14.2 Suunnittelu väsymystä vastaan
Lukuisia varotoimenpiteitä voidaan toteuttaa sen varmistamiseksi, että lentokoneen väsymiskesto on riittävä. Luvussa 10 todettiin, että varhaisilla alumiini-sinkkiseoksilla oli korkeat murto- ja lujuusjännitykset, mutta ne olivat alttiita ennenaikaiselle vikaantumiselle väsytyskuormituksessa; materiaalien valinta on siksi tärkeää. Luonnollisesti vanhentuneilla alumiini-kupariseoksilla on hyvä väsymiskestävyys mutta alhaisemmat staattiset lujuudet. Nykyaikaisessa tutkimuksessa keskitytään seoksiin, joissa yhdistyvät korkea lujuus ja korkea väsymiskestävyys.
Suunnittelun yksityiskohtien huomioiminen on yhtä tärkeää. Jännityskeskittymiä voi syntyä teräviin kulmiin ja poikkileikkauksen äkillisiin muutoksiin. Uudelleensuuntautuviin kulmiin olisi sen vuoksi asennettava säleet, ja leikkaukset, kuten ikkunat ja käyntipaneelit, olisi vahvistettava. Koneistetuissa paneeleissa materiaalin paksuutta olisi lisättävä pulttien reikien ympärillä, ja primaaristen ruuviliitosten reiät olisi rei’itettävä pintakäsittelyn parantamiseksi; pintanaarmut ja työstöjäljet ovat väsymissäröjen syntymislähteitä. Voimakkaasti rasitetuissa osissa on vältettävä vinoumia, kun taas epäsymmetria voi aiheuttaa taivutuksesta johtuvia lisäjännityksiä.
Hyvän rakenne- ja detaljisuunnittelun lisäksi on arvioitava lentokoneen kohtaamien vaihtelevien kuormitusten määrä, taajuus ja suuruus. Väsytyskuormitusspektri alkaa, kun ilma-alus rullaa lentoonlähtöasentoonsa. Rullauksen aikana ilma-alus saattaa liikkua epätasaisella maalla täydellä hyötykuormalla, jolloin esimerkiksi siipiin kohdistuvat rasitukset ovat suurempia kuin staattisessa tapauksessa. Lisäksi lentokoneeseen kohdistuu suurimmat kuormitusvaihtelut lentoonlähdön ja nousun sekä laskeutumisen ja laskeutumisen aikana. Alusta vedetään sisään ja lasketaan alas, laskusiivekkeet nostetaan ja lasketaan, laskeutumisessa tapahtuu törmäys, lentokone joutuu suorittamaan manöövereitä ja lopuksi lentokone kokee, kuten tulemme näkemään, suuremman määrän puuskia kuin matkalennon aikana.
Näitä eri vaiheita vastaavat kuormitukset on laskettava, ennen kuin niihin liittyvät rasitukset voidaan saada. Esimerkiksi lentoonlähdön aikana siiven taivutusjännitykset sekä leikkaus- ja vääntöjännitykset perustuvat lentokoneen kokonaispainoon, mukaan lukien täydet polttoainesäiliöt, ja suurimpaan hyötykuormaan, jotka kaikki kerrotaan 1,2:lla, jotta voidaan ottaa huomioon kuhmu jokaisen lentoonlähdön aikana kovalla kiitoradalla, tai 1,5:llä, jos lentoonlähtö tapahtuu nurmikolta. Tasalennon ja symmetristen manööverien aikana syntyvät kuormitukset lasketaan 13.2 kohdassa kuvatuilla menetelmillä. Näistä arvoista voidaan löytää leikkausvoiman, taivutusmomentin ja vääntömomentin jakaumat esimerkiksi siivessä integroimalla nostovoimajakauma. Puuskien aiheuttamat kuormitukset lasketaan kohdassa 13.4 kuvatuilla menetelmillä. Näin ollen yhden ekvivalentin teräväsärmäisen puuskan aiheuttama kuormituskerroin saadaan joko yhtälöstä (13.25) tai (13.26).
Vaikka on suhteellisen yksinkertaista määrittää tavanomaisten toimintojen, kuten laskusiivekkeiden nostamisen ja laskemisen tai alustan sisään- ja ulosvedon, aiheuttamien kuormitusvaihteluiden määrä maata-ilmaa-pohjaa-syklin aikana, on hankalampaa arvioida ilma-aluksen kohtaamien puuskien lukumäärää ja voimakkuutta. Esimerkiksi pienellä korkeudella (lentoonlähdön, nousun ja laskeutumisen aikana) puuskien määrä on suurempi kuin suurella korkeudella (matkalennon aikana). Myös maasto (meri, tasanko, vuoristo) ja sää vaikuttavat puuskien määrään ja voimakkuuteen. Tutkan avulla ilma-alus voi välttää puuskia, joissa puuskat ovat yleisiä, mutta sillä ei ole juurikaan vaikutusta matalalla nousussa ja laskeutumisessa, jossa pilviä ei voi helposti välttää. ESDU (Engineering Sciences Data Unit) tuotti puuskatietoja, jotka perustuvat lentokoneissa olevien puuskatallentimien keräämiin tietoihin. Nämä osoittavat graafisessa muodossa (l10 vs. h-käyrät, h on korkeus) keskimääräisen matkan, joka on lennetty eri korkeuksilla puuskan kohdatessa, jonka nopeus on yli ±3,05 m/s. Lisäksi puuskataajuuskäyrät ilmoittavat tietyn nopeuden puuskien lukumäärän 1000 puuskaa kohti, joiden nopeus on 3,05 m/s. Molempien tietojen yhdistämisen avulla voidaan laskea puuskan ylittävyys eli sellaisten puuskajaksojen lukumäärä, joiden nopeus on suurempi tai yhtä suuri kuin tietty nopeus, joka esiintyy lentokilometriä kohden.
Koska ilma-alus altistuu suurimmalle määrälle kuormitusvaihteluita rullauksen, lentoonlähdön, nousun, nousun ja laskeutumisen sekä laskeutumisen ja laskeutumisen aikana, kun taas matkalennon aikana syntyy vain vähän vaurioita, ilma-aluksen väsymiskestävyys ei ole riippuvainen lentotuntien, vaan lentokertojen lukumäärästä. Ilma-alusten käyttövaatimukset vaihtelevat kuitenkin luokittain. Airbusin väsymissäröistä vapaan käyttöiän on oltava 24 000 lentoa tai 30 000 tuntia, kun taas sen taloudellinen korjausaika on 48 000 lentoa tai 60 000 tuntia. Sen laskutelineet on kuitenkin suunniteltu 32 000 lennon turvalliselle käyttöiälle, jonka jälkeen ne on vaihdettava. Toisaalta BAe 146:n, jolla on enemmän lyhyempiä lentoja päivässä kuin Airbusilla, halkeamattoman lentokoneen käyttöikä on 40 000 lentoa ja taloudellinen korjausikä 80 000 lentoa. Vaikka nämä luvut ovat operatiivisia vaatimuksia, väsymisen luonne on sellainen, että on epätodennäköistä, että kaikki tietyn tyyppiset lentokoneet täyttävät ne. Airbusin lentokoneiden kokonaismäärästä vähintään 90 prosenttia saavuttaa nämä arvot ja 50 prosenttia on parempia; on selvää, että tiheät tarkastukset ovat tarpeen lentokoneen käyttöiän aikana.