14.2 Konstruktion mot utmattning
Flera försiktighetsåtgärder kan vidtas för att säkerställa att ett luftfartyg har en tillräcklig utmattningslivslängd. Vi såg i kapitel 10 att de tidiga aluminium-zinklegeringarna hade höga slut- och provspänningar men var känsliga för tidigt brott vid utmattningsbelastning; valet av material är därför viktigt. De naturligt åldrade aluminium-kopparlegeringarna har god utmattningsbeständighet men lägre statisk hållfasthet. Modern forskning koncentrerar sig på legeringar som kombinerar hög hållfasthet med hög utmattningsbeständighet.
Att uppmärksamma detaljutformning är lika viktigt. Spänningskoncentrationer kan uppstå vid skarpa hörn och abrupta sektionsförändringar. Filler bör därför finnas vid återvändande hörn, och utskärningar, t.ex. fönster och tillträdespaneler, bör förstärkas. I maskinbearbetade paneler bör materialtjockleken ökas runt skruvhålen, medan hålen i primära skruvförband bör brotschas för att förbättra ytfinishen; ytskrapor och maskinmärken är källor till initiering av utmattningssprickor. Joggles i högt belastade delar bör undvikas, medan asymmetri kan orsaka ytterligare spänningar på grund av böjning.
Inom en sund struktur- och detaljutformning krävs en uppskattning av antalet, frekvensen och storleken på de fluktuerande belastningar som ett luftfartyg möter. Utmattningsbelastningsspektrumet börjar när flygplanet taxar till sitt startläge. Under taxningen kan flygplanet manövrera över ojämnt underlag med full last, så att t.ex. vingspänningarna är större än i det statiska fallet. Dessutom utsätts flygplanet för de största belastningsfluktuationerna under start, stigning, nedstigning och landning. Understället dras in och sänks, klaffarna fälls ut och in, det sker en påverkan vid landning, flygplanet måste utföra manövrar och slutligen utsätts flygplanet, som vi kommer att se, för ett större antal vindbyar än under marschfart.
Lasterna som motsvarar dessa olika faser måste beräknas innan de tillhörande påkänningarna kan erhållas. Under start till exempel baseras vingarnas böjspänningar och skjuvspänningar på grund av skjuvning och vridning på flygplanets totalvikt, inklusive fulla bränsletankar, och den maximala nyttolasten, allt faktoriserat med 1,2 för att möjliggöra ett gupp under varje start på en hård bana eller med 1,5 för en start från gräs. De belastningar som uppstår under planflygning och symmetriska manövrar beräknas med hjälp av de metoder som beskrivs i avsnitt 13.2. Från dessa värden kan fördelningar av skjuvkraft, böjmoment och vridmoment hittas i t.ex. vingen genom att integrera lyftfördelningen. Belastningar på grund av vindbyar beräknas med hjälp av de metoder som beskrivs i avsnitt 13.4. På grund av en enda likvärdig skarpslipad bya ges belastningsfaktorn således av antingen ekvivalent (13.25) eller (13.26).
Men även om det är relativt enkelt att bestämma antalet belastningsfluktuationer under en mark-luft-mark-cykel som orsakas av standardoperationer, t.ex. att dra ut och sänka klaffarna eller att dra in och sänka landningsstället, är det svårare att uppskatta antalet och storleken på de byar som ett luftfartyg kommer att stöta på. Det finns t.ex. ett större antal vindbyar på låg höjd (under start, stigning och nedstigning) än på hög höjd (under marschfart). Terrängen (hav, platt land, berg) påverkar också antalet och omfattningen av vindbyar, liksom vädret. Användningen av radar gör det möjligt för flygplanen att undvika cumulus, där vindbyar är vanliga, men har liten effekt på låg höjd under stigningen och nedstigningen, där moln inte lätt kan undvikas. ESDU (Engineering Sciences Data Unit) tog fram uppgifter om vindbyar på grundval av information som samlats in med hjälp av vindbyar som flygplanet bär. Dessa visar i grafisk form (kurvor l10 mot h, där h är höjden) den genomsnittliga flygsträckan på olika höjder för att en vindpust med en hastighet större än ±3,05 m/s skall inträffa. Dessutom anger kurvorna för vindbyarfrekvensen antalet vindbyar med en viss hastighet per 1 000 vindbyar med en hastighet på 3,05 m/s. Genom att kombinera de båda uppsättningarna data kan man beräkna överskridandet av vindbyar, det vill säga antalet vindbyar med en hastighet som är större än eller lika med en given hastighet per flygkilometer.
Då ett flygplan utsätts för det största antalet belastningsfluktuationer under taxning, start, uppstigning och nedstigning, landning och landning, medan få skador orsakas under kryssning, beror utmattningslivslängden på ett flygplan inte på antalet flygtimmar utan på antalet flygningar. Flygplanens operativa krav skiljer sig dock från klass till klass. För Airbus krävs en livslängd utan utmattningssprickor på 24 000 flygningar eller 30 000 timmar, medan dess ekonomiska reparationslivslängd är 48 000 flygningar eller 60 000 timmar; landningsstället däremot är konstruerat för en säker livslängd på 32 000 flygningar, varefter det måste bytas ut. BAe 146 däremot, med ett större antal kortare flygningar per dag än Airbus, har en specificerad sprickfri livslängd på 40 000 flygningar och en ekonomisk reparationslivslängd på 80 000 flygningar. Även om dessa siffror är operativa krav är trötthetens natur sådan att det är osannolikt att alla flygplan av en viss typ uppfyller dem. Av det totala antalet Airbus-flygplan uppnår minst 90 procent dessa värden och 50 procent är bättre; det är uppenbart att frekventa inspektioner är nödvändiga under ett flygplans livslängd.