" Δομικός Σχεδιασμός Αεροσκαφών "

Δεν είναι λίγες οι φορές, κατά τις οποίες ένα κομμάτι/τμήμα της δομής ενός αεροσκάφους υπέστει ζημιά ή και ολοκληρωτική καταστροφή, με συνέπεια την εκτροπή του απο τις αρχικές προδιαγραφές του. Έτσι, για να μπορέσει ο τεχνικός να το επαναφέρει στην αρχική του κατάσταση απαιτείται να γνωρίζει πλήρως όλα τα δομικά στοιχεία απο τα οποία αποτελείται, που συντελούν/χρησιμεύουν, γιατί σχεδιάζονται έτσι, καθώς και να γνωρίζει ακόμη και τις τάσεις που εφαρμόζονται σε αυτό.

Γενικά, η δομή ενός αεροσκάφους πρέπει να είναι τέτοια, ώστε να μπορεί να μεταφέρει με ασφάλεια όλα τα φορτία στα οποία υποβάλλεται ανεξαρτήτου είδους (μικρά και μεσαία -για συνήθης καταστάσεις πτήσης- και μεγάλα -για ακραίες συνθήκες πτήσης-).

Το κάθε αεροπλάνο (εννοείται η κάθε κατηγορία αεροσκάφους, π.χ μεταγωγικό, εκπαιδευτικό, πολεμικό, επιβατηγό, κτλ) φέρει διαφορετικό δομικό σχεδιασμό και αυτό διότι το κάθε ένα  σχεδιάζεται για διαφορετικό σκοπό. Το κοινό τους χαρακτηριστικό, είναι ότι: εξωτερικά η επιφάνειά τους έχει αεροδυναμική σχεδίαση και εσωτερικά αυτής είναι εγκατεστημένα μέρη με μεγάλη αναλογία δύναμης-βάρους τα οποία θα πρέπει να είναι ικανά να αντέχουν τα διάφορα φορτία/δυνάμεις κατά τη πτήση.

Πιο συγκεκριμένα, η δομή ενός αεροσκάφους πρέπει να είναι κατασκευασμένη με τέτοιο τρόπο ώστε να αντιστέκεται σε δυνάμεις πολύ μεγαλύτερες απο τη δύναμη που ασκεί το ίδιο το βάρος τους αεροσκάφους. Γενικά, στις περισσότερες περιπτώσεις τα αεροπλάνα είναι σχεδιασμένα να αντιστέκονται 1,5 φορές τις μέγιστες προσδοκώμενες δυνάμεις. Επίσης, οι σχεδιαστές είναι υποχρεωμένοι να παρέχουν τη δομή σύμφωνα με τα ακριβή πρότυπα που έχουν καθιερωθεί απο την FAA (=Federal Aviation Administration). Ο συντελεστής 1,5 ονομάζεται και "υπερπαράγοντας ασφαλείας" ο οποίος είναι ικανοποιητικός για να εξασφαλίσουμε με ασφάλεια οτι η δομή του αεροσκάφους θα αντέξει τα φορτία χωρίς να καταστραφεί. Οπότε η κύρια δομή, θα πρέπει να αντέχει σε καταπόνηση της τάξης των: 1,5 x όριο συντελεστή φορτίου, χωρίς να αστοχεί. Άρα για τιμές φορτίου κοντά στο όριο, η δομή θα πρέπει να αντέχει τη καταπόνηση αυτή και να μην εμφανίζει μόνιμες παραμορφώσεις ενώ στη περίπτωση υπέρβασης του ορίου με συνέπεια την ύπαρξη μόνιμων παραμορφώσεων, απαιτείται άμεση αντικατάσταση των κομματιών που υπέστησαν ζημιές.

Τι ονομάζουμε "συντελεστής φορτίου" ;
Συντελεστής φορτίου, ονομάζονται τα φορτία που ασκούνται στις πτέρυγες κατά την πτήση. Πιο συγκεκριμένα, ο συντελεστής φορτίου είναι το κλάσμα: της συνολικής φόρτισης που δέχεται η πτέρυγα προς το ακριβές βάρος του αεροσκάφους και των παρελκόμενων. Επίσης, ο συντελεστής φορτίου μπορεί να εκφραστεί και ως το κλάσμα: του δεχόμενου φορτίου προς την επιτάχυνση της βαρύτητας.
Παράδειγμα:
Εάν ένα αεροπλάνο ζυγίζει συνολικά 4000 lb (=1814 kg) και κατά τη πτήση, δέχεται στις πτέρυγες αεροδυναμικές δυνάμεις της τάξης των 8000 lb (=3628 kg). Τότε ποιός είναι ο συντελεστής φορτίου και τι εκφράζει ;

Απάντηση:

Συντελεστής Φορτίου = 8000 lb /4000 lb =  2.

Άρα, για το συγκεκριμένο παράδειγμα βρήκαμε οτι: " η πτέρυγα του αεροπλάνου παράγει άντωση η οποία ισούται με το 2πλάσιο του συνολικού βάρους του αεροπλάνου.

Πως κατηγοριοποιούνται τα αεροσκάφη ανάλογα με την αντοχή τους σε τέτοια φορτία ;

Οι κατηγορίες στις οποίες διακρίνονται, είναι οι εξής:

1. Φυσιολογικό (normal): στη κατηγορία αυτή έχουμε τους εξής περιορισμόυς, εκτός απο τις θέσεις κυβερνήτη ή και συγκυβερνήτη θα πρέπει να υπάρχουν άλλες 9 ή και λιγότερες, μέγιστο βάρος απογείωσης μέχρι και 12500 lb (=5670 kg) και να μην προορίζεται για ακροβατική λειτουργία. Η μη ακροβατική λειτουργία περιλαμβάνει: α) οποιονδήποτε ελιγμό σε φυσιολογική πτήση, β) απώλεια στήριξης (stall) εκτός του whip stall και γ) αργά οχτάρια και απότομες στροφές, των οποίων η γωνία που σχηματίζει η νοητή ευθεία απο το ένα ακροπτερύγιο στο άλλο με το έδαφος να μην ξεπερνάει τις 60 μοίρες. Στη κατηγορία αυτή, έχουμε θετικό όριο συντελεστή φορτίου (ή οριακός συντελεστής φορτίου) στο 3,8 και αρνητικό όριο συντελεστή φορτίου στο 1,52.

2. Λειτουργικό (utility): στη κατηγορία αυτή έχουμε τους εξής περιορισμόυς, και εδώ εκτός απο τις θέσεις κυβερνήτη ή και συγκυβερνήτη θα πρέπει να υπάρχουν άλλες 9 ή και λιγότερες, μέγιστο βάρος απογείωσης μέχρι και 12500 lb (=5670 kg) και μπορεί να προορίζεται για περιορισμένη  ακροβατική λειτουργία. Η περιορισμένη ακροβατική λειτουργία περιλαμβάνει: α) περιστροφές -αν μπορεί να τις αντέξει ο τύπος του αεροπλάνου-, β) αργά οχτάρια, απότομες στροφές και ελιγμούς κατά τους οποίους  η γωνία που σχηματίζει η νοητή ευθεία απο το ένα ακροπτερύγιο στο άλλο με το έδαφος να κυμαίνεται απο 60 μοίρες έως 90 μοίρες. Στη κατηγορία αυτή, έχουμε θετικό όριο συντελεστή φορτίου (ή οριακός συντελεστής φορτίου) στο 4,4 και αρνητικό όριο συντελεστή φορτίου στο 1,76.

3. Ακροβατικό (acrobatic): στη κατηγορία αυτή έχουμε τους εξής περιορισμόυς, και εδώ εκτός απο τις θέσεις κυβερνήτη ή και συγκυβερνήτη θα πρέπει να υπάρχουν άλλες 9 ή και λιγότερες, μέγιστο βάρος απογείωσης μέχρι και 12500 lb (=5670 kg) και προορίζεται για πλήρη ακροβατική λειτουργία, μέχρις εκεί που το επιτρέπουν οι δυνατότητες απο τα εκάστοτε πτητικά τέστ στα οποία υποβάλλεται. Στη κατηγορία αυτή, έχουμε θετικό όριο συντελεστή φορτίου (ή οριακός συντελεστής φορτίου) στο 6,0 και αρνητικό όριο συντελεστή φορτίου στο 3,0.

- Μικρά αεροπλάνα μπορεί να πιστοποιούνται για περισσότερες απο μία κατηγορίες, αρκεί να καλύπτονται οι εκάστοτε απαιτήσεις. Η κατηγορία του κάθε αεροπλάνου, βρίσκεται και γραπτώς στο φύλλο πιστοποίησης τύπου του αεροπλάνου και στη πιστοποίηση αξιοπλοϊας που βρίσκεται στο πιλοτήριο.

Φορτία αεροσκάφους

Μπορεί να προκύψουν είτε κατά τη πτήση είτε και στο έδαφος. Διακρίνονται σε 2 βασικούς τύπους: α) τα φορτία ελιγμού και β) τα φορτία αέρα. 

Εφαρμογή για φορτία ελιγμού:

Έστω οτι ένας επιβάτης ζυγίζει 150 lb.

         Τότε:

i) σε επίπεδο πτήσης, ο επιβάτης αυτός θα ασκήσει φορτίο 150 lb στο αεροσκάφος το οποίο μεταφέρεται στη δομή μέσω της θέσης και του πατώματος.

ii) σε φάση ελιγμού (στροφή με κλίση) με επιτάχυνση της βαρύτητας 2g, ο επιβάτης αυτός θα ασκήσει φορτίο 2x150 lb = 300 lb στο αεροσκάφος το οποίο μεταφέρεται στη δομή μέσω της θέσης και του πατώματος.

Απο την άλλη, τα φορτία αέρα είναι μικρότερης διάρκειας σε σύγκριση με αυτά των ελιγμών αλλά η αλλαγή της κατεύθυνσής τους μπορεί να γίνει τόσο γρήγορα που τα κάνει να μοιάζουν ακαριαία. Στη διάρκεια των απότομων αλλαγών, έχουμε μέγιστα φορτία.  

- Ο σκοπός χρήσης του αεροσκάφους, που κρύβει απο πίσω του μια συκγεκριμένη δομή με συγκεκριμένες δυνατότητες, είναι αυτός που θα καθορίσει σε βάθος χρόνου το ποσοστό του χρόνου που αυτό θα είναι στον αέρα ή στο έδαφος. Συχνά, τα φορτία κατά τη προσγείωση είναι αυτά που λαμβάνονται υπόψιν για τη σχεδίαση των δομών σύνδεσης των σκελών του συστήματος προσγείωσης/απογείωσης. Ακόμη, η ταχύτητα καθόδου, τα φορτία στις πτέρυγες και τα χαρακτηριστικά απορρόφησης των κραδασμών του σκέλους, των δοκών και των ελαστικών, θα καθορίσουν σε βάθος χρόνου την αντίδραση κατά την επαφή με το έδαφος.

- Συντελεστής φορτίου προσγείωσης, ονομάζεται η συνολική δύναμη της αντίδρασης διαιρούμενη με το βάρος του αεροσκάφους

- Μέγιστο πιστοποιημένο ακαθάριστο βάρος, είναι το αναφερόμενο βάρος σύμφωνα με το οποίο σχεδιάστηκε και πιστοποιήθηκε το αεροσκάφος και ο τύπος του.

- Οι ελιγμοί κατά τη πτήση, προσθέτουν επιπλέον βάρος στη δομή του αεροσκάφους και στη περίπτωση που είναι ήδη υπερφορτωμένο, μπορεί να ασκηθούν τάσεις που υπερβαίνουν τις σχεδιασμένες δυνατότητές του. Ζημιά στη δομή, συχνά αναγνωρίζεται: απο εξογκώματα και λυγίσματα στο περίβλημα, καρφιά που εξέχουν και παραμορφωμένα δομικά μέρη.

Μια απο τις σημαντικότερες κατευθυντήριες γραμμές που χρησιμοποιούνται απο τους σχεδιαστές και μηχανικούς/τεχνικούς για να καθορίσουν τη χρήση του αεροπλάνου, είναι το διάγραμμα σχετικών ορίων και τελικών συντελεστών φορτίου προς τη ταχύτητα προώθησης, το λεγόμενο δηλαδή διάγραμμα V-N. Κάθε αεροσκάφος, έχει το δικό του διάγραμμα V-N με τις δικές του τιμές για τα V, Ν. Η πτητική δύναμη ενός αεροπλάνου, παρουσιάζεται σε ένα γράφημα του οποίου ο οριζόντιος άξονας είναι η ταχύτητα (V) και ο κάθετος άξονας είναι ο συντελεστής φορτίου (N).

Ένα τυπικό διάγραμμα V-N, φαίνεται παρακάτω:

Βιβλιογραφία: 1) "ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΗ ΔΟΜΗ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ", Α. Μπαλντούκας

                       2)  http://code7700.com/operating_flight_strength.html