числом элементов и внутренних связей, возрастающих примерно пропорционально квадрату числа элементов. Так, планер современного широкофюзеляжного самолета состоит более чем из миллиона деталей.

В любом самолете можно выделить ряд функциональных подсистем, определяющих в совокупности его полезные свойства. Это подсистема создания подъемной силы, подсистема, обеспечивающая устойчивость и управляемость самолета на заданной траектории, подсистема обеспечения движущей силы, подсистемы обеспечения целевой функции, жизнеобеспечения, обеспечения управления и навигации в различных условиях полета и др.

Каждая из таких подсистем может включать в себя комплекс простых и сложных систем и отдельных элементов. Расчленение самолета на подсистемы, удобное для изучения и анализа, отнюдь не означает, что они полностью автономны. Системы самолета взаимосвязаны и взаимообусловлены. Например, в настоящее время для сверхзвуковых маневренных самолетов широкое применение находят так называемые интегральные схемы, основанные на объединении крыла, фюзеляжа, силовой установки, систем управления и устойчивости с целью достижения максимальной эффективности.

С другой стороны, самолет сам по себе — это техническое устройство, средство, мертвое вне действия, вне производства. И только как элемент более сложной системы, включающей самолетные парки и летные экипажи, технические средства и персонал для подготовки самолета к полету, технические средства и персонал для обеспечения полета, самолет способен выполнять определенные задачи. Следовательно, самолет является подсистемой сложной системы более высокого иерархического уровня — авиационного комплекса, под которым понимается органическое сочетание людских и материальных ресурсов и действиями которого вырабатывается определенный полезный для общества эффект.

Функционально-структурная схема самолета как элемента авиационного комплекса представлена на рис. 1.1. Авиационный комплекс, в свою очередь, является элементом транспортной системы или системы обороны страны.

Отмеченная специфика самолета диктует необходимость применения системного подхода к его проектированию. Теоретической базой такого подхода является недавно появившаяся и бурно развивающаяся наука — системотехника.

1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Под проектированием самолета понимается процесс разработки технической документации, которая обеспечивает возможность промышленного изготовления нового самолета, отвечающего заданным требованиям, и позволяет осуществлять его надежную эксплуатацию в заданных условиях. Техническую документацию соответствии с требованиями ЕСКД подразделяют натри группы.

Первая группа включает в себя схемную, конструкторскую, монтажную и текстовую документацию. Эта документация отражает идеи и принципы, заложенные в проектируемый самолет, отвечая на вопрос, что должно быть изготовлено. Вторая группа — это технологическая документация, регламентирующая методы и средства изготовления самолета. И, наконец, третья группа — эксплуатационная документация, обеспечивающая правильную эксплуатацию самолета.

Задачей проектирования является разработка схемы, структуры и конструкции будущего самолета и составляющих его элементов, которая должна обеспечить при определенных ограничениях наиболее эффективное выполнение поставленных целей.

Решение этой задачи требует четкого определения целей проектирования и установления критериев оценки результатов проектирования, поскольку достижение целей проектирования «любой ценой», естественно, неприемлемо.

Упомянутые при определении задач проектирования ограничения, помимо чисто физических, могут включать в себя ограничения, накладываемые сроками проектирования, возможностями имеющихся в распоряжении проектировщиков экспериментальной базы, лабораторного оборудования и вычислительной техники.

Не менее существенные ограничения при проектировании диктуются производственно-технологическими аспектами. Они определяются наличием необходимых материалов и комплектующих изделий, возможностями лабораторного и производственного оборудования, а также уровнем производственных навыков персонала авиационного предприятия. Опыт разработки принципиально новых самолетов свидетельствует, что успех их создания зачастую зависел от коренной реконструкции не только экспериментальной и производственно-технологической базы авиационного предприятия. Создание таких самолетов иногда требовало реконструкции целых отраслей промышленности страны, являясь мощным стимулом научно-технического прогресса.

Сложность самолета как объекта проектирования определяет специфику процесса его разработки. Для реализации процесса проектирования потребовалось создание специализированных проектных организаций — ОКБ, включающих большое число специалистов в различных технических областях, сложные лабораторные и производственные подразделения. ОКБ представляют собой большие организационно-технические системы, развивающиеся и совершенствующиеся по мере усложнения объекта и средств проектирования. Эти организации в своей деятельности опираются на работу отраслевых научно-исследовательских институтов, занимающихся разработкой перспектив развития авиации в различных ее направлениях (ЦАГИ, ГосНИИ ГА, ЦИАМ, ВИАМ и т. д.) и на опыт производства и эксплуатации самолетов на серийных заводах и в летных подразделениях.