Dopravné lietadlá

Dopravné lietadlá

Úvod

Spracovať túto tému som sa rozhodol kvôli tomu, že lietadlá a hlavne dopravné zaujali v poslednej dobe v živote ľudí veľmi dôležité miesto. Dnes by sme si už prepravu alebo cestovanie na veľké vzdialenosti nevedeli predstaviť bez týchto strojov.

A tak chcem publiku  trochu priblížiť problematiku a oboznámiť ich s týmito technickými divmi ľudstva, pretože podľa mňa by, ľudia mali aspoň sčasti poznať stroje v ktorých sedia a lietajú. Konkrétne sa budem venovať dopravným lietadlám, lebo tie sú ľuďom asi najbližšie a s tými sa stretávajú najčastejšie.

3. Definícia pojmu lietadlo

Lietadlo je lietajúce zariadenie, ktoré je schopné pohybu v atmosfére nezávisle od zemského povrchu, prekonávaním tiaže interakciou s atmosférou, ktoré je aspoň čiastočne riaditeľné, schopné vzletu zo zemského povrchu v letovej konfigurácii a opakovane použiteľné po pristátí.
Iné, staršie, definície: Lietadlo je technické zariadenie, ktoré je schopné lietať v atmosfére nezávisle od zemského povrchu, prepravovať osoby, alebo náklad, bezpečne vzlietať a pristávať a aspoň čiastočne byť riaditeľné.

4. Delenie dopravných lietadiel

4.1. Delenie podľa doletovej vzdialenosti

Delenie dopravných lietadiel podľa doletovej vzdialenosti :
– na krátke trate (do 930 km)
– na stredné trate (930 – 2780 km)
– na dlhé trate (nad 2780 km)

5. Časti lietadla

Vzhľadom k veľkému počtu druhov lietadiel možno rýchlo vymenovať iba najčastejšie sa vyskytujúce časti (systémy) lietadiel. Sú to hlavne(obr. č. 1):
– drak – tvorí základnú konštrukciu obsahujúcu:
– riadiaci systém
– pristávacie zariadenie (podvozok)
– energetické systémy – hydraulika, vzduchový systém
– pohonná (hnacia) jednotka – motor s propulzorom (napr. piestový motor s vrtuľou, turbínový motor s výstupnou dýzou)
– avionika – letecké senzory, prístroje a palubné počítače (vrátane zbraňových)

5.1. Drak lietadla

Drak lietadla je tá časť lietadla, ktorej funkciou je vyvodenie aerodynamických síl, mechanický prenos zaťažení od aerodynamických a hmotových síl, zachovanie integrity celku a poskytnutie základne pre ostatné časti lietadla (pohonné jednotky, avioniku), a v neposlednej rade aj poskytnutie priestoru pre náklad a posádku. V prípade kovovej konštrukcie možno vnútorne rozlíšiť kostru (nosníky, pozdĺžniky, rebrá a prepážky) a poťah. Na druhú stranu, pri všetkých konštrukciách – aj kovových, možno rozčleniť drak na časti podľa umiestnenia a funkcie. Najčastejšie (ale nie vždy) sú to:

– nosné plochy (krídla)
– trup – vrátane kabíny (pilotnej, nákladovej)
– chvostové alebo kačacie plochy
– gondoly (motorové ...)
– závesníky (podvesy) zbraní, prídavných nádrží

V širšom význame je to časť lietadla bez avioniky a pohonnej jednotky, t.j. vrátane podvozku a riadiaceho a hydraulického systému.

5.2. Pohonná jednotka
Hnacia jednotka(obr. č. 2) lietadla alebo pohonná jednotka lietadla je zariadenie, ktoré dodáva lietadlu energiu potrebnú na prekonanie odporu vzduchu a na získanie doprednej rýchlosti. Je to sústava jedného alebo viacerých motorov s príslušenstvom na zástavbu do draku vrátane vrtule pri vrtuľových jednotkách, schopná vyvolať ťah pre pohon lietadla nezávisle od ostatných pohonných jednotiek. Pohon lietadla vychádza zo zmeny chemickej energie viazanej v palive a dodávanej do pohonnej jednotky (motora) na mechanickú energiu dopredného pohybu lietadla.
Pre všetky spaľovacie motory používané v lietadlách platia nasledujúce požiadavky:

– váha – motor musí byť konštruovaný tak, aby jeho váha bola minimálna (redukcia hmotnosti pomocou materiálov, alebo redukovaním (optimalizáciou a odľahčením) každej súčiastky).
– rozmery – motor musí zaberať čo najmenej miesta
– modernosť – musí byť úsporný a vysoko účinný
– maximálny výkon – s ohľadom na predchádzajúce dva body.
– odolný – letecký motor pracuje pri extrémnych zmenách tlaku a teplôt, za každého počasia, pri vibráciách a preťaženiach.
– Opraviteľný – musí byť jednoducho opraviteľný a udržiavateľný, resp. vymeniteľný

5.2.1. Spaľovacia turbína(prúdový motor)
Spaľovacia turbína je tepelný stroj, ktorého pracovnou látkou sú spaliny vzniknuté spaľovaním paliva v spaľovacej komore. Vstreknuté palivo sa spaľuje so vzduchom, ktorý sa predtým stláča v kompresore. Spaliny pri prechode turbínou odovzdávajú jej lopatkám svoju kinetickú energiu.
 
5.2.1.1. Princíp práce
Kompresor spaľovacej turbíny, väčšinou riešený ako lopatkový turbokompresor nasáva atmosférický vzduch ktorý stláča na vyšší tlak sprevádzaný vzostupom teploty. Stlačený vzduch sa vedie do spaľovacej komory, kam sa priebežne vstrekuje palivo, ktoré sa v stlačenom vzduchu spaľuje. Pretože spaľovacia komora nie je uzavretá, ale vedie spaliny na lopatky turbíny, dochádza len k miernemu nárastu tlaku spalín. Energia získaná spálením paliva sa premení hlavne na tepelnú a kinetickú energiu spalín. Na lopatkách turbíny sa časť energie spalín premieňa na mechanickú tým, že roztáča rotor turbíny. Časť vytvorenej mechanickej energie sa odvedie hriadeľom, časť sa použije na pohon turbokompresora. Zvyšná časť ostáva vo forme tepelnej a kinetickej energie spalín. Pretože spaľovanie prebieha pri približne konštantnom tlaku, takáto turbína sa nazýva aj izobarická, alebo rovnotlaková. Jej zjednodušený teoretický model popisuje Eriksonov-Braytonov cyklus, alebo Jouleov-Braytonov cyklus pri predpoklade izotermickej kompresie a expanzie a úplnej regenerácie tepla.

5.2.1.2. Konštrukčné riešenia
Termodynamická a celková účinnosť rovnotlakových turbín je v jednoduchom jednohriadeľovom usporiadaní nízka, pohybuje sa na úrovni 30 až 50% účinnosti vznetových motorov. Pre dosiahnutie vhodných vlastností pre rôzne účely použitia sa turbíny konštruujú v dvojhriadeľovom, prípadne viachriadeľovom usporiadaní. Jednotlivé hriadele spájajú turbínu s kompresorom, alebo odvádzajú efektívny výkon z turbíny von. Takéto riešenia obsahujú viacero kompresorov a viacero turbín, ktoré sú pneumaticky zapojené do série. To znamená že vzduch alebo spaliny prechádzajú postupne dvoma a viac obežnými kolesami a v každom sa zväčšuje kompresia, alebo expanzia. Pre ďalšie zlepšenie účinnosti môže byť do cesty zaradený aj výmenník tepla, v ktorom odchádzajúce spaliny ohrievajú prichádzajúci vzduch.

5.2.1.3. Vlastnosti spaľovacích turbín
V porovnaní s piestovými spaľovacími motormi majú turbíny výhody:
· nižší obsah škodlivín v spalinách
· malé nároky na kvalitu paliva
· vysoká pravidelnosť chodu a malá nevyváženosť
· ľahká štartovateľnosť
· nízka výkonová hmotnosť
· lepší priebeh točivého momentu z hľadiska trakčných požiadaviek
· schopnosť spracovávať nízke teplotné a tlakové spády, často inak nevyužiteľné
ale aj nevýhody:
· vysoká merná spotreba paliva z dôvodu nízkych teplotných spádov
· z toho vyplývajúca nízka účinnosť
· malé akceleračné schopnosti
· vysoké tepelné namáhanie lopatiek a z toho vyplývajúca nízka životnosť
· vyššia hlučnosť

5.3. Avionika
Avionika (z francúzskeho avioniqe, avion – lietadlo, éqiper – vybavenie) zahŕňa všetky systémy na palube lietadla umožňujúce let na lietadle.
Prvé jednoduché vybavenie sa začalo objavovať na lietadlách počas 1. svetovej vojny. Jednalo sa o bublinkovú vodováhu na zaistenie horizontálneho priameho letu, výškomer a jednoduchý magnetický kompas.
Prvé avionické prístroje a systémy pre lietadlá začal vyvíjať a vyrábať Lawrence Sperry. Spolu so svojím mechanikom Emilom Cachinom v roku 1914 predviedli úspešne gyroskopický stabilizátor. V roku 1929 založil Lawrence Spery, Gyroscope Company, ktorá vyrábala letecké horizonty na novom gyroskopickom princípe.

Nový rozmer dostali avionické systémy v 80tych rokoch 20 storočia. Najmä vo vojenskom letectve začal byť plne uplatňovaný fenomén multitaskingových procesorov. Vznikali skupiny zariadení a prístrojov integrované do rozsiahlych systémov ktoré zabezpečovali viac a viac funkcií. Jedným z prvých lietadiel, ktorých let plne závisel od výpočtovej techniky bolo lietadlo F-16. V tomto lietadle bola prvý krát sériovo nainštalovaná technológia elektroimpulzného riadenia lietadla Fly by Wire.

V súčasnosti je rozpočet na vývoj palubnej elektroniky najväčším podielom na vývoji lietadla. Lietadlá F-15 Eagle, F-14 Tomcat, F-22 Raptor, Su-37 Flanker-F, Eurofighter Typhoon a iné majú 90% podielu ceny za elektroniku. Lietadlo sa svojimi avionickými systémami stáva lietajúcim senzorom s automatickým riadením, kde vo väčšine situácií pilot zdanlivo zodpovedá za úlohu dohľadu a poistky pre krízové situácie.

5.3.1. Rozdelenie avioniky
Avionické systémy sú veľmi ťažko kategorizovatelné. Z hľadiska určenia jednotlivých systémov je možné ich rozdeliť na systémy umožňujúce:
 
– riadiť let,
– Stabilizačné systémy
– Autopilot
– Systém vyhnutia sa zrážke TCAS (Traffic Alert and Collision Avoidance System)

– orientovať sa v priestore,
– Družicové navigačné prístroje
– Rádiokompasy
– Systém rádionavigácie (VOR, DMI, RSBN, RSDN)
– Pristávacie navigačné systémy (ILS, MWLS)

– kontrolovať priestor okolo lietadla,
– rádiolokátory
– laserové snímače

– komunikovať s okolím,
– rádiostanice
– Interkom
– Povelové prístroje a prijímače správ

- Zdroje napájania elektrickou energiou:
– akumulátory
– generátory jednosmerného a striedavého prúdu
– meniče
– rozvádzače a ističe

- Systémy prežitia posádky:
– záchranné prostriedky
– dýchacie a klimatizačné zariadenia
– systémy indikácie havárie – zariadenia výstrahy pre KOSPAS/SARSAT

- Prístrojové vybavenie:
– Výškomerné prístroje (rádiovýškomery, barometrické výškomery)
– Prístroje na meranie rýchlostí (rýchlomery, machmetre)
– Prístroje polohomerné (kompasové ukazatele, sklonomery, zatáčkomery, merače uhlu nábehu, umelé horizonty)
– Iné prístroje (meranie tlaku v kabíne, meranie teploty, meranie rosného bodu pre vznik námrazy)
– Indikátory (indikácia vzniku námrazy, indikácia porúch systémov, indikácia podvozku atď.)

– Špeciálne systémy – jedná sa o zariadenia určené pre špecifické plnenie úloh daného lietajúceho aparátu. Môže sa jednať o prieskumné systémy, fotografické a fotogrammetrické systémy, zbraňové systémy, systémy pre hasenie požiarov atď.

5.3.1.1. Stabilizačné systémy
Systémy tlmenia kmitov
Jedná sa o systémy lietadiel ktoré odstraňujú kmitanie lietadla vplyvom kmitania aerodynamických plôch (Flatter). tieto systémy sú jednoduché elektronické systémy väčšinou na báze analógových obvodov, ktoré prostredníctvom akčných členov v systéme riadenia zabezpečujú hladkosť a plynulosť letu. Systémy tlmenia kmitov sú zaraďované do systémov posilňovačov riadenia.

Systémy stabilizácie horizontálneho letu
Jedná sa o pokrokovejšie systémy stabilizácie letu ktoré zabezpečujú plynulý horizontálny let bez zásahu pilota. Tieto systémy sú často dopĺňané systémom vybratia strmhlavého letu s prechodom na horizontálny let. V súčasnosti sú tieto systémy súčasťou autopilota.

Systémy umelej stability
U lietadiel, kde je požadovaná vysoká obratnosť, ale ich aerodynamická konštrukcia je vysoko nestabilná je do riadiacich prvkov vkladaný systém umelej stability. Tento systém pozostáva z aerodynamických úprav riadiacich plôch a z elektronického systému ktorý zabezpečuje zosilnenie reakcií lietadla na povel riadiacej páky. Tento systém je u nových lietadiel vkladaný do autopilotov a kontroluje tzv. bezpečnú obálku letu. To znamená že pokiaľ povel riadiacej páky jeho veľkosť a rýchlosť je v oblasti stabilného letu je vykonávaný presne, ak dôjde k povelu ktorý by dostal lietadlo do nestabilných -medzných situácií (vysoký uhol nábehu, stúpanie pri malých rýchlostiach, strata vztlaku) systém zasiahne a nedovolí vstup do týchto situácií.

Adaptabilné systémy
Sú to systémy ktoré prispôsobujú výkon riadiacich plôch lietadla rýchlosti a výške letu. So zvyšujúcimi sa rýchlosťami a znižujúcimi sa výškami znižujú účinnosť riadiacich prvkov.

5.3.1.2. Autopilot
Autopilot je automatické zariadenie, ktoré zabezpečuje automatický let lietadla po zvolenej trajektórii a trase. Autopilot je počítačom riadený systém, ktorý aktívne zasahuje do riadenia lietadla, a tým môže priamo lietadlo riadiť. Jednoduché autopiloty majú hlavne funkciu stabilizácie letu a udržanie horizontálneho letu v nastavenom kurze. Modernejšie autopiloty umožňujú let po vopred naprogramovanej trase s určenou krivkou, alebo s korekciou z pozemných stanovísk.

5.3.1.3. Družicové navigačné prístroje
Družicový navigačný prístroj je zariadenie určené na určenie polohy na povrchu Zeme za pomoci informácií prijatých z niekoľkých umelých družíc súčasne. Zariadenie pracuje na princípe prijímania signálu z družice, ktorý obsahuje presnú časovú značku vyslania signálu a kód družice. V satelitnom prijímači je uložená databáza družíc, v ktorej sú uvedené pozičné súradnice družice. Na základe signálu z viacerých družíc je možné prepočtom času prijatia signálu a časovej značky v signále, ako aj pomocou známych súradníc určiť polohu prijímacieho prístroja s presnosťou niekoľko metrov.

Samostatný družicový prijímač
Je to autonómne zariadenie, ktoré pri zachytení signálu aspoň troch družíc určí polohu prijímača. Presnosť merania je daná typom družicovej databázy a počtom zachytených družíc. Väčší počet družíc znamená vyššiu presnosť.

Diferenciálny družicový prijímač
Je to sústava dvoch alebo viacerých GPS prijímačov. Jeden prijímač je ako základňa a je pevne umiestnený na známej pozícii. Ostatné GPS fungujú ako sekundárne prijímače, kde ich poloha je korigovaná základňovým GPS. Presnosť merania s týmto systémom je vyššia cca o 50%.

6. Prečo lietadlo letí? ( teórie letu )

Človek už od dávna obdivoval let vtákov a túžil lietať tak ako ony. A tak objav lietajúcich strojov patril k najvzrušujúcejším objavom ľudstva. Dnes nás už lietadlá neprekvapia. Ale ako vlastne letia? Prečo nespadnú? Samozrejme vďaka motoru a krídlam. Lenže motor vyvíja ťah hlavne dopredu (či už vrtuľami alebo prúdom horúcich plynov) a nie smerom nahor. Čo je príčinou ich letu?

Skutočná príčina môže byť u rozličných lietajúcich strojov rôzna. Vo všeobecnosti však platí, že ich tiaž je kompenzovaná silou, ktorá ich drží vo vzduchu. Ale aká je to sila? U balónov a vzducholodí je to jasné – vztlaková sila z Archimedovho zákona. U vrtuľníkov je to ťahová sila hlavnej vrtule smerom nahor. Ale ako je to s lietadlami? Základný princíp, ktorý sa využíva pri opise letu lietadla objavil už roku 1738 švajčiarsky vedec Daniel Bernoulli, keď skúmal pohyb tekutín. Keďže tekutinou môže byť kvapalina alebo plyn, pomocou Bernoulliho teórie sa dá napríklad vysvetliť pokles atmosférického tlaku pri silných víchriciach alebo tornádach. Práve preto dokáže víchrica strhnúť strechy domov. Na strechu totiž pôsobí zhora nižší tlak ako odspodu, čo pri veľkej ploche strechy vyvolá veľkú tlakovú silu smerom nahor.

Tak trochu podobná situácia je aj pri lietadle. Rozhodujúce pre let lietadla sú krídla, ktoré sú tvarované tak, aby vzduch, ktorý obteká krídlo zvrchu prešiel väčšiu dráhu v porovnaní so vzduchom pod krídlom ( obr. č. 3 ). Tak získa vzduch nad krídlom väčšiu rýchlosť ako vzduch pod ním. Tlak vzduchu nad krídlom je potom menší ako pod ním a tak vztlaková aerodynamická sila, pôsobiaca na krídlo, smeruje nahor. Jej veľkosť závisí od rozdielu tlakov a od veľkosti nosnej plochy krídel.

Spôsob a rýchlosť obtekania krídel vzduchom sa dá meniť pomocou klapiek na krídlach, ktoré sa môžu sklápať smerom nahor alebo nadol. V skutočnosti je situácia zložitejšia, lebo pri obtekaní krídel vzduchom vznikajú vzdušné víry, ktoré strhávajú vzduch pri krídlach a spôsobujú jeho cirkuláciu. Navyše krídlo býva naklonené smerom dozadu, takže aj vzduch narážajúci na krídlo odspodu ho dvíha smerom nahor. Motor lietadla potom vlastne iba vyvíja silu smerom dopredu potrebnú na prekonanie sily odporu vzduchu. Čím väčšia je rýchlosť lietadla, tým väčší bude pretlak medzi spodnou a hornou časťou krídla. Preto lietadlá potrebujú pri svojom štarte získať vyššiu rýchlosť. A aj preto stačia rýchlym stíhačkám relatívne malé krídla a niektoré moderné lietadlá majú dokonca možnosť meniť sklon a tvar krídel počas letu.  

7. Záver

Ako som spomínal na začiatku lietadlá sú stroje ktoré ľudia používajú každý deň a sú pre nich samozrejmosťou. No samozrejmé a ľahké nie je pochopiť princíp ich fungovania. Preto dúfam, že táto prezentácia Vás zaujala a obohatila o množstvo nových faktov a zaujímavostí.