VYSVĚTLUJEME: Únavová poškození letadel a životnost

Tento článek navazuje na předchozí rozhovor s Jiřím, kde jsme otevřeli téma životnosti letadel.

Je mi velkou ctí, že zde mohu prezentovat některé základní pojmy, které je dobré znát a respektovat, abychom se vyhnuli zbytečným rizikům, především v provozu.

Pár slov na úvod

Životnost letadel je relativně mladý obor, jemuž začala být přisuzována patřičná vážnost až po druhé světové válce, především s prvními závažnými nehodami stále větších a rychlejších letadel, jako například de Havilland DH 106 Comet.

Fyzikální zákony platí bohužel, i bohudík, pro všechny stejně, a tak se degradační projevy způsobené cyklickým namáháním mohou vyskytovat jak na těch nejmenších, ultralehkých letadlech, tak vrtulnících i dopravních letadlech.

Rozmanitost mechanických projevů, společně s komplikovaným matematickým popisem, většinu čtenářů dokáže hned na počátku jejich zájmu odradit nebo uspat. Proto se budu snažit popsat některé důležité body jednoduše a čtivě. Nerespektování zákonitostí únavy však vede do záhuby, a proto bych dnes rád popsal některé obecné principy a v dalších článcích uvedl příklady na motorech a dracích.

Životnost letadel

Jedná se o počet cyklů, po které může daný díl, sestava, motor, drak či agregát být v provozu za předem stanovených podmínek. Jedním cyklem může být jedna letová hodina, start motoru, přistání nebo daný časový úsek, například jeden rok. Počet cyklů může být určen tzv. natvrdo, například maximálním povoleným počtem letových hodin anebo podle aktuálního stavu zjištěného definovaným postupem.

To zajímavé je, že stejná letadla, vrtule či motory a další sestavy mohou mít při srovnatelném provozu, například počtu nalétaných hodin, značně rozdílný technický stav. Některá letadla vypadají bezvadně a jiná jsou zase plná únavových trhlin a dalších degradačních jevů.

Otázkou je, čím mohou být tyto rozdíly způsobeny a jak se chovat v běžném provozu, aby nedocházelo ke zbytečnému čerpání životnosti z důvodu nedbalosti či neznalosti? Respektive aby nedošlo k destrukci letadla již během letu.

Únava materiálu a degradační jevy

Poškození vytvořené cyklickým zatěžováním materiálu nad určitou smluvní mez způsobuje postupné snižování maximálního zatížení, které je daný díl schopen přenášet. Rostoucí únavová trhlina totiž začne zmenšovat nosnou plochu dílu. Finální dolom a ztrátu stability konstrukce pak může způsobit překvapivě malé zatížení. Počet cyklů vedoucí k destrukci je dán především velikostí provozního zatížení, geometrií, materiálovými vlastnostmi a způsobem výroby.

Jak ukazuje obrázek níže, výsledná lomová plocha může být rozdělena na hladkou a hrubou část. Hladká část zde byla vytvořena postupným cyklickým zmenšováním nosné plochy. Část s hrubým povrchem byla vytvořena finálním dolomením.

Únavové poškození může být někdy doprovázeno dalšími negativními dopady dané způsobem provozu, jako například koroze, úbytek materiálu nebo deformace. Rychlost šíření poškození je pak přirozeně vyšší. Například koroze způsobující postupný úbytek materiálů může být příčinou pro iniciaci trhliny. Její šíření pak může být rychlejší ve srovnání se stejným dílem bez přítomnosti korozního poškození.

Statistika nuda je…

…Ale někdy je opravdu hodně zajímavá. Významným podílem na stavu letadlové techniky mají hodnoty zatížení a materiálové vlastnosti, které se mohou lišit. Každé letadlo má za sebou jinou historii zatěžování a každý díl má své jedinečné, neopakovatelné, vlastnosti. Aby se hodnota maximálního provozního zatížení nedostala pod hodnotu minimálního mezního zatížení, je třeba pochopit určité statistické rozdělení.

Zkusme si to představit na jednoduchém případu statického testování řady stejných pevnostních šroubů. Všechny mají shodnou geometrii, způsob výroby i materiál. Při statické zkoušce na tzv. ,,trhačce´´ však dostaneme řadu blízkých, avšak nestejných hodnot síly potřebné k destrukci šroubu. Získáme rozptyl hodnot mezního zatížení.

Z druhé strany vstupuje do hry provozní zatížení. Například nelze provést dva naprosto stejné okruhy, dokonce ani zatáčku nebo start. I kdyby to bylo za bezvětří se stejným pilotem, na stejném letišti. Pokaždé bude historie zatěžování nepatrně odlišná. Získáme rozptyl hodnot provozního zatížení.

Tyto dva intervaly, mezní a provozní zatížení, pak určují pravděpodobnost destrukce. Zjednodušeně je to uvedeno na následujícím obrázku. Analogicky tento příklad platí také pro únavovou pevnost. Úkolem konstruktérů a výpočtářů je nalézt takový stav, kdy je konstrukce dostatečně robustní, aby vydržela minimální požadovanou bezpečnost, avšak zároveň aby nebyla předimenzovaná, tzn. zbytečně těžká.

Na co si je dobré dát v provozu pozor?

Neřízené zásahy do konstrukce – Může to znít neuvěřitelně, ale stejně tak neuvěřitelné jsou pak rozbory některých leteckých nehod. Za zásah do konstrukce lze považovat i výměnu dílu s podobným materiálem nebo rozdílným výrobním postupem. Pokud změna není řízeně posouzena a odzkoušena, nelze zajistit původní míru bezpečnosti. Roli zde mohou v některých případech hrát i na první pohled zanedbatelné detaily, například v materiálových vlastnostech. 

Neodborná údržba a montáž – Podobně zbytečný hazard jako v předchozím bodě může být i dobře míněný úkon v rámci servisu, který si majitel rozhodne provést sám. Například nesprávný utahovací moment může způsobit vyšší střední napětí. S přičtením provozního namáhání může dojít k překročení meze únavy a podmínkám pro vznik trhliny. Podobné je to při neodborném nasazování pohonné jednotky na motorové lože. Pokud je lože vystaveno zvýšenému montážnímu předpětí, může dojít k jeho snížené životnosti. A případy, kdy během letu došlo k oddělení motoru od letadla, bohužel existují.

Provozní nekázeň – Začíná to nedodržováním detailů a končí pokusy o akrobatické prvky bez patřičného výcviku a různé další experimenty. Na vině někdy mohou být někdy také nesprávné návyky získané již z výcviku. Pokud je konstrukce vystavena zatížení nad maximální povolenou mez, není pak dále možné zodpovědně zaručit její minimální úroveň provozní bezpečnosti.

V příštím článku si ukážeme degradační jevy na motorech a obecně na pohonných jednotkách