Afstivning (luftfart) - Bracing (aeronautics)

I luftfart omfatter afstivning yderligere strukturelle elementer, der afstiver den funktionelle flyramme for at give den stivhed og styrke under belastning. Afstivning kan påføres både internt og eksternt og kan antage form af stiver , der virker i kompression eller spænding efter behov, og / eller ledninger , der kun virker i spænding.

Generelt muliggør afstivning en stærkere, lettere struktur end en afstivet, men ekstern afstivning tilføjer især træk, der bremser flyet og rejser betydeligt flere designproblemer end intern afstivning. En anden ulempe ved afstivningstråde er, at de kræver rutinekontrol og justering eller rigning , selv når de er placeret internt.

I de tidlige år af luftfart var afstivning et universelt træk ved alle former for fly, herunder monoplaner og biplaner, som dengang var lige så almindelige. I dag bruges afstivning i form af liftstænger stadig til nogle lette kommercielle designs, hvor en høj vinge og en let vægt er vigtigere end den ultimative ydeevne.

Designprincip

Afstivning fungerer ved at skabe en trekantet truss- struktur, der modstår bøjning eller vridning. Til sammenligning bøjes en ikke-afstivet udkragningsstruktur let, medmindre den bærer meget tung forstærkning. At gøre strukturen dybere gør det muligt at være meget lettere og stivere. For at reducere vægten og luftmodstanden kan strukturen gøres hul med afstivning, der forbinder hoveddelene af flyrammen. For eksempel kan en højvinget monoplan gives en diagonal løftestang, der løber fra bunden af ​​skroget til en position langt ud mod vingespidsen. Dette øger den effektive dybde af vingeroden til skrogets højde, hvilket gør det meget stivere for lille vægtforøgelse.

Typisk er enderne af afstivende stivere forbundet med de vigtigste interne strukturelle komponenter, såsom en vingebeslag eller et skott på skroget, og afstivningstråde er fastgjort tæt ved.

Afstivning kan bruges til at modstå alle de forskellige kræfter, der forekommer i en flyramme, herunder løft, vægt, træk og vridning eller vridning. En stiver er en afstivende komponent, der er stiv nok til at modstå disse kræfter, uanset om de placerer den under kompression eller spænding. En ledning er en afstivningskomponent, der kun er i stand til at modstå spænding, går slap under kompression og bruges derfor næsten altid sammen med stivere.

Afstivningsmetoder

Image
Interplane stivere og afstivende ledninger på en de Havilland Tiger Moth

En firkantet ramme lavet af solide stænger er ikke stiv, men har en tendens til at bøjes i hjørnerne. Afstivning med en ekstra diagonal bjælke ville være tung. En ledning ville være meget lettere, men ville forhindre den i at kollapse kun på en måde. For at holde den stiv er der brug for to tværstivende ledninger. Denne krydsafstivningsmetode kan ses tydeligt på tidlige biplaner, hvor vingerne og mellemplanstiverne danner et rektangel, der krydses af ledninger.

En anden måde at arrangere en stiv struktur på er at gøre tværstykkerne solide nok til at virke i kompression og derefter forbinde deres ender med en ydre diamant, der virker i spænding. Denne metode var engang almindelig på monoplaner, hvor vingen og en central cabane eller en pylon danner tværelementerne, mens wireafstivning danner den ydre diamant.

Afstivende ledninger

Mest almindeligt fundet på biplan og andre flerplanede fly, trådafstivning var også almindelig på tidlige monoplaner .

I modsætning til stivere virker afstivende ledninger altid i spænding.

Tykkelsen og profilen på en ledning påvirker træk, den forårsager, især ved højere hastigheder. Ledninger kan være lavet af flertrådet kabel, en enkelt streng af klavertråd eller aerofolie- sektioneret stål.

Afstivende ledninger opdeles primært i flyvende ledninger, der holder vingerne nede, når de flyver, og lander ledninger, der holder vingerne op, når de ikke genererer lift. (Ledningerne, der forbinder en kurv eller gondol med en ballon , kaldes også flyvende ledninger.) Tyndere indtrængningskabler køres undertiden diagonalt mellem for- og agterfladestænger for at stoppe vingerens vridning og ændre dens indfaldsvinkel til skroget. I nogle pionerfly blev kørestænger også kørt diagonalt for og bagud for at forhindre forvrængning under sidebelastninger, som f.eks. Ved drejning. Udover de grundlæggende belastninger, der pålægges ved løft og tyngdekraft, skal afstivningstråde også bære kraftige inerti-belastninger, der genereres under manøvrer, såsom den øgede belastning på landingswirerne i øjeblikket ved berøring.

Rigging

Afstivningstråde skal rigges omhyggeligt for at opretholde den korrekte længde og spænding. Under flyvning har ledningerne tendens til at strække sig under belastning, og ved landing kan nogle blive slappe. Regelmæssig riggingskontrol er påkrævet, og alle nødvendige justeringer foretages inden hver flyvning. Riggingjusteringer kan også bruges til at indstille og vedligeholde vinge- dihedral og indfaldsvinkel , normalt ved hjælp af et clinometer og lod-bob . Individuelle ledninger er udstyret med spændebånd eller gevindbeslag, så de let kan justeres. Når den er indstillet, er justeringen låst på plads.

Intern afstivning

Intern afstivning var mest markant i de tidlige dage af luftfart, da flyskrog var bogstaveligt talt rammer, i bedste fald dækket af dopet stof, der ikke havde nogen egen styrke. Trådkorsstivning blev i vid udstrækning brugt til at afstive sådanne flyskrog, både i de stofdækkede vinger og i skroget, som ofte blev efterladt.

Rutinemæssig rigning af ledningerne var nødvendig for at opretholde strukturel stivhed mod bøjning og vridning. Et særligt problem for interne ledninger er adgang til det trange indre af skroget.

Ekstern afstivning

Ofte vil tilvejebringelse af tilstrækkelig intern afstivning gøre et design for tungt, så for at gøre flyrammen både let og stærk monteres afstivningen eksternt. Dette var almindeligt i tidlige fly på grund af den begrænsede tilgængelige motoreffekt og behovet for let vægt for overhovedet at kunne flyve. Da motorkraften steg støt gennem 1920'erne og 30'erne, blev meget tungere flyskrog mulig, og de fleste designere opgav ekstern afstivning for at give mulighed for øget hastighed.

Biplaner

Image
Biplan med mellemflyvninger og kabanstænger krydset af flyvende og landende ledninger.

Næsten alle biplanfly har deres øvre og nedre plan forbundet med mellemstiver , hvor den øverste fløj løber over skroget og er forbundet til det med kortere cabane-stivere. Disse stivere opdeler vingerne i bugter, der er afstivet af diagonale ledninger. De flyvende ledninger løber opad og udad fra den nederste vinge, mens landingswirerne løber nedad og udad fra den øvre vinge. Den resulterende kombination af stivere og ledninger er en stiv bjælke lignende struktur uafhængigt af sine fuselage monteringer.

Interplane stivere

Interplane stivere holder vingerne på en biplan eller multiplane fra hinanden, hvilket også hjælper med at opretholde den korrekte indfaldsvinkel for de tilsluttede vingepaneler.

Parallelle stivere : Den mest almindelige konfiguration er, at to stivere placeres parallelt, den ene bag den anden. Disse stivere vil normalt blive afstivet af "indtrængningskabler", der løber diagonalt mellem dem. Disse ledninger modstår vridning af vingen, hvilket vil påvirke dens indfaldsvinkel til luftstrømmen.

N-stivere erstatter indfaldstrådene med en tredje stiver, der løber diagonalt fra toppen af ​​den ene stiver til bunden af ​​den anden i et par.

V-stivere konvergerer fra separate fastgørelsespunkter på øvre vinge til et enkelt punkt på undervingen. De bruges ofte til sesquiplan- vingen, hvor undervingen har et betydeligt mindre akkord end den øvre vinge.

I-stivere erstatter det sædvanlige par stivere med en enkelt, tykkere strømlinet stiver med enderne forlænget foran og bagud langs vingen.

Bugt

Image
Handley Page V / 1500 multi-bay biplan

Spændvidden for en fløj mellem to sæt mellemflyvninger eller kabanstænger kaldes en bugt . Vinger er beskrevet af antallet af bugter på hver side. For eksempel er en biplan med cabane-stivere og et sæt interplane-stivere på hver side af flyet en single-bay biplan.

For en lille type som en spejder fra første verdenskrig som Fokker D.VII er en bugt normalt nok. Men for større vinger, der bærer større nyttelast, kan der anvendes flere bugter. To-sæders Curtiss JN-4 Jenny er en to-bay biplan, mens store tunge typer ofte var multi-bay biplaner eller triplaner - de tidligste eksempler på den tyske Albatros BI , og alle produktionseksempler på DFW BI to-sæders ubevæbnede observations biplaner i 1914 var to af de meget få enkeltmotorer, tre-bugts biplaner brugt under første verdenskrig.

Nogle biplane vinger er afstivet med stivere, der læner sig sidelæns, med bugterne, der danner et zigzag Warren-bindingsværk . Eksempler inkluderer Ansaldo SVA- serien af ​​enkeltmotorer højhastigheds rekognoscering biplaner fra Første Verdenskrig og den tidlige Anden Verdenskrig-æra Fiat CR.42 Falco .

Andre variationer er også blevet brugt. Den SPAD S.XIII fighter, mens ser ud som et to bugt biplan, har kun én bugten, men har midtpunkterne af riggen afstivet med ekstra stivere, men disse er ikke strukturelt sammenhængende fra top til bund fløj. Den Sopwith 1 1 / 2   Strutter har en W form cabane, men som det ikke forbinde vingerne til hinanden, betyder det ikke føje til antallet af båse.

Interplane stivere galleri

Cabane stivere

Image
Første verdenskrig British Bristol F.2 er en af ​​de få biplaner, der nogensinde har ventrale kabanstiver.
Image
Cabane N-stivere og torsionstråde på en de Havilland Tiger Moth

Hvor et fly har en vinge, der løber fri over hovedkroppen, er de to komponenter ofte forbundet med cabane-stivere, der løber op fra toppen af ​​skroget eller besætningskabinen til vingens midtersektion. En sådan vinge er normalt også afstivet andetsteds, hvor cabane-stivere udgør en del af det samlede afstivningsskema.

Fordi cabane-stivere ofte bærer motorkraft til den øvre fløj for at overvinde dens træk, er belastningerne langs hver diagonal mellem for- og agterstiver ulige, og de dannes ofte som N-stivere. De kan også have tværbøjede torsionstråde for at hjælpe med at stoppe vingen. Et par biplan-design, som den britiske Bristol Fighter to-sæders fighter / eskorte fra 1917 , havde skroget fri for den nedre fløj såvel som den øverste ved hjælp af ventrale cabane-stivere for at opnå et sådant designfunktion.

Monoplaner

Image
Wire-afstivet monoplan med ledninger fra centrale beslag til vinger, dvs. Fokker Eindecker

Tidlige monoplaner var helt afhængige af ekstern wireafstivning, enten direkte til skroget eller til kongestænger over det, og undervognstiverne nedenunder for at modstå de samme kræfter for løft og tyngdekraft. Mange senere monoplaner, der begyndte i 1915 , har brugt udkragede vinger med deres løftestivning inden i vingen for at undgå trækstraf for eksterne ledninger og stivere ,

Cabanes

I mange tidlige wire-afstivet Monoplan , f.eks Blériot XI og Fokker Eindecker (begge fløj vridning design), dorsal og undertiden ventrale stolpeelementer systemer eller cabanes blev anbragt enten over eller over og under fuselagen. Dette kunne bruges både til at give piloten en vis beskyttelse, hvis fartøjet væltede på jorden, og også til fastgørelse af landingswirer, der løb ud i en let skråtstillet vee til for- og agterpunkter nær vingespidserne. I parasolvinge monoplaner vingen passerer over skroget og er forbundet med skroget af cabane stiver, på samme måde som den øverste fløj af en biplan.

På nogle typer er cabane erstattet af en enkelt tyk, strømlinet pylon.

Løft stivere

Image
En Cessna 152 med en enkelt løftestang, der forbinder skroget til den højt monterede fløj
Image
En konsolideret PBY Catalina med dobbelt parallel strutted parasolvinge og central pylon

På et high-flyvinge, en elevator stiver forbinder en påhængsmotor punkt på fløj med et punkt lavere på skroget til dannelse af en stiv trekantet struktur. Under flyvning fungerer stiveren i spænding for at bære vingeløft til skroget og holde vingen i niveau, mens den tilbage på jorden virker i kompression for at holde vingen op.

For fly med moderat motorkraft og hastighed repræsenterer løftestænger et kompromis mellem den høje træk ved en fuldt tværstiveret struktur og den høje vægt af en fuldt udkraget fløj. De er almindelige på højvingede typer som Cessna 152 og næsten universelle på parasolvingede typer som Consolidated PBY Catalina .

Image
En Piper Pawnee lavvinget monoplan med V-løftestang

Mindre almindeligt har nogle lavvingede monoplaner som Piper Pawnee haft liftstænger monteret over vingen, der virker i kompression under flyvning og i spænding på jorden.

Nogle gange har hver fløj kun en enkelt løftestang, som på Cessna 152, men de kommer ofte parvis, nogle gange parallelt som på Catalina, undertiden spredt eller som V-formpar (f.eks. Auster Autocrat ), der er forbundet til skroget på en enkelt punkt. Mange mere komplicerede arrangementer er blevet brugt, ofte med to primære liftstænger forstærket af hjælpeforbindelser kendt som jurystiver mellem hinanden eller til vingen eller skroget. Hvert par af de omvendte V-stivere i Pawnee assisteres for eksempel af et par lodrette støttestivere.

Fra tidlige tider er disse løftestænger blevet strømlinet , ofte ved at omslutte metalbelastningselementer i formede hylstre. Den Farman F.190 for eksempel havde sin høje vinger forbundet med den nedre skrog ved parallelle duraluminium rør indesluttet i strømlinede gran strømlinjeskærme og Westland Lysander anvendte ekstruderet I sektion bjælker af letmetal, på hvilken var skruet langskibs par duralumin fairings. Senere fly har haft strømlinede stivere dannet direkte af formet metal, ligesom de ekstruderede lette legeringsstivere fra Auster AOP.9 eller fra kompositter, for eksempel kulfiberliftstængerne i Remos GX eLITE . Designere har vedtaget forskellige metoder til forbedring af stivvingens og stivkropens aerodynamik ved hjælp af lignende tilgange til dem, der bruges i stivere mellem flyene. Nogle gange er strømlinjen tilspidset tæt på vingen, som på Farman F.190; andre designs har en udvidet, faired fod, for eksempel Skyeton K-10 Swift .

Elevatorstiver kombineres undertiden med andre funktioner, for eksempel hjælper de med at understøtte motorerne som på Westland IV eller undervognen som på den skotske luftfart Twin Pioneer .

Elevatorstænger forbliver almindelige på små (2/4-sæders) lette vingefly i kategorien ultralette og lette sportsgrene . Større eksempler inkluderer Pilatus Porter STOL- passagerfly med 10 sæder og de Havilland Twin Otter 19-sæders.

Jury stivere

Image
Kompleks jury stiver på en Fleet Canuck

En liftstiver kan være så lang og tynd, at den bøjes for let. Jurystiver er små understivere, der bruges til at afstive det.

Problemer, som jurystiver forhindrer, inkluderer resonansvibrationer og bukkning under trykbelastninger.

Jurystiver findes i mange konfigurationer. På monoplaner med en hovedstiver kan der kun være en enkelt jurystiver, der forbinder hovedstammen med et mellemliggende punkt på vingen. En afstivet monoplan med 'V' stivere som Fleet Canuck kan have en kompliceret samling af jurystiver.

Historie

Afstivning, både intern og ekstern, blev i vid udstrækning brugt i tidlige fly til at understøtte de lette flyskrog, der kræves af de lave motoreffekter og de lave flyvehastigheder, der var tilgængelige. Fra den allerførste Wright-flyer i 1903 var skroget ikke mere end en afstivet ramme, og selv diagonal afstivning foran blev brugt til at holde vingerne vinkelret på det.

Nogle meget tidlige fly brugte stivere lavet af bambus . De fleste designs benyttede strømlinede stivere lavet enten af gran eller asketræ , valgt for dets styrke og lette vægt. Metalstiver blev også brugt, og både træ og metal fortsætter i brug i dag.

Behovet for afstivning af vinger på forsiden forsvandt med fremkomsten af ​​mere kraftige motorer i 1909, men afstivning forblev afgørende for ethvert praktisk design, selv på monoplaner indtil første verdenskrig, da de blev upopulære og afstivede biplaner regerede øverst.

Fra 1911 begyndte den britiske forsker Harris Booth, der arbejdede ved National Physics Laboratory og ingeniøren Richard Fairey , dernæst arbejdede for JW Dunne 's Blair Atholl Airplane Syndicate, at udvikle og anvende ingeniøranalysen af ​​individuelle bugter i en biplan for at beregne strukturelle kræfter og brug den minimale mængde materiale i hver bugt for at opnå maksimal styrke. Analytiske teknikker som denne førte til lettere og stærkere fly og blev bredt vedtaget.

Samtidig kunne mængden af ​​afstivning gradvist reduceres. Ved lave hastigheder forårsager en tynd ledning meget lidt træk, og tidlige flyvende maskiner blev undertiden kaldt "fuglebure" på grund af antallet af ledninger til stede. Imidlertid, når hastighederne stiger, skal ledningen gøres tyndere for at undgå træk, mens de kræfter, den bærer, øges. Den stadige stigning i motorkraft tillod en lige så jævn stigning i vægt, hvilket nødvendiggør mindre afstivning. Specielle afstivningstråde med flade eller aerofolie sektioner blev også udviklet i forsøg på yderligere at reducere træk.

Image
I midten af ​​1915 var Junkers J 1 helt metal banebrydende for ikke-afskærmet cantilever-vingedesign.

Den tyske professor Hugo Junkers var alvorligt interesseret i at fjerne trækinducerende stivere og rigge omkring starten af ​​første verdenskrig, og i midten af ​​1915 havde hans firma designet Junkers J 1 -metal "teknologidemonstrator" monoplan uden besiddelse af udvendigt afstivning for dens tykke luftfods udkragede vinge design, som kunne flyve i lidt over 160 km / t med en inline-seks stempelmotor på kun 120 hestekræfter.

Ved afslutningen af ​​første verdenskrig var motoreffekter og lufthastigheder steget nok til, at trækket forårsaget af afstivende ledninger på en typisk biplan havde en væsentlig indflydelse på ydeevnen, mens den tungere, men slankere strut-afstivet parasolmonopol var ved at blive praktisk mulig. I en periode blev denne type monoplan det valgte design. Selvom det blev overgået i løbet af 1930'erne af den ægte cantilever monoplan, har den været i brug lige siden, hvor ultimativ ydeevne ikke er et problem.

Efter WWII

Braced high aspect ratio vinger blev brugt af franske Hurel-Dubois (nu en del af Safran ) med Hurel-Dubois HD.10 demonstranten i 1948 og derefter HD.31 / 32/34 passagerfly, stadig brugt af det franske Institut Geographique National indtil begyndelsen af ​​firserne. En turbojet-drevet HD.45 blev uden held foreslået at konkurrere med Sud Aviation Caravelle , måske på grund af den hurtige turbojet, der ikke stemmer overens med en langsommere flyramme.

Se også

Referencer

Bemærkninger

Bibliografi