Waar is de kiel van het vliegtuig? Vliegtuigkiel: ontwerp

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Zelfs iemand die nog nooit de zee heeft gezien, kent waarschijnlijk het afscheidswoord: "Zeven voet onder de kiel." En er zijn hier geen vragen. De kiel van een schip is het belangrijkste structurele onderdeel waarop veel delen van de romp zijn bevestigd. Maar weet iemand waar de kiel van het vliegtuig zich bevindt en waarvoor deze dient?

Wat is dit?

Dit is het "orgaan" van de stabiliteit, waarmee je het vliegtuig op een bepaalde koers kunt houden. In tegenstelling tot schepen is de kiel van een vliegtuig een integraal onderdeel van de verticale staartvin. Aan de onderkant van de romp is er geen kiel voor vliegtuigen! Maar er is één subtiliteit. Het feit is dat dit onderdeel nauw verbonden is met de krachtelementen van de romp, en daarom is er nog steeds iets gemeenschappelijks in termen van zee en lucht. Dus waar is de kiel van het vliegtuig? Simpel gezegd, dit is het verticale deel van de staart.

Het wordt onbeweeglijk geplaatst, gefixeerd op drie punten, symmetrisch met de middellijn van het vliegtuig. Qua uiterlijk heeft dit detail de vorm van een ideale trapezium. De kiel van een vliegtuig bestaat in de regel uit rondhouten, ribben en huid. Dit schema is klassiek, weinig veranderdsinds het verschijnen van het eerste vliegtuig. De voorste ligger wordt schuin geplaatst (in de regel).

Lay-outs

Meestal is de kiel enkelvoudig, maar in sommige gevallen is deze dubbel of zelfs drievoudig gemaakt (op propellerbommenwerpers). In het laatste geval is dit nodig om een hoge richtingsstabiliteit van de zware machine te garanderen. Trouwens, alle vliegtuigen zijn verdeeld in drie typen, afhankelijk van de locatie van de kiel:

• Gebouwd in een normaal patroon. Dat is bijvoorbeeld de kiel van het A321-vliegtuig.
• "Eenden", dat wil zeggen vliegtuigen waarbij de horizontale staart van de kiel zich voor de vleugels bevindt.
• "Staartloos". Van de kiel blijft alleen de verticale staart over, de horizontale rolroeren zijn volledig afwezig.

Natuurlijk zijn de laatste twee varianten meer kenmerkend voor de "gemeenschap" van militaire vliegtuigen, aangezien een dergelijke plaatsing van de kiel noodzakelijk is om het vliegtuig een bijzonder hoge wendbaarheid te geven.

In sommige gevallen worden zelfs complexere ontwerpen gebruikt. Bijvoorbeeld onderkielkammen (het zijn ook ventrale kielen). Ze worden gebruikt op sommige supersonische vliegtuigen waar het handhaven van een perfecte stabiliteit tijdens de vlucht van vitaal belang is. Dus onder de kiel van het vliegtuig (dit is waar, hebben we al ontdekt) is er een extra en massale toestroom. Een meer voorkomende situatie is wanneer het horizontale verenkleed van de staart over het algemeen naar de top van de kiel moet worden overgebracht. Dit gebeurt als de motoren aan de achterkant van het vliegtuig zijn geïnstalleerd. Zo'n diagram is bijvoorbeeld te zien inbinnenlandse vracht-passagiersvliegtuigen "Il".

Waar is het voor?

Zoals je weet, is kalm weer een ongelooflijke zeldzaamheid die niet meer dan een paar keer per jaar voorkomt. In de meeste gevallen is er wind, en de kracht en richting kunnen sterk variëren. Wanneer een vliegtuig vliegt, kunnen windstoten de richting en koers sterk beïnvloeden. Het vliegtuig moet zo zijn ontworpen dat het vanzelf terugkeert naar een stabiele positie. Alleen in dit geval is een veilige vlucht mogelijk.

Hoofddoel

De hoofdregel voor het ontwerpen van een kiel is om deze zo te plaatsen dat deze onder geen enkele omstandigheid in het kielzog van de vleugel v alt. Anders is een scherpe schending van de richtingsstabiliteit mogelijk, en in de meest ernstige situaties, fysieke vervorming en vernietiging van de gehele staarteenheid. Het belangrijkste doel van de kiel is dus om de richtingsstabiliteit te behouden.

Het ontwerp van veel vliegtuigen is zodanig dat dit onderdeel verplaatsbaar is. Door de kieldoorbuiging aan te passen, bepa alt de bemanning de koersrichting. De uitzondering zijn militaire vliegtuigen, waarop motoren met een gecontroleerde stuwkrachtvector verantwoordelijk zijn voor het veranderen van de vliegrichting. In hun geval is het stom om een beweegbare kiel van het vliegtuig te maken (er staat een foto van in het artikel), omdat de overbelasting tijdens het manoeuvreren zo groot is dat het gewoon instort.

Wat voor soort stabiliteit biedt de kiel?

Er zijn drie soorten stabiliteit, ter wille waarvan de kiel is meegenomen in het ontwerp van het vliegtuig:

• Track.
• Longitudinaal.
• Dwars.

Laten we al deze variëteiten in meer detail bespreken. Richtingsstabiliteit dus. Er moet aan worden herinnerd dat in geval van verlies van longitudinale stabiliteit van de romp tijdens de vlucht, het vliegtuig nog enige tijd vooruit zal blijven vliegen vanwege traagheidskracht. Daarna begint de luchtstroom naar de achterkant van het vliegtuig te lopen, die achter het zwaartepunt ligt. De kiel voorkomt in dit geval het optreden van een roterende kracht die het vliegtuig dwingt om rond zijn as te draaien.

Longitudinale stabiliteit. Stel dat het vliegtuig in de normale modus vliegt, het zwaartepunt v alt samen met het drukpunt dat op de romp wordt uitgeoefend. Op dit moment werken ook multidirectionele krachten op de romp, die de neiging hebben om het lichaam van het vliegtuig te ontplooien. Lift en zwaartekracht werken tegelijkertijd. De kiel van het vliegtuig (je ziet een foto van dit onderdeel in het artikel) zorgt voor balans, wat in dit specifieke geval erg instabiel is. Normale vlucht zonder staart, kiel en stabilisatoren is onmogelijk.

Overige duurzaamheid

Afschuifstabiliteit. Over het algemeen is deze factor een logische voortzetting van de vorige eigenschap. Wanneer multidirectionele krachten op de vleugel en laterale stabilisatoren van de kiel inwerken, "proberen" ze het vliegtuig omver te werpen. De vorm van de vleugels werkt dit tegen: als je ze van een afstand bekijkt, lijken ze op de letter "U" met sterk gescheiden bovenste "hoorns". Dit formulier biedt zelfcorrectie van de positievliegtuigen in de ruimte. De kiel helpt de zijdelingse stabiliteit te behouden.

Merk op dat vliegtuigen met swept-wing niet zo veel een kiel nodig hebben… bij hoge snelheden. Als het v alt, vindt de groei van tegenkrachten exponentieel plaats. Daarom is voor deze machines de meest duurzame en lichtgewicht kiel erg belangrijk, die dergelijke hoge belastingen kan weerstaan. En hoe kun je het krijgen? Laten we het hier eens over hebben.

Kenmerken van het maken van moderne vliegtuigen

Momenteel richten de specialisten van Rosaviation en hun buitenlandse collega's zich op het maken van vliegtuigonderdelen (inclusief de kiel) van grote onderdelen gemaakt van de nieuwste composietmaterialen.

Het aandeel van deze verbindingen in het ontwerp van moderne vliegtuigen groeit gestaag. Volgens informatie van experts bereikt hun volumefractie al van 25% tot 50%, en kleine niet-commerciële vliegtuigen kunnen zelfs voor 75% uit plastic en composieten bestaan. Waarom is deze aanpak zo wijdverbreid in de luchtvaart? Het feit is dat dezelfde kiel van een Boeing-vliegtuig, gemaakt van "legeringen" van polymeer, een zeer laag gewicht heeft, een zeer hoge sterkte en een hulpbron die eenvoudigweg onrealistisch is om te bereiken met standaardmaterialen.

Belangrijkste materialen

Het meest gerechtvaardigde gebruik van composieten in het ontwerp van niet alleen de staart, maar ook de vleugels en romp-krachtelementen, die niet alleen erg sterk, maar ook voldoende moeten zijnflexibel. Anders kan de kans op vernietiging van de constructie onder invloed van vliegbelastingen niet worden uitgesloten.

Maar het was niet altijd zo. Dus de trots van de Sovjet-vliegtuigindustrie, het Tu-160-vliegtuig, ook bekend als de White Swan of Blackjack, heeft een kiel gemaakt van … titaniumlegeringen. Zo'n specifiek en extreem duur materiaal werd gekozen vanwege de enorme druk op het ontwerp van deze machine, die tot op de dag van vandaag de titel van de zwaarste bommenwerper in dienst heeft. Maar toch is een dergelijke radicale benadering van het maken van een kiel zeldzaam, en daarom hebben ontwerpers tegenwoordig veel vaker te maken met eenvoudigere composietmaterialen.

Met welke uitdagingen wordt u geconfronteerd bij het maken van een composietkiel?

Tijdens het ontwikkelingsproces moesten huisontwerpers een hele reeks complexe taken oplossen:

• Het maken van grote delen van de kiel en andere koolstofvezelapparatuur met behulp van de infusiemethode is uitgewerkt.
• Moest ook de belangrijkste productiefasen, die niet waren ontworpen voor het gebruik van composietmaterialen, bijna volledig heroverwegen en opnieuw uitrusten.

Andere functies

De nieuwste software (FiberSim) is in het productieproces geïntroduceerd, waardoor de hoogste graad van automatisering kan worden bereikt. Bovendien kan nu de kiel van het vliegtuig, waarvan het ontwerp in het artikel wordt beschreven, worden gemaakt met behulp van technologieën waar er praktisch geen tekeningen zijn. De productie van dit deel met deze aanpak is als volgt:manier:

• Een afgewerkt model ontwerpen of kiezen. Tegenwoordig is de kiel (meestal) ontworpen in een volledig automatische modus, zonder de deelname van "menselijke" ontwikkelaars.
• Snijden van gebruikte materialen, ook uitgevoerd in automatische modus.
• In de automatische modus worden de grondstoffen die zijn gebruikt om de kiel en de structurele onderdelen te maken, uiteengezet.
• Het leggen van lagen wordt uitgevoerd door robotmechanismen die worden aangestuurd door een computerprogramma.

Bovendien suggereert de moderne benadering van de productie van kielen het volgende:

• Voortdurend prototypes bouwen die onder de zwaarste omstandigheden worden getest.
• Er worden niet-destructieve testtechnologieën ontwikkeld waarmee continu de toestand van de kiel van een vliegtuig kan worden gecontroleerd.

Geavanceerde methoden voor het maken van de staarteenheid van het MS-21-vliegtuig

In het niet zo verre verleden was de luchtvaartindustrie letterlijk verbijsterd door de aankondiging van binnenlandse ontwikkelaars dat ze een volledig nieuw vliegtuig ontwikkelen, de MS-21. Het bijzondere is dat dit bijna de laatste drie decennia de eerste binnenlandse auto is voor vluchten binnen het land. Tijdens de fabricage zijn veel van de nieuwste technologieën getest, die de innovatieve kenmerken van de kiel en de gehele staartconstructie grotendeels hebben beïnvloed.

Door de caisson van de kiel van het MS-21-vliegtuig te ontwikkelen en te produceren, konden binnenlandse specialisten het volgende bereiken:

• Volledige automatisering van het snijden van alle onderdelen en grondstoffen die bij de productie worden gebruikt. Hierdoor was het mogelijk om de totale kosten van de gehele staarteenheid en vooral de kiel met ten minste 50% te verlagen.
• ProDirector-software wordt gebruikt bij de productie van de staarteenheid, waarmee u perfecte precisie kunt bereiken bij het verwerken van onderdelen. Hierdoor is het mogelijk om niet alleen sterke, maar ook extreem lichte kielen te maken.
• De kiel van een modern vliegtuig wordt ook gemaakt met behulp van dubbele krommingstechnieken. Dankzij hen is het mogelijk om multidirectionele dikte te bereiken in die gebieden waar extra structurele versterking nodig is (onder de kiel van het vliegtuig).
• Zelfs grote delen van de kiel kunnen tegenwoordig worden "gefrituurd" in speciale autoclaven. Het resultaat zijn extreem sterke en stijve componenten die bestand zijn tegen belastingen van elke graad.
• De besturing van de geometrie van onderdelen wordt ook gecontroleerd door complexe computersystemen.

Andere functies

Door het gebruik van nieuwe technologieën en technieken werd de arbeidsintensiteit voor het maken van de staarteenheid en de kiel met 50-70% verminderd. Vandaag hebben meer dan vierduizend onderdelen van de kiel en staart de staatstests doorstaan.

Het belangrijkste resultaat is de ontwikkeling van een betrouwbare en eenvoudige technologie voor de productie van kielkastonderdelen van 7,6 x 2,5 m. Op dit moment zijn ze al begonnen met de levering aan de luchtvaartfabriek in Irkutsk. Ze zijn gemaakt van moderne composietmaterialen en de kenmerken van dit proces hebben al de aandacht getrokken van toonaangevende buitenlandse fabrikanten van luchtvaartapparatuur.

Moderne problemen

Waarom hebben we zoveel tijd besteed aan het bespreken van moderne manieren om een kiel te ontwerpen en te bouwen? Feit is dat sinds de jaren 60 van de vorige eeuw volkomen duidelijk is geworden dat een verdere verhoging van de snelheidsprestaties van vliegtuigen alleen mogelijk is als hun sterkte wordt vergroot en volledig nieuwe soorten polymere materialen in productie worden genomen. Het probleem met vliegtuigen van de nieuwste generaties is dat hun ontwerp (en de kiel in het bijzonder) zeer gevoelig is voor "vermoeidheid". Hierdoor zijn er rond de jaren 70 van de vorige eeuw talloze methoden ontwikkeld om de conditie van de vleugel en staart te controleren.

De productie-eisen zijn ook hoog. Elke partij onderdelen wordt onderworpen aan de zwaarste overbelastingen op trilstandaards, getest door temperatuur en druk. En dit is niet verwonderlijk, aangezien de kleinste scheur vervolgens beladen is met de dood van honderden passagiers.

Dus je hebt ontdekt waar de kiel van het vliegtuig is en waarvoor het dient!