CHƯƠNG 3 . TẢI MÁY BAY

Mục tiêu : mô tảphạm vi rộng tải có thể được tạo ra trên một máy bay như thế nào các tải sinh ra, và đưa ra một chỉ dẫn như thế nào về các cấu trúc có thể được thiết kế để đỡ các tải

GIỚI THIỆU

Một chiếc máy bay trong khi bay phải chịu phạm vi rất lớn của các lực và tải khác nhau. Mỗi một tải thỳ gây ra tác động khác nhau, nhưng chúng có thể nhóm lại thành các nhóm tương tự. Rất nhiều tải khác nhau tác động lên các bộ phận của cấu trúc, và một số xảy ra trong sự kết hợp vs, hoặc kết quả của. Nhà thiết kế cần phải xem xét tất cả các loại tải, và chứng minh được máy bay chịu đc tất cả chúng mà ko bị hỏng, do đó, điều đó an toàn khi bay. Họ phải có khả năng dự đoán những gì tải xẽ tác đông, và để thử lại độ khỏe của máy bay bằng cách kiểm tra cấu trúc.

LOẠI TẢI

Để hiểu được cách mà tải xảy ra trên một chiếc máy bay, nó là cần thiết để hiểu các loại tải có thể tồn tại. Có một số cách khác nhau, trong đó các cấu trúc có thể chịu được tải. Hình thức đơn giản nhất của tải là lực tập trung. Điều này có thể tạo ra bởi trọng lượng của một đối tượng, tức là nó là tích khối lượng và gia tốc do trong lượng , hoặc lực quán tính- khối lượng với 1 loại gia tốc khác, nguyên nhân bởi chuyển động của máy bay. Lực cũng có thể sinh ra bởi nhiều hoạt động khác – ví dụ lực đẩy từ động cơ.

Lực được đặt theo chiều dài cho chi tiết của kết cấu sẽ gây ra kéo và nén, phụ thuộc vào hướng của nó hình 3.1. Nếu lực đặt tại vuông góc vs chi tiết của cấu trúc, nó sẽ sinh ra một moment uốn, nó bằng tích giữa lực và cánh tay đòn hoặc tay đòn mà nó tác động. Một moment uốn,như là suy luận danh nghĩa, sẽ gây cho cấu trung bị uốn cong

Nếu 1 lực có cánh tay đòn của dầm như trong hình 3.3 , nó cũng sẽ gây xoắn hoặc vặn cho cấu trúc.

Trong cả hai trường hợp kéo và nén vật liệu không bị xoắn bởi chính nó nhưng nó theo 1 loại khác của tải – lực cắt. Lực cắt một dạng của tải mà cố gắng xé vật liệu, gây cho nguyên tử hoặc phân tử tạo lên vật liệu trượt lên nhau. Lưu ý rằng cắt cũng được tạo ra trong trường hợp được mô tả trên hình 3.2, bởi vì tải tác động vuông góc với dầm. Cắt hầu như chắc chắn rằng khó nhất để hình dung, nhưng tác động của kéo ( hoặc cắt) minh họa tác động rất tốt. Mỗi lưỡi cắt buộc một phần của nguyên liệu theo hướng ngược lại đến đầu kia, làm cho vật liệu bị cắt nơi mà lưỡi cắt tiếp xúc. Cắt là sụ kết hợp của hai nhân tố bằng về độ lớn và ngược hướng,

Điều này gây ra 1 điểm quan trọng đó là trạng thái cân bằng moment. Nó là trạng thái trong đó tất cả lực và moment là chính xác trong điều kiện cân bằng. Định luật 3 Newton nói rằng mỗi tác động đều có một sự tác động ngược trở lại và bằng nhau. Đối vs mỗi lực hoặc  moment tác đông lên cấu trúc, còn có một lực hoặc moment giữ cấu trúc ổn định

Như đã thấy, mỗi loại tải trọng trên một cấu trúc tác động theo một cách khác, mặc dù nhiều tải được kết hợp với những tải khác, mỗi tải gấy ra ứng suất trong vật liệu, có thể định nghĩa là cường độ cục bộ của tải, tải tác động chia cho diện tích của vật liệu trên đó. Nói các khác

Biến dạng là chuyển dịch tỉ lệ trong vật liệu do ứng suât gấy ra. Điều quan trọng nhận biết rằng không thể có kết cấu chịu ứng suất mà ko chịu biến dang vi hai cái này liên quan đến nhau. Mỗi dạng tải cần 1 dạng kết cấu khác nhau để chịu tải một cách  hiệu quả nhât . Với tải kéo thỳ giữ liệu quan trọng duy nhất là diện tích vật liệu chịu ứng suất, Trong trường hợp này mặt cắt ngang vuông  góc vs lực, trong giới hạn hợp lý, hình dạng mặt cắt ngang này không ảnh hưởng đến độ lớn của ứng suất.  Các tải nén cũng tương tự, nhưng có thể gây cho cấu trúc oằn xuống( hình 3.5) uôn đi từ đường tác động của tải trọng được tác động .Đê tránh uốn nén thỳ kết cấu cần một số vật liệu được đặt xa đường trung tâm ,dể đưng vững kết câu. ống thỳ chống lực nén uốn rất tốt,,bởi vì vật liệu đặt đồng tâm ,vật liệu tập trung tại khoảng cách như nhau đặt tại tâm,có ứng suất như nhau…

Ống cũng chịu momem xoắn rất tốt tải này làm cho thành ống bị lắc, ở đây 1 lân nữa vật liệu đăt cách tâm 1 khoảng như nhau, nhưng tải cắt tác động lên diện tích rất mỏng sẽ làm cho vật liệu bị uốn và nén, nếu ứng suất quá cao.. Tăng độ dày làm giảm ứng suất, và cùng với nó là khả năng mất ổn định, nhưng điều này có thể đặt đc mà ko cân tăng nhiu trọng lượng thừa, Chương 4 sẽ chỉ ra những dây chằng có thể sử dụng đc như thế nào để hỗ trợ chống khả năng uốn nén do lực cắt gây ra

 Tải áp trong thân máy bay sinh ra ứng suất vòng, các tải này làm cho vỏ máy bay bị dãn,, trên các cửa ra vào và cửa sổ chúng cũng tạo ra những tải uốn, như tải áp truyền qua cửa đc giữ băng các bản lề hay chốt giữ cố định, và ( nó ) đc truyên từ khung cửa số

TẢI TỪ THÂN

Trong các pha bay khác nhau và chuyển động trên sân bay. Thân máy bay sẽ chịu tải thay đổi lớn từ nguồn khác nhau. Các tải này sẽ thay đổi về độ lơn ,thường theo hướn, một trong hai hoặc cả hai đều có thể gây ra sự mỏi, sẽ đc nghiên cứu chi tiết ở Chương 5. Nhiều tải có thể xảy ra trong sự kết hợp với những tải khác, và nhà thiết kế phải đảm bảo rằng họ đã tìm thấy sự kết hợp tồi tệ nhất có thể xảy ra trong tuổi thọ của máy bay. Họ cũng phải tự thỏa mãn hoắc làm cho nhưng nhà chức trách cái thiết kế của họ cả khả năng chịu tải đó, có giự dữ an toàn hợp lý

Tải uốn

Trong chế độ bay thẳng và bằng, thân máy bay được đỡ bằng đôi cánh,, với một lực  từ đuôi là thông thường xuống dươi. Tại cánh canard máy bay, cánh này sẽ luôn tạo lực hướng lên trên.Trọng lượng của cấu trúc thân máy bay và tải trọng thương mại ( gồm hành khách, hang hóa, hành lý không gồm nhiền liệu và tổ lái ) sẽ làm thân máy bay uốn xuống dưới,nó được đỡ bởi cánh hình 3.6 thân trên máy bay bị uốn và thân dưới bị nén.

Trong chế độ điều khiển, tải tác động lên thân thường lơn hơn kiểu bay băng và bay thẳng ,phụ thuộc vào điều khiển như thế nào. Trong chế độ dươi âm đầu chúc xuông đvà trong hạ canh và ở sân bay, một số tải được đảo ngược.,cho nên kêt cấu cần đc thiết kế chịu đc các tải. Đặc biệt các tải khi hạ cánh rất đáng kể, vs tải của càng lớn tác đông gần trọng tâm thân,và tải quán tính lớn từ đâu va đuôi. Lực gây ra bởi bánh xe ở mũi cũng có thể lớn trong khi hạ cánh nặng nề

 Tải uốn tác đông lên thân máy bay sẽ cao hơn khi mà phân bố đêu từ mũi đến đuôi và khi máy bay được phép tải nặng. Trong trương hợp này,đặc biệt chú ý phải được thanh toán như thế nào của tải trọng phân bố trên thân, Đông cơ năp trên thân cũng sinh ra tải dư tác đông lên thân, lắp đông cơ lên cánh sẽ làm mất tải này nhưng sẽ trả giá bằng tải trên cánh, vì nắp đông cơ trên cánh gần càng măc dù chỗ mà độ bền rất cao, nhưng tiết kiệm về trọng lượng

Tải do áp suất 

 Máy bay chở khách và chở hàng thường tăng áp qua hầu như toàn bộ thân máy bay. Sự tăng áp này thay đổi theo độ cao, và một phần được điều khiển bởi phi hành đoàn, nhưng ngồi trong máy bay bay tai độ cao 9760m ( 32000 feet ) , hành khách sẽ  hit không khí tại một áp suất tương đương độ cao 2440m (8000 feet). Với bất kỳ nỗ lực thể chất, họ sẽ thấy nó hoàn toàn khó thở,nhưng ngồi tương đối yên vẫn không gây khó chịu nào cả, bời vì độ cao của capin thường thay đổi khá chậm, do bắt đầu tăng áp từ trước khi đat độ cao 2440m điều này làm cho họ dễ chịu hơn , vì nó ko sinh ra ù tai và buồn nôn.  

Máy bay chiến đâu ko cần tăng áp phần lớn diện tích thân máy bay. Trong thực tế, điều đó thường sẽ bất lợi, bời vì máy bay bị hư hỏng trong chiến đấu. Tăng áp bị hạn chế trong diện tích buồng lái, cộng với có thể 1 số thiết bị điện tử, nơi mà có mật độ không khí tăng có thể hộ trợ quá trinh làm mát. Độ caobuồng lái củamáy bay chiến đấusẽ cao hơn so với máy bay vận tải, có lẽ nhiều như 7620 m, cho một chiếc máy bay với độ cao tối đa là 15.200 m. Điều này tạo ra một chênh áp tối đa khoảng 26 kPa. áp suất không khí thấp tại độ cao buồng lái này sẽ không hỗ trợ cho sự sống con người, vì vậy các phi công đeo mặt nạ để cung cấp dưỡng khí

Mặc dù tăng áp được sử dụng trong khi bay, nó cũng xảy ra khi chiếc máy bay  trên mặt đất. Chiếc máy bay có thể hạ cánh với thân máy bay vẫn còn bị áp suất, và kiểm tra tăng áp dưới mặt đất cũng sẽ được thực hiện theo thời gian. Không có áp suất, nơi mà bên trong là ở áp suất thấp hơn so với không khí bên ngoài, cũng có thể được tạo ra trên mặt đất và trong khi bay, cho vi du trong hạ độ cao. Một van giới hạn xả an toàn khi không có áp suất để an toàn

Ảnh hưởng của điều áp khoang hành khách là tạo ra tải mà cố gắng để phá vỡ thân máy bay. Vỏ chính nó chịu các tải, đặt nó trong trường hợp kéo. đó cũng là một lực lượng kéo dài thân máy bay dọc theo chiều dài của nó, đó là sự chênh áp nhân với diện tích mặt cắt ngang của thân máy bay. Trong thân hình trụ, tải trọng này được tạo ra trên các vách ngăn áp suất phía trước và phía sau, và cũng trên kính chắn gió và cấu trúc liên quan của nó

Vấn đề quan trọng xảy ra dưới kính chắn gió , và trong diện tích  khác, nơi thân máy bay được yêu cầu là không trụ. Áp suất bên trong sẽ tạo ra tải uốn lớn trong khung thân máy bay, và các cấu trúc ở diện tích  này phải được củng cố để chịu được các tải. Được kết thúc phía đuôi của thân máy bay vận tải thường có hình bầu dục, nhưng nó bình để giữ cho mặt cắt ngang hình tròn hoặc gần tròn cho đến khi vách ngăn áp phía sau đạt được\

GIAM AP( mat ap)

Vì thân máy bay chiu áp suất , các nhà thiết kế phải xem xét những gì sẽ xảy ra nếu tăng áp bị mất. Điều này có thể xảy ra trên ít nhất một máy bay của một loại máy bay đặc biệt tại một số thời điểm . Đối với máy bay vận tải, nó thường được gây ra bởi sự hỏng hóc của một số phần của tăng áp buồng kín, thường gặp tại cửa sổ được gắn , bởi một sự cố va chạm chim với kính chắn gió, hành động khủng bố hoặc lỗi của hệ thống tăng áp,  chẳng hạn như trục trặc động cơ. Trong máy bay chiến đấu, nó thường thiệt hại bởi chiến đấu, va chạm với chim, phát tán hoặc trục trặc động cơ

 Những hiệu ứng sự mất áp phụ thuộc vào độ tổn thất áp suất,

Trên máy bay chiến đấu, sự  tăng áp buồng lại diễn ra nhỏ hơn, chủ yếu là do sự mất áp có thể xảy ra hơn. Những tác động này thường thỳ không ảnh hưởng quan trọng đến cấu trúc, nhưng có thể sẽ ảnh hưởng đến tổ bay. Những tác động đối với tổ bay có thể bao gồm sự thiếu hụt  oxy và giảm thân nhiệt, mặc dù được cung cấp bằng các mặt nạ dưỡng khí và quần áo phi công để bảo hộ. Áp suất bên ngoài, thập chí bên ngoài toàn oxy cũng là quá thấp để duy trì tối đa ý thức trong vài giây, trừ khi oxy được cung cấp khi có áp suất.

Hiệu ứng của thiết bị ngắt mạch

Cửa ra vào, cửa sổ , cửa nắp vỏ là vấn đề quan trọng trong thiết kế máy bay, bởi vì chúng làm gián đoạn các kết cấu chịu tải của thân máy bay. Cửa sổ nhỏ không tạo ra vấn đề nghiêm trọng, và cấu trúc xung quanh chúng được củng cố, với các cửa sổ bản thân chúng không được coi là để hỗ trợ bất kỳ tải nào của thân. Cửara vào có thể hoặc không thể chịu một số tải trong cấu trúc thân máy bay, tùy thuộc vào thiết kế của họ. Với cửa cho hành khách, nó là cần thiết để có thể mở chúng một cách nhanh chóng và dễ dàng, và điều này hạn chế tải trọng được phép tác động nên vì họ không phải  kẹt khi đóng lại trong một sự cố. Kết cấu xung quanh cửa được thiết kế để chịu tải kéo và cắt xung quanh các lỗ cửa, và dĩ nhiên để nhận tải, chủ yếu là tải do áp suất tại chính cửa sổ, nhìu loại cửa được thiết kế để mở từ bên trong, do đó tải do áp suất làm ra giúp cửa đóng chặt hơn, và sự hỏng hóc của cơ cấu then trở lên less likely and less critical. Cửa khoang hàng lớn có cấu trúc bình thường, chúng chịu một phần tải từ thân, các cấu trúc bởi vậy sẽ chịu tải giảm đi. Tuy nhiên những kết cấu trong khu vực cửa vẫn sẽ được yêu cầu hoặc ưng suất sẽ cao hơn vùng lân cận mà không bị lược bỏ. Với cửa khoang hàng sử dụng bản lề ở phía trên, lực kéo vào cạnh được truyền qua bản lề, qua cạnh cửa đi qua then tác động vào phía đáy cửa,

 Tải phát sinh ra từ cửa lớn có thể trở lên nghiêm trọng khi máy bay trên mặt đất, khi cánh cửa được mở ra. Trong trường hợp này, các tải khí động xuất hiện bởi gió trên những bề mặt lớn của cửa tạo ra lực lớn trong bản lề và các thanh giằng bên ngoài cửa

TẢI ĐẨY

Với cả hai động cơ lắp ở thân và cánh, lực đẩy tạo ra theo phương dọc máy bay để thắng lực cản của thân. Phần lớn các động cơ được lắp với hệ thông thổi ngược để phanh vì vậy hướng của tải có thể được đảo chiều. Tải được truyền vào kết cấu thông qua động cơ đươc gắn . Nếu một động cơ hỏng,  lực đẩy của nó sẽ không còn, và lực đẩy từ động cơ bên đối diện sẽ cố gắng làm cho máy bay xoay. Điều này sẽ cần lực từ bành lái hướng lớn để giữ cho máy bay bay bằng, tải tăng nhiều nhất trên thân máy bay. Nếu động cơ bị vỡ của máy nén hay tua bin sẽ bị dừng lại đột ngột và thậm chí co thể rơi tự do khỏi bộ phận  tai treo, Đối với động cơ bên ngoài hệ thống tai treo có thể thiết kế thận trọng( sử dụng các chốt cắt để hạn chế các lực đẩy này, cho phép các động cơ rơi tự do chứ không phải là nguyên nhân gây ra thiệt hại nghiêm trọng đến cấu trúc thân ( hay cánh ) máy bay nếu tải rất lớn gây lên

Tải hành hóa trên sàn

Sàn của thân máy bay tác động như cái dầm, mang trọng lượng và tải quán tính của hành khách, chỗ ngồi, các khoang, hành hóa, vv…phụ thuộc vào từng loại máy bay và cách sử dụng nó. Trong máy bay chở khách, mặc dù tổng trọng lượng đang được mang theo bởi sàn có thể không đặc biệt lớn nhưng mà tải cục bộ có thể xảy ra, đặc biệt là do “ giày gót nhỏ “ . Khoang hành lý của phần lơn máy bay có một sàn thẳng để chứa hàng hóa , sao cho hàng hóa không nằm trực tiếp trên vỏ máy bay. Một lần nữa, sàn này có thể chịu tải cục bộ lớn khi những vật nặng cùng chất lên máy bay , vì những vật này cho phép rơi vào một góc. Vì vậy sàn máy bay không những khẻo và đủ vững để chịu tổng các tải, mà phải cần có bề mặt khỏe để chiu ứng suất cục bộ lớn . Sàn máy bay thường có kết cấu tổng hợp và ở khoang hành lý gồm hợp lim nhôm hoặc là tấm kết hợp của gỗ basal giữa sợi thủy tinh và vỏ hợp kim có thể sử dụng , để cung cấp khả năng chống hỏng tốt do va chậm

Cánh tạo ra lực nâng bằng cách tạo ra sự chênh áp giữa đỉnh cánh và đáy cánh sự khác biệt trong áp suất, khi nhân với diện tích trên mà nó hoạt động, tạo ra lực nâng cho phép máy bay bay, tải do lực nâng phân bố để tạo ra lực cắt và moment uốn, cả hai có giá trị lớn nhất khi cánh và thân  gắn vào nhau. Trong khi điều khiển, thỳ lực nâng có thể lớn hơn nhiều khi bằng , và vì vậy tải sẽ lớn hơn . Kết cấu tại điểm giao giữa thân và cánh phải khỏe để chống lại tải và moment nhưng cũng khá cứng để làm giảm uốn cánh. Cánh sẽ khá dày tải điểm này để cung cấp vững tối đa với trọng lượng tối thiểu

Sự phân bố của tải cũng ảnh hưởng đến độ lớn của moment uốn,và vì vậy  yêu cầu độ dày tại mỗi điểm trên xà dọc cánh. Vóc dáng của thân làm giảm lực nâng do cánh tạo ra trên diện tích kề sát đến nó, và một số áp suất gần đỉnh cánh tràn từ bề mặt thấp hơn lên trên đỉnh ,vì vậy sự phân bố tổng thể tương tự được mô tả trên hình 3.9. Khi cánh liệng hoăc cánh tà sau chuyển động , áp suất trên diện tích xung quanh thay đổi,và tải tăng cục bộ. Điều này làm thay đổi hình dạng sự phân bố lực nâng như hình 3,10

Nơi động cơ được gắn gần trên cánh, trọng lượng nó rõ ràng sẽ phải chịu các cấu trúc cánh, cùng với tải quán tính xuất hiện khi  máy bay được điều khiển. Các lực đẩy từ động cơ cũng tác động lên cánh,  Với những động cơ nối với cánh bằng chốt hãm, lực đâỷ sẽ ở dưới cánh và có xu hướng làm cho cánh bi vặn, sự vặn cánh có thể sử dụng làm cân bằng hiệu ứng khí động của cánh mà tạo ra moment gây chúc góc . Một lợi thế của động cơ gắn trên cánh là trọng lượng của chúng được bố trí lần lượt với diện tích mà ở đó lực nâng ở đó được tạo ra. Điều này làm cho tổng trọng lượng của thân giảm, giảm lực cắt moment uốn tác động lên chỗ cánh gắn vào thân ( lên nhớ khi bay cánh thường hỗ trợ cho thân ) Vì vậy lắp động cơ dưới cánh cung cấp tải làm giảm lực uốn

Lực tác động dưới đuôi

Giống như cánh, dưới đuôi ngang và đuôi đứng máy bay cũng sinh ra lực nâng nhưng nó cần phải thay đổi độ lớn và chiều để tạo ra những khả năng điều khiển cần thiết để lái máy bay chúc ngóc hay đổi hướng, Khí cánh lái hướng di chuyển, nó tạo ra lực để thay đổi mũi của máy bay sang trái hay phải . Lực này thường tác động ở phia trên tâm của thân, nó cũng cố gắng làm thân bị xoắn. Gió mạnh đập vào đuôi đứng có tác dụng tương tự. Tải xoắn cũng được tạo ra trong khi điều khiển quay máy bay, bởi vì hiêu ứng quán tính và khí động của cánh, đuối đứng, đuôi ngang. Nhiều thân có dạng hình trụ và có thể chịu được xoắn rất hiệu quả

Tải càng

            Càng máy bay tạo một số tải khác nhau, và tất cả những điều này phải được thực hiện bởi kết cấu trên đó mà càng được gắn. Khi mà hạ cánh tải lớn đôi khi lớn hơn một vài lần trọng lượng máy bay, tạo ra như là càng chính hấp thụ động năng của máy bay. Tại lúc tiếp đất, bánh tăng tốc nhanh chóng từ 0 đến bằng tốc độ mặt đât, tạo ra tải cũng xuất hiện nếu như máy bay bị trượt ngang do gió tạo ra, bánh mũi cũng có thể chịu dao động rất lớn , trong quá trình hạ cánh và trên đường băng . Trong khi trên đường băng , tải này nhỏ hơn nhưng mà thay đổi khá lớn như càng hấp thụ những va chạm từ mặt đất không bằng phẳng. Trong khi bay khi mà càng được thu lại chúng vẫn có trọng lượng và quán tính , tạo ra tải trên gối đỡ.

Mỏi

trong mọi trường hợp tải nơi chiều của tải có thể thay đổi hoặc thay đổi độ lớn của tải trọng có thể xảy ra, mỏi cần được xem xét . Tải có thể xảy ra trong sự kết hợp trên hầu hết các phần của thân máy bay , và khả năng xảy ra của mỏi phụ thuộc vào cả các ứng suất và số lượng ứng suất thay đổi mà một phần phải chịu, Mỏi sẽ được mô tả chi tiết ở chương 5