Tervezési folyamat alaptudományai

Aerodinamika

 

Mit jelent az a szó hogy "Aerodinamika"? A szó két görög szóból tevődik össze, az "aeiros" levegő és "dynamis" erő. Az Aerodinamika a levegőben mozgó tárgyakra ható erők ( Esetünkben a repülőgép ) és ennek eredményeképpen kialakuló mozgásokkal foglakozik. Évezredeken át érdekelte az embereket az Aerodinamika ( Daidalosz, Ikarosz ), azonban az elmúlt száz évben vált az Aerodinamika a repülés alaptudományává. A repülés birodalma a levegő, és a repülőgépeket már külső formájukban úgy kell kialakítani, hogy mozgásuk közben a levegőben a repülést lehetővé tegyék és azokon emelő erő keletkezzen.

A kedves olvasó ne ijedjen meg hogy most "belevágok" e csodálatos tudományág részletes ismertetésébe, mert akit érdekel a téma részletesen, megtalálja a honlapom Linkek/Repülőgép/http://www.bme.hu weboldalon, mely azonban némi kattingatást igényel, de aki kitartó, az eredménnyel jár és megéri. Van egyszerűbb módja a keresésnek, csak berakjuk a "google"-ba hogy "Aerodinamika" és tömegével jönnek a cikkek, e témában, jó elmélkedést kívánok.

 

Meghajtás

 

A "Propulsion" magyarul a meghajtás, két Latin szóból áll, úgy mint "Pro" jelentése "előtt", és "pellere" jelentése "hajtás". E témával a "Tolóerő" részben már foglalkoztam, csak annyival egészíteném ki a témát hogy a repülőgépeknél két fő meghajtó rendszerről beszélünk: a légcsavar és a gázturbina (vagy jet) mint meghajtó motor és a mérnök a tervezésnél e két alap lehetőséget veszik figyelembe.

                                                             

   Anyagok és szerkezetek                                                        

 

Az anyagok és szerkezetek tudománya, azokkal az anyagokkal foglalkozik, melyeket a repülőgépek (törzs, szárny, farok) és azok hajtóműveinek az építésekor használnak, hogy kellő szilárdságot és stabilitást biztosítsanak a repülőgép repülése során. A mai korszerű repülőgépeknél egyre inkább használják az un. kompozit anyagokat, melyek szilárdsága vetekszik más anyagéval, ugyanakkor óriási súlycsökkentést lehet velük elérni. Ma már az új fejlesztésű gépek összes kormánylapjai, különféle rekeszajtók, sőt egyes típusnál maga a teljes függőleges vezérsík is kompozit anyagból készül. A repülőgép általános szerkezeti felépítését az alábbi ábrákon szemléltetem, még a MALÉV korabeli klasszikus TU-134 tipusu repülőgépén:

 

A repülőgép főbb szerkezeti egységei

 

A repülőgép "robbantott" szerkezeti ábrája

 

A repülőgépeket feladatuk ellátásához sok szerkezeti egységből kell felépíteni, nagyszámú berendezéssel kell ellátni.  Az együttesen működő, hasonló szerkezeti kialakítású egységek rendszereket alkotnak.

Gépész rendszerek, mint például, a hajtómű, sárkányszerkezet, vezérlés, futómű, hidraulika-, nagynyomású levegő-, tüzelőanyag-, kondicionáló-, és  jégtelenítő rendszer, valamint utaskényelmi és tehertér-, pilótafülke-, és speciális berendezések.

Különleges rendszerek, mint például, elektromos rendszer, rádió- , radar- navigációs műszer berendezések, tűzoltó rendszer, oxigén rendszer.   

 

Vegyük sorra röviden a rendszereket:

Hajtómű, mely a repüléshez szükséges energiát biztosítja. a hajtómű lehet légcsavaros dugattyús motor, légcsavaros gázturbina vagy sugárhajtómű. A különböző hajtómű típusok más-más módon kapcsolódnak a sárkányszerkezethez. A mai korszerű utasszállító gépeknél a hajtóművet a a szárny alatti konzolos gondolában helyezik el.

 

Az egyik leginkább elterjedt hajtómű típussal kezdeném a bemutatást, mégpedig gázturbinás sugárhajtóművel. A fenti ábrán látható hajtóművet ma már a polgári gépeken nem használják, azonban az elméleti megértés szempontjából, jó kiinduló alap. Sorrendben a fő részei: beömlőnyílás, kompresszor, tüzelőtér, turbina és a fúvócső. Működése a következő: álló helyzetű repülőgép működő hajtóművének beömlőnyílásába áramló levegő felgyorsul. Ha "v" sebességgel haladó repülőgép hajtóművének beömlőnyílásásba áramló levegő lelassul a kompresszorba való belépéshez szükséges értékre. A kompresszorban nyomása, hőmérséklete és sebessége megnő. A kompresszorból kilépő levegő beáramlik a tüzelőtérbe, ahol hőmérséklete a befecskendezett, ill. az elégetett tüzelőanyag hatására tovább növekszik ( 2000-2500 C° ), majd a turbina előtti megengedett értékre lecsökken (tüzelőtér szekunder áram ). A tüzelőtér kezdetén a sebessége csökken, majd a turbina felé haladva fokozatosan nő, a nyomása megközelítően állandó értéken marad. A tüzelőtérből a gáz a turbinába áramlik, ahol nyomása és hőmérséklete csökken, átlagsebessége pedig növekszik. A nevezett közeg jellemző értékeinek változásával a turbinában a hőenergia és a nyomás egy része átalakul mechanikai munkává, ami a hajtómű kompresszorát és segédberendezéseit forgatja. A hőenergia és nyomás nagyobb része a fúvócsőben mozgási energiává alakul, vagyis tovább növeli a gáz sebességét, felgyorsul, és ennek hatására tolóerő keletkezik.

Alap elveket tekintve a többi gázturbinás hajtómű típusok is hasonló elven  működnek, úgy a légcsavaros mint a kétáramú gázturbinás hajtóművek. Azonban a kétáramú gázturbinás hajtóműveknek van egy mai korszerű, széles körben alkalmazott típusa, ez pedig a "Turbo Fan Engine", ahol a fentiekben bemutatott  hajtóművet (burkolatot),  körülvesz egy nagy átmérőjű "fan", úgynevezett ventilátor fokozat, a hajtómű elején és egy kiegészítő turbina fokozat a fan fokozat meghajtása céljából, egy meghajtó tengelyen keresztül. Osztott a kompresszora is kis- és nagynyomású kompresszorból áll. Ennek a hajtómű típusnak a legsikeresebb változata a CFM56 hajtómű, és most 2014-et irunk ( Francia, SNECMA és USA GE Aviation kooperációjának az eredménye ), mely típust 1974 óta gyártják, és kb. 20 ezres daraszámnál tartanak, a kiváló megbízhatósági paraméterei és nem utolsó sorban a tüzelőanyag fogyasztása miatt. Mind az Airbus és mind a Boeing felszereli kis hatótávolságú repülőgépeire ( Pl. A320, A340, Boeing 737 és így tovább ). Versenytársai a Pratt & Whitney USA-ból, valamint a Rolls-Royce Angliából.

 

 

Ezen csodálatos ábra jól szemlélteti a hajtóműben zajló "hideg" és meleg levegő áramlását 

 

Szárny, feladata a felhajtóerő  létrehozása. Felülnézeti alakja lehet téglalap, trapéz és ellipszis, kis sebességű repülőgépeknél alkalmazzák. Nagysebességű repülőgépeknél a szárnyat nyilazzák, tehát a törzshöz képest a szárny szöget zár be. Nyilazott szárny alkalmazásával elkerülhető az ellenállás aránytalan megnövekedése a szubszónikus sebességek (azaz hangsebesség alatti, 0.8 Mach-nál kisebb sebesség, mely sebességgel  az utasszállító repülőgépek repülnek ) esetén. Minél nagyobb a nyilazási szög, annál stabilabb és kormányozhatóbb a repülőgép a hang körüli sebességértékeken. Ezeknél a szárnyaknál kis sebességnél nem jön létre elég felhajtóerő, így a repülő fel- és leszállósebességét jelentősen növelik. A szárny igénybevétele nyírás, hajlítás és csavarás, de a legnagyobb igénybevétel a szárny síkjára merőleges hajlítás és csavarás. A szárny fő szerkezeti elemeit az alábbi ábrán szeretném bemutatni:

 

 

A nagysebességű és nagy teherbírású repülőgépeknél, vagyis  a mai korszerű gépek szárnya "integral" szerkezet, ahol a teherviselő borítás vastagsága elérheti az 5-12 mm vastagságot és egyetlen darabból munkálják ki forgácsolással:

 

 

 

 

Az utasszállító repülőgépeknél, a szárny szerkezetében helyezik el a tüzelőanyag ( gázturbinás hajtóművek üzemanyaga a kerozin, mely a lepárlási folyamat során a benzin és a gázolaj között helyezkedik el ) tartályokat, melyek mérete a repülőgép szárny méretének a függvénye, karbantartás vagy hibajavítások során a tartályok belső terébe, nyílások leszerelése után a vizsgálatot végző személy bejuthat. Például egy 747 szárny tartályában a törzs közeli rész szakaszában, olyan méretű, hogy egy átlagos magasságú személy felállhat benne. A szárny kiegészítő berendezésekkel van felszerelve, úgy mint csűrőlap ( a jobb és bal szárnyon van egy-egy csűrőlap, melynek a feladata a szárnyon a felhajtóerő megváltoztatása és ezzel a repülőgép hossztengely körüli kormányzása ), orrsegédszárny, fékszárny.

A MALÉV-nél eltöltött közel 40 éves munkaviszonyom alatt a rendszerváltást követően, számtalan esetben utaztam, munkámból adódóan, a repülőgépgyártás egyik "Mekkájába" a Boeing gyárba Seattle-be, és minden egyes kiküldetésem alatt lehetőségem volt a Boeing csarnokokat , vagyis a szerelő szalagokat, megtekinteni. Hatalmas és felejthetetlen élmény volt. Pár képkockát bemutatnék e gigantikus gyárról, honlapom Galléria/Repülés oldalán amikor is éppen a szárny gyártásának folyamata látható. Továbbá bemutatnék a kedves olvasónak néhány képet a Boeing 747 életéből, mely repülőgépet a legjobban a szívembe zártam, hiszen egy sikeres "egyedi csoda" a repülés történetében.

 

Törzs, a repülőgép különféle berendezéseinek, rendszereinek és alkatrészeinek az elhelyezésére, a repülőgép személyzetének, az utasoknak, a hasznos terheknek,az elhelyezésére szolgál. Kétféle törzsszerkezet létezik a rácsszerkezetű és héjszerkezetű. Az utasszállító repülőgépek törzse minden esetben héjszerkezetű, a teherviselés és a túlnyomás biztosítása miatt. A héjszerkezetű törzs fő teherviselő elemi: a borítás, a törzskeretek és a hosszmerevítők:

 

 

A túlnyomásos repülőgéptörzset általában kör keresztmetszetűre építik, de néhány típusnál ellipszis formájú. A pilótakabin és az utastér túlnyomás alá kerül. A belső túlnyomás a borítást húzásra veszi igénybe, és minden fel- leszálláskor, ismétlődő fárasztó igénybevételnek van kitéve  a törzs. Általában törzs belsejében 2-3 ezer m repülési magasságnak megfelelő nyomást tartanak fenn ( a túlnyomás nagysága 0.3-0.7 kp/cm² ). A törzsön "kiváltások" vannak, úgy mint pilóta kabain üvegezései, utastér ablakai és a szerelő  nyílások. Utastér ablakai fémkeretbe illesztett szerves üveglapok, melyek igénybevétele igen nagy. Pilótafülke üvegezése készülhet szerves és szilikát üvegből, melyből az utóbbi fűthető és több rétegű. Az utastér egyes ablaki egyben vészkijárati ajtóként  szolgálnak, és ezek előtti területet szabaddá teszik - ott nincs utasülés -  az esetleges mentési eljárás részeként. A túlnyomásos törzs ajtói teherviselő szerkezetűek, bonyolult kialakításuk révén, repülés közben a törzs részeként működnek, leszállás után, kifelé nyílva az utasok be-kilépését szolgálják.

 

Farokfelületek, a repülőgép stabilitását és vezérlését biztosítják, létezik vízszintes farokfelület ( Vízszintes vezérsík és a ráépített magassági kormánnyal , mely a repülőgép kereszttengely körüli stabilitását, a magassági kormány a repülőgép kereszttengely körüli kormányzását biztosítja ) és függőleges farokfelület a ráépített oldalkormánnyal ( Függőleses farokfelület a repülőgép stabilitását biztosítja a függőleges tengely körül, az oldalkormánnyal a repülőgépet ugyanezen tengely körül kormányozzák ).

 

Futómű, az utasszállító repülőgépek három , vagy a nagyobbak még több ponton érintkeznek a talajjal, úgy mint egy ponton az orrfutó (melynek a szerepe a kormányzáskor van ), és több ponton a főfutó ( melynek a feladata, viselni állóhelyen a gép súlyát, guruláskor a mozgást, leszálláskor pedig a biztonságos földet érést ). A gurulás, nekifutás és leszállás során nagy igénybevételnek vannak  kitéve a futóművek, vagyis  a terheléseket a sárkány szerkezetre a futó kerék köpeny valamint a rugóstag adja át. A rugóstagok lesszálláskor nagy függőleges irányú gyorsulást szenvednek, 2-3 szoros terhelési többszörössel, vagyis energiafelemésztő képességük révén, biztosítják a megbízható leszállást.A főfutó kerekek fékezhetőek, és a mai korszerű repülőgépek fékrendszere bonyolult szabályozó rendszereken keresztül biztosítják a biztonságos talajra érést, majd fékezést, nedves, havas , vagy rossz futópálya viszonyok esetén is. A futók behúzhatok és leszálláskor kiengedhetők ( három zöld, vagy három piros lámpa a kabinban, a pilóták "bibliája" ).

                                                                                                                  Orrfutó

                                                                                                                 Főfutó

 

Hidraulika rendszer és a nagynyomású levegőrendszer, feladta a repülőgépen szükséges mozgatások magvalósítása. Jellegzetesen ilyen a futómű behúzása és kibocsátása, a fékszárnyak mozgatása, az orrkerék kormányzása.

 

Tüzelőanyag rendszer, a gázturbinás sugárhajtóműveket látja el kerozinnal, a dugattyús motorokat pedig benzinnel. A mai korszerű utasszállító repülőgépek mindkét szárny rekeszei  az úgynevezett "keszontartályok", üzemanyaggal vannak feltöltve, sőt létezik az un. törzs keszon tartály is. A keszontartály lényege az hogy ilyenkor a szárny vagy a törzs szerkezete tartállyá van kialakítva. Ilyenkor a szegecselt héjszerkezet nem hermetikus, ezért szigetelésről külön kell gondoskodni. A tömítés céljából a tartály belső felületét összefüggő műanyagréteggel vonják be, kb. 0.5-3 mm vastagságban, sőt még az egymásra lapolt lemezek szegecsvarratainál is. A szárnyon belül nem egy tartály van, hanem több részből áll, belül bordákkal, hogy a repülőgép mozgása közben a kerozin csillapodjon. A tartályokból a kerozin szivattyúk-csővezetékek  segítségével jut el a hajtóműhöz. Megint egy alapvető pilóta "lecke", hogy megtervezni a szükséges üzemanyag mennyiségét és még a kitérő reptérre is maradjon, sajnos voltak itt is problémák a "történelem" során.

 

Kondicionáló rendszer, feladata, a törzs belsejében az emberi életfeltételek - hőmérséklet, magasságtól független légnyomás és a légcsere - biztosítása.

De nézzük egy kicsit alapjaiban, azt a fránya levegőt ( oxigént ), mely sok ember életét megkeserítette, vagy hiánya halálukat okozta. A légkör jellemzői paraméterei  a magasság növekedésével, jelentős mértékben változnak. A levegő hőmérséklete földközelben a mérsékelt égövben átlagosan 15C°, a hőmérséklet a magasság növekedésével arányosan csökken 11 km magasságig. Ezen a magasságon a hőmérséklet - 56.5 C° és 40 km magasságig nem változik. A légkör nyomása földközelben 1.01 bar( 1bar = 10 az 5 ken Pa = 1.02 at ). Ebből a nyomásból 0.212 bar az oxigén parciális nyomása, vagyis résznyomása. A további 0.798 bar nyomást a légkör nitrogén- és egyéb gáztartalma hozza létre. Az oxigén parciális nyomásával arányos az emberi vér oxigéntartalma. A repülési magasság növekedésével a vér oxigéntartalma csökken, mivel a környezeti nyomás csökken, Kb. 3 km repülési magasságig az emberi szervezet különösebb károsodás nélkül elviseli a levegőnyomás csökkenését. 5 km magasságban ( 0.5 bar ) a kis nyomás, és az oxigénhiány miatt eszméletvesztés következhet be. Ezen a magasságon a repülőgép belsejében , a pilótafülkében és az utasterekben túlnyomást kell létrehozni, oxigén adagolása mellett.

Ezért 10 km körüli repülési magasság megvalósításához a repülőgépet túlnyomásos törzzsel kell építeni. A pilótafülkét és az utasteret a hajtóművektől elvett levegővel túlnyomás alá kell helyezni. A túlnyomás értékének akkorának kell lenni, hogy az emberi szervezet számára megfelelő nyomást és oxigénellátást biztosítson. Nem növelik a törzs nyomását a földközeli repülésnek megfelelő értékig, mert az egyrészt a törzsszerkezet túlzott igénybevételét jelentené, másrészt a törzs kihermetizálódása esetén az erőteljes nyomásváltozás dekompressziós eszméletvesztést vagy halált okoz. A fenti feladatot a repülőgép kondicionáló rendszere ( magassági rendszernek is nevezhetjük ) biztosítja, mely egyrészt egy levegőbetápláló- és a nyomásszabályozó rendszerből áll. A mai korszerű utasszállító repülőgépek kondicionáló rendszere rendkívül sokoldalú, de nagyon bonyolult kialakítású. A pilóták tevékenysége ezen a rendszeren nagyon minimális, mivel szinte teljesen automatikusan működik. Az utas csak élvezi azt a 2-3 km-es magasságnak megfelelő levegőt, igaz hosszantartó repülés esetén már nagyon száraznak érezzük a torkunkat, jöhet a folyadék, ja és néha hallja a "hűtőturbina" felpörgésének hangját, ha éppen e " zajgyár"  főlé szólt a jegye.

 

Jégtelenítő rendszer, hóesés, ónoseső, zuzmaraképződés és nem utolsó sorban a jég veszélyt jelent a repülőgépek számára, földön és levegőben egyaránt. Ezért földön, indulás előtt a repülőgép felületét jégtelenítő folyadékkal vonják be, szükség esetén. Levegőben a szárnyak és vezérsíkok, valamint a hajtómű szívótorkának belépőéleit rendszerint meleg levegővel ( vagy elektromos fűtőszálak segítségével ) fűtik. Egy kivétel van és az a pilótafülke fűthető ablakai, melyeket minden esetben elektromosan fűtenek.

 

Elektromos rendszer (KLGS),  biztosítja az energiát a hajtóművek indításához, a műszerek és rádióberendezések üzeméhez, világítás, jégtelenítés, az összes csapok, szelepek és berendezések működtetése. Pilóták jelzőinek, lámpáinak és mutatós műszereinek táplálása.

Rádióberendezések elsősorban a földi irányítással való szóbeli kapcsolatot biztosítják.

Rádiólokátor (Radar), lehetővé teszi a zivatarok elkerülését, és más gépekkel való összeütközést ( TCAS, trafic collosion avoidance system, ez egy, repülőgépek összeütközését elhárító rendszer ).

Földi irányító rendszer, leszállás közben siklópályán vezetik a repülőgépet, repülés közben a navigációs rendszer jelei alapján meghatározható a repülőgép azonosítása. A válaszjeladó rendszerek lehetővé teszik a távolságmérést és a repülőgépek azonosítását. Navigációs műszerberendezések, sebesség, magasság, emelkedési sebesség a repülőgép vezetéséhez szükségesek.

Tűzoltórendszer, a hajtóművek körzetében kiépített jelző és működtető rendszer, néha automatikusan működik, tehát érzékel és működik.

Oxigénrendszer, a nagy magasságú repülés feltételeit biztosítja, mint vészrendszereként működik a kondicionáló rendszernek. Erről minden felszállás előtt a légiutaskisérőktöl, rendszerint alapos információt kapunk.

 

 

Stabilitás és vezérlés

 

A repülőgép kormányzására szolgál a magassági kormány, az oldalkormány és a csűrőkormány. A fékszárny , orrsegédszárny, szárnyféklap a repülőgép fel- és leszállási tulajdonságait javítja. A fenti ábra alapján a működés a következő: magassági kormány, a repülőgépet a kereszttengely ( a szárnyak tengelyvonala körül ) körül kormányozza. A magassági kormánylap kitérése lefelé kisebb, felfelé nagyobb - ezt a leszállás közben előálló "megfúvási helyzet" kivánja meg. Leszállás közben a kitérített fékszárny miatt ( kitérített fékszárny által keltett nyomaték kiegyenlítésére ) a kormánylapot felfelé ki kell téríteni. Oldalkormány, a repülőgépet a függőleges tengely körül kormányozza, működtetésével a repülőgép "csúszását " is előidézhetjük. Csűrőkormány, a repülőgépet a hossztengely körül kormányozza, és ellentétesen térnek ki. Kitérítésük "orsózó nyomatékot" hoz létre. A csűrőkormányok kitérítésével is előidézhető a repülőgép csúszása.

Magassági kormánylapok kitérítése

Oldalkormány lap kitérítése

Csűrőlapok kitérítése

Ha a repülőgép elengedett kormányokkal repül, akkor a gép kormánylapjai "szélzászló" helyzetbe kerülnek. Ebből a helyzetből a kormánylap csak nyomatékkal téríthető ki, a botkormány, kormányoszlop, kormányszarv és a pedálokra kifejtett kormányerővel. A kormányerő nagysága a kitérítés mértékétől és a repülési sebességtől függ, ezért nagy sebességnél emberi erővel a kormánylapokat nem lehet mozgatni, ezért a pilóta közvetett útón mozgatja a kormánylapokat, vagyis hidraulikus kormányerő-csökkentő berendezések segítségével. A kormányerő nagysága befolyásolható a szárnyprofil és a kormánylap geometriai kialakításával, valamint kiegyenlítőlapokkal ( trimmlap ). A trimmlapokat elektromos motorokkal működtetik.

Az Airbus repülőgép gyár új vezérlési rendszert fejlesztett ki az utasszállító repülőgépein, az un. "fly-by-wire" számítógépes, elektromos vezérlésű kormányrendszert. A hagyományos szarvkormány helyett "joystick" és digitális kijelzésű rendszerellenőrző műszereket alkalmaztak (1987 óta ).