-
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