Свободная (произвольная) компоновка
Как отмечалось выше, компоновочные методики ДПС «линейного» типа, обладая такими достоинствами, как простота и быстродействие, не могут все же использоваться при компоновке самолетов другого назначения, а тем более самолетов нетрадиционных схем. Для их компоновки применяется другая - «свободная» (произвольная) методика, разработанная на основании анализа действий конструктора и включающая следующие этапы решения этой задачи :
1. Формирование с учетом законов аэродинамики оптимальной внешней конфигурации ЛА для наиболее типичного режима полета (выполняется на этапе синтеза схемы ЛА и его аэродинамической компоновки). Определение в первом приближении размерности ЛА, исходя из ранее полученных значений взлетной массы самолета, стартовой нагрузки на крыло и тяговооруженности, а так же с учетом средней плотности компоновки самолетов рассматриваемого типа. Расчет абсолютных параметров и размещение несущих и стабилизирующих поверхностей (НСП). Напомним, что относительные параметры НСП ( 
) могут в курсовой работе определяться по статистическим данным. Таким образом, исходным для этапа объемно-весовой компоновки является выполненный в масштабе чертеж внешней конфигурации (оболочки) самолета в двух проекциях (боковой и плановой) с наиболее характерными поперечными сечениями (рис. 3.3).
2. Резервирование в поперечных сечениях, а также на боковой и плановой проекциях компоновочного чертежа площадей под конструкцию планера и проводки (управление, топливопроводы, электрожгуты и т.п.). Это нетрудно сделать, имея статистические данные по ранее построенным машинам. Обычно резервируется 7-10% площади поперечного сечения (рис. 3.9а).
3. Размещение функциональных элементов на боковой проекции самолета по оси Х (формирование “болванки”). Все эксплуатационные ограничения при этом должны учитываться. Поскольку этот этап компоновки является наиболее ответственным и представляет наибольший интерес, остановимся на его рассмотрении подробнее:
Рис. 3.9. Последовательность операций при свободном
(произвольном) методе компоновки
3.1. Вначале производится размещение элементов с передними или задними “открытыми зонами” (т.е. таких, для нормального функционирования которых необходимы определенные «зоны обзора» вперед или назад - большие антенны РЛС, кабина экипажа, кормовая пушечная установка, тормозной парашют и т.п.). Элементы поочередно вносятся на компоновочное поле в зоне миделя конфигурации, после чего начинают перемещаться к концам тела (переднему или заднему - в зависимости от типа элемента) до тех пор, пока площадь их поперечного сечения не сравняется с площадью, оставшейся в сечении свободной (т.е. до тех пор, пока они не “уткнутся” в конструкцию планера), после чего их положение фиксируется (рис. 3.9б). Эту операцию, как и две последующие, можно выполнять либо «вручную», методом наложения кальки с изображением элемента на кальку с очертанием фюзеляжа, либо на компьютере с помощью стандартных графических систем, перемещая модель компонуемого объекта внутри ранее полученной аэродинамической конфигурации. Необходимые габариты функциональных элементов, таких как большие антенны РЛС, кабины экипажа, контейнеры тормозного парашюта и т.п. могут быть взяты по данным самолетов-прототипов или из специальной литературы. Примеры скомпонованных кабин пилотов пассажирского самолета и самолета-истребителя приведены на рис. 3.10 – 3.12.
3.2. На следующем этапе компоновки происходит размещение элементов, чья относительная дистанция связана с центром масс ЛА (сбрасываемого груза, шасси и т.п.). Элемент вносится в конфигурацию в месте его предпочтительного размещения, заданного в долях САХ относительно ее начала. Далее проверяем, возможно ли размещение элемента в данном месте по габаритным соображениям. Если - “да” - положение элемента фиксируется, если - “нет” - происходит поиск места размещения в некоторой допустимой окрестности дистанции предпочтительного размещения. Если и в этом случае элемент не разместится - придется увеличивать мидель исходной размерности ЛА и проводить повторную компоновку (рис. 3.9в). Данные по габаритам и массам авиационных колес приведены в [1], а характеристики сбрасываемых грузов в специальных каталогах.
Рис. 3.10. Компоновка кабины экипажа ДПС
3.3. Далее происходит размещение так называемых “свободных” элементов, т.е. элементов, расположение которых по длине ЛА может быть произвольным (крупные блоки ЭРО, ВСУ, аэрофотоаппаратура и т.п.). В зависимости от сложившейся центровки ЛА (а текущую центровку желательно постоянно контролировать в процессе компоновки с помощью центровочного расчета) элемент вносится в задний или передний конец фюзеляжа (если центровка слишком задняя по сравнению с заданной, элемент вносится вперед и наоборот) и предпринимаются попытки разместить его там. Если это не удается, элемент постепенно оттесняется к противоположному концу фюзеляжа до тех пор, пока не будет найдено место, на котором он мог бы разместиться.
Рис. 3.11. Компоновка кабины пилота современного самолета-истребителя
Рис.3.12. Основные размеры кабины пилота самолета-истребителя (см. таблицу 3.4)
Таблица 3.4
| Размеры, мм | Характеристика размеров |
| А=950…975 | Длина аварийного выхода с человеком |
| Б=375…400 | Расстояние между ручкой управления «на себя» и мягкой спинкой кресла при средней регулировки чашки |
| В=185…200 | Располагаемый размер конструкции кресла по перпендикуляру к наклонной раме кабины |
| Г=800… | Длина аварийного выхода из кабины без кресла |
| Д=850…950 | Длина кабины относительно средней части спинки(расстояние между спинкой и приборной доской) |
| Е=750 | Расстояние от заголовника до щитка оборудования |
| Ж=210 | Расстояние от линии визирования до обвода фонаря |
| З=И + К | Высота кабины от пола до обвода фонаря |
| И=1020…1120 | Расстояние от верхней точки экрана фонаря до заднего края жесткого элемента плоскости сидения |
| К=100…200 | Расстояние от линии пола до заднего края сидения при нижнем положении ашки |
| Л=180 | Регулировка кресла по высоте |
| М=750 | Ширина кабины при сброшенном фонаре на уровне плеч члена экипажа |
| Н=700 | Рабочая ширина кабины в области плеч члена экипажа |
| О=900 | Ширина кабины в месте локтей члена экипажа |
| П=600 | Расстояние между вертикальными пультами на уровне голеней члена экипажа |
| Р=880 | Расстояние от заднего края сидения в верхнем положении до подпедальной площадки |
| Угол 16…18° | Установочный угол кресла |
| Угол 5…10° | Наклон плоскости сидения (НАЗа) |
3.4. Завершается компоновка фюзеляжа размещением заполняющих элементов (мелкого оборудования “россыпью” и топлива). Оборудование, как элемент, имеющий меньший удельный вес, размещается от конца фюзеляжа к его середине. Перед размещением суммарный объем оборудования разбивается на части и каждая часть размещается до полного заполнения пустующего объема шпации (пространства между шпангоутами) так, чтобы привести центровку пустого ЛА к заданному значению относительно начала САХ. Аналогично размещается топливо, но уже от центра фюзеляжа к его концам. Таким образом, в процессе компоновки осуществляется совмещение центровок пустого ЛА и ЛА с топливом. Напомним, что отсек сбрасываемых грузов уже размещен возможно ближе к заранее заданному положению центра тяжести ЛА. (рис. 3.9г).
4. После того, как все элементы размешены и выявлены объемы, оставшиеся внутри ЛА незаполненными (см. рис. 3.9г), производится повторное формирование компоновки, но уже в меньшем объеме. Эта операция может также выполняться как «вручную» так и с помощью программы автоматизированной компоновки. При этом процедура итерационного уменьшения размерности конфигурации построена таким образом, что изменение объема ЛА идет со все уменьшающимся шагом. Габариты и вес элементов, зависящих от размерности ЛА (Sкр, Gпланера, G и Uшасси, и т.п.), при этом корректируются специальной процедурой. Подробнее этот процесс описан в работе [8].
Окончательный расчет центровки производится на основании центровочной схемы самолета (рис. 13) с использованием центровочной ведомости (табл. 3.5).