Как устроен самолет: от истребителя до авиалайнера

Внешне самолёт напоминает большую птицу. У каждого самолёта есть крылья, корпус и хвост. Конструктивные особенности летательных аппаратов, применяемых в авиационной сфере сегодня, обеспечивают оптимальные условия для стабильных и безопасных полетов на высокой скорости.

Рис. 1. Части самолёта

Крылья удерживают самолёт в воздухе. Корпус, или фюзеляж - это тело самолёта. В нём располагаются кабина для лётчиков, салон для пассажиров, багажное отделение. У каждого самолёта есть двигатели. Они создают силу, которая отрывает самолёт от земли и движет его в небе.

У самолёта есть несколько пар небольших колёс - шасси. Шасси нужны на земле, чтобы разогнаться при взлёте или приземлиться. Во время полёта шасси убираются внутрь корпуса.

Рис. 2. Шасси

Пилоты и пассажиры поднимаются в салон самолёта по трапу.

Рис. 3. Трап

Общее представление о силовой установке

Силовая установка - обобщающее понятие, используемое для обозначения сложных устройств, благодаря которым летательные аппараты могут не только подниматься в воздух, но и преодолевать огромные расстояния с минимальными временными затратами. У планеров, летающих только за счет аэродинамической подъемной силы, подобные системы изначально не предусмотрены, тогда как для условных авиалайнеров их наличие является необходимым фактором.

Если говорить о том, как делают двигатели, какая мощность, сила тяги, предельная высота и масса будут у самолета - нельзя не отметить, что стоимость разработки и изготовления может составлять до половины от общей цены создания очередного лайнера. В том числе ввиду того что на сегодняшний день технологии и компетенции в области гражданского двигателестроения имеются у относительно небольшого числа стран.

Конструктивные особенности двигателей

Конфигурация силовых установок, в которых внутренняя температура во время эксплуатации может превышать пороговые значения в две тысячи градусов Цельсия, отличается особой сложностью. В первую очередь из-за необходимости использования при создании деталей материалов, устойчивых к возгоранию и экстремальному термическому воздействию. Вопросам, связанным с изготовлением турбореактивных моделей, посвящена отдельная научная область.

Конструкция ТРД предусматривает наличие нескольких элементов, каждый из которых выполняет заданный функционал. Для полноценного функционирования системы нужны вентилятор, компрессор, камера сгорания, турбина и сопло. Вращающиеся многолопастные модули особой формы втягивают воздушные потоки с максимально возможной скоростью и эффективностью, выдерживая повышенные нагрузки, благодаря выбору титана в качестве основного материала.

Задача вентиляционного элемента - не только обеспечивать подачу, но и прокачивать воздух между деталями и оболочкой, создавая эффект охлаждения и препятствуя разрушительному воздействию экстремальных температур от сгорающего топлива. Рядом с вентилятором расположен высокомощный компрессор, благодаря которому возникает возможность перенаправить массу, находящуюся под давлением, внутрь камеры сгорания. Результатом становится образование обогащенной смеси, при поджигании нагревающей все вокруг до 1500-2000 градусов. В данном случае достаточным сопротивлением к термическому воздействию обладает керамика, чаще всего выступающая материалом изготовления основного преобразующего модуля.

Дальнейшее направление работы двигателя самолета - турбина. Специальное устройство, конфигурация которого предусматривает использование многочисленных элементов в виде лопатки, принимает на себя давление, нагнетаемое потоком, за счет чего возникает вращение вала с установленным вентилятором. Фактически речь идет о замкнутой системе, где для полноценного функционирования достаточно только воздуха и топлива.

Завершающей фазой первого цикла становится поступление смеси в сопло, где формируется реактивная струя: разрушению корпуса и плавлению манжеты препятствует параллельное нагнетание холодной воздушной массы. Оптимальным вариантом считается подвижная модификация, способная не только расширять и сжимать выходное отверстие, но и корректировать угол, задавая таким образом нужное направление и повышая общие характеристики маневренности.

Базовые принципы работы двигателя

Движение обеспечивается за счет формируемой силовой установкой турбореактивной тяги, мощность которой позволяет легко поднять и разогнать до нужной скорости массивное строение. Отдача струи газа, вылетающей из сопла, фактически толкает летательный аппарат в нужном направлении, используя воздух в качестве основания. Для большинства систем, используемых в современной авиации, характерно наличие компьютерного модуля Full Authority Digital Engine Control System, сокращенно - FADEC.

Функциональной задачей устройства выступает анализ ключевых параметров, характеризующих рабочее состояние, условия внешней среды и поступающие от органов управления сигналы, а также контроль за приводами, так или иначе, способными оказать влияние на силовую установку. Цифровой блок охватывает буквально все аспекты работы, полностью отвечая за эксплуатационные циклы - схема не предусматривает интеграции резервного контура или дополнительных тяг для регулировки газа.

Помимо входящей информации, относящейся к управленческому процессу, система также:

• Анализирует данные о воздушной скорости, давлении и температуре.
• Контролирует показатели датчиков обжатия шасси для оценки возможности задействования реверса.
• Вносит корректировки исходя из объема поступающего воздуха, и выполняет иные задачи.

Какие двигатели ставят на современные самолеты

Существует несколько вариантов, различающихся между собой конструктивными и эксплуатационными особенностями.

Классические

Работают в соответствии с вышеописанным принципом. Подходят для использования на судах разных модификаций и активно применяются в гражданской авиации.

Турбовинтовые

Выполняют основную функцию немного иначе. Конструкция не предполагает механической связи газовой турбины и трансмиссии, поэтому движение летательного аппарата обеспечивается реактивной тягой лишь отчасти. Основной объем энергии, вырабатываемой в результате горения топливной смеси, силовая установка направляет через редуктор на привод винта, что делает конфигурацию более экономичной, но ограничивает верхний потенциал скоростных характеристик.

Турбовентиляторные

Говоря о том, на каких типах двигателей летают самолеты, нельзя не упомянуть и о комбинированных системах, объединяющих в себе отдельные элементы турбореактивных и турбовинтовых устройств. Отличительная особенность - увеличенные габариты лопастей вентилятора, который, как и винтовая часть, работает на дозвуковых скоростях. Снижение интенсивности воздушного потока обеспечивается обтекателем, внутри которого размещается лопастная конструкция. Подобные модификации экономичнее в плане расхода топлива, а также демонстрируют повышенный КПД, что делает целесообразной их применение на пассажирских авиалайнерах и грузовых судах с увеличенной вместительностью.

Прямоточные

Воздушно-реактивные установки не предусматривают наличия в конфигурации подвижных элементов. Втягивание воздуха происходит естественным путем за счет размещения возле входного отверстия элемента, снижающего уровень аэродинамического сопротивления - обтекателя. С момента поступления потока процесс становится аналогичным классической схеме.

Характеристики мощности

Разобравшись в том, что такое тяга, и какие модели двигателей стоят на самолетах сегодня, можно отметить, что некоторые из этих летательных аппаратов оснащаются турбовинтовыми установками. Их конфигурация заметно проще, чем у турбореактивных, из-за чего возникает логичный вопрос - для чего вообще нужны более сложные модификации? Ответ очевиден: мощностные показатели, демонстрируемые ТРД, в десятки раз выше, аналогичных результатов, достигаемых винтовыми конструкциями. Увеличенная сила способствует повышению предельно допустимой массы и скорости. Единственным ограничением в данном случае остается температура газов за камерой сгорания, поднять которую пока что не позволяют свойства материалов, доступных для изготовления конструкционных деталей.

Как заводят двигатель самолета

В процессе запуска необходимо решить три основных задачи: придать достаточную скорость вращения турбине высокого давления, обеспечить подачу топлива и создать искру для его возгорания. Раскрутка турбинной части до интенсивности в районе 50% от предельных оборотов позволяет устройству продолжить работу самостоятельно. Первоначальный импульс может быть обеспечен электрическим стартером либо направленным воздушным потоком, генерируемым пневматикой, которая, в свою очередь, берет воздух под повышенным давлением из вспомогательной силовой установки или иного источника.

Стандартный алгоритм действий предусматривает следующую последовательность:

1. Перевод в положение «ON» переключателя и тумблера.
2. Автоматическое открытие FADEC кранов пневматической и топливной систем.
3. Запуск турбины и подача искры на свечи зажигания.
4. Старт второго двигателя после выхода на нужные обороты.
5. Отключение стартового модуля ввиду выполнения им основной задачи.

В отдельных ситуациях может возникнуть потребность в создании эффекта вращения без перехода в активную рабочую фазу. Подобная практика, к примеру, актуальна при проведении диагностических процедур, а также во время промывки внутренней конфигурации керосином после продолжительной консервации. Для этого используется отдельное положение переключателя - CRANK, при котором общий цикл остается неизменным, но отсутствует искра на свечах зажигания.

Как осуществляется управление

Вне зависимости от того, какое максимальное количество двигателей в гондолах крепится к крыльям самолета - это, как правило, зависит от типа конфигурации и целевых задач конкретной модели - для каждого из них должен присутствовать свой управляющий рычаг. Принцип взаимодействия максимально упрощен: отталкивая рукоятку в направлении от себя, пилот увеличивает скорость вращения и мощность реактивной тяги, притягивая - заставляет силовую установку работать медленнее.

Учитывая отсутствие прямой связи с топливным дросселем, потенциальный риск чрезмерной или недостаточной подачи горючей смеси исключается полностью - сжечь или заглушить двигатель вручную не получится. Кроме того, за рабочим состоянием и предельными температурами во время полета следит FADEC. В сегменте «малого газа» размещается упор, поэтому для разблокировки режима реверса потребуется вытянуть специальную скобу.

Реверсное функционирование предполагает использование вспомогательных створок, которые отводят поток в обратном направлении и тем самым помогают самолету постепенно замедлиться и остановиться. Любопытно, что при продолжительном использовании возможно даже движение воздушного судна на ВПП задом - однако в этом случае возникает риск попадания внутрь силовых установок, висящих под крыльями, различного мусора, что обусловливает отрицательные рекомендации. Также стоит отметить работу FADEC, который проводит автоматический анализ положения рычагов, и в режиме реального времени сопоставляет результаты с параметрами датчиков обжатия шасси.

Благодаря этому, случайный запуск реверса во время нахождения судна в воздухе в принципе невозможен. Конфигурация предусматривает наличие особого аварийного режима, для включения которого необходимо приложить к рычагам определенное усилие и перевести их дальше базового взлетного положения. Применение допускается в случае отказа одного из двигателей на взлете и обусловливается необходимостью компенсации потерянного ресурса для набора приемлемой и безопасной высоты.

Индикаторы и сигнальные модули

Сведения о показателях текущей работы отображаются на фронтальной панели в центральной части дисплея, а также на отдельной странице, где представлен расширенный набор характеристик. В перечень данных, которые выводятся на постоянной основе, входят:

• Уровень оборотов вентилятора, определяющий мощность тяги.
• Температура образующихся выхлопных газов, служащая ограничителем топливной подачи для автоматической системы, предупреждающей плавление деталей турбины.
• Заданное значение интенсивности вращения - промежуток разгона от малого газа до режима взлета составляет несколько десятков секунд, что обусловливает разницу между фактическими и целевыми показателями.
• Характеристики рабочего состояния независимых турбинных установок высокого давления, важные с точки зрения процедуры запуска.
• Текущее потребление топлива, выбранная программа работы двигателя, а также признаки включения реверса.

На отдельной странице также могут быть отражены вспомогательные данные, характеризующие состояние масла, уровень вибраций, расход горючего с момента последнего запуска, показатели давления в пневматической системе и т. д.

Как устроен истребитель

Истребители - это быстрые и маневренные самолеты разных конфигураций. В этом классе есть и легкие 1-моторные самолеты, и тяжелые многомоторные машины. Строение и техническое оснащение истребителей постоянно совершенствуется. Современная истребительная авиация включает мощные машины с широким функционалом, высоким уровнем скрытности и эффективными инструментами для обнаружения противника.

Раньше в категории истребителей выделяли бомбардировщики, перехватчики, палубные и фронтовые самолеты. Но в машинах последних поколений грань между отдельными подвидами стала условной. Все подвиды соединились в один тип - стали многозадачными истребителями-бомбардировщиками, адаптированными для эффективного достижения разных целей.

Рассмотрим, как устроен истребитель. Основными элементами его конструкции являются:

1. Планер (несущая конструкция из высокопрочных материалов) и его системы, устройства, сборочные узлы и агрегаты, такие как:
   • Фюзеляж (лодка) - «тело» самолета с кабиной, системами управления и контроля, основными топливными баками, оружием и электронным оборудованием;
   • Крылья - элементы конструкции, создающие подъемную силу - могут иметь разную форму и профиль, от которых зависят полетные характеристики, устойчивость и управляемость машины;
   • Оперение - конструкция из вертикальных килей и горизонтального стабилизатора, располагаемая в хвостовой части фюзеляжа, а иногда и в носовой части (пример - Су-35) для достижения необходимой балансировки, устойчивости и управляемости самолета;
   • Шасси - система опор, используемая для стоянки и передвижений самолета по земле, осуществления взлета и посадки;
   • Посадочная система торможения с парашютами;
   • Гондолы двигателей;
   • Система управления полетом;
   • Топливная, пневматическая, гидравлическая система;
   • Система аварийного покидания кабины.
2. Силовые установки - турбореактивные авиационные двигатели с их оборудованием и системами (запуска, управления, снабжения топливом и маслом, отбора воздуха, выхлопа). Они создают силу тяги для полета и обеспечивают работоспособность систем энергоснабжения и жизнеобеспечения на борту. Начиная с 4 поколения, истребители оснащают турбореактивными 2-контурными двигателями с форсажной камерой или без нее. Они работают на авиационном керосине и обеспечивают высокие сверхзвуковые скорости полета. У маневренных истребителей, таких как МиГ или Су, двигатели находятся в фюзеляже.
3. Специализированное бортовое оснащение - системы вооружения, радиоэлектронное и авиационное оборудование.

Турбореактивный двигатель представляет собой тепловую машину, которая преобразует энергию в механическую работу. В роли энергоносителя выступает воздух - в двигателе он сжимается и расширяется, приводя летательный аппарат в движение. Для более эффективной работы сжимать нужно охлажденный воздух, а расширять - нагретый.

Поэтому в конструкции турбореактивного двигателя есть устройства для сжатия воздуха (компрессор), его нагрева (камера сгорания), расширения (турбина) и охлаждения (эту функцию выполняет атмосфера). В процессе работы двигателя компрессор затягивает внутрь установки воздух и сжимает его. Затем сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где перемешивается с продуктами горения топлива, разогревается (температура может достигать 1500 °С) и расширяется.

После этого расширенная газово-воздушная смесь на колоссальной скорости поступает на вращающую компрессор турбину. Скорость ее вращения может достигать 30 000 об/мин. Наконец, раскаленный газ через реактивное сопло выталкивается наружу. В соответствии с законом сохранения импульса, выталкиваемые газы обеспечивают самолету импульс, направленный в обратную сторону и равный произведению массы этих газов на их скорость.

Отличия двухконтурного турбореактивного двигателя

В современных самолетах-истребителях схема ТРД имеет 2 контура. Как правило, такие двигатели работают по схеме советского конструктора Архипа Люльки, который запатентовал свою разработку 22 апреля 1941 года. По его инициативе в установку добавили дополнительный воздушный контур. В результате поступающий в ТРД воздух разделяется на 2 потока:

• первый - как и в одноконтурных моделях, направляется во внутренний контур;
• второй - идет по внешнему контуру и без нагрева выходит в сопло совместно с горячими газами, создавая дополнительную тягу.

Турбореактивные 2-контурные двигатели экономно потребляют топливо на дозвуковых скоростях, а сверхзвуковых скоростей достигают в режиме форсажа. Но у истребителей 5 поколения (Су-57, Су-75 и др.) сверхзвуковые скорости достигаются без форсажа.

Особенности истребителей нового поколения

В вопросе, как устроены истребители разных моделей и модификаций, есть масса нюансов. Но все представители истребительной авиации 5 поколения соответствуют единым требованиям:

• Малая радиолокационная заметность, позволяющая снизить дальность обнаружения летательного аппарата. Чтобы сделать самолет малозаметным для радиолокаторов и приборов ночного видения, минимизируют эффективную площадь рассеяния (ЭПР). Для этого используют покрытия с радиопоглощающими качествами, размещают вооружение на внутренних подвесках машины, а для отражения сигнала применяют особую форму фюзеляжа.
• Радары с фазированной антенной решеткой. Антенна состоит из множества маломощных модулей, которые создают единый концентрированный луч. Каждый модуль оснащен передатчиком, фазовращателем и приемником. Создаваемый ими луч гораздо мощнее, чем у радаров с пассивной решеткой. Благодаря этому значительно возрастает эффективная дальность радара.
• Двигатели с переменным вектором тяги для лучшей маневренности.
• Способность развивать сверхзвуковую скорость без применения форсажа.

К истребителям 6 поколения дополнительно выдвигаются требования по гиперзвуковым скоростям, значительному увеличению дальности полета и превосходной маневренности на сверхзвуке. По-прежнему актуальны и требования малозаметности, для выполнения которых используются новые технологии. В перспективе многие машины могут стать беспилотными, а их вооружение составят ракеты нового поколения и лазерные установки.

Чтобы ближе познакомиться с конструкцией и техническими возможностями истребителей, оформляйте заявку на летные программы на истребителе МиГ-21, высший пилотаж на МиГ-29 или полет в стратосферу.

Нелокализованный разлет осколков

К числу факторов, оказывающих заметное влияние на выбор конструкции при создании специализированного бортового оборудования для воздушных судов, в том числе относят данное явление, возникающее в случае взрыва силовой установки. Считается, что в подобной ситуации осколки компрессорных и турбинных лопаток будут иметь запас энергии, достаточный для разрушения любых механических преград, в том числе - деталей и элементов, обеспечивающих функционирование всей системы.

Безопасное завершение полета при возникновении нелокализованного разлета окажется возможным при условии наличия резервных проводов, расположенных на расстоянии, исключающем одновременное повреждение осколками основного и запасного каналов. Практика показывает, что современные технологии и материалы, используемые в авиационной промышленности, сводят к минимуму вероятность подобных инцидентов - однако консервативный подход требует учета в архитектуре противодействия любым потенциальным рискам.

Принцип работы турбореактивного двигателя