Dušan Slavětínský: O letadlech
Konstrukce nosníků
Zpět     Nosníková křídla

Předchozí část: Nosníková křídla.

 
Všeobecně

Nosníky jsou základním prvkem podélné soustavy křídla. U čistě nosníkových křídel zajišťují v plném rozsahu přenos ohybového zatížení, u nosníkových poloskořepin se na přenosu ohybu významnou měrou podílejí. Jejich hmotnost je v mezích 25 - 50% hmotnosti celého křídla, přičemž vyšší hodnoty se vztahují k nosníkovým křídlům, nižší k nosníkovým poloskořepinám. Podle konstrukčního uspořádání rozdělujeme nosníky na plnostěnné a řídčeji se vyskytující nosníky příhradové.

V úvodu stránky o nosníkových křídlech je ve svých základech popsána fyzikální funkčnost nosníků. Tato stránka některé z uvedených údajů doplňuje a dále rozvádí.

Neutrální osa nosníku je čára (přesněji v prostorovém pojetí plocha), na níž se u ohybem zatíženého nosníku mění smysl jeho vnitřních osových vyvažujících sil. (Obr. 2, "Nosníková křídla").  Ze zmíněného obrázku je zřejmé, že nejlepší využití mechanických vlastností materiálu pásnic nosníku je v místech nejvzdálenějších od jeho neutrální osy.



Za předpokladu použití stejného materiálu a také stejného průřezu jak pro horní tak i pro dolní pásnici  bude neutrální osa ležet uprostřed výšky nosníku. U většiny křídlových nosníků bývá skutečně materiál obou pásnic stejný, ovšem obvykle se liší průřezy obou pásnic. Neutrální osa pak prochází společným těžištěm obou pásnic, bývá tedy blíže tlustší, převážně horní pásnici.


Poloha neutrální osy . .


Plošný moment setrvačnosti nosníku . .

.......1)



......2)

Plošný moment setrvačnosti nosníku neboli kvadratický moment jeho průřezu  J  je veličinou, která vyjadřuje vliv velikosti a tvaru průřezu a polohy pásnic na tuhost nosníku. Vztah (2) není zcela přesný neboť zanedbává vlastní moment setrvačnosti pásnic vzhledem k jejich těžišti, ale zanedbaná hodnota je řádově menší a nemá podstatný vliv na výsledek.

Na konečné tuhosti nosníku se vedle velikosti a tvaru průřezu pásnic uplatňují i mechanické vlastnosti použitého materiálu, konkrétně jeho modul pružnosti v tahu E. S uvážením vlastností materiálu pak tuhost nosníku vyjádřuje součin modulu pružnosti a kvadratického momentu EJ.



Nosníky plnostěnné:

Pokud pomineme dřevěné nosníky vyztužených křídel z počátků stavby letadel s průřezy obdobnými těm na obr. 2, pak považujeme plnostěnné nosníky soudobých letadel v převážné většině za tenkostěnné konstrukce. Jejich charakteristickým znakem jsou silné, robustní pásnice a tenká stojina, případně více stojin. V pásnicích vyvolává zatížení nosníku dvojici vnitřních osových sil, které uvádějí do rovnováhy zatěžující ohybový moment v daném místě nosníku působící. Posouvající sílu zatěžující křídlo vyvažují smykové síly působící ve stojině.


 Pokud je stojina přiměřeně tenká oproti robustním pásnicím, pak je podíl, kterým stojinu zatěžují osové síly od ohybového momentu prakticky zanedbatelný a stejně nepatrné je smykové zatížení pásnic posouvající silou. (Nosníková křídla, obr. 2).

Na obr.3 (této stránky) je ukázka průběžného dřevěného nosníku stíhacího letounu Jak-1. Nosník je skříňového typu, horní pásnice (1) i dolní pásnice (2) jsou lamelovány z borových lišt, skříň je uzavřena dvěma překlížkovými stojinami (3) po stranách. Průřez pásnic po délce rozpětí se mění, směrem ke koncům křídla se zmenšuje. V místě uchycení zavěšení trupu do křídla jsou umístěna kování (4), pro zavěšení podvozku slouží kování (5). V místech všech kování je prostor pod stojinami mezi pásnicemi vyplněn lamelovanými výkližky (6). Ve volném prostoru mezi pásnicemi je vklížena sada rozpěrek (7) pro vyztužení stojiny.



Na obr. 4 je vyobrazen kovový vetknutý nosník stíhacího letounu Bf-109. Nosník má po větší části rozpětí profil I, blízko konce křídla přechází do profilu C. Pásnice (1) jsou vyrobeny z duralových L profilů (3), jejichž průřez se ke konci křídla zmenšuje. Stojina (2) je z duralového plechu, v kořenové části tlustšího, na konci křídla je plech tenší. Zadní pásnice (na obrázku z viditelné strany nosníku) ke svému konci v oblasti mezi řezy A a C degraduje z L profilu pouze do svislé příložky nýtované ke stojině. Přední L profil je ukončen ještě dříve než zadní a přechází do plechové pásnice konce křídla, která je vytvořena ohnutím koncové části stojiny do tvaru C. Závěsová kování (5) jsou z vysokopevnostní oceli. Dolní závěs je vybaven kulovým kloubem jednak pro snížení parazitního zatížení závěsů provozními deformacemi křídla, jednak pro usnadnění jeho montáže a demontáže. Po délce nosníku je rozmístěna řada rozpěrek (6) pro vyztužení stojiny. Ty slouží současně k přípojení žeber k nosníku. Za zmínku stojí vyztužení (9) stojiny v místě velikého otvoru, který si vynutila montáž kanónu do křídla. Pohled na celou kostru křídla je zde .

Typické průřezy plnostěnných nosníků



Průřezy nosníků jsou značně rozmanité i když se v průběhu let vývoje letadel postupně ustálily na několika málo základních typech. Typické průřezy dřevěných plnostěnných nosníků jsou schematicky vykresleny v obr. 5. Plný průřez (5a) byl využíván na nejstarších, převážně obdélníkových vyztužených křídlech (např. nejstarší série Piper J-3). Zdokonalením a odlehčením plného průřezu je pozdějí uplatněný I-profil odlehčený odfrézováním málo využitého materiálu v oblasti neutrální osy (5b) (Aero C-104). I-profil (5c) je již relativně moderní typ nosníku, kdy stojinu tvořila tenká překližková stěna a pásnice sestávaly vždy ze dvou souměrně přiklížených hranolů. Obdobný je C-profil (5d), kdy překližková stojina je přiklížena nesouměrně po jedné straně pásnic. Toto uspořádání je méně vhodné než I-profil, poněvadž dík nesouměrnosti průřezů je vyosena elastická osa nosníku, což má za následek, že síla zatěžující nosník v rovině těžišť jeho průřezů jej vedle ohybu i zkrucuje. Velmi často je používán skříňová nosník (5e) se dvěma stojinami. Vzhledem k tomu, že jeho profil je na rozdíl od předešlých uzavřený, má tento nosník schopnost přenášet do jisté míry i krouticí moment. Tato schopnost kompenzuje nevýhodu větší hmotnosti. Součet tlouštěk obou stojin musí být pro dosažení stejné únosnosti obvykle větší než by byla tloušťka stojiny jediné.



Ukázka typických průřezů kovových plnostěnných nosníků je na obr. 6. U I-nosníků (6a,b) jsou pásnice vytvořeny z tažených nebo válcovaných L- nebo T-profilů, u málo zatížených pásnic z profilů ohýbaných z plechu. Stojina je plechová. Letadlové nosníky jsou vesměs navrhovány jako nosníky stejné pevnosti a mají tedy po délce proměnný průřez. Často se po rozpětí mění i geometrický tvar řezu nosníkem, ať už vlivem půdorysného tvaru křídla nebo vlivem jeho křížení.  Proto jsou hutní profily téměř vždy použity jako polotovary a vlastní pásnice je z nich vyráběna frézováním, většinou po celém svém povrchu.

I-nosník (6c) má pásnice frézovány ze speciálního hutního profilu a je použit u větších letadel s více zatíženým křídlem. Účelem takto složitého tvaru pásnice je docílit umístění těžiště pásnice co nejblíže k vnějšímu obrysu křídla (efektivní výška nosníku), dále docílit tvaru průřezu, který bude mít co nejvyšší kritické napětí při zatížení pásnice tlakem a konečně docílit toho, aby při nýtování pásnice se stojinou i s potahem nebyly vrtány dlouhé otvory pro nýty do vlastního těla pásnice (L 410).

C-profil (6f) je nosník použitý na křídlech, či pomocných plochách o velmi malém zatížení (křídelka a kornidla malých letadel). Pásnice i stojina jsou vyrobeny ohnutím jediného kusu plechu. Pro zvýšení kritického napětí pásnice bývá zalemován i vnější volný konec pásnice. Vzhledem k tomu, že konec křídla prakticky každého letadla je zatížen relativně velmi málo, nacházíme takto uspořádaný nosník na konci křídla většiny letadel. Přechod ze silné kořenové části do zeslabeného konce probíhá postupně, např. u L 410 z průřezu (6c) se mění na obdobu (6b), později na (6d) a konečně vybíhá do (6f) přesněji do zrcadlového obrazu (6f). Tělo pásnice je frézováno z jednoho kusu.



Na obr. 7 jsou schematicky vykresleny ukázky příčných řezů tenkostěnných nosníků z vysokopevnostní oceli. Ty bývaly ve větším rozsahu využívány okolo 40. let min. století. Ocelové pásnice vycházely do té míry tenké, že mohly svou hmotností duralu konkurovat, ale jejich odolnost proti ztrátě stability bylo nutné zajistit vhodným tvarem s maximálním omezením nezakřivených ploch. Rovněž stojiny byly v některých případech pro zvětšení kritického napětí podélně tvarovány.



Široké možnosti nabízí využití moderních kompozitních materiálů. Obr. 8 znázorňuje kompozitový nosník malého letounu. Nosník je navržen jako skříňový. Jeho pásnice jsou vytvořeny z několika vrstev  jednosměrného  uhlíkového prepregu, které jsou obaleny vrstvou skelné tkaniny. Stojiny jsou sendvičové desky ze skelného laminátu s pěnovou výplní. Pásnice jsou mezi obě nosné vrstvy stojin zalaminovány (viz obr. 8). Nosník je z technologických důvodu rozdělen na horní a dolní část, které jsou zakončeny přírubami pro konečné slepení horního i dolního celku.



Kompozitní materiály se ovšem využívají i v nejvyšších kategoriích stavěných letadel. Obr. 9 je ukázkou  kompozitové konstrukce jednoho z nosníků kompozitového křídla pokusného nadzvukového superobratného stihače Grumman X-29A.

Na rozdíl od předchozího příkladu není kompozitové křídlo X-29A konstruováno jako jediný nerozebíratelně slepený celek. Mnohonosníkové křídlo je vybaveno integrální nádrží a zmíněný nosník nádrž zepředu uzavírá. Křídlo má snímatelný kompozitový horní potahový panel upevněný šrouby. Také duralový potah náběžné hrany je přišroubován. Kompozitová stojina není rovinná, ale je zvlněná do tvaru sinosoidy. Vlnové zakřivení umožňuje dosáhnout bez dalších svislých výztuh stojiny vysokého kritického napětí při relativně nízké hmotnosti. Kompozitové jsou i pásnice. Horní pásnice je opatřena žlábkem pro těsnicí hmotu k utěsnění horního potahového panelu.

Nosníky příhradové:


Navazující část: Vyztužená křídla

Zpět     Nosníková křídla
Stránka není dosud dokončena, je ve vývoji. Poslední aktualizace 25.4.2010 23:24:01