Монокок: Конструкция несущей оболочки.

Введение

Структурная конструкция, воспринимающая нагрузки через внешнюю оболочку объекта.

Монокок (англ. Monocoque, также называемый структурной кожей) – это конструктивная система, в которой нагрузки поддерживаются внешней оболочкой объекта, подобно скорлупе яйца. Слово «монокок» – французский термин, означающий «единая оболочка». Впервые применённый в судостроении, истинный монокок воспринимает как растягивающие, так и сжимающие усилия внутри оболочки и характеризуется отсутствием несущего внутреннего каркаса. Лишь немногие металлические самолеты, за исключением самолетов с фрезерованной обшивкой, могут строго считаться чистыми монококами, поскольку они используют металлическую оболочку или листы, усиленные прикрепленными к обшивке шпангоутами. Однако большинство деревянных самолетов описываются как монококи, даже если они также включают шпангоуты. В отличие от этого, полумонокок – это гибрид, сочетающий в себе обшивку, работающую на растяжение, и конструкцию, работающую на сжатие, состоящую из стрингерных элементов и нервюр или шпангоутов. Другие полумонококи, которые не следует путать с истинными монококами, включают в себя цельнолитые кузова транспортных средств, которые обычно изготавливаются из композитных материалов, а также надувные оболочки или баллонные резервуары, оба из которых стабилизированы давлением.

Самолет

Ранние самолеты строились с использованием каркасов, обычно из дерева или стальных труб, которые затем покрывались (или обшивались) тканью, такой как ирландский лен или хлопок. Ткань вносила незначительный вклад в прочность на растяжение, но не оказывала влияния на прочность на сжатие и использовалась исключительно по аэродинамическим соображениям. Рассматривая конструкцию как единое целое, а не как сумму ее частей, монококовая конструкция объединила обшивку и каркас в единую несущую оболочку, значительно улучшив прочность и вес. Для изготовления оболочки тонкие полосы дерева ламинировались в трехмерную форму – технология, заимствованная из судостроения. Одним из первых примеров стал гоночный самолет Deperdussin Monocoque 1912 года, использовавший ламинированный фюзеляж, состоящий из трех слоев склеенного шпона тополя, который служил как внешней обшивкой, так и основной несущей конструкцией. Это также обеспечило более гладкую поверхность и значительно снизило сопротивление, что позволило ему выигрывать большинство гонок, в которых он участвовал. Хотя полностью металлические самолеты, такие как Junkers J 1, появились уже в 1915 году, это были не монококи, а самолеты с металлической обшивкой, нанесенной на базовый каркас. Первые металлические монококи были построены Клаудиусом Дорнье, работая в Zeppelin Lindau. Ему пришлось преодолеть ряд проблем, в том числе качество алюминиевых сплавов, достаточно прочных для использования в качестве конструкционных материалов, которые часто расслаивались вместо того, чтобы представлять собой однородный материал. Параллельно с Дорнье, Zeppelin также привлекла к работе Адольфа Рорбаха, который построил Zeppelin Staaken E 4/20, ставший первым многомоторным монококовым авиалайнером, когда он совершил свой первый полет в 1920 году, прежде чем был уничтожен по приказу Межсоюзнической комиссии. В конце Первой мировой войны Межсоюзническая техническая комиссия опубликовала подробные сведения о последнем летающем лодке Zeppelin Lindau, демонстрирующие его монококовую конструкцию. В Великобритании Освальд Шорт построил ряд экспериментальных самолетов с металлическими монококовыми фюзеляжами, начиная с Short Silver Streak 1920 года, в попытке убедить министерство авиации в его превосходстве над деревянными конструкциями. Несмотря на преимущества, монококи из алюминиевых сплавов не получили широкого распространения до середины 1930-х годов из-за ряда факторов, включая консерватизм в проектировании и затраты на организацию производства. Шорт в конечном итоге доказал достоинства этого метода строительства серией летающих лодок, металлические корпуса которых не впитывали воду, как деревянные, что значительно повысило их характеристики. В Соединенных Штатах Нортроп был одним из пионеров, внедрив технологии, используемые его собственной компанией и Douglas, с Northrop Alpha.

Early aircraft were constructed using frames, typically of wood or steel tubing, which could then be covered (or skinned) with fabric such as Irish linen or cotton. The fabric made a minor structural contribution in tension but none in compression and was there for aerodynamic reasons only. By considering the structure as a whole and not just the sum of its parts, monocoque construction integrated the skin and frame into a single load bearing shell with significant improvements to strength and weight. To make the shell, thin strips of wood were laminated into a three dimensional shape; a technique adopted from boat hull construction. One of the earliest examples was the Deperdussin Monocoque racer in 1912, which used a laminated fuselage made up of three layers of glued poplar veneer, which provided both the external skin and the main load bearing structure. This also produced a smoother surface and reduced drag so effectively that it was able to win most of the races it was entered into. While all metal aircraft such as the Junkers J 1 had appeared as early as 1915, these were not monocoques but added a metal skin to an underlying framework. The first metal monocoques were built by Claudius Dornier, while working for Zeppelin Lindau. He had to overcome a number of problems, not least was the quality of aluminium alloys strong enough to use as structural materials, which frequently formed layers instead of presenting a uniform material. In parallel to Dornier, Zeppelin also employed Adolf Rohrbach, who built the Zeppelin Staaken E 4/20, which when it flew in 1920 became the first multi engined monocoque airliner, before being destroyed under orders of the Inter Allied Commission. At the end of WWI, the Inter Allied Technical Commission published details of the last Zeppelin Lindau flying boat showing its monocoque construction. In the UK, Oswald Short built a number of experimental aircraft with metal monocoque fuselages starting with the 1920 Short Silver Streak in an attempt to convince the air ministry of its superiority over wood. Despite advantages, aluminium alloy monocoques would not become common until the mid 1930s as a result of a number of factors, including design conservatism and production setup costs. Short would eventually prove the merits of the construction method with a series of flying boats, whose metal hulls didn't absorb water as the wooden hulls did, greatly improving performance. In the United States, Northrop was a major pioneer, introducing techniques used by his own company and Douglas with the Northrop Alpha.

Гонки на автомобилях

В автогонках безопасность водителя зависит от кузова автомобиля, который должен соответствовать строгим требованиям, и лишь немногие автомобили были построены с монококовой конструкцией. Шасси с монококом из алюминиевого сплава впервые было применено в гоночном автомобиле Формулы-1 Lotus 25 в 1962 году, а McLaren первым использовал углепластик для создания монокока McLaren MP4/1 в 1981 году. В 1990 году Jaguar XJR 15 стал первым серийным автомобилем с монококом из углеродного волокна.

Автомобили

Термин "монокок" часто ошибочно применяется к автомобилям с несущим кузовом. Кузова коммерческих автомобилей почти никогда не являются настоящими монококами, а вместо этого используют систему несущего кузова (также называемую унитарной конструкцией, корпусом-шасси или интегральной конструкцией кузова и рамы), в которой кузов автомобиля, его днище и шасси образуют единую структуру, в то время как внешние панели вносят относительно небольшой вклад в прочность или жесткость.

Бронированные машины

Некоторые бронированные боевые машины используют монококовую конструкцию, где корпус собирается из броневых листов, а не крепится к раме. Это позволяет снизить вес при сохранении заданного уровня бронирования. Примерами служат немецкие TPz Fuchs и RG 33.

Двухколесные транспортные средства

Французский промышленник и инженер Жорж Рой в 1920-х годах попытался улучшить мотоциклетные рамы, вдохновленные велосипедными, которые были недостаточно жесткими. Это ограничивало их управляемость и, следовательно, производительность. Он подал заявку на патент в 1926 году и представил свой новый мотоцикл, Majestic 1930 года в стиле ар-деко, на Парижском автомобильном салоне 1929 года. Его новый тип кузова-монокока решил проблемы, которые он ставил перед собой, и, помимо большей жесткости, выполнял двойную функцию: рама и кузов обеспечивали некоторую защиту от непогоды. Строго говоря, это был скорее полумонокок, поскольку он использовал коробчатую, штампованную стальную раму с двумя боковыми лонжеронами, соединенными между собой поперечинами, а также напольные панели и передние и задние переборки. Yamaha производила скутер с рамой-монококом с 1960 по 1962 год. Модель MF 1 оснащалась 50-кубовым двигателем с трехступенчатой коробкой передач и топливным баком, интегрированным в раму. Испанский производитель Ossa разработал мотоцикл с рамой-монококом для гоночного сезона Гран-при 1967 года. Хотя одноцилиндровый Ossa уступал своим соперникам по мощности, он был легче, а его монококовая рама была намного жестче, чем у обычных мотоциклов, что обеспечивало ему превосходную маневренность на трассе. В 1973 году на гонке F750 на Isle of Man TT победил Питер Уильямс на монококовом John Player Special, который он помог спроектировать на базе Norton Commando. Honda также экспериментировала с NR500, гоночным мотоциклом Гран-при в 1979 году. Мотоцикл имел и другие инновационные особенности, включая двигатель с цилиндрами овальной формы, и в конечном итоге столкнулся с проблемами, связанными с попыткой одновременной разработки слишком большого количества новых технологий. В 1987 году Джон Бриттен разработал Aero D One с композитным монококовым шасси, вес которого составлял всего… Алюминиевая рама-монокок впервые была использована на серийном мотоцикле в 2000 году на Kawasaki ZX 12R, их флагманском спортивном мотоцикле, предназначенном для того, чтобы стать самым быстрым серийным мотоциклом. Журнал Cycle World в 2000 году описал его как "монококовый хребет – единую балку большого диаметра" и "изготовленный из комбинации отливок и штамповок листового металла". Иногда однокомпонентные карбоновые велосипедные рамы описывают как монококи; однако, поскольку большинство из них используют компоненты для формирования структуры рамы (даже если они отлиты из одного куска), это рамы, а не монококи, и велосипедная промышленность продолжает называть их фреймсетами.

French industrialist and engineer Georges Roy attempted in the 1920s to improve on the bicycle inspired motorcycle frames of the day, which lacked rigidity. This limited their handling and therefore performance. He applied for a patent in 1926, and at the 1929 Paris Automotive Show unveiled his new motorcycle, the Art Deco styled 1930 Majestic. Its new type of monocoque body solved the problems he had addressed, and along with better rigidity it did double duty, as frame and bodywork provided some protection from the elements. Strictly considered, it was more of a semi monocoque, as it used a box section, pressed steel frame with twin side rails riveted together via crossmembers, along with floor pans and rear and front bulkheads. A monocoque framed scooter was produced by Yamaha from 1960–1962. Model MF 1 was powered by a 50 cc engine with a three speed transmission and a fuel tank incorporated into the frame. A monocoque framed motorcycle was developed by Spanish manufacturer Ossa for the 1967 Grand Prix motorcycle racing season. Although the single cylinder Ossa had less than its rivals, it was lighter and its monocoque frame was much stiffer than conventional motorcycle frames, giving it superior agility on the racetrack. The F750 event at the 1973 Isle of Man TT races was won by Peter Williams on the monocoque framed John Player Special that he helped to design based on Norton Commando. Honda also experimented with the NR500, a monocoque Grand Prix racing motorcycle in 1979. The bike had other innovative features, including an engine with oval shaped cylinders, and eventually succumbed to the problems associated with attempting to develop too many new technologies at once. In 1987 John Britten developed the Aero D One, featuring a composite monocoque chassis that weighed only
An aluminium monocoque frame was used for the first time on a mass produced motorcycle from 2000 on Kawasaki's ZX 12R, their flagship production sportbike aimed at being the fastest production motorcycle. It was described by Cycle World in 2000 as a "monocoque backbone a single large diameter beam" and "Fabricated from a combination of castings and sheet metal stampings". Single piece carbon fiber bicycle frames are sometimes described as monocoques; however as most use components to form a frame structure (even if molded in a single piece), these are frames not monocoques, and the pedal cycle industry continues to refer to them as framesets.

Ракеты

Различные ракеты использовали конструкции с стабилизацией давлением, такие как Atlas и Falcon 1. Ракета Atlas была очень легкой, поскольку значительная часть ее структурной поддержки обеспечивалась одностенными стальными топливными баками сферической формы, которые сохраняют свою форму под воздействием внутреннего давления при ускорении. Баллонные баки не являются истинными монококами, но функционируют аналогично надувным оболочкам. Обшивка баллонного бака воспринимает только растягивающие усилия, а сжатие компенсируется внутренним давлением жидкости, подобно полумонококу, усиленному жестким каркасом. Это становится очевидным, когда внутреннее давление теряется и конструкция схлопывается.