Imię i nazwisko

Nr indeksu: 111111

WEEIA

Energetyka

Rok akademicki 2013/14

PROJEKT

MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE I EKSPLOATACYJNE

Temat: Statecznik pionowy samolotu odrzutowego

OCENA __________

1. Wstęp

Statecznik (zwany również brzechwą) – nieruchoma część na tylniej części samolotu. Wykorzystywany jest on głównie do stabilizowania pozycji w locie. Razem ze sterem kierunku tworzą usterzenie samolotu. Za jego pomocą pilot steruje ruchem samolotu dookoła osi pionowej. Oznacza to, że może wykonywać on manewr skrętu w prawo bądź w lewo.

Wyróżnia się różne rodzaje stateczników pionowych, najczęściej spotykaną konfiguracją jest statecznik pojedynczy, w niektórych samolotach wojskowych pojawiają się również stateczniki podwójne. Inne konfiguracje stateczników są spotykane dość rzadko np. usterzenie motylkowe gdzie na ogonie samolotu występują tylko dwa stateczniki ustawione względem siebie na wzór litery "V" pełnią jednocześnie role stateczników pionowych i poziomych. W samolotach odrzutowych najczęściej montowany jest statecznik pojedynczy.

Budowa statecznika pionowego jest mocno zbliżona do budowy skrzydła samolotu. Wewnątrz znajduje się szkielet wykonany z elementów podłużnych, zwanych dźwigarami lub podłużnicami oraz elementów poprzecznych- żeber zwykłych lub wzmocnionych. Szkielet ten przymocowany jest do kadłuba i okryty pokryciem wykonanym z odpowiedniego materiału.

Rys1. Zdjęcie statecznika pionowego Airbusa A380. (na zdjęciu widać jak wielki jest w porównaniu z przeciętnym człowiekiem)

1. Analiza warunków pracy

Stateczniki pionowe pracują w takich samych warunkach jak większość części samolotu. Dlatego też muszą być odporne na wiele czynników zewnętrznych jak i wewnętrznych. Do podstawowych właściwości statecznika możemy zaliczyć m.in.:

• Odporność na warunki atmosferyczne.

Jest to dosyć istotne w przypadku statecznika, ponieważ musi być on odporny na szeroki zakres temperatur. Na wysokości na jakiej latają samoloty odrzutowe (ok. 13 km) temperatura spada do nawet -50⁰C a ciśnienie stanowi tylko 20% ciśnienia panującego na powierzchni ziemi. W takich warunkach na stateczniku osadzają się kryształki lodu, które mogą wywołać kosztowne uszkodzenia. Samoloty latają w bardzo różnych warunkach atmosferycznych działa na nie deszcz, silny wiatr . Dlatego też ważne jest aby materiał z którego są wykonane był odporny na korozję, a sam statecznik był szczelny by do środka nie dostawała się woda.

• Odporność na działanie spalin.

Statecznik jako że jest elementem położonym za silnikami narażony jest na działanie. Ważne jest aby materiał z którego wykonane jest jego pokrycie był odporny na działanie trujących gazów.

• Wytrzymałoś na obciążenia aerodynamiczne

Podczas lotu prędkość samolotu jest bardzo duża, aby nie zmniejszać prędkości a jednocześnie nie zwiększać naprężeń działających na statecznik pionowy należy tak zaprojektować jego budowę aby był on jak najbardziej opływowy.

• Odporność na obciążenia masowe.

Należy pamiętać, że statecznik pionowy jest elementem statku powietrznego dlatego też jego masa nie powinna być zbyt duża. Większa masa jest równoznaczna z większym zużyciem paliwa. Dlatego aby loty były jak najbardziej ekonomiczne należy ograniczyć masę do możliwego minimum.

• Odporność na wstrząsy i drgania.

Podczas startu oraz lądowania na statecznik działają duże siły. Także w czasie lotu samolot narażony jest na działanie niekorzystnych sił np. podczas turbulencji. Oczywistym jest że budowa statecznika jak i sposób mocowania z kadłubem muszą być odporne na drgania.

• Długa żywotność materiału.

Przeciętny odrzutowy samolot pasażerski spędza w powietrzu od 200 do 400h na miesiąc. Dlatego też materiały z jakich jest wykonany powinny być możliwie jak najbardziej wytrzymałe.

1. Wybór materiału

Materiałów spełniających powyższe warunki nie znajdziemy zbyt wiele jednak jest pewna grupa która dzięki swoim właściwością nadaje się na materiał do produkcji statecznika pionowego.

Statecznik pionowy możemy podzielić na kilka elementów wchodzących w jego skład:

- szkielet wewnętrzny

-pokrycie

-śruby mocujące do kadłuba

-oś mocująca ster kierunku

Szkielet wewnętrzny jest częścią odpowiedzialną za sztywność całego statecznika, dlatego musi być wykonany z materiału możliwie najmniej odkształcalnego, twardego ale jednocześnie lekkiego. Dobrym materiałem do jego produkcji są stopy aluminium, stopy tytanu, a także stale stopowe o niskiej zawartości węgla.

Duraluminium, dural, wieloskładnikowy stop aluminium, miedzi (2.0-4.9 %),magnezu (0.15-1.8 %), manganu (0.3-1.0 %) z domieszkami krzemu i żelaza, przeznaczony do obróbki plastycznej.
Duraluminium charakteryzuje się dobrymi własnościami mechanicznymi przy stosunkowo małym ciężarze właściwym ((2,8 g/cm3)) oraz dużą odpornością na korozję.

Pokrycie jest zewnętrzną częścią statecznika. Materiał z którego misi być wykonane powinien być przede wszystkim lekki, wytrzymały, odporny na korozję i działanie warunków atmosferycznych. Doskonale nadają się do tego kompozyty, które z resztą coraz częściej stosowane są w budowie samolotów. Jednymi z lepszych materiałów mogą być włókno węglowe lub CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) czyli kompozyty węglowe zbrojone włóknem węglowym (które wykorzystywane jest w najnowszych Airbusach)

Włókno węglowe- jest to bardzo lekki a zarazem wytrzymały materiał stosowany w wielu przemysłach. Dzięki swoim właściwościom jest coraz częstszym zamiennikiem droższych i cięższych materiałów (głównie metali i ich stopów)

Śruby mocujące statecznik do kadłuba- pełnią bardzo ważną rolę w samolocie. Muszą utrzymać 15 metrowej wysokości statecznik na który działają różne siły (m.in. wywoływane przez silny wiatr, bądź też strumień powietrza podczas lotu). Dlatego też powinny być twarde, lekkie, wytrzymałe a przy tym odporne na korozję. Dobrym materiałem to ich wyrobu są np. stopy tytanu.

Stopy tytanu- lekkie (ok. 4,5 g/cm³) stopy, zawierające tytan (73-99%) z glinem, manganem, cyną, molibdenem, chromem, cyrkonem, palladem lub wanadem.
Mają dobre właściwości mechaniczne w szerokim zakresie temperatur, poddają się obróbce plastycznej, skrawaniu, odlewaniu, zgrzewaniu, spawaniu i lutowaniu.

Oś mocująca ster kierunku- oś dzięki której jest przymocowany ster do reszty statecznika. Oprócz twardości i lekkości powinna charakteryzować się małym tarciem i wytrzymałością na ścieranie. Dobrym materiałem do jej produkcji są stale konstrukcyjne.

1. Wybór materiału oraz normy

Szkielet wewnętrzny- stop aluminium PA9/ 7075 – dural (PN EN AW-7075)

Stop aluminium 7075 ma wysoką wytrzymałość mechaniczną, porównywalną do stali konstrukcyjnych oraz bardzo wysoką wytrzymałość zmęczeniową.

Twardość- 190 HB

Gęstość- 2,81 g/cm³

PA9 / 7075 - skład chemiczny [%]
Si
Max
0,40

Pokrycie- CFRP – Carbon Fiber Reinforced Plastics (ASMT D256)

Tworzywa wzmacniane włóknem węglowym. Kompozyty węglowe to niezwykle wytrzymały i bardzo lekki materiał składający się polimeru i włókien węglowych. Jest to kompozyt o osnowie epoksydowej ze wzmocnieniem z ciągłych włókien węglowych – o kącie ułożenia kolejnych warstw 0/90/±45

Konstrukcja z udziałem kompozytu CFRP waży tylko 1/5 tego co stal.

Śruby mocujące- tytan (PN 82215)

Jest stosunkowo lekki (gęstość 4507 kg/m³), o dużej wytrzymałości mechanicznej

Handlowy tytan o czystości 99,2% posiada wytrzymałość na rozciąganie 434 MPa, porównywalną z rozciągalnością stali, jednak jest lżejszy od nich o 45%

Ma wysoką twardość, trudno się obrabia mechanicznie

Oś mocująca ster kierunku- stal konstrukcyjna wyższej jakości „45” / 1.0503 - 1.1730 (PN C45)

Posiada dużą wytrzymałość i twardość, można poddawać ją wielu procesom technologicznym co ją jeszcze ulepszy

Twardość 250 HB

„45” / 1.0503 - 1.1730 - skład chemiczny [%]
C
0,42
0,50

1. Technologia wytwarzania materiałów:

Szkielet wewnętrzny

Poszczególne części szkieletu takie jak dźwigary i żebra zostają odlane i przyjeżdżają do fabryki w postaci gotowych półproduktów.

Następnie zostają połączone razem za pomącą węzłów międzydźwigarowych tworząc szkielet statecznika piionowego.

Pokrycie

Pokrycie wytwarzane jest metodą autoklawolą. Proces ten stosowany jest do wszystkich elementów "krytycznych", a więc pracujących w newralgicznych częściach konstrukcji.

Metoda autoklawowi czyli inaczej metoda z wykorzystaniem autoklawu czyli hermetycznego, dużego zbiornika polega na rozwinięciu technologii worka próżniowego. Pozwala on na jednoczesne wykorzystanie podciśnienia, nadciśnienia oraz temperatury, a to z kolei przekłada się na wytworzenie elementów o wysokiej jakości

Śruby mocujące

Śruby wytwarza się metodą kucia na zimno następnie jako gotowe półprodukty trafiają do fabryki gdzie zostanie nimi przytwierdzony statecznik pionowy.

Kucie – proces technologiczny, rodzaj obróbki plastycznej, polegający na odkształcaniu materiału za pomocą uderzeń lub nacisku narzędzi. Narzędzia – czyli matryce lub bijaki umieszczane są na częściach ruchomych narzędzi.

Oś mocująca ster

Osie po procesie odlewania przyjeżdżają do fabryki jako gotowe półprodukty

Kolejnym elementem procesu produkcji statecznika pionowego jest połączenie wszystkich części razem. Szkielet pokrywa się uprzednio wykonaną powierzchnia z włókna szklanego, na osi mocuje się ster kierunku.

Kolejnym etapem jest pomalowanie gotowego już statecznika a następnie zamocowanie go do kadłuba samolotu za pomocą 24 tytanowych śrub.

1. Kosztorys

• Szkielet statecznika, materiał dural, cena: 70zł/ kg

• Pokrycie, materiał CFRP, cena 200-400zl/kg

• Śruby mocujące, materiał tytan, cena 25zł/ szt.

• Oś mocująca ster, materiał stal konstrukcyjna 20zł/kg