Strona techniczna samolotów

Lekcja 5. Konstrukcja Samolotu

Lekcja piata zostanie poświęcona nowej książce M11.02 Airframe Structures General Concepts.

Jest to książka opisująca konstrukcje samego samolotu i jego poszycia. Opisuje również wymogi wytrzymałości poszczególnych elementów oraz jak zabezpiecza się go przed korozja.

Zacznijmy od podstaw konstrukcja samolotu nie jest tylko bazowana na bezpieczeństwie i wytrzymałości lecz musi tez wytrzymać przeciążenia związane z manewrami i dać się łatwo sterować co jest związane z potrzeba pozytywnej stabilności konstrukcji. Ponieważ samoloty z czasem zaczęły latać na wyższych wysokościach i korzystać z kabiny ciśnieniowej kontrolowana jest także ilość lotów która jest ograniczona ze względu na zużycie materiałów.

Z czasem materiały używane do konstrukcji samolotu były coraz silniejsze i lżejsze, ich żywotność i odstępy miedzy serwisem zostały wydłużone ale nadal mechanicy kontrolują i szukają śladów wcześniejszego zużycia podczas rutynowych kontroli.

Wymogi trwałości i wytrzymałości konstrukcji samolotu uzależnione są w dużej mierze od materiału z którego jest skonstruowany. Natomiast wybór materiału opiera się na kilku czynnikach: wytrzymałość podczas kołowania, startów, lądowań, napraw, turbulencji, podmuchów oraz manewrowania.

Konstrukcja samolotu dzieli się na trzy podrodzaje. Pierwszy z nich to Primary Structure jest to konstrukcja która nadaje samolotowi wytrzymałość i musi być sprawna i kompletna aby móc lecieć. Następny rodzaj to Secondary Structure jest to konstrukcja drugorzędna głównie uznawane wszystko inne co jest potrzebne do lotu ale nie nadaje konstrukcji samolotu wytrzymałości jak miedzy innymi obudowy aerodynamiczne lub przednie natarcie skrzydła. Trzeciorzędna konstrukcja samolotu są to dodatki które nie są potrzebne do lotu ale mogą być zamontowane dla większej wygody, oszczędności lub wyglądu. Gdy jest już zamontowane na samolocie musi spełniać wszystkie wymogi i być w dobrym stanie chociaż ze nie jest potrzebna.

A tu schemat pokazujący pierwszorzędna i drugorzędna strukturę w standardowym samolocie typu A340.

Następie przyjrzyjmy się trzem rodzajom konstrukcji samolotów. Pierwszy z nich używany w latach 30 i 40 nazywany Safe Life polegał na korzystaniu z części przez określony czas po czym były one wymieniane na nowe a stare nie nadawały się już do naprawy ani ponownego użytku. Następnie powstała konstrukcja Fail Safe gdzie komponenty które były poddawane obciążenia były duplikowane aby w razie uszkodzenia jednego z nich drugi był w stanie wytrzymać cale obciążenie. Jest to stary typ konstrukcji nadal używany w wielu produkowanych samolotach. Używanie tego typu  konstrukcji zapoczątkowano miedzy innymi przy budowie Boeinga 727. 

Ostatnim i najnowszym typem konstrukcji dzisiaj używanym jest Damage tolerance gdzie obciążenie jest rozprowadzane po większej części konstrukcji i w razie powstania pęknięć i zużycia w pewnych jej częściach nadal ma wystarczającą sile. Następnie pęknięcia i zużycie są wykrywane podczas planowanych serwisów i usuwane po czym samolot odzyskuje swoja pełną wytrzymałość w ten sposób jest to powtarzane przez cala żywotność samolotu.

Na tym skończymy dzisiejsza lekcje. W następnej lekcji będziemy kontynuować temat konstrukcji samolotu.

Lekcja 4. Powierzchnie  sterujące

To będzie ostatnia lekcja związana z książką M11.01 Theory of flight. W tej lekcji zajmiemy się budową poszczególnych lotek oraz w jaki sposób one działają i typami klap i ich działaniu.

Zacznijmy od podstaw, poszczególne powierzchnie sterujące mają różną budowę oraz działanie ale wszystkie są bazowane na tej samej zasadzie. Zasada ta polega na zwiększeniu lub zmniejszeniu siły nośnej danej powierzchni zależnie od wychylenia powierzchni sterującej.

Jak widać powyżej powierzchnia sterującą jest zamocowana do profilu za pomocą mocowania w osi jej obrotu. Może się ona wychylać w dół zwiększając siłę nośną lub w górę zmniejszając siłę nośną. Ponieważ podczas lotu w okuł powierzchni sterujących jest duży przepływ powietrza i wychylenie ich tworzy ogromny opór a co za tym idzie potrzeba do tego ogromnej siły, dlatego używane są powierzchnię wspomagające. Pierwszą z nich są powierzchnię balansujące które dzięki temu że wystają w przeciwnym kierunku do wysunięcia powierzchni sterującej pomagają utrzymać ją w wybranej pozycji za pomocą oporu powietrza. 

Następną powierzchnią jest Balance tab. Jej zadanie to zmienić przepływ powietrza wzdłuż powierzchni sterującej tak aby ułatwić operowanie nią. Jej zalety to prosta konstrukcja oraz ułatwienie w operowaniu powierzchnią sterującą ale ma też wadę ponieważ zmieniając przepływ powietrza wzdłuż powierzchni zmniejsza jej efektywność. Jest ona zbudowana w sposób pokazany poniżej i jest ona automatyczna to znaczy że nie jest kontrolowana przez człowieka. 

Następną powierzchnią jest Balance panel. Ma ona takie same zadanie jak Balance tab ale jest inaczej zbudowana i działa na innej zasadzie, można ją określić jako trudniejszą do zrozumienia. Pomaga ona w operowaniu powierzchnią sterującą ale nie zmniejsza ona aż tak efektywności jak Balance tab. Poniżej zdjęcie Balance panel a pod nim wyjaśnienie działania. 

Działa ona  na zasadzie zmiany ciśnienia. Gdy pilot popchnie wolant powierzchnia zostanie pociągnięta w dół za pomocą przymocowanego do niej pałąka (to ten pałąk pod powierzchnią od którego idzie strzałka w lewo) następnie gdy powierzchnia zacznie się już przemieszczać zmieni się wielkość slot'u (otworu) do upper and lower chamber (górnej i dolnej komory). W momencie w którym zmienia się wielkość slot'u zmienia się ciśnienie w środku komory, ponieważ dolny slot się zamyka i ciśnienie w dolnej komorze się nie zmienia ale górny slot się otwiera i opływ powietrza przy nim powoduje spadek ciśnienia w górnej komorze. W ten sposób większe ciśnienie w dolnej komorze popycha balance panel oddzielający komory do góry wspomagając operowanie powierzchnią.

Następna powierzchnia to Anti-balance tab. Jest ona zbudowana i działa tak samo jak Balance tab, jedyną różnicą jest to że działa w przeciwnym kierunku. Ma ona za zadanie wspomóc powrót powierzchni do pozycji neutralnej oraz tworzyć większy opór gdy powierzchnia jest operowana przy małych prędkościach. 

Kolejna powierzchnia to Control tab. Jest to tab operowany przez pilota służący do poruszania cała powierzchnią sterującą. Zazwyczaj używany na większych samolotach działa na zasadzie zmiany przepływu powietrza. Gdy pilot zmieni położenie wolantu Control tab zmieni swoje położenie zmieniając przepływ powietrza w taki sposób że cała powierzchnia zmieni swoje położenie. 

Następnie mamy Trim tab o którego działaniu rozmawialiśmy już w jednej z poprzednich lekcji.Służy on do stałej zmiany położenia powierzchni sterującej. Na zdjęciu poniżej możecie zobaczyć jak jest zbudowany i jak działa. 

To by było na tyle Tab'ów teraz zajmiemy się ostatnią pozostałą rzeczą w książce M11.01. Są to różne rodzaje klap oraz pokazanie co robi spoiler. Zacznijmy od klap. Klapy zwiększają siłę nośną przy niskich prędkościach czyli podczas startu oraz lądowania. Poniżej widzimy schemat jakie klapy o ile zwiększają siłę nośną oraz ich wygląd w rzeczywistości.

Slat

Na koniec mamy spoiler który psuje przepływ powietrza wzdłuż skrzydła dzięki czemu zwalnia samolot ale również psuje siłę nośną.

Lekcja 3. Sterowanie powierzchniami sterującymi

Dzisiejsza lekcja zostanie poświęcona dalszej kontynuacji systemu sterowania samolotem i powierzchni sterujących. w pierwszej części przerobimy w jaki sposób porusza się wszystkimi powierzchniami sterującymi. Następnie w jaki sposób przekazywana jest komenda z kokpitu do powierzchni sterującej.

Sterowanie ailerons oraz elevator odbywa się za pomocą wolantu lub drążka sterującego zależnie od modelu samolotu.

Aby poruszyć ailerons należy skręcić wolant w prawo lub lewo, albo przechylić drążek w prawo lub lewo. Gdy chcemy przechylić samolot w lewo skręcamy wolant w lewo, następnie aileron na lewym  skrzydle unosi się powodując jego opadniecie. W tym samym momencie aileron na prawym skrzydle opada powodując uniesienie się skrzydła. W ten sposób uzyskujemy przechyl w lewo. Chcąc uzyskać przechyl w prawo wykonujemy ta sama akcje tylko w tym przypadku wszystkie ruchy są odwrotne. 

Gdy chcemy poruszyć elevator ciągniemy do siebie lub odpychamy od siebie wolant albo drążek. Gdy chcemy wzlecieć wyżej czyli nose up pociągamy wolant do siebie. W tym momencie elevator wychyla się w górę w ten sposób powodując opadniecie ogona samolotu. W tego efekcie dziób samolotu unosi się do góry. Chcąc przechylić dziób samolotu w dół należy wykonać te same czynności tylko w odwrotnym kierunku.

Następną powierzchnia którą kontrolujemy jest rudder. Kontroluje się go za pomocą pedałów.

Gdy chcemy poruszyć rudder popychamy jeden z pedałów do przodu w tym samym momencie drugi z nich wysunie się. Chcąc wychylić dziób samolotu w prawo popychamy prawy pedał. W skutek tego rudder wychyla się w prawo tworząc opór powietrza który zmusza ogon samolotu do wychylenia się w lewo. Działa to jak pewnego rodzaju poślizg gdzie tył samolotu wychyla się w lewo co powoduje że dziób skręca w prawo. Chcąc skręcić w lewo wszystko odbywa się w odwrotnym kierunku.

Teraz zajmijmy się kontrolą klap i spoilerów, ich wysuwanie odbywa się za pomocą dźwigni umieszczonych zazwyczaj pomiędzy siedzeniami pilotów. 

Zacznijmy od klap, jest to dźwignia stopniowa po której przestawieniu wysuwamy klapy do chcianej pozycji zwierzając powierzchnie nośną skrzydeł przy niskich prędkościach. Następnie jest dźwignia spoilera która jest używana do do wysuwania spoilerów na skrzydłach. Są one używane do spowalniania samolotu w trakcie lotu oraz po wylądowaniu. Ostatnie są guziki oraz pokrętła do ustawiania trymu. Zależnie od samolotu i jego producenta mogą się one znajdować w różnych miejscach i być w formie pokręteł lub przycisków. 

W przypadku gdy użyte są przyciski zawsze używane są dwa połączone szeregowo. To oznacza że aby przesunąć trym należy wcisnąć obydwa równocześnie. Jest to pewien typ zabezpieczenia który ma zapobiec niechcianemu wysunięciu się trymu w razie gdyby jeden z przycisków się zaciął.  

Teraz gdy wiemy już czym kontroluje się poszczególne powierzchnie sterujące możemy zastanowić się w jaki sposób są one połączone z powierzchniami które kontrolują. Najpierw trzeba ustalić podstawy, wszystkie powierzchnie sterujące w większych samolotach są poruszane za pomocą siłowników hydraulicznych o ciśnieniu 3000psi lub w najnowszych samolotach 5000psi. Jest to spowodowane potrzebą użycia dużej siły aby poruszyć powierzchniami sterującymi na które oddziałuje ogromny opór powietrza. Jest to nazywane hydraulicznie operowane.

Dalsza część systemu o której najczęściej się słyszy gdy mówi się o systemie sterowania samolotem w mediach to połączenie między kontrolerami w kabinie a kontrolerem siłownika który porusza powierzchnią sterującą. Systemy dzieli się na dwa rodzaje mechanicznie sterowany i hydraulicznie operowany oraz elektrycznie sterowany i hydraulicznie operowany. Obydwa widać na zdjęciu powyżej. 

Zacznijmy od mechanicznie sterowanego i hydraulicznie operowanego. Wolant i inne sterowniki są połączone za pomocą stalowych linek przechodzących przez system rolek oraz stalowych prętów z zaworem hydrauliki danej powierzchni sterującej. Gdy poruszymy kontrolerami linki mechanicznie otworzą zawór który wpompuje hydraulikę do siłownika a ten poruszy powierzchnią sterującą. 

Drugą opcją jest system elektrycznie sterowany i hydraulicznie operowany. Działa on na zasadzie gdzie wszystkie kontrolery dają elektryczny sygnał w jakiej są pozycji, trafia on do komputera sterowania lotem który ten sygnał przetwarza. Następnie komputer kontroli lotu wysyła elektryczny sygnał do zaworu hydrauliki który steruje w jaką stronę ma się poruszać siłownik. Ten system jest tak zwanym systemem fly by wire, na tej samej zasadzie działa również fly by light. Jedyną różnica jest to że sygnał jest przesyłany światłowodem zamiast zwykłym kablem. 

Lekcja 2. Drugozedne powierzchnie sterujace

Lekcja druga skupi się również na powierzchniach sterujących. Poświecę ją na omówienie drugorzędnych powierzchni sterujących które nie odgrywają największej roli przy sterowaniu samolotem lecz są bardzo potrzebne do utrzymania stabilności w locie.

Drugorzędne powierzchnie sterowania składają się z powierzchni nośnych oraz powierzchni trymujących. Na początek zajmiemy się powierzchniami nośnymi. Sa one podzielone na trzy części: leading edge devices, flaps oraz speed breakers.

Zaczniemy wyjaśnianie od początku. Leading edge devices oznacza powierzchnia z przedniego kantu. Jest ona używana do zwiększenia siły nośnej przy małych prędkościach poprzez wysuniecie jej i przedłużenie skrzydła. Są różne typy tej części sterującej najpopularniejsza z nich to Slats. Ta nazwa przyjęła się ponieważ tak nazywany jest otwór miedzy skrzydłem a Slat'em gdy jest wysunięty. Następną drugorzędną powierzchnia sterowna są Flaps, po polsku klapy. Są ich różne rodzaje a ich zadaniem jest zwiększenie siły nośnej przy niskich prędkościach gdy są wysunięte. Współpracują one razem ze slat'em i wysuwają się równocześnie. Ostatnie z nich to Spead Breakes są one używane do "hamowania" samolotu w powietrzu oraz na ziemi. Działają one na podstawie przerywania siły nośnej i stawiania oporu trafiającemu je powietrzu, co spowalnia samolot w czasie lotu oraz po lądowaniu.

Gdy znamy już powierzchnie sterujące pomagające zmieniać kierunek lotu oraz powierzchnie zmieniające możliwości nośne samolotu możemy przejść do powierzchni trymujących. Powierzchnie trymujące maja jako swój cel wprowadzać stałą zmianę w kierunku lotu. Mówiąc prościej jeżeli samolot jest nierówno załadowany i z tego powodu przechyla się w jedna ze stron użyjemy trimu. Zmienimy jego ustawienie tak aby zmienić na stale pozycje którejś z podstawowych powierzchni sterujących i w ten sposób ustabilizować lot tak aby samolot leciał prosto.

Przy dużych samolotach w tym przypadku A320 cały poziomy stabilizator (Horisontal Stabilizer) jest używany jako trim w kierunku Pith co oznacza ze cały jest ruchomą częścią. Zostało to rozwiązane w ten sposób ponieważ to właśnie kierunku jest najmniejsza stabilność ładunku zależnie jak dużo pasażerów usiądzie z przodu lub z tylu w samolocie. Następny trim jest zamontowany jako część tylnego krańca Rudder która stabilizuje samolot w planie Yaw. oraz ostatnie z nich są zamontowane na jednym lub obydwu krańcach aileron zależnie od typu samolotu. Są one do stabilizowania samolotu w planie Roll.

To by było na tyle w lekcji drugiej. w następnych lekcjach przyjrzymy się w jaki sposób przekazywane są komendy pilota z kokpitu do powierzchni sterujących oraz w którą stronę się one poruszają.

Lekcja 1. Podstawowe powierzchnie sterujące

Aby zacząć rozmawiać o powierzchniach sterujących najpierw trzeba ustalić podstawy czyli gdzie jest która cześć samolotu i jak się nazywa w technicznym języku. Dziób samolotu nazywa się Nose, ogon nazywa się Tail, środek samolotu nazywa się Main Body, skrzydła nazywają się Wings oraz silnik nazywa się Engine. Poniżej jest zdjęcie na którym są pokazane te cześć samolotu i podpisane za pomocą programu do wycinania.

Teraz jak już wiemy jak nazywają się części samolotu możemy skupić się na trzech osiach w okół których porusza się samolot. Widać je na poniższym zdjęciu już bez moich bazgrołów.

Zacznijmy od najprostszej osi Vertical Axis, jest to oś idąca z góry na dół w okół której samolot skręca w prawo oraz lewo bez przechylania się. Jest ona porównywalna do osi w okol której skręca zwykły samochód. Nazywana jest ona również Yaw.

Następną osią jest Longitudinal Axis, jest to oś idąca poziomo od nosa samolotu aż po ogon. Ta oś jest używana do skręcania samolotem za pomocą przechylenia skrzydeł. Ta oś jest nazywana również Roll. Gdy samolot obraca sie w okuł tej osi jedno ze skrzydeł idzie w dół Nose Down a drugie w górę Nose up.

Ostatnią z osi jest oś Lateral Axis, jest to oś idąca poziomo przez środek samolotu od prawego do lewego skrzydła. Nazywana również Pitch. Ta oś jest używana do przechylania nosa samolotu Nose up lub Nose down. W ten sposob samolot zmienia swoją wysokość.

Gdy wiemy już trochę o osiach w okół których obraca się samolot możemy przejść do podstawowych powierzchni sterujących. Są cztery podstawowe powierzchnie sterujące nazywane Rudder, Ailerons, roll spoilers oraz elevator. 

Zaczniemy od najprostszej powierzchni sterującej nazywanej Rudder która porusza samolot w okół osi Yaw. Rudder jest zamontowany na stabilizatorze pionowym nazywanym Vertical Stabiliser. Następna powierzchnią sterującą jest Elevator znajdujący się na stabilizatorze horyzontalnym Horisontal stabiliser. Elevator jest używany do poruszania samolotem w osi Pitch. Następną powierzchnią sterującą są Ailerons. Są to ruchome lotki zamontowane na krańcach skrzydła używane do poruszania samolotem w okół osi Roll. Ostatnią z powierzchni sterujących są Roll Spoilers które są elementami skrzydła wychylającymi się do góry aby wspomóc działanie Ailereons.