Layout 1SzTYWNO i UTRATA SzTYWNOCi kONSTRUkCji LOTNiCzYCh
WItold WINIoWSkI
Instytut lotnictwa
cji. W budowie statków latajcych istnieje konieczno doboru waciwej sztywnoci, która za-
pewniaby odpowiedni wytrzymao konstrukcji przy moliwie maej masie. Dlatego sztywno
konstrukcji lotniczych czsto jest parametrem decydujcym, który w przypadku bdów produk-
cyjnych lub zmniejszenia sztywnoci mogcych wystpi w eksploatacji, prowadzi do katastrof
lub awarii.
W pracy przytoczono te przykady i sposoby, które zastosowano w celu zapewnienia bezpie-
czestwa i integralnoci konstrukcji.
Sztywnoci konstrukcji nazywa si zdolno do przeciwstawienia si deformacjom. Zaley ona od waciwoci materiaów i konfiguracji struktury (sposobu przyoenia si i momentów). W praktyce sztywno struktury okrela si za pomoc wspóczyn- ników sztywnoci bdcych stosunkiem wartoci przemieszczenia do wartoci siy to przemieszczenie wywoujcej.
„Znane s samoloty niesztywne, albo raczej mao sztywne, które daj si eksploato- wa, ale brak dostatecznej sztywnoci ogólnie rzecz biorc jest niepodana. Pociga za sob duo niebezpieczestw, które s moliwe do zneutralizowania, ale czsto kosz- tem duej zrcznoci konstruktora i duej liczby oblicze i prób” tadeusz Sotyk [1].
Rys. 1. Próby statyczne i sztywnociowe szybowca
Rys. 2. Próby rezonansowe samolotu I-22 Iryda
16 WItold WINIoWSkI
W zjawiskach dynamicznych sztywno mona wyrazi za pomoc czstoci drga rezonansowych. drgania rezonansowe bada si w ramach prób 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 tyle sztywny, 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 elementów musz by wiksze od sztywnoci krytycznych obliczo- nych, zmierzonych lub przyjtych na podstawie przepisów. Niebezpiecznym zjawiskom o charakterze dynamicznym mona zaradzi ksztatujc struktur tak, aby takie nie- korzystne stany wystpoway poza zakresem eksploatacji.
2. Przegld zjawisk w których sztywno konstrukcji decyduje o jej integralnoci i bezpieczestwie
Sztywno struktury oraz ukadów sterowania odgrywa decydujc rol w zapew- nieniu integralnoci i bezpieczestwa statków powietrznych.
Zjawiska które mog zagrozi integralnoci i bezpieczestwu statku powietrznego mona uporzdkowa w grupach. a. Przekroczenie obcie przyjtych jako wymiarujce przy projektowaniu danego
typu statku powietrznego zarówno w locie jak i podczas manewrów na ziemi.
b. Wystpienie zjawisk typu aeroelastycznoci statycznej na skutek niewystarczajcych sztywnoci struktury lub ukadów sterowania, a s to: · rozbieno skrtna·(dywergencja) skrzyde lub stateczników
· odwrotne dziaanie sterów (rewers)
· niestateczno statyczna samolotów odksztacalnych
· rezonans naziemny wymuszany przez wirnik nony migowca
· rezonans powietrzny wymuszany przez wirnik nony migowca
· inne typy rezonansów wymuszanych przez podzespoy wirujce
· drgania wymuszane akustycznie
· drgania podwozi (shimmy)
· inne rodzaje flatterów
3. Przykady zdarze lotniczych których przyczyn by brak dostatecznej sztywnoci 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 Fokker F-10 trimotor w 1931 roku.
· Niedostateczna sztywno skrzyde na skrcanie bya przyczyn ukrcenia lub flatteru samolotu rWd-6. Skrzyda usztywniono stosujc drugi dwigar i drugi zestrza.
· Flatter lotek samolotu Gee Bee r-2 usunito dziki zastosowaniu wywaenia masowego lotek.
· Zbyt maa sztywno skrzyde na skrcanie -bya przyczyn urwania si skrzyde samolotu rWd-6 i mierci Franciszka wirko i Stanisawa Wigury.
· Zjawiska aeroelastyczne byy przyczyn utraty obydwu lotek w trakcie nurkowania samolotu P-7/M w 1932 roku pilotowanego przez Bolesawa orliskiego – samolot zachowa równowag wic pilot móg wyskoczy na spadochronie.
· odksztacenie si skrzyde uniemoliwio wyprowadzenie z nurkowania w locie od- wróconym samolotu PWS-12 w roku 1933.
· Wybudowanie si jednego z silników z oa byo przyczyn katastrofy samolotu lWS-4 ubr w roku 1936.
· Szybowiec Sokó rozsypa si w powietrzu podczas próby ptli odwróconej. · 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. Wykrój usztywniono.
· usztywnienie konstrukcji pozwolio na usunicie dywergencji (aerodynamicznego statycznego 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 spadochronem doznajc powanej kontuzji.
· Na prototypie samolotu tS-8 Bies miao miejsce oderwanie si jednej opaty miga i 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. 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 szybowca SZd-21 kobuz w 1963 roku.
· Maksymalna prdko samolotu tS-11 Iskra ogranicza sztywno skrtn skrzyda powodujc spadek statecznoci lotek.
· Zakleszczenie si lotki byo przyczyn niewyprowadzenia z korkocigu szybowca SZd-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 nitów, pk- nicia zmczeniowego lub ukrytej wady materiaowej - by przyczyn niekontrolo- wanej zmiany kta natarcia statecznika poziomego i jego duych drga, w wyniku czego doszo do katastrofy prototypu samolotu I-22 Iryda. [7]
· Zbieno czstoci i niskie tumienie drga o postaci zginanie steru byy powodem pkni zmczeniowych na skutek wymusze akustycznych I-22 Iryda.
· luzy ukadu sterowania lotk byy przyczyn flatteru samolotu amerykaskiego F-117 w 1997 roku – usztywniono ukad siownika sterolotki.
· Niedotrzymanie warunków technologicznych procesu utwardzania sklein kompozy- tów byo przyczyn odpadnicia w locie prawego skrzyda samolotu ul Sky cruiser 8 w 2006 roku.
20 WItold WINIoWSkI
4. zmiany konstrukcyjne jakie zastosowano w celu usunicia przyczyn niepo- danych zdarze
W wikszoci wymienionych w punkcie 4 przypadków, podjto dziaania, w wyniku których usunito przyczyny niebezpiecznych zdarze. dziaania te mona przedstawi w trzech grupach: a) Wprowadzenie zmian konstrukcyjnych majcych na celu usztywnienie niektórych
zespoów i elementów konstrukcji. Sztywno kadubów zwikszano poprzez za- stosowanie grubszego poszycia, zalepiania otworów i wykrojów lub usztywnianie ich brzegów. ten rodzaj dziaa móg prowadzi do obnienia czstoci i rezonansów o 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 w skutkach zwikszenie przekroju poprzecznego skrzyda oznaczaoby praktycznie konieczno budowy samolotu od pocztku. ukady sterowania usztywniano poprzez eliminowanie luzów, oraz stosowanie bar- dziej sztywnych elementów: zamiast linek wprowadzano bardziej sztywne ukady popychaczy, 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 eliminatorów drga lub zmiana czstoci kopotliwego rezonansu. W prezentowanych przypadkach tak zmian uzyskano dziki:
· zwikszeniu dugoci kaduba, co spowodowao obnienie czstoci rezonansu kad- uba,
· usztywnienie wykroju na kabinie pilotów, co spowodowao podwyszenie czstoci rezonansu kaduba,
· zwikszeniu gruboci poszycia skrzyda, które spowodowao podwyszenie czstoci jego skrcania,
· dodaniu masy na kocu wau wirnika nonego migowca, co spowodowao obnie- nie czstoci rezonansu pierwotnie wzbudzanego przez harmoniczn obrotów wir- nika.
c) Wywaanie masowe polegajce na przesuniciu rodka cikoci skrzyde, statecz- ników, lotek i sterów przed o przyoenia wypadkowych si aerodynamicznych. dziki wywaeniom masowym uzyskiwano efekt przeciwdziaania si bezwadnoci siom wzbudzania aerodynamicznego. Wywaanie masowe polega na umieszczeniu w noskach sterów 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
22 WItold WINIoWSkI
6. Literatura
1. Sotyk tadeusz; „Bdy i dowiadczenia w konstrukcji samolotów”, 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, królikiewicz 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 samolotów 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 samolotów”, Biblioteka Naukowa Insty-
tutu lotnictwa, Warszawa, 1995 r. 9. Winiowski Witold; „Badania rezonansowe obiektów latajcych – metody i analiza
wyników”, Prace Instytutu lotnictwa nr 209, Warszawa, 2010 r. 10. dul Franciszek; Wykady aeroelastycznoci, Politechnika rzeszowska, 2010 r. 11. chajec Wojciech; „Wykorzystanie pomiarów rezonansowych do analizy flatteru sa-
molotu po zmianie rozkadu masy”, rozprawa doktorska Politechnika Warszawska wydz. MEil, Warszawa, 2011 r.
12. Winiowski Witold, urkowski lech; „Porównanie kryteriów sztywnoci wg. BCAR
i AP-970”, Sprawozdanie Instytutu lotnictwa.
WItold WINIoWSkI
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.
PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 15.pdf
PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 16
PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 17
PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 18
PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 19
PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 20
PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 21
PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 22
PIL_214_SRODKI_CALOSC_KOREKTA 23