Введение

Основной несущий элемент крыла самолета

В самолете с фиксированным крылом лонжерон часто является основным несущим элементом крыла, проходящим по размаху под прямым углом (или приблизительно, в зависимости от стреловидности крыла) к фюзеляжу. Лонжерон воспринимает нагрузки, возникающие в полете, и вес крыла на земле. Другие конструктивные и формирующие элементы, такие как нервюры, могут быть прикреплены к лонжерону или лонжеронам, а при использовании силового набора обшивка также участвует в распределении нагрузок. Крыло может иметь один или несколько лонжеронов, либо вообще не иметь их. Если один лонжерон воспринимает основную часть нагрузки, он называется главным лонжероном. Лонжероны также используются в других аэродинамических поверхностях самолета, таких как горизонтальное и вертикальное оперение, выполняя аналогичную функцию, хотя передаваемые нагрузки могут отличаться от нагрузок на лонжерон крыла.

Запасные нагрузки

Крыловая балка обеспечивает основную поддержку веса и сохранение целостности динамических нагрузок у монопланов консольного типа, часто в сочетании с прочностью лонжерона крыла в форме буквы "D". Вместе эти два конструктивных элемента обеспечивают необходимую жесткость крыла для безопасного полета самолета. Бипланы, использующие расчалки, передают большую часть летных нагрузок через расчалки и межплоскостные стойки, что позволяет использовать балки меньшего сечения и, следовательно, более легкие, но при этом увеличивает сопротивление.

Деревянные конструкции

В первые годы существования авиации использовались лонжероны, часто вырезанные из цельного елового или ясеня. Было использовано и экспериментировалось с несколькими различными типами деревянных лонжеронов, такими как лонжероны коробчатого сечения, а также ламинированные лонжероны, собираемые в оснастке и склеиваемые под давлением для сохранения угла стреловидности крыла. Деревянные лонжероны до сих пор используются в легких самолетах, таких как Robin DR400 и его модификации. Недостатком деревянного лонжерона является его подверженность разрушительному воздействию атмосферных условий – как сухих, так и влажных – а также биологическим угрозам, таким как заражение древоточными насекомыми и грибковым поражением; поэтому регулярные проверки часто обязательны для поддержания летной годности. Многокомпонентные деревянные лонжероны крыла обычно состоят из верхних и нижних элементов, называемых полками лонжерона, и вертикальных листов древесины, известных как обшивкa лонжерона или просто обшивка, которые соединяют полки лонжерона. Даже в наше время "самодельные реплики" самолетов, такие как реплики Spitfire, используют ламинированные деревянные лонжероны. Эти лонжероны обычно ламинируются из ели или дугласовой пихты (путем зажима и склеивания). Многие энтузиасты строят летающие "реплики" Spitfire, используя различные двигатели в зависимости от размера самолета.

Металлические шпаги

Типичный металлический лонжерон в самолете общей авиации обычно состоит из листовой алюминиевой стенки лонжерона, к верхней и нижней частям листа привариваются или приклепываются L- или T-образные полки лонжерона для предотвращения выпучивания под приложенными нагрузками. В более крупных самолетах, использующих этот метод изготовления лонжеронов, полки лонжерона могут быть герметизированы для создания интегральных топливных баков. Усталость металлических лонжеронов крыла была установлена как причина авиационных происшествий, особенно в старых самолетах, как это было в случае с рейсом 101 авиакомпании Chalk's Ocean Airways.

Трубчатые металлические шпоры

Немецкий бронированный штурмовик Junkers J. I 1917 года использовал многотрубную сеть из нескольких трубчатых лонжеронов крыла, расположенных непосредственно под гофрированным дюралюминиевым покрытием крыла, при этом каждый лонжерон был соединен с соседним пространственной рамой из треугольных дюралюминиевых полос – как правило, в манере фермы Уоррена – прикрепленной к лонжеронам заклепками, что обеспечило существенное увеличение прочности конструкции в то время, когда большинство других самолетов строились преимущественно с деревянными крыльями. Конструкция крыла Junkers с цельнометаллической гофрированной обшивкой и многолонжеронной схемой была заимствована после Первой мировой войны американским авиаконструктором Уильямом Стаутом для его серии авиалайнеров Ford Trimotor 1920-х годов, а также советским авиаконструктором Андреем Туполевым для самолетов, таких как Туполев АНТ-2 1922 года, и вплоть до гигантского самолета «Максим Горький» 1934 года. Важным фактором, способствовавшим успеху крыла Supermarine Spitfire, была инновационная конструкция лонжеронной балки, состоящая из пяти квадратных концентрических труб, вложенных друг в друга. Две из этих балок были соединены между собой сплавной обшивкой, создавая легкую и очень прочную главную лонжерон. Вариант этой технологии изготовления лонжеронов также применяется в BD 5, спроектированном и построенном Джимом Бедом в начале 1970-х годов. Лонжерон, использованный в BD 5 и последующих проектах BD, представлял собой в основном алюминиевую трубу диаметром около 5 мм, соединенную в корне крыла с алюминиевой трубой большего внутреннего диаметра для обеспечения структурной целостности крыла.

Геодезическая конструкция

В самолетах, таких как Vickers Wellington, применялась геодезическая конструкция лонжерона крыла, которая отличалась малым весом и способностью выдерживать серьезные боевые повреждения с лишь частичной потерей прочности.

Композитная конструкция

Многие современные самолеты используют углеродное волокно и кевлар в своей конструкции, от крупных авиалайнеров до небольших самодельных самолетов. Заслуживают внимания разработки, выполненные компанией Scaled Composites, а также немецкими производителями планеров Schempp Hirth и Schleicher. Изначально эти компании использовали цельнопластиковые лонжероны из стекловолокна в своих конструкциях, но теперь часто применяют углеродное волокно в своих высокопроизводительных планерах, таких как ASG 29. Повышение прочности и снижение веса по сравнению с более ранними планерами с лонжеронами из стекловолокна позволяют нести больший запас воды для балласта.

Многооболочная конструкция

Самолеты, использующие три или более лонжеронов, считаются многолонжеронными. Использование нескольких лонжеронов позволяет достичь эквивалентной общей прочности крыла, но с использованием нескольких меньших лонжеронов, что, в свою очередь, позволяет создать более тонкую конструкцию крыла или хвостового оперения (ценой увеличения сложности и затруднения размещения дополнительного оборудования, такого как топливные баки, пушки, тяги элеронов и т.д.). Хотя многолонжеронные крылья использовались по крайней мере с 1930-х годов (например, Curtiss P-40 времен Второй мировой войны имел 3 лонжерона на крыло), они получили более широкое распространение, когда возрастающая скорость реактивных истребителей потребовала более тонких крыльев для снижения сопротивления на высоких скоростях. F-104 Starfighter использовал множество тонких лонжеронов, чтобы обеспечить крыло необычайно тонкого профиля; F-16 Fighting Falcon использует аналогичную конструкцию. Другие самолеты, такие как F-4 Phantom, F-15 Eagle и другие, используют 3 или более лонжеронов для обеспечения достаточной прочности в относительно тонком крыле и, таким образом, квалифицируются как многолонжеронные самолеты.

Поддельные шпары

Ложные лонжероны, как и основные лонжероны, являются несущими конструктивными элементами, идущими по размаху крыла, но не соединенными с фюзеляжем. Их основное назначение – нести подвижные поверхности, главным образом элероны.