14.2 Navrhování proti únavě

Pro zajištění odpovídající únavové životnosti letadla lze přijmout různá opatření. V kapitole 10 jsme viděli, že rané slitiny hliníku a zinku měly vysoká mezní a průkazní napětí, ale byly náchylné k předčasnému selhání při únavovém zatížení; výběr materiálů je proto důležitý. Přirozeně zestárlé slitiny hliníku a mědi mají dobrou únavovou odolnost, ale nižší statické pevnosti. Moderní výzkum se soustřeďuje na slitiny, které kombinují vysokou pevnost s vysokou únavovou odolností.

Stejně důležitá je pozornost věnovaná návrhu detailů. V ostrých rozích a při náhlých změnách průřezu mohou vznikat koncentrace napětí. Proto by měly být v rohových místech opatřeny otvory a výřezy, jako jsou okna a přístupové panely, by měly být zesíleny. U strojně opracovaných panelů by se měla zvětšit tloušťka materiálu kolem otvorů pro šrouby a otvory v primárních šroubových spojích by se měly vystružit, aby se zlepšila povrchová úprava; povrchové škrábance a stopy po obrábění jsou zdrojem iniciace únavových trhlin. U vysoce namáhaných prvků je třeba se vyhnout kloubům, zatímco asymetrie může způsobit dodatečné namáhání v důsledku ohybu.

Kromě správného návrhu konstrukce a detailů je nutný odhad počtu, frekvence a velikosti kolísavých zatížení, se kterými se letadlo setkává. Spektrum únavových zatížení začíná, když letadlo pojíždí do vzletové polohy. Během pojíždění může letadlo manévrovat po nerovném terénu s plným užitečným zatížením, takže například namáhání křídel je větší než ve statickém případě. Také během vzletu a stoupání a klesání a přistání je letadlo vystaveno největším výkyvům zatížení. Podvozek se zatahuje a spouští, klapky se zvedají a spouštějí, dochází k nárazu při přistání, letadlo musí provádět manévry a konečně letadlo, jak uvidíme, zažívá větší počet poryvů než během letu.

Zatížení odpovídající těmto různým fázím musí být vypočtena, aby bylo možné získat související napětí. Například během vzletu jsou napětí v ohybu křídla a napětí ve smyku způsobená smykem a krutem založena na celkové hmotnosti letadla, včetně plných palivových nádrží, a maximálním užitečném zatížení, vše vynásobeno koeficientem 1,2, aby se zohlednil náraz při každém vzletu na tvrdé dráze, nebo koeficientem 1,5 při vzletu z trávy. Zatížení vzniklá při vodorovném letu a symetrických manévrech se vypočítají pomocí metod popsaných v oddíle 13.2. Z těchto hodnot lze zjistit rozložení smykové síly, ohybového momentu a točivého momentu například v křídle integrací rozložení vztlaku. Zatížení způsobené poryvy se vypočítá pomocí metod popsaných v oddíle 13.4. Součinitel zatížení způsobený jedním ekvivalentním poryvem s ostrými hranami je tedy dán rovnicí (13.25) nebo (13.26).

Ačkoli je poměrně jednoduché určit počet výkyvů zatížení během cyklu země-vzduch-země způsobených standardními operacemi, jako je zvedání a spouštění klapek nebo zatahování a spouštění podvozku, je obtížnější odhadnout počet a velikost poryvů, se kterými se letadlo setká. Například v malé výšce (během vzletu, stoupání a klesání) je počet poryvů větší než ve velké výšce (během letu). Počet a sílu poryvů ovlivňuje také terén (moře, rovina, hory) a počasí. Použití radaru umožňuje letadlům vyhnout se kumulům, kde poryvy převažují, ale má malý vliv v malé výšce při stoupání a klesání, kde se mrakům nelze snadno vyhnout. ESDU (Engineering Sciences Data Unit) vytvořila údaje o poryvech na základě informací shromážděných pomocí záznamníků poryvů nesených letadly. Ty v grafické podobě (křivky l10 versus h, h je nadmořská výška) ukazují průměrnou vzdálenost, kterou v různých výškách urazí poryv o rychlosti větší než ±3,05 m/s, na který narazí. Kromě toho křivky četnosti poryvů udávají počet poryvů o dané rychlosti na 1000 poryvů o rychlosti 3,05 m/s. Kombinace obou souborů údajů umožňuje vypočítat překročení rychlosti poryvů, tj. počet cyklů poryvů s rychlostí větší nebo rovnou dané rychlosti, které se vyskytnou na kilometr letu.

Protože letadlo je vystaveno největšímu počtu výkyvů zatížení během pojíždění-vzletu-stoupání a klesání-vzletu-přistání, zatímco během letu dochází k malému poškození, nezávisí únavová životnost letadla na počtu letových hodin, ale na počtu letů. Provozní požadavky letadel se však v jednotlivých třídách liší. U Airbusu je požadována životnost bez únavových trhlin 24 000 letů nebo 30 000 hodin, zatímco jeho ekonomická životnost při opravách je 48 000 letů nebo 60 000 hodin; jeho podvozek je však konstruován na bezpečnou životnost 32 000 letů, po které musí být vyměněn. Na druhé straně letoun BAe 146 s větším počtem kratších letů za den než Airbus má stanovenou životnost bez trhlin 40 000 letů a ekonomickou životnost oprav 80 000 letů. Ačkoli tyto údaje představují provozní požadavky, povaha únavy je taková, že je nepravděpodobné, že by je všechny letouny daného typu splňovaly. Z celkového počtu letadel Airbus dosahuje těchto hodnot nejméně 90 % a 50 % je lepších; je zřejmé, že během životnosti letadla jsou nutné časté kontroly.

.