14.2 Projektowanie przeciw zmęczeniu

Różne środki ostrożności mogą być podjęte w celu zapewnienia, że samolot ma odpowiednią trwałość zmęczeniową. W rozdziale 10 zauważyliśmy, że wczesne stopy aluminium z cynkiem posiadały wysokie naprężenia graniczne i próbne, ale były podatne na wczesne uszkodzenia pod obciążeniem zmęczeniowym; wybór materiałów jest więc ważny. Naturalnie starzejące się stopy aluminium i miedzi mają dobrą odporność na zmęczenie, ale niższą wytrzymałość statyczną. Współczesne badania koncentrują się na stopach, które łączą wysoką wytrzymałość z wysoką odpornością zmęczeniową.

Równie ważne jest zwrócenie uwagi na projektowanie detali. Koncentracja naprężeń może powstać w ostrych narożach i przy nagłych zmianach przekroju. W związku z tym w narożnikach należy przewidzieć kształtki, a wycięcia, takie jak okna i panele dostępowe, powinny być wzmocnione. W panelach obrabianych mechanicznie, grubość materiału powinna być zwiększona wokół otworów na śruby, podczas gdy otwory w głównych połączeniach śrubowych powinny być rozwiercone w celu poprawy wykończenia powierzchni; zarysowania powierzchni i ślady po maszynach są źródłem inicjacji pęknięć zmęczeniowych. Należy unikać zbiegów w silnie obciążonych elementach, podczas gdy asymetria może powodować dodatkowe naprężenia wynikające ze zginania.

Oprócz solidnego projektu konstrukcji i detali, konieczne jest oszacowanie liczby, częstotliwości i wielkości zmiennych obciążeń, na jakie napotyka samolot. Spektrum obciążeń zmęczeniowych rozpoczyna się w momencie kołowania samolotu do pozycji startowej. Podczas kołowania samolot może manewrować po nierównym terenie z pełnym obciążeniem użytkowym, więc na przykład naprężenia w skrzydłach są większe niż w przypadku statycznym. Ponadto, podczas startu i wznoszenia oraz opadania i lądowania samolot poddawany jest największym wahaniom obciążenia. Podwozie jest chowane i opuszczane; klapy są podnoszone i opuszczane; następuje uderzenie przy lądowaniu; samolot musi wykonywać manewry; i wreszcie samolot, jak zobaczymy, doświadcza większej liczby podmuchów niż podczas przelotu.

Obciążenia odpowiadające tym różnym fazom muszą być obliczone, zanim będzie można otrzymać związane z nimi naprężenia. Na przykład, podczas startu, naprężenia zginające skrzydła oraz naprężenia ścinające spowodowane ścinaniem i skręcaniem są oparte na całkowitej masie samolotu, włączając w to pełne zbiorniki paliwa, oraz maksymalny ładunek użyteczny, wszystkie pomnożone przez 1,2, aby umożliwić powstanie wstrząsu podczas każdego startu na twardym pasie startowym lub przez 1,5 dla startu z trawy. Obciążenia powstające podczas lotu poziomego i manewrów symetrycznych obliczane są metodami opisanymi w punkcie 13.2. Na podstawie tych wartości można znaleźć rozkłady siły ścinającej, momentu zginającego i momentu obrotowego, np. w skrzydle, przez całkowanie rozkładu siły nośnej. Obciążenia wywołane podmuchami oblicza się metodami opisanymi w punkcie 13.4. Tak więc, z powodu pojedynczego równoważnego podmuchu o ostrych krawędziach, współczynnik obciążenia jest dany albo równaniem (13.25) albo (13.26).

Aczkolwiek stosunkowo prostą sprawą jest określenie liczby fluktuacji obciążenia podczas cyklu ziemia-powietrze-ziemia spowodowanych standardowymi operacjami, takimi jak podnoszenie i opuszczanie klap lub chowanie i opuszczanie podwozia, trudniej jest oszacować liczbę i wielkość podmuchów, które napotka statek powietrzny. Na przykład większa liczba podmuchów występuje na małej wysokości (podczas startu, wznoszenia i opadania) niż na dużej wysokości (podczas przelotu). Ukształtowanie terenu (morze, płaski teren, góry) również wpływa na liczbę i wielkość podmuchów, podobnie jak pogoda. Zastosowanie radaru umożliwia samolotom unikanie cumulusów, gdzie podmuchy są powszechne, ale ma niewielki wpływ na niską wysokość podczas wznoszenia i zniżania, gdzie chmury nie mogą być łatwo ominięte. ESDU (Engineering Sciences Data Unit) opracowała dane dotyczące podmuchów na podstawie informacji zebranych przez rejestratory podmuchów znajdujące się w samolotach. Przedstawiają one w formie graficznej (krzywe l10 w zależności od h, gdzie h oznacza wysokość) średnią odległość, jaką pokonuje się na różnych wysokościach, aby napotkać podmuch o prędkości większej niż ±3,05 m/s. Dodatkowo, krzywe częstotliwości podmuchów podają liczbę podmuchów o danej prędkości na 1000 podmuchów o prędkości 3,05 m/s. Połączenie obu zestawów danych umożliwia obliczenie przekroczenia podmuchów, czyli liczby cykli podmuchów o prędkości większej lub równej danej prędkości napotkanych na kilometr lotu.

Ponieważ statek powietrzny jest poddawany największej liczbie wahań obciążenia podczas kołowania – startu – wznoszenia oraz opadania – lądowania, podczas gdy niewielkie uszkodzenia powstają podczas przelotu, trwałość zmęczeniowa statku powietrznego nie zależy od liczby godzin lotu, lecz od liczby lotów. Wymagania eksploatacyjne dla samolotów różnią się jednak w zależności od klasy. Od Airbusa wymaga się, aby jego żywotność bez pęknięć zmęczeniowych wynosiła 24 000 lotów lub 30 000 godzin, podczas gdy jego ekonomiczna żywotność naprawcza wynosi 48 000 lotów lub 60 000 godzin; jego podwozie jest jednak zaprojektowane na bezpieczny okres 32 000 lotów, po którym musi zostać wymienione. Z drugiej strony BAe 146, przy większej liczbie krótszych lotów dziennie niż Airbus, ma określoną trwałość bez pęknięć na poziomie 40 000 lotów i ekonomiczną trwałość naprawczą na poziomie 80 000 lotów. Chociaż liczby te stanowią wymagania eksploatacyjne, charakter zmęczenia materiału jest taki, że jest mało prawdopodobne, aby wszystkie statki powietrzne danego typu je spełniały. Z całkowitej liczby samolotów Airbusa, co najmniej 90 procent osiąga te wartości, a 50 procent jest lepszych; oczywiste jest, że częste kontrole są niezbędne w okresie eksploatacji samolotu.

.