Авиация России

В компоновке перспективного пассажирского самолёта Фрегат Экоджет предложена нетрадиционная схема с поперечным сечением фюзеляжа в виде вытянутого горизонтального овала. Подобная схема обеспечивает более эффективное использование поперечного сечения фюзеляжа и позволяет на 30-40% уменьшить взлётную массу самолёта при одинаковой пассажировместимости около 300-350 пассажиров.

Проведённые исследования показали, что при разработанной авторами конструктивно-силовой схеме фюзеляжа можно решить проблему противодействия внутреннему давлению и обеспечить требуемый уровень деформаций вдоль фюзеляжа при заданных лимитных весах конструкции. Исследование проведено с использованием подробной конечно-элементной модели (КЭМ).

Предлагаемые результаты исследования были опубликованы в журнале «Полёт» № 9, 2011 г.

Авторы:

• Бирюк Виктор Илларионович — главный научный сотрудник НИО-3 ФГУП «ЦАГИ», кандидат технических наук
• Климов Александр Валентинович — заместитель генерального директора ОАО ФПГ «Росавиаконсорциум»
• Навоев Алексей Александрович — младший научный сотрудник НИО-3 ФГУП «ЦАГИ»
• Черноусов Владимир Иванович — главный конструктор проекта Фрегат Экоджет ОАО ФПГ «Росавиаконсорциум»

В настоящее время традиционно используются и проектируются самолёты с круглым или близким к круглому поперечным сечением фюзеляжа, например, применяется так называемая схема «double-bubble», при которой в районе средней линии фюзеляжа располагается пол пассажирской кабины, а верхний и нижний контуры поперечного сечения фюзеляжа представляют собой дуги окружностей.

Силовая схема фюзеляжа круглого сечения, включающая в себя, как правило, обшивку, шпангоуты, стрингеры и поперечные балки пассажирского пола, достаточно эффективна с точки зрения воздействия внутреннего давления. Избыточное давление, действующее по нормали к обшивке, уравновешивается окружными напряжениями в обшивке (цепными напряжениями). При радиальной деформации обшивки через изгиб стрингеров, часть радиальной нагрузки передаётся шпангоуту. Эта нагрузка уравновешивается окружными растягивающими напряжениями шпангоута. Балки пола пассажирской кабины растягиваются одновременно с растяжением шпангоутов.

Жёсткость обшивки, стрингеров и шпангоутов такова, что растягивающие напряжения в обшивке и шпангоутах различаются незначительно, а изгиб стрингеров мал. Конструкция фюзеляжа круглой круговой формы или формы типа «double-bubble» позволяет обеспечить его статическую прочность, долговечность, живучесть и требуемые эксплуатационные характеристики при высоком весовом совершенстве. Однако круговая форма или форма «double-bubble» поперечного сечения накладывает значительные ограничения на компоновочные решения по размещению пассажиров и грузов.

Существуют варианты аэродинамических компоновок, в которых ширина фюзеляжа значительно больше его высоты. При этом используются свойства фюзеляжа создавать аэродинамическую подъёмную силу. Работа силовых элементов боковой части такого фюзеляжа - с обычным радиусом кривизны, под действием избыточного давления аналогична работе этих элементов в круговых фюзеляжах. Работа верхней и нижней частей такого фюзеляжа существенно отличается от работы силовых элементов в круговых цилиндрических фюзеляжах. Использование традиционной силовой схемы круглых фюзеляжей с обшивкой, шпангоутами и стрингерами приводит к неприемлемым весовым затратам из-за изгиба шпангоутов в зонах с малой кривизной. Необходимы нетрадиционные конструктивные решения, позволяющие обеспечить эффективное использование площади поперечного сечения фюзеляжа и оптимальную работу конструктивно-силовой схемы (КСС) фюзеляжа.

Одним из приемлемых вариантов является проект самолёта «111» (патент RU2270135 (C2) ― 2006-02-20), у которого фюзеляж имеет поперечное сечение, вытянутое по горизонтали, с шириной, значительно превышающей его высоту. Для решения проблемы воздействия внутреннего давления используются последовательно расположенные вдоль фюзеляжа шпангоуты, на которых закреплена наружная обшивка и стрингеры, соединённые с обшивкой и шпангоутами. По длине герметичной части этот фюзеляж снабжён продольными силовыми конструкциями арочного типа. Они расположены по боковым сторонам и содержат соединённые между собой нижний и верхний продольные силовые элементы, вертикальные стойки, установленные определённое число шпаций.

Однако фюзеляж должен иметь объёмы для размещения грузов. Поскольку под полом пассажирской кабины самолёта «111» такие объёмы отсутствуют, необходимо увеличивать длину фюзеляжа, а, следовательно, возрастает и его вес. Для регионального самолёта подобное решение является оптимальным, однако при увеличении пассажировместимости с 60-100 до 300-350 человек рост весовых затрат перестаёт быть оптимальным, поскольку для размещения грузов увеличение длины самолёта должно быть существенным.

На Экспериментальном машиностроительном заводе им. В.М.Мясищева в 1990-х годах была предложена компоновка высотного самолёта М-60 в пассажирском и транспортном вариантах, в которой также использовалась нетрадиционная схема сечения фюзеляжа.

Однако проблема борьбы с внутренним давлением в этом проекте решалась установкой вертикальных стяжек как для пассажирского, так и для транспортного варианта. Причём конструкция фюзеляжа пассажирского самолёта при наличии объёмов под полом пассажирской кабины с точки зрения КСС практически не была проработана. Этому мешало отсутствие в то время инструмента для исследования при детальной проработке конструкции. Наличие стоек решает задачу обеспечения прочности и приемлемых деформаций, но не обеспечивает комфорта и безопасности пассажиров.

Предлагаемый проект самолёта Фрегат Экоджет имеет поперечное сечение фюзеляжа, значительно отличающееся от кругового, что обеспечивает существенно более эффективное использование его площади.

Процесс выбора геометрических параметров самолёта Фрегат Экоджет является поиском компромиса между требованиями комфорта и безопасности с одной стороны и приемлемыми экономическими и лётно-техническими характеристиками, требованиями технологии производства и удобства эксплуатации — с другой.

Поиск оптимального сечения фюзеляжа с точки зрения компоновки проводился в направлении обеспечения минимальных габаритов самолёта на стоянке при условии размещения в фюзеляже 300-350 пассажиров в трёх салонах с тремя главными проходами шириной не менее 500 мм с шагом кресел не менее 810 мм или 32'', размещения в герметической части фюзеляжа 8 дверей (тип А): четыре — входные по левому борту, четыре служебные — по правому, и размещения восьми туалетов. Все двери могут служить аварийными выходами. При принятой длине фюзеляжа 46-47 метров условиями поиска оптимального сечения фюзеляжа с точки зрения компоновки являлись:

• необходимость размещения одиннадцати кресел в ряду для салона обычного экономического класса (для обеспечения приемлемой длины фюзеляжа) при трёхпроходной схеме 2+4+3+2
• необходимость размещения десяти кресел в ряду (в том же сечении) для салона экономического класса повышенного комфорта при трёхпроходной схеме 2+3+3+2
• необходимость размещения восьми кресел в ряду (в том же сечении) для салона бизнес-класса с шириной проходов 600 мм
• необходимость размещения на нижней палубе (в багажном отделении) стандартных багажных паллет, перевозимых широкофюзеляжными самолётами.

Было принято решение выбрать поперечное сечение фюзеляжа в виде симметричного вытянутого овала, образованного сопряжением дуг окружностей диаметром 2 и 6 м с габаритными размерами ~7750x4940 мм как наиболее полно удовлетворяющие комплексу требований к сечению фюзеляжа. Выбранное сечение позволило уменьшить площадь омываемой поверхности фюзеляжа, приходящуюся на одного пассажира, на 4-14%% (в зависимости от компоновки салона) по сравнению с аналогичными параметром современных широкофюзеляжных самолётов типа B-777-200, Ил-86, Ил-96, A340-300. В таблице для сравнения приведены параметры различных самолётов такого класса.

	Фрегат Экоджет	В777-200	Ил-86	Ил-96	A340-300	В767-300ER
Nпасс, количество пассажиров	302–352	305–367	350	289	295	286–350
D, диаметр фюзеляжа, м	экв. 6.236	6.200	6.080	6.080	5.640	5.030
L, длина фюзеляжа, м	47.34	63.73	56.90	51.15	63.64	54.94
Sмид. Площадь миделя   фюзеляжа, м2	30.548	30.190	29.030	29.030	24.980	19.870
Sом. Площадь омываемой поверхности фюзеляжа, м2	860*	1 045.79	915.50	823.10	949.90	731.39
Кресел в ряд	10–11	9	9	9	8	7
Количество проходов	3	2	2	2	2	2
Sмид./Nпасс. в ряду	3.055–2.777	3.354	3.230	3.230	3.123	2.840
Sом./Nпасс	2.848–2.443	3.430–2.850	2.620	2.850	3.220	2.560/2.090
Nпасс/Nпроход	100.66–117.33	152.50–183.50	175.00	144.50	147.50	143.00–175.00

Видно, что наличие трёх главных проходов снижает загруженность проходов пассажирами в полтора раза, что ведёт к уменьшению времени на посадку-высадку пассажиров и улучшает условия аварийной эвакуации.

Удачный выбор геометрии поперечного сечения фюзеляжа самолёта Фрегат Экоджет позволил за счёт оптимального распределения материала между шпангоутами, обшивкой, стрингерами и балками пола минимизировать деформации конструкции вдоль фюзеляжа от наддува. Обеспечено их соответствие нормативным требованиям по аэродинамике, при этом вес конструкции планера остался в пределах принятых лимитов. Кроме того, подобная конфигурация сечения позволила использовать в силовой схеме не только балки грузового пола, не мешающие размещению грузовых контейнеров и систем, но и верхнюю поперечную балку, расположенную выше потолка пассажирского салона.

Отказ от вертикальных силовых стоек и переход к конструктивно-силовой схеме, в которой используется пол пассажирской кабины, пол грузовой кабины и потолочная балка для восприятия внутреннего давления, обеспечивают требуемое весовое совершенство самолёта.

Конструктивно-силовая схема крыла и оперения Фрегат Экоджет соответствует традиционно используемой для пассажирских самолётов схемы «низкоплан». Это кессонная конструкция с двумя лонжеронами в крыле и стабилизаторе. Конструктивно-силовая схема киля состоит из панелей, воспринимающих в основном изгиб, и нескольких лонжеронов, обеспечивающих крепления киля к фюзеляжу.

При исследованиях конструктивно-силовая схема фюзеляжа, из-за эллиптической формы поперечного сечения, моделировалась с использованием конечно-элементного программного комплекса MSC/NASTRAN. В качестве конечного элемента использовался четырёхугольник QUAD). Каждому конечному элементу присвоено свойство пластины (SHELL), позволяющее моделировать плоское напряжённое состояние, изгиб и поперечный сдвиг. Конечно-элементная модель подробно отражает всю конструкцию, включая регулярные шпангоуты, расположенные с шагом 810 мм.

Таким образом, конструктивно-силовая схема фюзеляжа подробно исследована с помощью метода конечных элементов. Число переменных составляет 198 313, что позволяет достаточно подробно отражать работу конструкции при исследовании её КСС. Предложенный вариант фюзеляжа летательного аппарата имеет поперечное сечение, образованное в верхней и нижней частях фюзеляжа одинаковыми дугами окружностей большого радиуса (т.е., рассматривается симметричное сечение фюзеляжа), а в боковых частях — дугами окружностей с радиусами, отличающимися не менее чем в 2,5 раза от верхних и нижних дуг окружностей. Это позволяет, во-первых, обеспечить комфртабельные условия размещения пассажиров, значительно увеличив отношение числа проходов к числу пассажиров в сравнении с аналогичным параметром для самолёта с круглым фюзеляжем, а во-вторых, поместить всю номенклатуру груза, характерную для данного класса самолётов, под полом пассажирского салона, не увеличивая длины фюзеляжа и, кроме того, включить в силовую схему потолочную балку, обеспечивающую восприятие внутреннего давления.

Такое поперечное сечение, в котором пол пассажирского салона находится вблизи нейтральной линии фюзеляжа, позволяет обеспечить КСС, в которой балки пола будут работать на сжатие при действии избыточного давления, в отличие от других вариантов круговых или овальных фюзеляжей, где эти балки работают на растяжение. Введение в КСС балок грузового пола и потолочной балки позволило отказаться от установки вертикальных стоек рядом с зоной перехода боковой поверхности в поверхность малой кривизны, которые портят интерьер и мешают размещению пассажиров.

Для обшивки фюзеляжа рассматриваются листы из сплава 1163АТВ или 1163РДТВ. В качестве альтернативы могут использоваться алюминий-литиевые сплавы 1424ТГ1 и 1441ЗРТ1, обладающие пониженной плотностью. Альтернативой прессованным профилям из 1163ТПП и В95очТ2 являются профили из алюминий-литиевых сплавов 1424ТГ1 и 1441Т1.

Конечно-элементная схема (КЭМ) самолёта Фрегат Экоджет содержит 199 164 элемента, которые распределены по конструкции самолёта следующим образом:

• Обшивка 49 084
• Шпангоуты 56 217
• Стрингеры 49 084
• Пол 10 222
• Отсеки шасси 2 500
• Крыло (кессон) 21 114
• Горизонтальное оперение (кессон) 6 200
• Вертикальное оперение (кессон) 4 743

В основном используются элементы следующих видов: четырёхугольные (число элементов 198 244), треугольные (23), балочные (46). Число узлов КЭМ — 184 528.

Все элементы конструкции, кроме стоек в грузовом отсеке (балочные элементы), представляются пластинчатыми элементами (SHELL), которые позволяют моделировать плоское напряжённое состояние, изгиб и поперечный сдвиг.

Следует обратить внимание на то, что в данном случае несиловые элементы крыла не моделировались. Были созданы лишь КЭМ кессонов крыла, включая центроплан, стабилизатора и киля. Тем более, что они не оказывают влияния на основной случай нагружения эллиптического фюзеляжа, а именно действие внутреннего давления.

Основная идея конструктивно-силовой схемы фюзеляжа самолёта Фрегат Экоджет заключается в использовании для восприятия нагрузок от давления пола пассажирской кабины, пола грузовой кабины и введении дополнительного элемента — потолочной балки.

На рисунке ниже показано изменение перемещений конструкции при последовательном введении элементов КСС при равной нагрузке.

Видно, что последовательное введение в КСС пола пассажирской кабины, затем пола грузовой кабины, затем потолочной балки на порядок уменьшает деформации конструкции от внутреннего давления. Однако пол пассажирской кабины нагружается силами сжатия. В силовую схему были введены бимсы, не мешающие размещению груза. В результате оптимизации распределения силового материала удалось добиться требуемых уровней кольцевых напряжений в обшивке и равномерности в распределении перемещений по длине фюзеляжа.

Значения напряжений в обшивке в основном лежат в пределах от 0,84 до 17,5 кгс/мм².

Масса конструкции составляет 12 387 кг и распределяется по её элементам следующим образом:

• Обшивка 3 899 кг
• Шпангоуты 4 345 кг
• Стрингеры 2 224 кг
• Пол пассажирского отсека 1 191 кг
• Стойки в грузовом отсеке (подкосы) 87 кг
• Ниши шасси 167 кг
• Гермоднище 470 кг

Весовые характеристики, полученные на основании предварительных весовых расчётов и принятые в качестве лимитных весов, следующие:

• Взлётный вес самолёта 129 271 кг
• Вес пустого снаряжённого самолёта 72 615 кг
• Вес конструкции, в том числе: 40 024 кг
  • крыла 13 869 кг
  • фюзеляжа 18 411 кг
  • оперения 2 244 кг
  • шасси 5 200 кг
  • окраски 300 кг

Видно, что даже с учётом несиловых элементов мы находимся в пределах лимитных весов, принятых для анализа лётно-технических характеристик.

Таким образом, проведённые исследования конструктивно-силовой схемы планера и расчёт прочности самолёта Фрегат Экоджет на подробной конечно-элементной модели, включающей около 200 000 элементов, показали, что при реализации заявленных лётно-технических характеристик весовая сводка конструкции может быть реализована в пределах заданных лимитных весов.

3 753