14.2 Fáradás elleni tervezés
Változatos óvintézkedésekkel biztosítható, hogy egy repülőgép megfelelő fáradási élettartammal rendelkezzen. A 10. fejezetben láttuk, hogy a korai alumínium-cink ötvözetek magas törő- és próbafeszültségekkel rendelkeztek, de fárasztó igénybevétel esetén hajlamosak voltak a korai tönkremenetelre; ezért fontos az anyagválasztás. A természetesen öregített alumínium-réz ötvözetek jó fáradásállósággal rendelkeznek, de alacsonyabb statikus szilárdsággal. A modern kutatások olyan ötvözetekre összpontosítanak, amelyek a nagy szilárdságot magas fáradásállósággal kombinálják.
A részletekre való odafigyelés ugyanilyen fontos. Éles sarkoknál és hirtelen szelvényváltozásoknál feszültségkoncentrációk keletkezhetnek. Ezért a visszahajló sarkoknál bordázatot kell alkalmazni, és a kivágásokat, mint például az ablakok és a hozzáférési panelek, meg kell erősíteni. A megmunkált panelekben az anyagvastagságot meg kell növelni a csavarfuratok körül, míg az elsődleges csavarkötésekben lévő furatokat ki kell fúrni a felületi felület javítása érdekében; a felületi karcolások és gépnyomok a fáradási repedések kialakulásának forrásai. Az erősen igénybevett tagokban kerülni kell a kunkorodásokat, míg az aszimmetria a hajlítás miatt további feszültségeket okozhat.
A megalapozott szerkezeti és részlettervezés mellett fel kell becsülni a repülőgépen fellépő ingadozó terhelések számát, gyakoriságát és nagyságát. A fáradási terhelés spektruma akkor kezdődik, amikor a repülőgép a felszállóhelyzetbe gurul. A gurulás során a repülőgép teljes hasznos teherrel, egyenetlen talajon manőverezhet, így például a szárnyakra ható feszültségek nagyobbak, mint a statikus esetben. Emellett a felszállás és emelkedés, valamint a süllyedés és leszállás során a repülőgép a legnagyobb terhelésingadozásoknak van kitéve. A futóművet behúzzák és leeresztik; a fékszárnyakat fel- és leeresztik; leszálláskor van az ütközés; a repülőgépnek manővereket kell végrehajtania; és végül a repülőgépet, mint látni fogjuk, nagyobb számú széllökés éri, mint az utazórepülés során.
Az ezeknek a különböző fázisoknak megfelelő terheléseket ki kell számítani, mielőtt a kapcsolódó feszültségeket megkaphatnánk. Például a felszállás során a szárnyhajlítási feszültségek és a nyírásból és csavarodásból eredő nyírófeszültségek a repülőgép teljes tömegén alapulnak, beleértve a teli üzemanyagtartályokat és a maximális hasznos terhet, mindezt 1,2-vel szorozva, hogy minden egyes felszállásnál figyelembe lehessen venni a kemény kifutópályán történő bukkanást, vagy 1,5-tel a fűről történő felszállásnál. A síkrepülés és a szimmetrikus manőverek során keletkező terheléseket a 13.2. szakaszban leírt módszerekkel kell kiszámítani. Ezekből az értékekből a nyíróerő, a hajlítónyomaték és a nyomaték eloszlásait lehet megtalálni, mondjuk, a szárnyban a felhajtóerő-eloszlás integrálásával. A széllökések okozta terheléseket a 13.4. szakaszban leírt módszerekkel kell kiszámítani. Így egyetlen egyenértékű éles szélű széllökés miatt a terhelési tényezőt vagy a (13.25) vagy a (13.26) egyenlet adja meg.
Noha viszonylag egyszerű dolog meghatározni a szokásos műveletek, például a fékszárnyak fel- és lehúzása vagy a futómű behúzása és leeresztése által okozott terhelésingadozások számát egy föld-levegő-föld ciklus során, nehezebb megbecsülni a széllökések számát és nagyságát, amelyekkel egy repülőgép találkozik. Például alacsony magasságban (felszállás, emelkedés és süllyedés során) több a széllökés, mint nagy magasságban (utazórepülés során). A terepviszonyok (tenger, sík terület, hegyek) szintén befolyásolják a széllökések számát és nagyságát, csakúgy, mint az időjárás. A radar használata lehetővé teszi a repülőgépek számára, hogy elkerüljék a gomolyfelhőket, ahol a széllökések gyakoriak, de alacsony magasságban, emelkedés és süllyedés közben, ahol a felhőket nem lehet könnyen elkerülni, kevés hatása van. Az ESDU (Engineering Sciences Data Unit – Mérnöki Tudományos Adategység) a repülőgépeken elhelyezett széllökés-felvevők által gyűjtött információk alapján állította össze a széllökésekkel kapcsolatos adatokat. Ezek grafikus formában (l10 kontra h görbék, h a magasság) mutatják a ±3,05 m/s-nál nagyobb sebességű széllökés esetén különböző magasságokban megtett átlagos repülési távolságot. Ezenkívül a széllökések gyakorisági görbék megadják az adott sebességű széllökések számát 1000 3,05 m/s sebességű széllökésre vetítve. A két adatsor kombinálásával kiszámítható a széllökés-túllépés, azaz az adott sebességet meghaladó vagy azzal egyenlő sebességű széllökésciklusok száma egy kilométernyi repülés során.
Mivel a repülőgép a gurulás-felszállás-emelkedés és a süllyedés-állás-leszállás során van kitéve a legtöbb terhelésingadozásnak, míg az utazórepülés során kevés károsodás történik, a repülőgép fáradási élettartama nem a repült órák számától, hanem a repülések számától függ. A repülőgépek üzemeltetési követelményei azonban osztályonként eltérőek. Az Airbusnak 24 000 repülés vagy 30 000 óra fáradási repedésmentes élettartamot írnak elő, míg a gazdaságos javítási élettartam 48 000 repülés vagy 60 000 óra; a futóművet azonban 32 000 repülésre tervezték biztonságos élettartamra, amely után ki kell cserélni. Másrészt a BAe 146-os, amely naponta több rövidebb repülést teljesít, mint az Airbus, repedésmentes élettartama 40 000 repülés, gazdasági javítási élettartama pedig 80 000 repülés. Bár ezek a számadatok üzemeltetési követelmények, a fáradás természete miatt nem valószínű, hogy egy adott repülőgéptípus minden példánya megfelel ezeknek. Az összes Airbus repülőgép legalább 90 százaléka eléri ezeket az értékeket, és 50 százalékuk jobb; nyilvánvaló, hogy gyakori ellenőrzésekre van szükség egy repülőgép élettartama alatt.