Лонжероны — продольные несущие элементы конструкций¶

Лонжероны — продольные несущие элементы каркасов летательных аппаратов, судов, железнодорожных вагонов и других конструкций, воспринимающие изгибающие моменты и работающие преимущественно на растяжение и сжатие. В авиации лонжероны являются главными силовыми элементами крыла и фюзеляжа, определяющими их несущую способность. Термин происходит от французского longeron, что буквально означает «продольный».

¶Назначение и роль в конструкции

В аэродинамической конструкции крыла лонжероны совместно с нервюрами и обшивкой образуют силовой каркас. На лонжероны приходится основная доля изгибающей нагрузки от подъёмной силы, поэтому их сечение и материал подбираются с учётом максимальных перегрузок. Обшивка крыла, как правило, работает на кручение и сдвиг, а также воспринимает местные нагрузки, передавая их на нервюры и лонжероны.

В фюзеляже лонжероны (иногда называемые шпангоутными балками) работают аналогично — воспринимают изгибающие моменты от горизонтальной и вертикальной нагрузки, а также нагрузки от крепления крыла и оперения. В вагоностроении лонжероны являются основными продольными балками рамы кузова, воспринимающими вертикальные нагрузки от груза и пассажиров.

¶Устройство и конструктивные схемы

По конструктивной схеме крылья подразделяются на:

• Балочные (лонжеронные) — несущую роль выполняют один или несколько лонжеронов, обшивка работает только на кручение. Применялись на ранних самолётах и в лёгкой авиации.
• Коробчатые — два и более лонжерона соединены обшивкой в замкнутую коробку, что резко повышает жёсткость на кручение. Такая схема характерна для большинства современных самолётов.
• Монокок и полу-монокок — лонжероны отсутствуют или минимальны, несущую функцию выполняет обшивка, работающая как единая конструкция. Применяется в современных композитных конструкциях.

Лонжероны изготавливают из алюминиевых сплавов (Д16, В95), титановых сплавов (ВТ-23, ВТ-20) и композитных материалов на основе углеволокна. Сечение лонжерона может быть сплошным, полым, коробчатым или составным из отдельных элементов — поясов и стенок. Полые лонжероны часто используют как топливные баки.

¶Классификация

По расположению в крыле различают:

• Корневые лонжероны — расположены у основания крыла, воспринимают максимальные изгибающие моменты, имеют наибольшее сечение.
• Консольные лонжероны — продолжение корневых в консольной части крыла, сечение уменьшается к законцовке.
• Промежуточные лонжероны — применяются в крыльях большой размаха для перераспределения нагрузки.

По числу лонжеронов крылья делятся на однолонжеронные, двухлонжеронные и многолонжеронные. Однолонжеронная схема проще и легче, но менее жёстка на кручение; двухлонжеронная обеспечивает лучшую устойчивость и применяется в большинстве современных конструкций.

¶Применение в авиации

В отечественной авиации лонжеронная конструкция широко применялась на самолётах конструкторских бюро А. Н. Туполева, С. В. Ильюшина, П. О. Сухого. Например, в крыле истребителя Су-27 использованы титановые лонжероны, воспринимающие нагрузки при манёврах с перегрузкой до 9g. В транспортном самолёте Ил-76 лонжероны крыла работают совместно с обшивкой в коробчатой схеме, что обеспечивает высокую грузоподъёмность и живучесть конструкции.

В вертолётостроении лонжероны применяются в несущем винте — в виде продольных балок лопастей, воспринимающих центробежные и аэродинамические нагрузки. В винтокрылых машинах, например Ми-26, лонжероны лопастей изготовлены из композитных материалов.

¶Значение в вагоностроении и судостроении

В железнодорожных вагонах лонжероны являются основой рамы кузова — они воспринимают продольные усилия при торможении и растяжении поезда, а также вертикальные нагрузки от груза. В судостроении продольные элементы набора корпуса (стрингеры) выполняют функцию, аналогичную лонжеронам, обеспечивая продольную прочность судна.

¶Интересные факты

• В первых самолётах братьев Райт (1903 год) несущую роль крыла выполняли два деревянных лонжерона, соединённых нервюрами и обтянутые тканью.
• В конструкции крыла самолёта Ту-144 — первого сверхзвукового пассажирского самолёта — применялись титановые лонжероны, что было связано с нагревом конструкции при скоростях свыше 2000 км/ч.
• В современных композитных конструкциях лонжероны нередко изготавливают методом намотки или автоклавной полимеризации, что позволяет создавать элементы сложной формы с высокой точностью.

¶Источники

• Бабичев А. И. «Конструкция самолётов» — Москва: Машиностроение, 1983.
• Абрамов Н. А. «Конструкция и прочность самолётов» — Москва: Оборонгиз, 1948.
• Курдюмов В. Н., Мазуров В. А. «Проектирование конструкций летательных аппаратов» — Москва: Высшая школа, 1992.
• Справочник «Авиационное материаловедение» — Москва: Машиностроение, 1986.
• Техническая литература по железнодорожному вагоностроению — Москва: Транспорт.