Próby statyczne konstrukcji lotniczych

Dla większości ludzi samolot jest sztywną konstrukcją niesioną w powietrzu przez siłę aerodynamiczną. Rzadko uzmysławiamy sobie, że w rzeczywistości elementy samolotu, zwłaszcza skrzydła, są elastyczne. Materiał z jakiego zostały zbudowane musi być na tyle sprężysty, by odkształcać się podczas lotu i wracać do pierwotnego położenia po jego zakończeniu. Szczególnie widoczne jest to w konstrukcjach szybowców, gdzie ugięcie skrzydeł jest największe, zwłaszcza dla szybowców przeznaczonych do wykonywania akrobacji. Są one poddawane znacznie większym przeciążeniom.

Warto przy tym pamiętać, że w powietrzu to skrzydła unoszą cały ciężar statku powietrznego, jest to sytuacja niemalże analogiczna do podwieszenia samolotu za skrzydła w hali. W ten sposób można w warunkach laboratoryjnych zasymulować działanie na skrzydła tak dużej siły nośnej, jaka potrzebna jest do uniesienia samolotu w powietrze, a nawet większej. Symulację taką można przeprowadzić również obciążając skrzydło lub jego konstrukcję nośną ułożone „do góry nogami”.

Poniżej próba statyczna samolotu Ravin podwieszonego na tzw. choince bez kadłuba z zasymulowanym obciążeniem.

Źródło

Eksperymenty takie przeprowadza się w celu empirycznego wyznaczenia wytrzymałości i nośności skrzydeł. Doświadczenie to określa się próbą statyczną. A próbę przeprowadza się na przeznaczonym do tego prototypie. Poddaje się go obciążeniu minimalnie 100% siły nośnej lub więcej albo do granicy wytrzymałości, czyli do momentu zniszczenia konstrukcji. Projekt próby statycznej przewiduje obliczeniową wytrzymałość oraz potencjalne odkształcenia, czyli przesunięcie końcówki skrzydła ku górze i promień łuku kołowego, jaki utworzy skrzydło. Podczas próby trzeba doświadczalnie wyznaczyć te wielkości, a po jej zakończeniu porównać z przewidywanymi i wyciągnąć wnioski: stwierdzić, czy sztywność jest większa niż projektowana i jakie mogą być tego konsekwencje. Dodatkowo konieczne jest sprawdzenie działania sterów: nawet przy dużym obciążeniu samolot musi być w pełni kontrolowany przez pilota.

Ugięcie skrzydła; Źródło: inż. K. Tekliński
 

Po próbie sprawdza się stan materiału. Poddaje się oględzinom wszelkie pęknięcia i analizuje ich przyczyny. Trzeba ustalić położenie punktów newralgicznych i ewentualnie zabezpieczyć je. Jeśli prototyp nie przejdzie pomyślnie próby statycznej i projekt jego konstrukcji nośnej zostanie poprawiony, konieczne jest powtórzenie próby po wprowadzonych poprawkach. Dobrze jest, gdy próba ta przeprowadzana jest na więcej niż 100% obciążenia (czyli brany jest pod uwagę pewien margines bezpieczeństwa), ponieważ jednorazowe statyczne obciążenie nie uwzględnia zmęczenia materiału.

W przypadku zakupionego niedawno przez LOT Dreamlinera próbę statyczną przeprowadzono na 150% sił występujących podczas zwykłego lotu. Wówczas przemieszczenie końcówki skrzydła ku górze wyniosło 7,6 metra.

Próba statyczna Dreamlinera; Źródło

Podczas doświadczenia symulowana jest tylko siła nośna rozłożona na powierzchni skrzydła w sposób ciągły przy locie poziomym. Nie są brane pod uwagę momenty skręcające powstałe w wyniku dynamiki lotu. Uwzględnia się zatem moment gnący oraz siłę tnącą powstałą w wyniku reakcji w miejscu zamocowania skrzydła w kadłubie. Pokazuje to, że najtrudniejszym elementem próby jest uzyskanie ciągłego (czyli nie punktowego) obciążenia, które ponadto nie jest stałe (czyli ma różne wartości w różnych miejscach) na całej długości skrzydła. Wyzwanie to jest przyczyną kilku rozwiązań. Jak wspomniano wcześniej, takiemu doświadczeniu można poddać cały samolot podwieszając jego skrzydła w kilku miejscach: siły wówczas będą bardziej zbliżone do obciążenia ciągłego im więcej będzie punktów podwieszenia. Przyjmuje się, że podwieszenie takie wykonuje się w jednej czwartej cięciwy profilu od krawędzi natarcia. Poniższe animacje pokazują rozkład naprężeń w skrzydle podczas próby (kolor czerwony – największe, kolor niebieski – najmniejsze).

Drugim sposobem jest obciążenie samych skrzydeł lub ich szkieletu konstrukcyjnego. Eksperyment polega na odwróceniu skrzydła i ułożeniu na nim w odpowiedni, przewidziany w projekcie, sposób ciężaru. Poniżej film pokazujący próbę statyczną konstrukcji nośnej skrzydła samolotu Nieuport 11.

Film z próbą statyczną skrzydła Pandy

Pomyślnie zakończona próba statyczna pozwala sądzić, że konstrukcja samolotu jest bezpieczna i daje pewność pełnej kontroli nad statkiem powietrznym nawet przy dużych przeciążeniach.