Structures and Materials
16. Конструкция и материалы (концептуально)
Силовая схема планера: конструкция BWB R4X выполнена по принципу интегрального крыла-монокока. Центральный корпус - типа короткого толстого фюзеляжа - образован силовым набором из шпангоутов (поперечных рамных балок) и лонжеронов (продольных балок). В центральной части проходит как минимум 3 мощных лонжерона: нижний, средний, верхний - они формируют “короб” корпуса, воспринимающий сгибающий момент от всего крыла. Внешние консоли крыла имеют 2-3 лонжерона, стыкующиеся с центральными на узлах сопряжения. Связь между лонжеронами - нервюры (в крыле) и стрингеры (в корпусе). Обшивка несёт часть нагрузок, но основная нагрузка - на лонжероны. Такая схема обеспечивает достаточную жесткость и прочность при относительно небольшом весе. Толщина профиля позволяет разместить лонжероны с высотой сечения до ~1 м, что очень хорошо для прочности - изгибающие напряжения распределяются по высоте, уменьшая массу (в сравнении с тонким крылом, где лонжерон низкой высоты и должен быть очень толстым). Зоны концентрации нагрузок: узлы крепления двигателей, узлы крепления шасси, стык крыло-корпус. В этих местах предусмотрены усиления: в двигательных узлах - мощные ферменные конструкции из титанового сплава, которые передают тягу и момент двигателя на лонжероны и обшивку (создают силовые шпангоуты). В нишах шасси - дополнительные рамки и продольники, принимающие нагрузку от посадочных ударов на грунт.
Нагрузки от двигателя и TVC: каждый задний двигатель, например, создает тягу
~300 кН. Он закреплён не на оси корпуса, а смещён, поэтому тянет не только вперёд, но и изгибает конструкцию. При отклонении на 45° вниз, его тяга имеет вертикальную компонент ~212 кН, которая пытается отогнуть хвост вниз. Поскольку два двигателя симметрично по бокам, они вместе создают изгибающий момент корпуса. Это всё учитывается: силовой каркас хвоста (лонжероны хвостовой части + диагональные подкосы) рассчитан выдерживать суммарный момент ~1e7 Н·м от пары двигателей. Передние двигатели поменьше, но они спереди, действуют на нос. Там, наоборот, при отклонении вверх-вниз создается тенденция отрывать носовую часть. Чтобы противостоять этим силам, в носу установлен прочный пространственный шпангоут-каркас, распределяющий усилие на обшивку вокруг (как кольцо). Кроме того, сам носовой отсек - относительно короткий, он жесткий из-за формы. Моменты от TVC: когда сопло отклоняется, на него действует реакция - стремится повернуть двигатель в противоположную сторону. То есть, если сопло вниз, то двигатель давит на крепление вверх (момент порядка 300 кН × длина рычага сопла ~1 м = 300 кН·м). Этот момент воспринимается пилоном двигателя - он сделан как вилка вокруг сопла, замкнутая на силовой шпангоут. Пилон проходит через гермошпангоуты, крепится к верхнему лонжерону. Материал пилона - титан или сталь. Мы не хотим, чтобы пилон играл (гнулся) - иначе это повлияет на точность управления соплом. Поэтому скорее он будет избыточно мощным - лишний вес, но для безопасности.
Материалы планера: подавляющая часть несущих элементов (лонжероны, нервюры, обшивка) выполнены из углепластиков (CFK - Carbon Fiber Reinforced Polymer). Композитные материалы позволяют формировать сложную форму BWB и одновременно экономят вес. Напряжённое состояние в BWB более равномерно (нет локального перепада как от фюзеляжа к крылу), поэтому композиты хороши. Пример: у A350 крыло и фюзеляж композитные, мы применяем аналогично. Используется укладка препрегов и отверждение в автоклаве для больших панелей. Некоторые детали - стеклопластик (GFRP), например, носовая радиопрозрачная часть, или обтекатели стыков. Металлические детали: силовые узлы крепления (двигателей, шасси) - это, вероятно, титановые или легированные стальные узлы, интегрированные в композит (вклеены или прикручены через болты с усилением). Также металлический набор может быть внутри композитных деталей (для молниезащиты и теплопроводности): например, медная сетка в обшивке крыла - она служит путем для тока молнии, чтобы защитить уголь от прожога. Лонжероны тоже могут быть гибридные (в углерод вклеены стальные пластины на концах). Выбор материалов - критичен на участках сочетания нагрузок и температуры: задняя кромка вокруг сопел, вероятно, должна быть металлической (Inconel или титан), так как там жара и вибрация. Мы можем принять, что последний 1 метр хвоста - сборка из титана (например, хвостовой отсек, где сходятся крепления).
Места концентрации нагрузок:
- Стык внешняя консоль - центроплан: здесь у обычного самолёта корневой момень огромный. У нас нечто похожее: внешнее крыло прикреплено к толстому корпусу, однако интегральность BWB смягчает переход. Всё же, в расчетах, основная изгибающая реакция будет приходиться на район 30-40% полурама от оси симметрии. Там должны стоять особо прочные нервюры и шпангоуты. Вероятно, имеет смысл встроить с каждой стороны металлический лонжерон-спар (например, алюминиевый двутавр), принимающий пик моментов.
- Шасси: удар при посадке ~2.5-3 G, распределён на основные стойки. Стойки через ферму (косу) нагрузят лонжероны пола. Эти места усилены (дополнительные балочные элементы и связь с обшивкой). Основные стойки 4-колёсные, удар ~600 kN суммарно на одну тележку, распределён по 4 точкам крепления (каждое ~150 kN). Это посильно, просто требует местной усиленной выкладки композита.
- Пилоны двигателей: каждый пилон передаёт статическую нагрузку (вес двигателя ~70 kN) плюс динамическую (тяга, вибрации). Пилоны крепятся к каркасу на нескольких узлах - как правило, две точки: передний узел - к переднему лонжерону, задний - к заднему. Оба узла - титановые силовые узлы, интегрированные в композит через болтовые соединения (зачем болты? - можно монолитно, но болты дают сменяемость). Предусмотрено, что двигатель с пилоном можно снять для техобслуживания: значит, узлы должны позволять расстыковку.
Технологичность и сборка: концепт R4X сложен, но собирать его можно модульно. Представим, что корпус изготавливается в три крупных модуля: центральный сегмент (включает центроплан, носовой и хвостовой части корпуса) и две консолевые сборки. Каждая консоль может быть откатываемой и крепиться болтовыми стыками к центральному (аналогично, как крылья крепят к фюзеляжу). Т.к. мы экспериментальный самолёт, допустимо даже неразъемное соединение (склеить намертво), но болты упростят перевозку (можно будет разобрать). Двигатели ставятся уже в конце, после сборки планера. Крепления - на болтах тоже, плюс направляющие. Обслуживание: доступ к двигателям - хороший (задние сверху - можно подойти по верхней поверхности крыла; передние снизу - по лесенке). Для доступа внутрь планера (к оборудованию, бакам) - имеются люки в нижней части, а также сам центральный грузовой отсек - открывается верхняя панель (как отсек самолёта C-5 Galaxy) для крупного доступа. Элементы системы управления (компьютеры) расположены в герметичном отсеке прямо за кабиной - туда ведёт вход из кабины, т.е. можно в полёте даже добраться (в экстремум).
Figure 17: TBD. Not found as a captioned figure in the .docx text. Most likely a structural layout, internal volume, or weight/balance visual. Обслуживание (в полёте и на земле): BWB не привычен, но имеет плюс: много внутреннего объёма - легко разместить резервные системы, дополнительные датчики, и есть место пройти инженеру внутри крыла. Да, BWB R4X можно осматривать изнутри: при снятой полезной нагрузке через центроплан можно пролезть к хвосту, проверить крепления и др. На практике, конечно, всё основное обслуживание - на земле. Заменяемость модулей: двигатели - сменные за ~8 часов (снять/поставить), механизация - за 4 часа (секции элевонов быстросъемные). Электроника - на стойках, доступных из отсеков, меняется блоками (модульный принцип). Т.е. уже на стадии концепта заложили, что проект - исследовательский, может требовать частых модификаций, поэтому всё модульное: один блок FCC вытащили, перепрошили - вставили обратно.
Производственные допуски: BWB требует высокой точности геометрии (чтобы сопряжение крыло-корпус было гладким). Будет применяться CAD-параметризация (см. разд. 25) для генерации всех панелей. Большие автоклавы (>10 м) позволят запекать цельные секции крыла, уменьшая стыки. Это всё высокотехнологично и дорого, но мы делаем один демонстратор, можно вложиться.
Эксплуатационная прочность: планер рассчитан на ressource 10 000 часов или 2000 посадок (для демонстратора хватит). В дальнейшем, если бы делали линейный образец - нарастили бы до 60k циклов.
Особенности компоновки TVC в конструкции: поворотные сопла встроены в гондолы, приводы - неподвижно внутри гондол, но чтобы они позволяли поворот, сами гондолы разделены на подвижную часть. Конструкция сопла - сталь, она подсоединяется к титановому пилону через кардан, в кардане демпферы вибраций (чтобы вибрация двигателя не шла прямо на планер). Ещё моменты: сброс топлива - BWB не имеет концов крыла как обычные самолеты, откуда обычно сливают топливо. Можно сделать отводы снизу корпуса (два сливных патрубка под крылом). В экстренной ситуации сливать придётся ~100 т, поэтому сливы большие, размещены так, чтобы топливо не попало в горячие струи (лучше вдалеке от двигателей). Вероятно, ближе к законцовкам или в корневой части, но под крылом.
В целом, конструкция R4X - крупногабаритный углепластиковый планер с металлическими узлами силовой стыковки. Она во многом перекликается с уже реализованными практиками (тот же A350 - ~50% композит, интегрированное крыло). Отличие - нет хвоста и необычные нагрузки от двигателей. Но всё решаемо запасом прочности и применением хороших материалов.
В последующих разделах по массе и рискам мы ещё вернёмся к конструктивным вопросам, таким как весовые риски и т.д. Пока отметим: концепция конструкции выполнима существующими технологиями, хотя и на передовом уровне.