Onde está a quilha do avião? Quilha do avião: design

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

Mesmo uma pessoa que nunca viu o mar provavelmente conhece a palavra de despedida: "Sete pés abaixo da quilha". E não há perguntas aqui. A quilha de um navio é a parte estrutural mais importante na qual muitas partes de seu casco estão presas. Mas alguém sabe onde fica a quilha da aeronave e para que serve?

O que é isso?

Este é o "órgão" da estabilidade, que permite manter a aeronave em um determinado curso. Ao contrário dos navios, a quilha de uma aeronave é parte integrante da barbatana caudal vertical. Na parte inferior da fuselagem, não há quilha para aeronaves! Mas há uma sutileza. O fato é que esta parte está intimamente ligada aos elementos de potência da fuselagem e, portanto, ainda há algo em comum nos termos marítimo e aéreo. Então, onde está a quilha do avião? Simplificando, esta é a parte vertical da cauda.

É colocado imóvel, fixado em três pontos, simétricos à linha central da aeronave. Na aparência, esse detalhe tem a forma de um trapézio ideal. Como regra, a quilha de uma aeronave consiste em longarinas, costelas e pele. Este esquema é clássico, pouco alteradodesde o aparecimento da primeira aeronave. A longarina frontal é colocada obliquamente (como regra).

Layouts

Na maioria das vezes, a quilha é simples, mas em alguns casos é dupla e até tripla (em bombardeiros a hélice). Neste último caso, isso é necessário para garantir alta estabilidade direcional da máquina pesada. A propósito, todas as aeronaves são divididas em três tipos de acordo com a localização da quilha:

• Construído em um padrão normal. Tal, por exemplo, é a quilha da aeronave A321.
• "Patos", ou seja, aeronave em que a cauda horizontal da quilha está localizada na frente das asas.
• "Sem cauda". Da quilha, resta apenas a cauda vertical, os ailerons horizontais estão completamente ausentes.

Claro que as duas últimas variedades são mais características da "comunidade" de aeronaves militares, uma vez que tal colocação da quilha é necessária para dar à aeronave uma manobrabilidade particularmente alta.

Em alguns casos, projetos ainda mais complexos são usados. Por exemplo, cristas sob a quilha (também são quilhas ventrais). Eles são usados em algumas aeronaves supersônicas onde é vital manter a estabilidade perfeita durante o vôo. Assim, sob a quilha da aeronave (é aqui que já descobrimos), há um influxo adicional e maciço. Uma situação mais comum é quando a plumagem horizontal da cauda geralmente tem que ser transferida para o topo da quilha. Isso acontece se os motores estiverem instalados na parte traseira da aeronave. Tal diagrama pode ser visto, por exemplo, emaeronave doméstica de passageiros de carga "Il".

Para que serve?

Como você sabe, o clima calmo é uma raridade incrível que acontece apenas algumas vezes por ano. Na maioria dos casos, há vento, e sua força e direção podem variar drasticamente. Quando uma aeronave está voando, rajadas de vento podem afetar muito a direção e o curso. A aeronave deve ser projetada para retornar a uma posição estável por conta própria. Somente neste caso é possível um voo seguro.

Propósito principal

A regra principal para projetar uma quilha é colocá-la de tal forma que ela não caia, sob nenhuma circunstância, na esteira da asa. Caso contrário, é possível uma violação acentuada da estabilidade direcional e, nas situações mais graves, deformação física e destruição de toda a unidade de cauda. Assim, o principal objetivo da quilha é manter a estabilidade direcional.

O design de muitas aeronaves é tal que esta parte é móvel. Ao ajustar a deflexão da quilha, a tripulação controla a direção do curso. A exceção são as aeronaves militares, nas quais motores com vetor de empuxo controlado são responsáveis por mudar a direção do voo. No caso deles, fazer uma quilha móvel da aeronave (há uma foto dela no artigo) é burrice, pois as sobrecargas durante as manobras são tais que ela simplesmente desmorona.

Que tipo de estabilidade a quilha oferece?

Existem três tipos de estabilidade, para os quais a quilha está incluída no projeto da aeronave:

• Faixa.
• Longitudinal.
• Transversal.

Vamos lidar com todas essas variedades com mais detalhes. Então, estabilidade direcional. Deve-se lembrar que em caso de perda da estabilidade longitudinal da fuselagem em voo, a aeronave ainda continuará voando para frente por algum tempo devido à força inercial. Depois disso, o fluxo de ar começa a correr para a parte traseira da aeronave, que fica atrás do centro de gravidade. A quilha neste caso evita a ocorrência de uma força de rotação que força a aeronave a girar em torno de seu eixo.

Estabilidade longitudinal. Suponha que a aeronave esteja voando em modo normal, o centro de gravidade coincide com o centro de aplicação de pressão em sua fuselagem. Nesse momento, forças multidirecionais também atuam em sua fuselagem, que tendem a desdobrar o corpo da aeronave. Elevação e gravidade atuam simultaneamente. A quilha da aeronave (você verá uma foto desta parte no artigo) fornece equilíbrio, que neste caso específico é muito instável. Voo normal sem cauda, quilha e estabilizadores é impossível.

Outra sustentabilidade

Estabilidade ao cisalhamento. Em geral, esse fator é uma continuação lógica da propriedade anterior. Quando forças multidirecionais atuam na asa e nos estabilizadores laterais da quilha, elas “tentam” derrubar a aeronave. A forma das asas contraria isso: se você olhar para elas à distância, elas se assemelham à letra “U” com “chifres” superiores fortemente separados. Este formulário fornece autocorreção da posiçãoaeronave no espaço. A quilha ajuda a manter a estabilidade lateral.

Observe que aeronaves de asa enflechada não precisam tanto de quilha… em altas velocidades. Se cair, então o crescimento das forças de oposição ocorre exponencialmente. Portanto, para essas máquinas, a quilha mais durável e leve é muito importante, que pode resistir a cargas tão altas. E como você pode obtê-lo? Vamos falar sobre isso.

Recursos de criação de aeronaves modernas

Atualmente, os especialistas da Rosaviation e seus colegas estrangeiros estão se concentrando na criação de peças de aeronaves (incluindo a quilha) a partir de peças grandes feitas com os mais recentes materiais compostos.

A proporção desses compostos no projeto de aeronaves modernas está crescendo constantemente. Segundo informações de especialistas, sua fração de volume já atinge de 25% a 50%, e pequenas aeronaves não comerciais podem até ser compostas por plástico e compósitos em 75%. Por que essa abordagem é tão difundida na aviação? O fato é que a mesma quilha de uma aeronave Boeing, feita de "ligas" de polímero, tem um peso muito baixo, uma resistência muito alta e um recurso que é simplesmente irreal para conseguir usando materiais padrão.

Materiais Principais

O uso mais justificado de compósitos no projeto não apenas da cauda, mas também das asas e dos elementos de potência da fuselagem, que devem ser não apenas muito fortes, mas também suficientementeflexível. Caso contrário, a probabilidade de destruição da estrutura sob a ação de cargas de voo não pode ser descartada.

Mas nem sempre foi assim. Assim, o orgulho da indústria aeronáutica soviética, a aeronave Tu-160, também conhecida como White Swan ou Blackjack, tem uma quilha feita de… ligas de titânio. Um material tão específico e extremamente caro foi escolhido devido às enormes tensões impostas ao projeto desta máquina, que até hoje mantém o título de bombardeiro mais pesado em serviço. Mas ainda assim, uma abordagem tão radical para criar uma quilha é rara e, portanto, hoje os designers precisam lidar com materiais compostos mais simples com muito mais frequência.

Quais desafios você enfrenta ao criar uma quilha composta?

Durante o processo de desenvolvimento, designers domésticos tiveram que resolver uma série de tarefas complexas:

• Elaborou-se a criação de grandes partes da quilha e outros equipamentos de fibra de carbono pelo método de infusão.
• Também tive que repensar e reequipar quase completamente as principais etapas de produção, que não foram projetadas para o uso de materiais compósitos.

Outros recursos

O software mais recente (FiberSim) foi introduzido no processo de produção, o que permite alcançar o mais alto grau de automação. Além disso, agora a quilha da aeronave, cujo projeto é descrito no artigo, pode ser feita usando tecnologias onde praticamente não há desenhos. A produção desta peça com esta abordagem é a seguintemaneira:

• Projetando ou escolhendo um modelo finalizado. Hoje, a quilha é (principalmente) projetada em modo totalmente automático, sem a participação de desenvolvedores "humanos".
• Corte de materiais usados, também em modo automático.
• No modo automático, são dispostas as matérias-primas utilizadas para criar a quilha e suas partes estruturais.
• A colocação de camadas é realizada por mecanismos robóticos controlados por um programa de computador.

Além disso, a abordagem moderna para a produção de quilhas sugere o seguinte:

• Construindo continuamente protótipos que são testados nas condições mais difíceis.
• Estão sendo desenvolvidas tecnologias de testes não destrutivos que permitem o monitoramento contínuo do estado da quilha de uma aeronave.

Métodos avançados para criar a unidade de cauda da aeronave MS-21

Em um passado não tão distante, a indústria da aviação ficou literalmente chocada com o anúncio de desenvolvedores nacionais de que estão desenvolvendo uma aeronave completamente nova, o MS-21. O inusitado é que, há quase três décadas, este é o primeiro carro doméstico para voos dentro do país. Durante sua fabricação, muitas das tecnologias mais recentes foram testadas, o que afetou amplamente as características inovadoras da quilha e todo o conjunto da cauda.

Desenvolvendo e produzindo o caixão da quilha da aeronave MS-21, especialistas nacionais conseguiram o seguinte:

• Automação total do corte de todas as peças e matérias-primas utilizadas na produção. Com isso, foi possível obter uma redução de pelo menos 50% no custo total de toda a cauda e principalmente da quilha.
• O software ProDirector é utilizado na produção da unidade de cauda, o que permite obter uma precisão perfeita no processamento das peças. Isso torna possível criar não apenas quilhas fortes, mas também extremamente leves.
• Além disso, a quilha de uma aeronave moderna é criada usando técnicas de dupla curvatura. Graças a eles, é possível obter espessuras multidirecionais nas áreas onde é necessário reforço estrutural adicional (sob a quilha da aeronave).
• Mesmo grandes partes da quilha hoje podem ser "fritas" em autoclaves especiais. O resultado são componentes extremamente fortes e rígidos que podem suportar cargas de qualquer grau.
• O controle da geometria das peças também é controlado por sistemas computadorizados complexos.

Outros recursos

Devido ao uso de novas tecnologias e técnicas, a intensidade de trabalho de criação da unidade de cauda e quilha foi reduzida em 50-70%. Hoje, mais de quatro mil peças da unidade de quilha e cauda passaram nos testes estaduais.

A principal conquista é o desenvolvimento de uma tecnologia confiável e simples para a produção de peças de caixa de quilha de 7,6 x 2,5 m, que atualmente já começaram a ser entregues na Fábrica de Aviação de Irkutsk. Eles são feitos de materiais compostos modernos, e as características desse processo já atraíram o interesse dos principais fabricantes estrangeiros de equipamentos de aviação.

Questões Modernas

Por que passamos tanto tempo discutindo formas modernas de projetar e construir uma quilha? O fato é que, desde os anos 60 do século passado, ficou completamente claro que um aumento adicional no desempenho de velocidade das aeronaves só é possível se sua resistência for aumentada e tipos completamente novos de materiais poliméricos forem introduzidos na produção. O problema com as aeronaves das últimas gerações é que seu design (e a quilha em particular) é altamente suscetível à "fadiga". Devido a isso, por volta da década de 70 do século passado, vários métodos para monitorar a condição da asa e cauda foram desenvolvidos.

As exigências de produção também são altas. Cada lote de peças é submetido às mais severas sobrecargas em suportes vibratórios, testados por temperatura e pressão. E isso não é surpreendente, já que a menor rachadura é posteriormente repleta de morte de centenas de passageiros.

Então você descobriu onde fica a quilha do avião e para que serve!