ellipse a kompozity

Dodnes se na mnoha českých, moravských a slezských letištích vedou zanícené spory, zda je lepší letadlo kovové nebo kompozitové. Debata je to zanícená, vážná a připomíná tradiční český spor, zda je lepší nosit trenky nebo slipy, a vlastně tak trochu kopíruje debaty mezi konstruktéry a aerodynamiky z konce 60. a začátku 70. let.

Jak se ale objevily v letectví kompozity a jak se dostaly do malých, ultralehkých letadel? Mluvíme-li o kompozitech, plastech, karbonech, kevlarech, aramidech, o čem to vlastně mluvíme a jak  letadla vlastně vznikají?

Jak to začalo

V roce 1965 se na světovém šampionátu v bezmotorovém létání v South Cerney v Anglii na druhém místě v kategorii „open class“ umístil kompozitový kluzák Akaflieg Darmstadt D-36, pilotovaný Rolf Späningem. Kluzák byl konstruovaný z kompozitů, jednalo se o skelnou tkaninu s výplněmi z balzového dřeva, nosník byl rovněž kompozitový.

Hlavní pevnost a tuhost nosníku dodávaly rovingy ze skelného vlákna spolu se skelnou tkaninou. I přes dobrý sportovní výsledek měl kluzák řadu problémů. Reprezentační tým Německa a sami piloti mu začali říkat „gummiflügel“, což se snad dá nejlépe přeložit jako „gumové letadlo“. D-36 ale tehdy nebyl jediný.

Na stejných závodech byl druhým kompozitovým letadlem Phoebus ve standardní třídě. Skončil na osmém místě, což sice nebylo špatné, ale nestačilo to k tomu, aby se kompozity představily jako směr dalšího vývoje větroňů. Spíše to vypadalo, že typickým představitelem dalšího vývoje bude Ka 6.

Koncem 60. let minulého století pak došlo k jistému napětí mezi konstruktéry, kteří měli o možnostech kompozitů pro konstrukci letadel svoje pochyby, a aerodynamiky, kteří viděli v kompozitových materiálech možnost jak dosáhnout nových tvarů s vyšší aerodynamickou čistotou a tudíž i výslednou rychlostí.

Navíc se paralelně stále rozvíjela konstrukční škola prosazující pro další zvyšování výkonů kluzáků využití slitin hliníků (jednalo se např. o typy Sisu, HP-12, Meteor).

I přestože konstruktéři stále řešili mnoho problémů (flutter, tuhost, odol- nost vůči teplotě, atd.), již za tři roky bylo na závodech v polském Lesznu ve startovním poli již 30 kompozitových kluzáků z celkové stovky startujících ve všech třídách. V roce 1972 v jugoslávském Vrsaru pak bylo na startu již jenom deset dřevěných a jeden kovový kluzák z celkem 89 závodníků.

Ale pokud bylo na začátku 70. let již jasné, že kompozity se stanou materiálem pro výkonné větroně, trvalo téměř dalších deset let, než začaly být kevlarová a uhlíková vlákna cenově dostupná a bylo možno vyrábět kluzáky s nízkou váhou a vysokou pevností.

A jak je to dnes?

Dnes se výroba letadel z kompozitových materiálů rychle rozvíjí a je možné pracovat s pre-pregy (předsycenými tkaninami), lze tisknout formy na 3D tiskárnách, tkaniny je možné řezat na routerech a používat autoklávy. Technologický pokrok je v této oblasti rychlý.

A jak vlastně došlo k rozhodnutí stavět ellipse jako kompozitové letadlo? Martin Vyskočil, otec tvaru a aerodynamických vlastností letadla, říká: „Mezi nejdůležitější požadavky patřila cestovní rychlost a bezpečnost. Bylo myšleno i na pevnost kokpitu při převrácení na záda.“

Tedy to, co měly kompozitové materiály přinést na konci 70. let kluzákům, přinesly i ellipse o 40 let později - vysokou pevnost, tuhost, bezpečnost a rychlost.

Díky těmto materiálům bylo možné použít i náročnější technologické prvky. Slovy Martina Vyskočila, který letadlo dokáže popsat jazykem konstruktéra aerodynamika: „ellipse je dolnoplošník s eliptickým křídlem, které má integrovanou štěrbinu na náběžné hraně křídla v místě křidélek a které je vybaveno účinnou fowlerovou vztlakovou klapkou.

Eliptický půdorys křídla má hlavní poloosu elipsy umístěnou v hloubce profilu 70 % tak, aby klapka i křidélka byly ofukovány kolmo na proud vzduchu. Střednice křídla ve směru po rozpětí je prohnuta tak, aby horní povrch křídla v maximální tloušťce tvořil přímku. Křídlo je dělené a spojené pomocí krakorců v centroplánu, který nese podvozek.

Ocasní plochy mají uspořádání ve tvaru „T“. Trup má proudnicový tvar a je vybaven aerodynamicky tvarovanými přechody na křídlo a na svislou ocasní plochu.“

Zejména pak štěrbina a nosník vyžadují velmi specifické výrobní postupy a materiály. Rychlé letadlo bude navíc aerodynamicky vysoce namáhané. To s sebou nese vysoké požadavky nejen na pevnost materiálu, ale také na stabilitu konstrukce (odolnost proti zvlnění).Nejvyšší pevnostní charakteristiky mají kompozitové tkaniny na bázi uhlíku.

Aby bylo dosaženo optimálního dimenzování prvků konstrukce, objevuje se uhlíková tkanina v kombinaci s pěnovým jádrem v takzvaném sendviči, který při minimální hmotnosti zajišťuje jak pevnostní, tak i stabilitní únosnost. Je tak dosaženo vysoké pevnosti a zároveň i tuhosti letadla, což je důležité z hlediska nejen statického, ale také dynamického namáhání konstrukce, zvláště pak při odolnosti proti kritickým aeroelastickým jevům (např. flutter).

Z hlediska bezpečnosti posádky je nutné pilotní prostor opatřit ještě ochrannou aramidovou vrstvou, neboť uhlíková tkanina se při destrukci tříští a mohla by způsobit zranění posádky. Přesto i s touto přídavnou vrstvou je použití uhlíkové tkaniny výhodnější.

Kompozitní technologie rovněž dobře vyhovuje požadavkům na sériovou výrobu. Formy na jednotlivé prvky konstrukce letadla jsou neměnné a výsledný komplexní tvar bude vždy stejný. Není nutné konstruovat množství přípravků pro výrobu dílů. Finální výrobky jsou tvarově stálé i při různých vnějších vlivech (teplota, vlhkost). 

Jak je to s životností

Silným argumentem zástupců kovových letadel je právě životnost a snadná možnost rychle kontrolovat, v jakém stavu je materiál letadla. Šíření únavové trhliny v konstrukci letadla mívá zpravidla fatální následky, zvlášť pokud není tento fenomén řešen předem v návrhu konstrukce letadla.

Nebývá obvyklé, aby se tato problematika s ohledem na požadavky předpisu u letadel kategorie UL běžně řešila. Je však známo, že v kompozitních materiálech se únavové trhliny šíří velmi špatně, proto i z tohoto důvodu byl zvolen pro letoun ellipse již v samém počátku kompozitní materiál.

Problémy u kompozitních materiálů jsou jiné. Jsou dány technologií a také jsou přímo úměrné míře ruční práce při výrobě kompozitové konstrukce. Mezi problematické jevy patří tzv. delaminace, tedy odlepení jednotlivých vrstev tkaniny a tím ztráta pevnosti.

Ruční technologie také způsobuje rozptyl kvality dané kompozitové vrstvy, kdy různé sycení vrstev má za následek různou pevnost daného dílu konstrukce. Na tyto problémy už předpis myslí a je požadován přídavný součinitel bezpečnosti konstrukce, který zahrnuje vlivy dané technologií výroby kompozitové konstrukce tak, aby letadlo bylo bezpečné.

S rozvojem kompozitní technologie a s vyšší automatizací výroby (eliminace lidského faktoru ve výrobě) je zde potenciál pro snížení tohoto přídavného součinitele bezpečnosti a tím významné zefektivnění konstrukce letadla.

Co kompozity ellipse přinesly

Již z hlediska samotného konceptu letounu, jehož součástí bylo od začátku použití eliptického křídla, bylo zřejmé, že nebude možné použití dřeva nebo plechu. Na celém vnějším povrchu letounu ellipse se nenachází místo, kde by byla přímková plocha (neboli plocha s jednou křivostí).

V absolutní převaze se zde vyskytují plochy s dvojí křivostí (zborcené plochy). Výroba těchto ploch ze dřeva nebo plechu by byla velmi pracná a drahá, v některých detailech pak nemožná. S vědomím, že při výrobě letounu bude využita CNC technologie a kompozitní materiály, se otevřely obrovské možnosti ohledně designu letadla.

Kompozitní tkaniny zvládají složitě tvarované plochy velice dobře. Dokonce z hlediska stability jsou takovéto plochy i výhodnější. Díky skládání jednotlivých vrstev je možné dosáhnout v každém místě konstrukce optimálního dimenzování a dosáhnout tak optimální hmotnosti pro každý jednotlivý díl. Bylo možné navrhnout komplexní tvarování letadla, které je aerodynamicky i pevnostně výhodnější, a dosáhnout tak jeho vyšších výkonů.

Volba kompozitních materiálů umožnila pohybovat se s ellipse na hraně technických možností doby. Bylo možné realizovat unikátní aerodynamické řešení bez technologických omezení. Pokročilý návrh konstrukce umožnil synergii možností CAD/CAM systémů s citlivým dimenzováním konstrukce na hranici materiálových možností. Bylo dosaženo výjimečné bezpečnosti letadla jak z hlediska chování za letu, tak i z hlediska ochrany posádky při nehodě.

Během let dochází ke změnám na poli legislativy a zároveň i k posunu na poli technologickém, což otevíráu ellipse ještě další možnosti, kam se posunout a co dále zlepšit. Je patrné, že potenciál koncepce ještě není zcela vy- čerpán a lze jej posouvat dál.

Trenky nebo slipy?

Doba, technologie a reálně létající letadla již ukázaly, že kompozitová konstrukce umožňuje navrhovat a stavět moderní, rychlá letadla, na kterých konstruktéři dokážou ideálně vybalancovat vlastnosti materiálů, požadavky předpisové základny a této rovnováhy využít ve prospěch pilota. Debaty na téma zda hliník nebo kompozity ale stále pokračují. A je to určitě dobře. Asi by nám to chybělo.

A co u vás? Trenky nebo slipy?

Info:

Roving: Svazek jednosměrných vláken, nejlépe si je představit jako niť. Používá se tam, kde potřebujeme přenést tahové nebo tlakové zatížení. Z rovingů se také tkají biaxiální a multiaxální tkaniny.

Aramid^TM: Materiál, jinak známý pod názvem Kevlar. Jedná se o syntetický materiál, který se v letectví používá hlavně v částech konstrukce, kde je potřeba dosáhnout vysoké odolnosti proti rázovému poškození, například bezpečnostní části kokpitu.

Uhlík: Vlákna z čistého uhlíku se vyznačují vysokou pevností a tuhostí při nízké hustotě. V konstrukci letadel se používají obvykle ve formě tkaniny nebo rovingu na pevnostní díly, například nosník a potah křídla.