PRACE iNSTYTUTU LOTNiCTWA 214, s. 15-23, Warszawa 2011

SzTYWNO i UTRATA SzTYWNOCi kONSTRUkCjiLOTNiCzYCh

WItold WINIoWSkIInstytut lotnictwa

Streszczenie

Sztywno spenia fundamentaln rol w zapewnieniu integralnoci i funkcjonalnoci konstruk-

cji. W budowie statkw latajcych istnieje konieczno doboru waciwej sztywnoci, ktra za-

pewniaby odpowiedni wytrzymao konstrukcji przy moliwie maej masie. Dlatego sztywno

konstrukcji lotniczych czsto jest parametrem decydujcym, ktry w przypadku bdw produk-

cyjnych lub zmniejszenia sztywnoci mogcych wystpi w eksploatacji, prowadzi do katastrof

lub awarii.

W pracy przytoczono te przykady i sposoby, ktre zastosowano w celu zapewnienia bezpie-

czestwa i integralnoci konstrukcji.

1. Wprowadzenie

Sztywnoci konstrukcji nazywa si zdolno do przeciwstawienia si deformacjom.Zaley ona od waciwoci materiaw i konfiguracji struktury (sposobu przyoeniasi i momentw). W praktyce sztywno struktury okrela si za pomoc wspczyn-nikw sztywnoci bdcych stosunkiem wartoci przemieszczenia do wartoci siy toprzemieszczenie wywoujcej.

Znane s samoloty niesztywne, albo raczej mao sztywne, ktre daj si eksploato-wa, ale brak dostatecznej sztywnoci oglnie rzecz biorc jest niepodana. Pocigaza sob duo niebezpieczestw, ktre s moliwe do zneutralizowania, ale czsto kosz-tem duej zrcznoci konstruktora i duej liczby oblicze i prb tadeusz Sotyk [1].

Rys. 1. Prby statyczne i sztywnociowe szybowca

Rys. 2. Prby rezonansowe samolotu I-22 Iryda

16 WItold WINIoWSkI

W zjawiskach dynamicznych sztywno mona wyrazi za pomoc czstoci drgarezonansowych. drgania rezonansowe bada si w ramach prb rezonansowych pole-gajcych na harmonicznym wzbudzaniu i pomiarze czstoci i postaci drga rezonan-sowych [9].

Statek powietrzny nie moe by jednak dowolnie sztywny ze wzgldu na koniecz-no posiadania moliwie najmniejszej masy wasnej. Musi by jedynie na tylesztywny, aby nie mogy wystpi na nim niebezpieczne zjawiska o charakterze statycz-nym lub dynamicznym.

W celu wyeliminowania niebezpiecznych zjawisk o charakterze statycznym, sztyw-noci okrelonych elementw musz by wiksze od sztywnoci krytycznych obliczo-nych, zmierzonych lub przyjtych na podstawie przepisw. Niebezpiecznym zjawiskomo charakterze dynamicznym mona zaradzi ksztatujc struktur tak, aby takie nie-korzystne stany wystpoway poza zakresem eksploatacji.

2. Przegld zjawisk w ktrych sztywno konstrukcji decyduje o jej integralnoci ibezpieczestwie

Sztywno struktury oraz ukadw sterowania odgrywa decydujc rol w zapew-nieniu integralnoci i bezpieczestwa statkw powietrznych.

Zjawiska ktre mog zagrozi integralnoci i bezpieczestwu statku powietrznegomona uporzdkowa w grupach.a. Przekroczenie obcie przyjtych jako wymiarujce przy projektowaniu danego

typu statku powietrznego zarwno w locie jak i podczas manewrw na ziemi.

b. Wystpienie zjawisk typu aeroelastycznoci statycznej na skutek niewystarczajcychsztywnoci struktury lub ukadw sterowania, a s to: rozbieno skrtna(dywergencja) skrzyde lub statecznikw

odwrotne dziaanie sterw (rewers)

niestateczno statyczna samolotw odksztacalnych

c. Wystpienie drga mechanicznych takich jak:

rezonans naziemny wymuszany przez wirnik nony migowca

rezonans powietrzny wymuszany przez wirnik nony migowca

inne typy rezonansw wymuszanych przez podzespoy wirujce

drgania wymuszane akustycznie

drgania wymuszane spywajcymi lub pkajcymi wirami

drgania podwozi (shimmy)

d. Wystpienie drga aeroelastycznych takich jak:

flatter gitno skrtny skrzyde lub usterzenia

flatter lotek, sterw, klap i klapek

inne rodzaje flatterw

buffeting

17SZtyWNo I utrata SZtyWNocI koNStrukcjI lotNIcZych

3. Przykady zdarze lotniczych ktrych przyczyn by brak dostatecznejsztywnoci lub rozsztywnienie Na samolotach bombowych handley Page oraz de havilland dh-9 wystpi flatter.

Zjawisko usunito dziki usztywnieniu tyu kaduba oraz usterzenia (1914 rok). Buffeting usterzenia by przyczyn rozpadnicia si samolotu junkers w Meoplan w

anglii (w chmurze) w roku 1920. [5] Zmniejszenie sztywnoci konstrukcji skrzyda spowodowane rozmikczeniem sklein

wskutek przesiknicia skrzyde paliwem - byo przyczyn flatteru samolotu FokkerF-10 trimotor w 1931 roku.

Niedostateczna sztywno skrzyde na skrcanie bya przyczyn ukrcenia lub flatterusamolotu rWd-6. Skrzyda usztywniono stosujc drugi dwigar i drugi zestrza.

Flatter lotek samolotu Gee Bee r-2 usunito dziki zastosowaniu wywaeniamasowego lotek.

Zbyt maa sztywno skrzyde na skrcanie -bya przyczyn urwania si skrzydesamolotu rWd-6 i mierci Franciszka wirko i Stanisawa Wigury.

Zjawiska aeroelastyczne byy przyczyn utraty obydwu lotek w trakcie nurkowaniasamolotu P-7/M w 1932 roku pilotowanego przez Bolesawa orliskiego samolotzachowa rwnowag wic pilot mg wyskoczy na spadochronie.

odksztacenie si skrzyde uniemoliwio wyprowadzenie z nurkowania w locie od-wrconym samolotu PWS-12 w roku 1933.

Wybudowanie si jednego z silnikw z oa byo przyczyn katastrofy samolotulWS-4 ubr w roku 1936.

Szybowiec Sok rozsypa si w powietrzu podczas prby ptli odwrconej. Flatter samolotu PZl kara usunito przez wyduenie kaduba. rozsypanie si usterzenia ogonowego podczas lotu nurkowego prototypu samolotu

rWd-14 czapla miao miejsce w roku 1937. Brak odpowiedniego usztywnienia wykroju stanowiska dla tylnego strzelca by po-

wodem drga w postaci skrcanie kaduba typu buffeting na samolocie PZl Wilk.Wykrj usztywniono.

usztywnienie konstrukcji pozwolio na usunicie dywergencji (aerodynamicznegostatycznego ukrcania) skrzyde samolotu Fokker d-VIII.

opaty WN obciy belk ogonow migowca SP-GIl w 1953 roku. Za regulacja tumika drga typu shimmy bya powodem pkni przednich goleni

samolotu junak-3. Flatter lotek samolotu junak usunito poprzez wprowadzenie mas wywaajcych

wczeniej pilot antoni Szymaski wyldowa w polu po skoku ze spadochronemdoznajc powanej kontuzji.

Na prototypie samolotu tS-8 Bies miao miejsce oderwanie si jednej opaty migai wybudowanie caego silnika w 1957 roku. [3]

W nastpstwie flatteru uleg zniszczeniu w locie szybowiec Mucha 100. [4] Poluzowanie linki napdu klapki wywaajcej byo przyczyn bardzo duych

drga usterzenia poziomego, wyeksploatowanego samolotu Morawa. obnienie sztywnoci na skutek zmczeniowego pknicia cianki dwigara statecznika

byo przyczyn tragicznego w skutkach flatteru samolotu Md-12.

18 WItold WINIoWSkI

Rys. 3. Prototyp samolotu MD-12

Rys. 4. Szcztki prototypu samolotu MD-12 po katastrofie.

19SZtyWNo I utrata SZtyWNocI koNStrukcjI lotNIcZych

Rys. 5. Pomylne ldowanie prototypu TS-8 Bies po utracie silnika

oderwanie skrzyda miao miejsce podczas pomiaru drga struktury szybowcaSZd-21 kobuz w 1963 roku.

Maksymalna prdko samolotu tS-11 Iskra ogranicza sztywno skrtn skrzydapowodujc spadek statecznoci lotek.

Zakleszczenie si lotki byo przyczyn niewyprowadzenia z korkocigu szybowcaSZd-30 Pirat w 1966 roku.

Zbieno czstoci drga o postaci kadub pylon by przyczyn rezonansu po-wietrznego migowca, rozwizaniem byo odsztywnienie lub zastosowanie tumika,wybrano to drugie.

Spadek sztywnoci koca kaduba na skutek zniszczenia obluzowanych nitw, pk-nicia zmczeniowego lub ukrytej wady materiaowej - by przyczyn niekontrolo-wanej zmiany kta natarcia statecznika poziomego i jego duych drga, w wynikuczego doszo do katastrofy prototypu samolotu I-22 Iryda. [7]

Zbieno czstoci i niskie tumienie drga o postaci zginanie steru byy powodempkni zmczeniowych na skutek wymusze akustycznych I-22 Iryda.

luzy ukadu sterowania lotk byy przyczyn flatteru samolotu amerykaskiegoF-117 w 1997 roku usztywniono ukad siownika sterolotki.

Niedotrzymanie warunkw technologicznych procesu utwardzania sklein kompozy-tw byo przyczyn odpadnicia w locie prawego skrzyda samolotu ul Sky cruiser8 w 2006 roku.

20 WItold WINIoWSkI

4. zmiany konstrukcyjne jakie zastosowano w celu usunicia przyczyn niepo-danych zdarze

W wikszoci wymienionych w punkcie 4 przypadkw, podjto dziaania, w wynikuktrych usunito przyczyny niebezpiecznych zdarze. dziaania te mona przedstawiw trzech grupach:a) Wprowadzenie zmian konstrukcyjnych majcych na celu usztywnienie niektrych

zespow i elementw konstrukcji. Sztywno kadubw zwikszano poprzez za-stosowanie grubszego poszycia, zalepiania otworw i wykrojw lub usztywnianieich brzegw. ten rodzaj dziaa mg prowadzi do obnienia czstoci i rezonanswo postaciach zginanie kaduba. Bardziej skutecznym, chocia nie zawsze moliwym sposobem usztywniania kad-uba byoby zwikszenie jego przekroju poprzecznego.Sztywno skrtn skrzyde zwikszono take poprzez zastosowanie grubszego po-szycia. W jednym przypadku zastosowano dodatkowe zastrzay. Skuteczniejsze wskutkach zwikszenie przekroju poprzecznego skrzyda oznaczaoby praktyczniekonieczno budowy samolotu od pocztku. ukady sterowania usztywniano poprzez eliminowanie luzw, oraz stosowanie bar-dziej sztywnych elementw: zamiast linek wprowadzano bardziej sztywne ukadypopychaczy, a jeli popychacze byy za mao sztywne wprowadzano ukady hydrau-liczne.

b) odsunicie czstoci wzbudzania od czstoci rezonansu reagujcego na to wzbu-dzanie. W takim przypadku nie zawsze jest moliwe zmienianie czstoci wzbudza-nia. Pozostaj wic dwa rozwizania: zastosowanie eliminatorw drga lub zmianaczstoci kopotliwego rezonansu. W prezentowanych przypadkach tak zmianuzyskano dziki:

zwikszeniu dugoci kaduba, co spowodowao obnienie czstoci rezonansu kad-uba,

usztywnienie wykroju na kabinie pilotw, co spowodowao podwyszenie czstocirezonansu kaduba,

zwikszeniu gruboci poszycia skrzyda, ktre spowodowao podwyszenie czstocijego skrcania,

dodaniu masy na kocu wau wirnika nonego migowca, co spowodowao obnie-nie czstoci rezonansu pierwotnie wzbudzanego przez harmoniczn obrotw wir-nika.

c) Wywaanie masowe polegajce na przesuniciu rodka cikoci skrzyde, statecz-nikw, lotek i sterw przed o przyoenia wypadkowych si aerodynamicznych.dziki wywaeniom masowym uzyskiwano efekt przeciwdziaania si bezwadnocisiom wzbudzania aerodynamicznego. Wywaanie masowe polega na umieszczeniuw noskach sterw i lotek mas wywaajcych. do wywaenia skrzyde najczciej stosowano wysigniki z mas. Przykad wywa-enia antyflatterowego skrzyda samolotu tS-11 Iskra pokazano na rys. 6.

21SZtyWNo I utrata SZtyWNocI koNStrukcjI lotNIcZych

Rys. 6. Wywaenie masowe samolotu TS-11 Iskra.

5. Podsumowanie

Sztywno spenia fundamentaln rol w zapewnieniu integralnoci i funkcjonalno-ci konstrukcji. W lotnictwie istnieje konieczno eksperymentowania ze sztywnocize wzgldu na potrzeb minimalizowania masy statkw powietrznych. Niebezpiecznewypadki s efektem niewystarczajcych sztywnoci statycznych, niewaciwych sztyw-noci dynamicznych oraz skutkw rnych przypadkw rozsztywnie. Niewystarcza-jce sztywnoci statyczne dotycz najczciej sztywnoci skrtnej skrzyde. Wadykonstrukcyjne, pknicia i inne usterki eksploatacyjne prowadz do zmniejszeniasztywnoci statycznej oraz obniania czstoci drga rezonansowych. Przyczyn roz-sztywnienia moe by wystpienie: pkni doranych pkni zmczeniowych poluzowania nitw wzrostu luzw w ukadach sterowania utraty statecznoci elementw struktury lub ukadw sterowania rozklejenia lub nasiknicia wod, smarami i paliwem kolizji z ciaami obcymi przestrzele

22 WItold WINIoWSkI

6. Literatura

1. Sotyk tadeusz; Bdy i dowiadczenia w konstrukcji samolotw, Warszawa, Wk,1986 r.

2. Winiewski Marian, Witkowski ryszard; Badania w locie w Instytucie Lotnictwa;Biblioteka historyczna Instytutu lotnictwa, Warszawa, 2010 r.

3. Grzegorzewski jerzy, krlikiewicz tadeusz; 80 lat Instytutu Lotnictwa, Warszawa,2006 r.

4. Bojanowski julian; (praca niepublikowana), Warszawa, 2011 r.5. dulba leszek, Glas andrzej; Samoloty RWD, Wk, Warszawa, 1983 r.6. Goraj Zdobysaw; Dynamika i aerodynamika samolotw manewrowych z elementami

oblicze, Biblioteka Naukowa Instytutu lotnictwa, Warszawa, 2001 r.7. Baron alfred; Samolot szkolno-bojowy I-22 Iryda wymagania, realizacja, ocena,

Biblioteka historyczna Instytutu lotnictwa, Warszawa, 2010 r.8. Sotyk tadeusz; Amatorskie projektowanie samolotw, Biblioteka Naukowa Insty-

tutu lotnictwa, Warszawa, 1995 r.9. Winiowski Witold; Badania rezonansowe obiektw latajcych metody i analiza

wynikw, Prace Instytutu lotnictwa nr 209, Warszawa, 2010 r.10. dul Franciszek; Wykady aeroelastycznoci, Politechnika rzeszowska, 2010 r.11. chajec Wojciech; Wykorzystanie pomiarw rezonansowych do analizy flatteru sa-

molotu po zmianie rozkadu masy, rozprawa doktorska Politechnika Warszawskawydz. MEil, Warszawa, 2011 r.

12. Winiowski Witold, urkowski lech; Porwnanie kryteriw sztywnoci wg. BCARi AP-970, Sprawozdanie Instytutu lotnictwa.

WItold WINIoWSkIInstitute of aviation

STiffNESS ANd ThE LOSS Of STiffNESS iN AiRCRAfT STRUCTURES

Summary

Stiffness fulfills a fundamental role in ensuring the integrity and functionality of the structure.

In aircraft manufacturing, there is a need for selection of the proper stiffness, which would provide

adequate structural strength with the weight of structure as low as possible. Therefore, stiffness

of aircraft structure is often a crucial parameter, which in the case of manufacturing errors or

stiffness lowering that may occur in the operation, are leading to disasters or accidents.

The paper quoted the examples and methods that were used to ensure the safety and structural

integrity of design.

23SZtyWNo I utrata SZtyWNocI koNStrukcjI lotNIcZych

PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 15.pdfPIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 16PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 17PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 18PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 19PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 20PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 21PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 22PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 23