Osnovni principi projektovanja aviona

Metoda projektovanja aviona namenjenog za serijsku proizvodnju nesumnjivo će biti drugačija od metode koja će s koristiti za razvoj demonstratora tehnologija ili eksperimentalnog aviona.

U prvom slučaju, posebno tokom rata, rokovi projektovanja su od izuzetnog značaja tako da se izbegavaju inovacije koje nisu testirane u praksi. Sa druge strane, prilikom projektovanja eksperimentalnog aviona, po pravilu se testiraju potpuno nove konstrukcije ili se razmatraju različite varijante rešavanja određenih problema. Projektovanje ovakvih aviona traje mnogo duže i često traje nekoliko godina.

U ovom tekstu se osnove projektovanja aviona razmatraju prvenstveno iz perspektive izrade akademskih projektnih zadataka (projektni zadaci iz nekog predmeta, diplomski radovi...).

Projektovanje aviona se može podeliti u dve glavne faze; u prvoj je potrebno utvrditi šta treba projektovati, tj. koje taktičke i tehničke zahteve treba postaviti u projektu novog aviona, a u drugoj utvrditi kako projektovati avion, a da budu ispunjeni svi postavljeni zahtevi. Po obimu rada, ove dve faze su različite, ali po svom značaju su sasvim jednake. Od toga koliko su stručno, racionalno i promišljeno postavljeni taktičko tehnički zahtevi, zavisi u velikoj meri ne samo krajnji rezultat (koliko će projekat biti uspešan), već i sama mogućnost ispunjavanja postavljenih zahteva (misli se na realne mogućnosti trenutnog stanja razvoja vazduhoplovstva). Značaj taktičkih i tehničkih zahteva u projektovanju je kvalitetno objasnio akademik Pozdjunjin (Поздюнин), rekavši: „Pravilno postavljeni zahtevi pri projektovanju neke konstrukcije je dopola rešeni zadatak.“

2. Protivrečnost zahteva

Zadatak određivanja taktičkih i tehničkih zahteva i projektovanje na osnovu njih je dodatno zakomplikovano zbog velikog broja protivrečnosti (kontradiktornosti) između pojedinih zahteva.

Na primer, skoro je pravilo da aerodinamički zahtevi protivreče rešenjima čiji je cilj pojednostavljivanje tehnologije proizvodnje aviona. Zaista, da bi se postigla najveća moguća brzina leta, potrebno je učiniti stajni trap uvlačivim; obložiti motore; trupu dati glatku konturu; spoljašnju površinu aviona napraviti glatkom (bez šavova i bez isturenih glava zakivaka); hermetički zatvoriti avion, eliminisati sve pukotine, rupe, curenja. Sve ove navedene mere značajno komplikuju proces proizvodnje.

Zbog pojednostavljenja procesa proizvodnje aviona proizvođači teže da pojedinačnih delova bude što manje i da oni budu međusobno što sličniji; da koriste delove koji ne zahtevaju skupu ručnu završnu obradu i podešavanje; da koriste materijale koji ne zahtevaju složenu termičku obradu...

Na slici 1a je prikazan preuveličan prikaz idealnog aviona sa stanovišta proizvođača. Krilo je jednodelno i bez aerodimamičkog prelaza krilo-trup, pravougaonog je oblika kao i vertikalni i horizontalni rep, kormila i krilca. Stajni trap se ne uvlači, nema zaobljenih delova, trup je prizmatičan sa kvadratnim poprečnim presekom. Broj delova i njihova raznovrsnost kod takvog aviona svedeni su na minimum. Na slici 1b je prikazan avion koji je prilagođen aerodinamičkim a ne tehnološkim zahtevima. Stručnjak zadužen za naoružanje bi verovatno želeo da vidi lovac u obliku letećeg topa, sličnog karikaturi prikazanoj na slici 1c.

Sl. 1. Ovakav avion bi hteo da ima: a) proizvođač, b) aerodinamičar, c) stručnjak za naoružanje.

Treba spomenuti da nije loša ideja projektovati lovca „samo u odnosu na avionski top“ što uradila kompanija Bell sa avionom P-39 AiraCobra. U svakom slučaju, instaliranje modernog moćnog topovskog naoružanja na avion nije tako jednostavan zadatak kao što se na prvi pogled čini. U ovom slučaju, povećanje snage naoružanja je dovelo do pogoršanja letnih karakteristika aviona, što je zakomplikovalo pronalaženje optimalnog rešenja u pogledu letnih i borbenih kvaliteta mašine. Mere koje smanjuju težinu konstrukcije, po pravilu, dovode do povećanja aerodinamičkog otpora aviona, tj. smanjuje se brzine leta, ali se povećava nosivost. Čak i unutar iste grupe zahteva, na primer, aerodinamičkih, neki od njih su međusobno protivrečni, npr, da bi se postigla najveća moguća brzina leta, potrebno je smanjiti površinu krila, a da bi se dobila manja brzina sletanja, treba povećati površinu uzgonskih površina.

Povećanje raspona krila povećava plafon leta i dolet, ali istovremeno smanjuje manevarsku sposobnost aviona. Projektovanje „najboljeg“ aviona postaje još teže ako uzmemo u obzir da različite struke različito procenjuju operativne kvalitete aviona. Sa stanovišta pilota, na avionu uvek postoji previše komandi i potrebno je većinu njih automatizovati, t.j. na avionu je potrebno implemetirati: 1) automatsku kontrolu promene koraka propelera; 2) automatsku kontrolu pritiska; 3) automatsko regulisanje smeše; 4) automatsko regulisanje brzine kompresora; 5) automatsko paljenje motora; 6) automatsku kontrolu temperaturnih režima motora itd. Sasvim je prirodno da pilot želi da pojednostavi tehniku pilotiranja avionom, prebacujući neke funkcije na automatske kontrole. Sa druge strane mehaničar koji servisira avion će zbog toga negodovati jer automatizacija donosi sa sobom veliki broj složenih i osetljivih uređaja što usložava njegovo održavanje.

3. Dvojna priroda zahteva

Najveća teškoća prilikom projektovanja aviona je pronalaženje optimalnih rešenja između protivrečnih zahteva. Razumljivo je da je nemoguće u potpunosti zadovoljiti brojne i u većini slučajeve protivrečne zahteve, što kao posledicu ima nemogućnost projektovanja aviona na kome će svi zahtevi biti idealno ispoštovani

Najčešće ćemo imati slučajeve da je teško odrediti koji je avion bolji, jer će neke performanse biti bolje na jednom, a neke na drugom avionu.

U svakom pojedinačnom projektu, potrebno je na osnovu specifičnih uslova utvrditi glavne, odnosno najbitnije zahteve koji obično najviše proizilaze iz glavne namene aviona, a zatim sve ostale manje bitne. Nakon što se identifikuje većina zahteva, potrebno ih je poređati po redosledu važnosti i taj redosled će određivati prioritete tokom projektovanja. Najbitnije zahteve sa redosleda je potrebno u potpunosti ispuniti, a sve ostale, koliko je to moguće, po redosledu njihove važnosti. Predloženu metodu projektovanja treba koristiti tokom projektovanja aviona bilo koje namene.

Podela aviona prema njihovoj nameni objašnjava se ničim drugim do nemogućnošću zadovoljavanja svih zahteva u jednom projektu. Na početku Prvog svetskog rata postojao je jedan tip aviona, ali do kraja rata pojavili su se lovci, izviđački avioni i bombarderi. Svaki od njih je najpotpunije ispunjavao osnovne zahteve svoje namene. Sledeće godine razvoja avijacije dovele su do pojave civilnih aviona, prvo samo putničkih, a zatim teretnih i transportnih. Bombarderi su dalje podeljeni na teške, višemotorne i relativno lake pikirajuće. Lovci su se počeli proizvoditi kao „presretači“ i lovci za pratnju. Pojavio se poseban tip jurišnog aviona itd.

Tokom projektovanja aviona posebno treba paziti da avion najviše odgovara njegovoj glavnoj nameni. Tako na primer, kada se projektuje transportni aviona glavni zahtevi treba da se odnose na teretni ili putnički prostor, kada se projektuje lovac, glavni zahtevi se moraju odnositi na pilota i streljačko naoružanje, kada se projektuje bombarder glavni zahtevi se moraju odnositi na prostor gde se čuvaju bombe. U tom slučaju, na projektovanoj konstrukciji će biti logički opravdan i jasno vidljiv glavni cilj i ideja koju je autor stavio u osnovu projekta.

Zadovoljavanjem glavnih zahteva za neki avion, odnosno onih koji se nalaze na vrhu liste je samo deo ukupnog posla.

Radi se o tome da se isti problem pod različitim okolnostima mora rešavati na različite načine. Ne postoje univerzalna rešenja koja bi zadovoljila veliki broj raznih slučajeva koji se pojavljuju tokom projektovanja. Na primer, školski avion Polikarpov Po-2 je napravljen od drveta jer je ono za uslove koji vladaju u SSSR-u najracionalniji materijal za pravlje aviona ove namene. Na britanskim ostrvima nema avijacijskog drveta u potrebnoj količini tako da je za engleski avion iste namene Avro Tutor, kao glavni materijal usvojen čelik.

Sa druge strane, iako je ogromna većina bombardera širom sveta napravljena od duraluminijuma, jedan od najboljih srednjih bombardera engleske kompanije De Havilland Mosquito, se kompletno u Kanadi serijski proizvodi od drveta. Obilje avijacijskog drveta u Kanadi odredilo je racionalnost korišćenja ovog materijala čak i za bombarder.

Da bi se postavili glavni zahtevi za performanse aviona potrebno je poštovati veliki broj kompromisa i uzimati u obzir razne specifičnosti u eksploataciji, proizvodnji, ekonomiji zemlje, dostupnosti sirovina itd.

4. Analiza dinamike razvoja

Drugi ozbiljan problem prilikom projektovanja je pitanje konkretnih vrednosti letnih i taktičkih performansi projektovanog aviona. Kakva treba da bude brzina leta, brzina penjanja, manevarske sposobnosti, nosivost, naoružanje, municija, broj sati leta, radijus dejstva itd.

Rešavanje ovog problema usko je povezano sa pitanjem  „zastarevanja aviona“. Činjenica je da obično prođe dosta vremena od početka projektovanja prototipa do uvođenja serijski napravljenih mašina u eksploataciju, i može se desiti da avion već na početku eksploatacije ima letne  performanse niže od potrebnih. Zbog ovog razloga, potrebno je prilikom određivanja vrednosti letnih performansi na početku projektovanja aviona uzimati u obzir dinamiku razvoja ovih pokazatelja za dve ili tri godine unapred.

Ova vrsta pitanja se može rešiti na osnovu analize statističkih podataka aviona sličnih onom koji se projektuje. To se radi tako što se vrednosti određene karakteristike aviona prikazuju na grafikonu u zavisnosti od godine proizvodnje aviona. Pomoću dobijenih tačaka se crta kriva, a njenom ekstrapolacijom se može dobiti verovatna vrednost proučavane veličine za dve ili tri godine unapred.

Ova vrsta problema se može rešiti proučavanjem statističkih podataka aviona sličnih onome koji se projektuje. To se postiže tako što se vrednosti određene karakteristike aviona prikažu na grafikonu u zavisnosti od godine proizvodnje aviona. Na osnovu dobijenih tačaka se nacrta kriva, čijom ekstrapolacijom se dobijaju verovatne vrednosti proučavane karakteristike za dve ili tri godine unapred.

Proučavanje statističkih podataka najmodernijih serijski pravljenih aviona pruža čitav niz izuzetno vrednih informacija, a naročito kvantitativnih odnosa između različitih karakteristika aviona koji su se tokom ekploatacije odlično pokazali.

Od velikog broja eksperimentalnih aviona samo nekoliko biva pušteno u proizvodnju, ostali se eliminišu iz razloga koje nije bilo moguće predvideti tokom projektovanja. Na avionima koji su ušli u serijsku proizvodnju često je potrebno vršiti razne prepravke jer se tokom ekploatacije na njima pronalaze greške napravljene prilikom projektovanja.

Neuspešni ili zastareli avioni u pogledu svojih letnih karakteristika se povlače iz upotrebe, t.j. dešava se svojevrsna „prirodna selekcija u procesu borbe za opstanak“. Da bi se izbeglo ponavljanje ranije napravljenih grešaka i da bi se dobila što kvalitetnija rešenja na postavljene zahteve, neophodno je pažljivo i temeljno proučavati kako razvoj aviona određene namene, tako i konkurentske kompanije koje proizvode avione. Naravno, podrazumeva se da će se tokom procesa projektovanja koristiti i najnoviji podaci dobijeni iz teorijskih i eksperimentalnih istraživanja.

Jednostran pristup tokom projektovanja aviona je uvek štetan i neprihvatljiv. Teorija daje pravac, odnosno put kojim treba ići; laboratorijska istraživanja daju koeficijente neophodne za proračune (koje teorija često ne može da utvrdi), a operativna praksa  koriguje teorijske proračune, preporuke i laboratorijska istraživanja.

Može se slobodno zaključiti da početni taktičko-tehnički zahtevi koji se koriste tokom projektovanja nastaju na osnovu podataka dobijenih proučavanjem aviona slične namene i karakteristika.

Treba napomenuti da najveći uspeh tokom eksploatacije postižu avioni koji se dobijaju sistematskim radom na jednom te istom tipu mašine.

U prilog navedenom stavu može se istaći da je to bio put kojim je išao razvoj, na primer, lovaca Spitfajer (Spitfire), Hoker (Hawker), Jakovljev, Lavočkin, Meseršmit (Messerschmitt), Kertis (Curtiss) itd.

Kontinuirani rast letno-taktičkih i borbenih performansi ovih aviona postignut je doslednim uvođenjem najnovijih dostignuća u njihovu konstukciju.

Ova metoda stalnog unapređivanja i modifikovanja aviona je primenjiva i na školskim projektima.

Pored proučavanja procesa razvoja određenog tipa aviona koji se projektuje, trebalo bi se upoznati i sa teorijskim radovima koji se bave perspektivama razvoja avijacije, posebno proizvodnje aviona, kao i sa najnovijim dostignućima u eksperimentalnoj aerodinamici.

Vredne informacije je moguće dobiti i iz izveštaja o letnim i operativnim ispitivanjima aviona koje sprovode naučno-istraživački instituti, kao i intervjuisanjem stručnjaka sa velikim iskustvom u  projektovanju, konstruisanju, istraživanju i eksploataciji aviona.

Prilikom uvođenja najnovijih dostignuća u projekat, potrebno je imati na umu da suviše mnogo istovremeno uvedenih inovacija često dovodi do neuspešnih rezultata. U tom slučaju, tokom procesa projektovanja nastaje previše teško rešivih problema, i najverovatnije će napravljeni avion imati popriličan broj „dečijih bolesti“ koje će za posledicu imati da će on zauvek ostati u fazi prototipa.

Slični problemi, ali u većoj meri se pojavljuju tokom projektovanja i proizvodnje eksperimentalnih aviona neobičnih konfiguracija ili aviona sa nesvakidašnjim performansama.

Uprkos tome, rad na pronalaženju novih konfiguracija i njihovom proučavanju je izuzetno zahvalan zadatak jer veoma doprinosi ukupnom razvoju vazduhoplovstva.

Treba podsticati studente da vežbaju projektovanje na avionima koji imaju nove konfiguracije. Ovakav način edukacije treba sprovoditi iz praktičnih razloga jer se  na taj način mogu dobiti teorijske procene prednosti i mana određenih netipičnih konfiguracije aviona koje se kasnije mogu upoređivati sa konvencionalnim. Pored toga, prilikom projektovanja novog tipa aviona, po pravilu se javlja niz novih problema koji se moraju dodatno proučavati, što zauzvrat može biti predmet nekog drugog naučno-istraživačkog rada. Dodatne teškoće koje se pojavljuju pri projektovanju eksperimentalnih aviona, u potpunosti se nadoknađuju sticanjem šireg pogleda na vazduhoplovstvo od strane studenata i sticanjem dodatnih veština u samostalnom inženjerskom radu.

U zaključku ovog odeljka, potrebno je ukazati na grešku koja se često sreće u školskim projektima, a ponekad se javlja čak i u realnom projektovanju.

Greška se sastoji u tome da projektant često u proračunima neopravdano usvaja povoljnije koeficijente usled čega su podaci dobijeni proračunom bolji od stvarnih podataka dobijenih merenjem na prototipu, iako je prototip napravljen na osnovu podataka dobijenih tim istim proračunom.

Preterani optimizam projektanata je u gore pomenutom slučaju posledica nerazumevanja jednostavne istine: nemoguće je dobiti bolje letne karakteristike ako su težina aviona i snaga motora konstantne, a aerodinamika je ista kao na prototipu.

Povećanje brzine može se postići korišćenjem motora sa većom slobodnom snagom od prototipa, primenom na konstrukciju aviona najnovijih dostignuća iz oblasti aerodinamike, smanjenjem uzgonskih površina i otpora u odnosu na prototip, itd.

Takve promene moraju biti opravdane i potvrđene odgovarajućim proračunima, statističkim podacima ili istraživanjima (obavezno se mora navesti izvor).

Bez potvrde da ih je moguće ostvariti u praksi, u početnoj fazi projektovanja je potpuno neprihvatljivo usvojiti najviše vrednosti različitih koeficijenata.

U nastavku je dat otprilike redosled radnji tokom realizacije akademskih projektnih zadataka:

1. Na osnovu namene aviona, utvrditi uslove njegove buduće eksploatacije i glavne zahteve.

2. Utvrditi značaj pojedinačnih zahteva i redosleda njihovog ispunjavanja.

3. Isplanirati metode zadovoljavanja postavljenih zahteva. Istražiti odgovarajuće konfiguracije aviona.

4. Izabrati motore pogonske grupe.

5. Preliminarno odrediti težine avion tokom leta i poletanja, i istovremeno precizirati nosivosti aviona, ranije navedenu u taktičko-tehničkim zahtevima.

6. Odrediti površine uzgonskih površina.

7. Odrediti preostale parametre aviona, nacrtati osnovne poglede aviona.

8. Uzimajući u obzir već poznate osnovne parametre aviona, na osnovu formula i grafikona proračunati letne karakteristike. U slučaju velikih odstupanja od onih usvojenih u taktičko-tehničkim zahtevima, izvršiti odgovarajuće izmene parametara.

9. Proračunati težinu aviona, posebno ukupnu težinu pri poletanju.

10. Proračunati raspored težina unutar aviona, pronaći težište, odrediti položaj pogonske grupe.

11. Nacrtati preciznije osnovne poglede aviona i ponovno proračunati aerodinamičke karakteristike aviona.