Szybowce konstruowane są odpowiednio do przeznaczenia. Konsekwencją różnic konstrukcyjnych są odrębne własności lotne i pilotażowe. Własności te odpowiadają wymaganiom stawianym przez przepisy budowy sprzętu lotniczego i są charakterystyczne dla poszczególnych klas szybowców. Ze względu na przeznaczenie rozróżnia się następujące klasy szybowców: 1) szybowce szkolne, 2) szybowce treningowe, 3) szybowce wyczynowe, 4) szybowce akrobacyjne, 5) szybowce specjalne.
Od szybowców szkolnych wymaga się szczególnie prawidłowych i bezpiecznych własności lotnych oraz łatwego i prawidłowego pilotażu, zapewniającego odpowiednią tolerancję na charakterystyczne błędy popełniane przez pilota podczas szkolenia. Jednocześnie wymagana jest prostota konstrukcji i niskie koszty budowy, w celu obniżenia kosztów szkolenia i napraw.
Wymienione tu wymagania powodują, że szybowce szkolne mają dość niskie osiągi, to znaczy dość duże opadanie i niezbyt dużą doskonałość aerodynamiczną. Wartości opadania i doskonałości nie stanowią w tej grupie szybowców zagadnienia podstawowego. Przykładowymi szybowcami szkolnymi są SZD-9 „Bocian” i SZD-50 „Puchacz”.
Szybowce treningowe charakteryzować powinny się również łatwym pilotażem i tolerancją na błędy pilota. W dzisiejszych czasach są to szybowce jednomiejscowe o doskonałości rzędu 30 - 35. Przykładami mogą tu być SZD-51-1 „Junior” czy SZD-30 „Pirat”.
Najważniejszym parametrem charakteryzującym szybowce wyczynowe jest doskonałość aerodynamiczna oraz płaska biegunowa prędkości. Oznacza to że przy konstruowaniu tych szybowców maksymalizuje się zasięg szybowca oraz minimalizuje się prędkości opadania w całym zakresie prędkości. Standardem jest wykorzystywanie balastu wodnego i klap (o ile ograniczenia danej klasy tego nie zabraniają). W dzisiejszych czasach maksymalne doskonałości szybowców w klasie standard¹ i klasie 15 metrowej² wynoszą ok. 44 a w klasie otwartej³ nawet 60.
Szybowce akrobacyjne charakteryzują się wysoką odpornością konstrukcji mierzoną maksymalnym dopuszczalnym współczynnikiem przeciążeń, który dla tego rodzaju szybowców wynosi nawet +10/-10 g (wielokrotności przyspieszenia ziemskiego), podczas gdy dla innych kategorii szybowców nie przekracza on +6/-3. Przykładami mogą być drewniany „Kobuz” czy nowoczesne laminatowe szybowce „Swift” i „Fox”.
Do szybowców specjalnych należą pozostałe szybowce nie dające się zaliczyć do powyższych kategorii np. szybowce desantowe.
Należy pamiętać, że istnieje wiele innych podziałów i klasyfikacji szybowców (np. ze względu na układ konstrukcyjny, wznios i skos skrzydeł), które są m.in. omawiane w niniejszym skrypcie.
Wszystkie materiały używane do budowy szybowców muszą spełniać określone normy. Do budowy szybowców używa się drewna, laminatów szklano-epoksydowych, stali (kratownice, sworznie, czopy, czy inne szczególnie obciążone elementy konstrukcyjne), szkła organicznego (owiewki kabin),
Podstawowym materiałem konstrukcyjnym aż do lat siedemdziesiątych XX wieku było drewno. W naszych warunkach stosowane było głównie drewno sosnowe, brzozowe i jesionowe. Do pokrywania powierzchni skrzydeł czy kadłubów najczęściej w szybowcach drewnianych używano sklejki (na skrzydłach tworzącej część kesonu, o którym będzie szerzej powiedziane przy okazji omówienia budowy skrzydła) oraz płótna.
Obecnie szybowce budowane są z laminatów szklano-epoksydowych, kompozytów włókien węglowych i aramidowych itd.
Szerzej omówimy tu proces budowy szybowca z laminatów szklano-epoksydowych ze względu na obecną powszechność tej metody.
Laminaty są to powłoki warstwowe z żywic poliestrowych i epoksydowych wzmocnionych włóknem szklanym. Włókno szklane stosowane jest w nich w postaci tkanin oraz pasm, zwanych rowingami. O zastosowaniu laminatów w konstrukcjach szybowcowych zadecydowały następujące właściwości laminatów: - wysoka wytrzymałość, - odporność na działanie czynników zewnętrznych, - zdolność zachowania uformowanego przy wytwarzaniu kształtu, - możliwość wiernego odwzorowania kształtów z foremnika, - uzyskiwanie idealnie gładkich powierzchni zewnętrznych powłok, - mniejsza pracochłonność w porównaniu z innymi metodami wytwarzania, - stosunkowo prosta konstrukcja i technologia szybowców z laminatów.
Do wytwarzania zespołów szybowców laminatowych stosowane są specjalne, najczęściej wklęsłe, foremniki, w których układa się i kolejno przesyca żywicą warstwy tkanin z włókna szklanego, nadając im przy tym wymagany kształt. Z chwilą stwardnienia żywic sztywne już elementy wyjmowane są z foremników i kierowane do dalszej obróbki. Strona licowa elementów, która podczas wytwarzania przylegała do foremników, odznacza się dużą gładkością. Do wytwarzania laminatów niezbędne są następujące składniki: - tkaniny z włókna szklanego o różnych rodzajach splotów i różnych gramaturach (ciężarach jednostkowych), - rowing szklany w postaci podłużnych pasm, składających się z bardzo cienkich nitek, - żywice epoksydowe, rzadziej poliestrowe, do przesycania tkanin i rowingu oraz do łączenia oddzielnie wykonanych części, - utwardzacze do tych żywic, mieszane z żywicami bezpośrednio przed procesem laminowania, - tworzywa przekładkowe, stosowane do usztywniania powłok, które wlaminowuje się między warstwy tkanin (są to spienione tworzywa sztuczne lub tzw. wypełniacze ulowe), - wypełniacze do żywic stosowanych do klejenia, zwłaszcza przy niezbyt dokładnym spasowaniu powierzchni lub przy połączeniu z pogrubioną spoiną (drobno cięty rowing, płatki bawełniane, mikrobalon lub krzemionka koloidalna zapobiegająca wyciekaniu żywicy ze spoin).
Dostępne są tkaniny o różnych, odpowiednio ukierunkowanych splotach, mające właściwość formowania się na skomplikowanych pod względem kształtu foremnikach. Grubość i wytrzymałość laminatu zależy przede wszystkim od rodzaju i liczby nałożonych tkanin. Do budowy szybowców stosowane są tkaniny pochodzenia krajowego i zagranicznego oraz rowing produkcji krajowej. Pasma rowingu stosuje się w miejscach wymagających pogrubienia przekroju (np. krawędzie elementów, wykrojów), a głównie do przenoszenia większych obciążeń liniowych (pasy dźwigarów, podłużnice).
Początkowo w budowie szybowców stosowano laminaty niewytrzymałościowe, z których wykonywane były kołpaki przodu kadłuba, różne osłony, przejścia aerodynamiczne itp. Stosowano do tego celu żywice poliestrowe (Polimal 109) oraz epoksydowe (Epidian 5). Obecnie wytwarzane są z laminatów całe konstrukcje, przy czym stosuje się głównie żywice epoksydowe produkcji krajowej i zagranicznej.
Żywica epoksydowa Epidian 52. Jest to żywica pochodzenia krajowego powstała na bazie żywicy Epidian 5. Stosowana jest ona wraz z utwardzaczem Z-l. Oba składniki dostarczane są w stanie ciekłym, a łączy się je bezpośrednio przed użyciem. Przygotowana kompozycja zdatna jest do użycia zwykle przez kilkadziesiąt minut. Z każdej przyrządzonej porcji sporządzane są jakościowe próbki kontrolne, na podstawie których sprawdza się prawidłowość przebiegu procesu żelowania żywicy.
Kleje do łączenia laminatów. Do łączenia ze sobą oddzielnych części laminatowych stosowane są kleje przyrządzane z omawianych tu podstawowych żywic epoksydowych. Zależnie od potrzeby dodawane są do tych żywic odpowiednie wypełniacze, zwłaszcza zaś gdy występują tzw. pogrubione spoiny lub gdy istnieje trudność z dokładnym dopasowaniem łączonych powierzchni. Drobno cięty rowing i płatki bawełniane zwiększają wytrzymałość połączenia, mikrobalon natomiast (lekki drobny proszek) stosowany jest do dobrego wypełnienia grubej spoiny. Krzemionka koloidalna dodawana jest do masy kleju w celu zapobieżenia wyciekaniu ze spoin świeżo naniesionego kleju. Często stosuje się jednocześnie kilka z wymienionych tu dodatków.
Przed klejeniem powierzchnie laminatów powinny być oczyszczone, dokładnie odtłuszczone i lekko przetarte papierem ściernym. Klej nakłada się na obie łączone powierzchnie. Klejenie nie wymaga stosowania kontrolowanych docisków, jak jest to z reguły praktykowane podczas klejenia elementów drewnianych.
Rys. 1. Wykonywanie laminatowego pokrycia skrzydła na foremniku 1 - warstwa rozdzielcza, 2 - warstwy laminowanych tkanin, 3 - przekładka piankowa, 4 - warstwa rozdzielcza z folii, 5 - siatka nylonowa, 6 - przepona poliwinylowa, 7 - przewody od pompy podciśnieniowej
Przebieg laminowania. Dla większości elementów, a głównie dla tych, od których wymagana jest duża gładkość i dokładność odwzorowania, stosowane są foremniki wklęsłe. Oznacza to, że zewnętrzne powierzchnie wykonywanych elementów przylegają bezpośrednio do foremnika. Aby zapobiec przylaminowaniu tkaniny do foremnika, powierzchnię jego oczyszcza, się i pokrywa odpowiednią warstwą rozdzielczą (np. wosk polietylenowy z rozcieńczalnikiem „tri”). Na warstwę rozdzielczą może być teraz naniesiona emalia kryjąca, która łączy się z licem wykonywanego laminatu. Dzięki temu staje się zbędne późniejsze lakierowanie całego zespołu szybowca.
Po wyschnięciu warstwy emalii przystępuje się do właściwego laminowania. W tym celu konieczne jest wcześniejsze przygotowanie odcinków tkanin z włókna szklanego. Rodzaj tkaniny, jej gramatura i sposób złożenia podczas formowania elementu podane są na rysunkach wykonawczych. Odcinki tkanin układa się na zakładkę, której szerokość wynosi kilka centymetrów. Wytwarzanie laminatu odbywa się w sposób ciągły (bez przerw w pracy) przy przestrzeganiu zachowania czasu przydatności dostarczanych porcji żywicy z utwardzaczem. Nakładanie żywicy na foremnik, a następnie przesycanie nią układanych warstw tkanin odbywa się ręcznie przy użyciu krótkiego, twardego pędzla.
Jeżeli pomiędzy warstwy tkanin ma być wlaminowana warstwa przekładkowa w postaci spienionego tworzywa, to ze względu na jego porowatość do żywicy może zostać dodany mikrobalon, który zakryje otwarte pory na powierzchniach przekładki piankowej. Bezpośrednio po wlaminowaniu przekładki piankowej (tzn. po zakryciu jej warstwą tkaniny) konieczne jest wywarcie lekkiego nacisku, zapewniającego dobre ułożenie się przekładki i przyjęcie przez nią wymaganego kształtu. Nacisk taki wywiera się metodą podciśnieniową. Polega ona na tym, że na świeżą warstwę przesyconej żywicą tkaniny nakłada się cienką warstwę rozdzielczą z folii. Na warstwie rozdzielczej układa się drobną siatkę nylonową (lub tkaninę przepuszczającą powietrze), a następnie całość przykrywa się szczelnie dopasowaną przeponą (z grubszej folii), do której podłączone są giętkie przewody od pompy podciśnieniowej.
Do zapewnienia dobrego uformowania pokrycia wystarcza podciśnienie około 0,5-0,7 kG/cm². Sposób układania poszczególnych warstw podczas laminowania przedstawiony jest na rysunku 1. Podczas procesu laminowania wymagane jest przestrzeganie w pomieszczeniu odpowiedniej klimatyzacji. Minimalna temperatura powietrza powinna wynosić 20°C, a wilgotność względna nie może być większa niż 85%.
W omówiony tu sposób wytwarzane są głównie pokrycia skrzydeł i usterzeń szybowców oraz ścianki dźwigarów. Przy laminowaniu kadłubów metody docisku podciśnieniowego nie stosuje się. Odmienny przebieg ma proces budowy dźwigara. Dźwigar wykonywany jest z dwóch połówek, górnej i dolnej. Obie połówki wykonywane są w korytkowych foremnikach przy zastosowaniu docisku metodą podciśnieniową. Dalsza operacja polega na wlaminowywaniu do obu połówek pasm rowingowych spełniających rolę pasów dźwigara Pasma rowingu odwijane są ze szpulek, a następnie poddawane są dokładnemu przesycaniu żywicą w specjalnym urządzeniu i jednocześnie łączone w jedno pasmo o odpowiednio większym przekroju. Podczas wyciągania pasm z urządzenia przesycającego, pasma są układane wewnątrz połówek dźwigara i dociskane wałkiem. Każdy z pasów dźwigara składa się więc z określonej liczby pasm rowingu, przy czym im bliżej części nasadowej dźwigara, tym więcej pasm rowingu zawiera pas. Następną czynnością jest wklejanie do pionowych ścianek dźwigara lekkiego wypełniacza piankowego i zalaminowanie wnętrza połówek jedną warstwą tkaniny. Wykonane w ten sposób obie połówki mogą być teraz sklejone ze sobą kołnierzami. Proces utwardzania laminatów i ich połączeń klejowych składa się z około dziesięciogodzinnego procesu żelowania żywicy i z około jednodobowego procesu utwardzania wstępnego. Po upływie tego okresu możliwe jest wyjecie elementu z foremnika.
Typ lecącego szybowca określa się na podstawie charakterystycznych cech jego sylwetki. Znaczny wpływ na sylwetkę szybowca ma jego układ konstrukcyjny. Przez pojęcie układu rozumie się tu usytuowanie skrzydeł względem kadłuba oraz usytuowanie usterzeń. We wczesnym okresie rozwoju szybownictwa do najbardziej rozpowszechnionych należał układ górnopłata, odznaczający się tym, że skrzydła, najczęściej wsparte zastrzałami, umieszczone były nad kadłubem. Początkowo budowano w takim układzie prawie wszystkie odmiany szybowców, o później układ ten charakterystyczny był dla szybowców szkolnych i treningowych. Obecnie tego rodzaju szybowce spotykane są coraz rzadziej.
Korzystną pod względem aerodynamicznym i konstrukcyjnym odmianą górnopłata jest tzw. grzbietopłat, którego przykładem jest SZD-30 „Pirat”. Różni się on od górnopłata tym, że skrzydła ma zabudowane bezpośrednio do górnej części kadłuba, a nie do tzw. wieżyczki, którą tworzy wyniesiona do góry i zwężająca się część kadłuba.
Najbardziej pokaźną grupę stanowią szybowce zbudowane w układzie średniopłata. W szybowcach tych skrzydła mocowane są mniej więcej w połowie wysokości kadłuba. Przykłady takich rozwiązań pokazane są na rysunkach od 4 do 7. W sporadycznie spotykanych konstrukcjach przyjęty jest układ dolnopłata. Poważną niedogodnością takiego układu jest w przypadku szybowca możliwość uszkodzeń szybowca na ziemi ze względu na nieznaczną odległość skrzydeł od powierzchni ziemi.
Niebezpieczeństwo niezamierzonego kontaktu z ziemią usuwa częściowo zastosowanie „łamanego” skrzydła o kształcie spłaszczonej litery „M”. Rozwiązania takie stosuje się w celu poprawienia stateczności szybowca, a jednocześnie przez oddalenie końców skrzydeł od ziemi zapobiega się zaczepianiu ich o wysoką roślinność, co jest szczególnie ważne podczas lądowania szybowca w terenie przygodnym. Dalszą charakterystyczną cechą skrzydła jest jego obrys.
Obrys prostokątny spotykany był wyłącznie przy prostych w konstrukcji szybowcach szkolnych. Obrys taki nie był korzystny aerodynamicznie, ale znakomicie upraszczał budowę. Pozostałe obrysy, takie jak trapezowy, prostokątno-trapezowy oraz eliptyczny stosowane są w szybowcach treningowych, wyczynowych i akrobacyjnych, gdyż zapewniają znaczne korzyści aerodynamiczne, zwłaszcza przy odpowiednim wydłużeniu skrzydła.
Wydłużenie skrzydła to jedna z cech konstrukcji skrzydła Wydłużenie jest to stosunek rozpiętości skrzydeł do ich szerokości (w przypadku skrzydeł prostokątnych). Większe wydłużenia zapewniają lepszą doskonałość aerodynamiczną, ale o nastręczają dodatkowe trudności konstrukcyjne ze względu na spadek sztywności giętnej i skrętnej smukłego skrzydła. Ogólnie, dla dowolnego obrysu skrzydła wydłużenie λ (lambda) wyznacza wzór: λ = l ² / S gdzie: l - rozpiętość skrzydeł, S - powierzchnia nośna skrzydeł.
Rys. 2. Wydłużenie skrzydła
Pojęcie wydłużenia wyjaśnia rysunek 2 na przykładzie skrzydła prostokątnego i trapezowego. Następną dostrzegalną dla obserwatora cechą zewnętrzną szybowca jest tzw. skos skrzydeł. Układ ze skosem do przodu stosowany jest często w szybowcach dwumiejscowych, gdyż umożliwia umieszczenie drugiego członka załogi o w środku ciężkości szybowca, tak, aby jego ciężar miał minimalny wpływ na zmianę położenia środka ciężkości szybowca.
Rys. 3. Skosy skrzydeł: a - skrzydło bez skosu, b - skos ujemny (do przodu), c - skos dodatni (do tyłu).
Takie rozwiązanie zastosowane jest w szybowcu dwumiejscowym „Bocian” oraz w szybowcu szkolnym „Czapla”. Skos skrzydeł do tyłu charakterystyczny jest dla szybowców bezogonowych, czyli do tzw. latających skrzydeł, gdyż zapewnia potrzebną stateczność podłużną i sterowność. Rozwiązania takie występują jednak sporadycznie i to w konstrukcjach raczej eksperymentalnych.
W konstrukcjach kadłubów występuje także znaczna różnorodność. Najbardziej prymitywnym rodzajem kadłuba jest kadłub wykonany z kratownicy płaskiej; znajdował on szerokie zastosowanie w konstrukcjach dawnych szybowców do szkolenia wstępnego. Obecnie wszystkie szybowce mają kadłuby stanowiące konstrukcje przestrzenne o przekroju wielobocznym lub owalnym. Spotyka się też kadłuby o przekroju kołowym, w niektórych konstrukcjach kratownicowych z rur stalowych w tylnych częściach kadłubów występują przekroje trójkątne.
Charakterystyczny dla niektórych konstrukcji jest kadłub belkowy, w którym przekroje tuż za kabiną zdecydowanie zmniejszają się przechodząc w belkę (w rzeczywistości lekko stożkową rurę, często duralową).
Oba skrzydła (lewe i prawe) szybowca tworzą jeden płat. Stąd spotykane w literaturze określenia, takie jak górnopłat, średniopłat lub grzbietopłat. Płat może być budowany jako jedna całość, to znaczy niedzielony, może być dwudzielny, to znaczy składać się z lewego i prawego skrzydła, a może też składać się z trzech lub nawet czterech części. Przykładem trójdzielnego płata są skrzydła Pirata złożone z wielopodłużnicowego centropłatu i trapezowych końcówek. Najczęściej spotyka się płat dwudzielny, który zapewnia najkorzystniejsze warunki obsługi i transportu kołowego. Płat niedzielony, dający znaczne oszczędności ciężaru dzięki brakowi ciężkich okuć nośnych, może być stosowany jedynie w szybowcach o małej rozpiętości. Pozostałe rozwiązania, w postaci płata trójdzielnego oraz składającego się z czterech części, są najbardziej kłopotliwe podczas użytkowania szybowców (montaże, demontaż, transport).
Choć pod względem wyglądu zewnętrznego skrzydła mogą być do siebie podobne, to jednak często występują duże różnice w ich konstrukcji i w stopniu zmechanizowania. Do tradycyjnych zalicza się skrzydła z jednym lub dwoma dźwigarami konstrukcji drewnianej. Po dość krótkim okresie prób ze skrzydłami wielopodłużnicowymi, pozbawionymi dźwigarów, obserwuje się powrót do koncepcji dźwigara w konstrukcjach laminatowych.
Na mechanizację skrzydeł szybowcowych składają się lotki i hamulce aerodynamiczne; rzadziej występują klapy wyporowo-przeskokowe i zbiorniki na balast wodny. Na przestrzeni lat można było obserwować wiele modyfikacji, jakim poddawane były te urządzenia w dążeniu do uzyskania jak największych efektów. Na przykład lotki, początkowo bezszczelinowe, ewoluowały w kierunku lotek szczelinowych o dużej skuteczności, aby wreszcie wrócić do rozwiązań początkowych, tyle że o zmienionym wydłużeniu, wyważeniu i sposobie zawieszenia. Hamulce aerodynamiczne, usuwane o ze skrzydeł w celu zachowania idealnie gładkich powierzchni laminarnych, po kilku latach eksperymentów z różnego rodzaju hamulcami spadochronikowymi w tyle kadłuba, powróciły na skrzydła, tyle, że nieco cofnięte do tyłu, w strefę turbulentnego opływu płata.
Skrzydła dźwigarowe. Charakterystyczne dla konstrukcji szybowców skrzydła dźwigarowe wykonane z drewna pokazano na rysunku 4.
Na rysunku 4a przedstawiono skrzydła jednodźwigarowe z dźwigarkiem pomocniczym (inaczej skośnym, skrętnym), pokryte kesonem wykonanym ze sklejki, a biegnącym wzdłuż całej rozpiętości oraz trójkątnym kesonem wypełniającym miejsce pomiędzy dźwigarem głównym a dźwigarkiem skośnym. W opisanym układzie obciążenia zginające przejmowane są przez dźwigar główny, skręcanie natomiast przez obydwa kesony. Dźwigarek pomocniczy nazywany jest też skrętnym z tej przyczyny, że przenosi na kadłub moment skręcający od skrzydła. Pozostałe powierzchnie skrzydła kryte są płótnem.
Rys. 4. Typowe skrzydła dźwigarowe szybowców: 1 - okucie główne, 2 - żebro nasadowe, 3 - krawędź natarcia, 4 - keson (przedni), 5 - dźwigar główny, 6 - hamulec aerodynamiczny, 7 - światło pozycyjne, 8 - końcówka skrzydła, 9 - dźwi-garek przylotkowy, 10 - lotka, 11 - krawędź spływu, 12 - żebro, 13 - dźwigar pomocniczy, 14 - keson tylny, 15 - okucie pomocnicze
Skrzydło wyposażone jest w lotkę i hamulec aerodynamiczny, składający się z dwóch pionowo wysuwanych płyt, górnej i dolnej. Zginanie przenoszone jest z dźwigara na parę okuć głównych (okucie górne i okucie dolne), skręcanie natomiast przez pojedyncze okucie dźwigarka skośnego.
Na rysunku 4b pokazane jest skrzydło dwudźwigarowe z dźwigarem głównym i równolegle lub lekko zbieżnie prowadzonym dźwigarem pomocniczym. Skrzydło ma keson zwany dwuobwodowym. Jeden obwód kesonu stanowi odcinek od dźwigara głównego do przodu, drugi natomiast - odcinek między dźwigarami. Pozostałe powierzchnie skrzydła kryte są płótnem. Zginanie przenoszone jest w tym skrzydle przez dźwigar przedni, skręcanie zaś przez obydwa obwody kesonów i dźwigar pomocniczy, który umocowany jest do kadłuba pojedynczym okuciem. Przy dźwigarze głównym znajdują się dwa okucia główne, to znaczy okucie górne i okucie dolne, obciążane momentem gnącym skrzydła.
Skrzydło wyposażone jest w dzieloną lotkę (ze względu na jej znaczną długość) i hamulec aerodynamiczny.
Dźwigar skrzydła, pod względem wytrzymałościowym, jest belką biegnącą wzdłuż całej rozpiętości skrzydła i przystosowaną do pracy na zginanie. Belka ta umocowana jest jednostronnie do kadłuba szybowca.
Z uwagi na charakter pracy, dźwigar odznacza się szczególną konstrukcją, w której główną rolę odgrywa pas górny oraz pas dolny. Są to elementy, które zależnie od kierunku obciążania dźwigara poddawane są na przemian rozciąganiu i ściskaniu. Na rysunku 42 pokazano charakterystyczne szczegóły budowy dźwigarów drewnianych. Rysunek 42a przedstawia przekroje dźwigarów uszeregowane od najbardziej prostych do konstrukcyjnie skomplikowanych (dźwigar ceowy, skrzynkowy, dwuteowy, dwuskrzynkowy, wieloskrzynkowy). Pasy dźwigara klejone są z warstw drewna sosnowego. Układ słojów drewna, widoczny na przekrojach poprzecznych, tak jest dobierany, aby słoje tworzyły charakterystyczny wzór „jodełki”, przez co uzyskuje się dobrą sztywność i wytrzymałość dźwigara. Zazwyczaj przekrój pasa górnego jest większy niż pasa dolnego, co spowodowane jest tym, że podczas zginania skrzydła w locie normalnym jest on ściskany, a jak wiadomo, drewno ma znacznie mniejszą wytrzymałość na ściskanie niż na rozciąganie.
Ścianki dźwigara wykonane są ze sklejki w ten sposób, że jej zewnętrzne słoje przyjmują kierunek ukośny lub pionowy. Ścianki zapobiegają wzajemnemu zbliżaniu się pasów dźwigara i przesuwaniu się jednego pasa względem drugiego.
W miejscach, w których mają być przymocowane okucia, wklejane są do dźwigarów odpowiednie klocki. Klocki charakteryzują się specjalnymi kształtami, zapewniającymi łagodne przejścia przy zmianach przekrojów elementu pracującego, co jest konieczne do uniknięcia tzw. zjawiska działania karbu. Zjawisko to określa gwałtowny spadek wytrzymałości konstrukcji w miejscach o nagłych zmianach przekrojów.
Podczas zabudowy okuć szczególnej uwagi wymaga dokładność wykonania otworów w drewnie. Drewno musi mieć odpowiednią wilgotność, aby nie nastąpiło luzowanie się połączeń w późniejszym okresie (kurczenie się drewna - zanik docisku okuć do dźwigara).
Dźwigarki pomocnicze odznaczają się prostszą konstrukcją. Mają one najczęściej przekrój ceowy lub zwykły, skrzynkowy.
Żebra nadają skrzydłu i usterzeniom odpowiedni profil, a od dokładności ich wykonania zależą, zwłaszcza w przypadku skrzydeł, własności aerodynamiczne szybowca. Żebra przenoszą na dźwigary siły aerodynamiczne wytwarzane na powierzchniach skrzydeł i usterzeń.
W celu lepszego wyzyskania wysokości profilu do zabudowy dźwigara (wyższy dźwigar na większą wytrzymałość), buduje się najczęściej żebra jako dzielone, to znaczy składające się z części przedniej i z części zadźwigarowej (inaczej noskowe i spływowe).
Kesony są to przestrzenne elementy konstrukcji skrzydła o tworzące rodzaj zamkniętej rury, odpornej na skręcanie. Powstają one przez obustronne oklejenie szkieletu utworzonego przez dźwigar i żebra za pomocą sklejki. Rozróżnia się kesony jedno- i dwuobwodowe, zależnie od liczby dźwigarów w skrzydle. Odporność na skręcanie można w kesonie zwiększyć przez skośne ułożenie słojów sklejki. Szczególnie trudne jest wykonanie kesonu przedniego, jeżeli jest on wytwarzany z jednego kawałka sklejki. Trudność polega na konieczności wstępnego formowania sklejki w celu nadania jej odpowiedniego kształtu. Pociąga to za sobą konieczność wstępnego moczenia na gorąco sklejki, a następnie ułożenia jej na foremniku o kształcie kesonu skrzydła. Przymocowana do foremnika sklejka pozostaje na nim aż do zupełnego wyschnięcia, po czym może być klejona do szkieletu skrzydła.
Ze względu na ważność roli, jaką odgrywają kesony, wymagana jest duża staranność tak podczas budowy, jak i w późniejszym okresie, podczas napraw skrzydła.
Skrzydła wielopodłużnicowe. Drewniane skrzydła wielopodłużnicowe charakteryzują się tym, że nie mają klasycznego dźwigara. Są to skrzydła o pokryciu pracującym, uformowanym w szeroki jednoobwodowy keson sięgający przednią ścianką do listwy natarcia, a tylną ścianką aż do części lotkowej (ewentualnie klapowej). Dźwigar skrzydłowy zastąpiony jest tu szeregiem drobnych podłużniczek, podpartych żebrami. W części wymagającej umocowania okuć nośnych podłużniczki łączą się w płaski klocek, do którego mocowane jest okucie. Rozwiązanie takie występuje tak w górnym, jak i w dolnym pokryciu skrzydła.
Rys. 5. Konstrukcja części nasadowej skrzydła wielopodłużnicowego
Budowa takiego skrzydła jest odmienna i wymaga odpowiedniego oprzyrządowania, na które składają się oddzielne foremniki na pokrycia górne (lewe i prawe skrzydło) oraz na pokrycia dolne (lewe i prawe skrzydło). W foremnikach tych powstają przekładkowe pokrycia skrzydła, składające się z kilku warstw sklejek lub z kombinacji sklejki z lekkim tworzywem wypełniającym. Jednocześnie w tych foremnikach wklejane są do pokrycia listwy podłużniczek z umocowanym do nich okuciem nośnym. Jeden z foremników służy za przyrząd montażowy skrzydła przy dalszych czynnościach, polegających na ustawieniu żeber i skrzynki hamulcowej, zainstalowaniu napędów sterowych i naklejeniu drugiego pokrycia.
Momenty gnące przenoszone są przy współpracy podłużniczek i pokrycia, skręcanie natomiast przez obydwa pokrycia (górne i dolne) oraz przez ścianki przednią i tylną. Skrzydła wielopodłużnicowe spotykane są stosunkowo rzadko. W konstrukcjach krajowych występują m. in. w szybowcach „Foka” 24-4A oraz „Pirat” SZD 30 (tylko w środkowej części skrzydła).
Skrzydła laminatowe. Skrzydła laminatowe budowane są w układzie dźwigarowym z dźwigarem dzielącym na dwie części szeroki keson, utworzony przez pokrycia górne i dolne i przez tylną ściankę, sięgającą do części przylotkowej. Dzięki właściwości zachowania kształtu przez usztywnione przekładkami pokrycia skrzydła zbyteczne jest w nich stosowanie wewnętrznych żeber. Skrzydło laminatowe ma jedynie odpowiednio mocne żebro nasadowe, do którego wlaminowane są gniazda ze stalowymi łożyskami przegubowymi o dużej średnicy. Otwory w skrajnych przegubach 2 służą do połączenia skrzydła z kadłubem, środkowy przegub 3 natomiast -- do wprowadzenia czopa drugiego skrzydła (rys. 6).
Rys. 6. Cześć nasadowa skrzydła wykonanego z laminatów
1 - czop dźwigara, 2 - gniazda przegubowe do zawieszenia kadłuba, 3 - gniazdo przegubowe czopa dźwigara drugiego skrzydła, 4 - popychacz napędu lotki, 5 - sprzęgło napędu hamulca aerodynamicznego
Wystający z żebra nasadowego króciec dźwigara zakończony jest czopem stalowym l, który podczas montażu szybowca wprowadzany jest do otworu w przegubie 3 lewego skrzydła. Przed wysunięciem się skrzydeł układ jest zabezpieczony sworzniem przetykanym przez otwory tulei 6. Sposób montażu obu skrzydeł wyjaśniony jest na rysunku 7a, w którym w celu lepszej przejrzystości pominięte zostało zaznaczenie obrysu kadłuba.
W nieco odmienny sposób rozwiązane jest połączenie przedstawione na rysunku 7b. Sworzeń 6 spinający oba dźwigary jest znacznie silniej obciążony, gdyż przenosi siły od momentów gnących skrzydeł.
Rys. 7. Sposoby łączenia ze sobą skrzydeł laminatowych. a - układ dżwigarów na zakładkę, b - układ z dźwigarem rozwidlonym. 1 - czop dźwigara, 2 - gniazda przegubowe do zawieszenia kadłuba, 3 - gniazda przegubowe czopów dżwigarów drugich skrzydeł, 6 - sworzeń ścinający oba skrzydła
W obu rozwiązaniach przedstawionych na rysunku 7 dźwigary skrzydeł spięte są ze sobą z pominięciem udziału kadłuba, który dzięki temu nie jest obciążony siłami zginającymi skrzydła. Kadłub podwieszany jest do płata za pomocą czterech czopów wchodzących w otwory przegubów 2 widoczne na rysunkach 6, 7. Montaż skrzydeł z kadłubem wymaga jednoczesnego wprowadzenia wszystkich czopów w odpowiadające im otwory w przegubach. W ten sposób następuje jednoczesne sprzęgnięcie obu skrzydeł i połączenie ich z kadłubem. W niektórych konstrukcjach odbywa się jednoczesne sprzęgnięcie napędu sterującego hamulce aerodynamiczne.
Lotki. Lotki różnią się między sobą konstrukcją i własnościami aerodynamicznymi. Najbardziej charakterystyczne odmiany lotek pokazane są na rysunku 8. Jedna z pokazanych na rysunku lotek oddzielona jest od skrzydła szczeliną o szerokości zapewniającej uzyskanie odpowiednich kątów wychyleń. Druga lotka ma zawiasy umocowane w górnej części dźwigarka, wskutek czego, przy odpowiednim nachyleniu płaszczyzny tego dźwigarka, uzyskano możliwości jej wychylania, a szczelina została praktycznie zlikwidowana.
Na rysunku 8c przedstawiono typową lotkę szczelinową z ukształtowaną pod względem aerodynamicznym szczeliną, mającą na celu poprawienie skuteczności sterowania. Ten rodzaj lotki stosowany był przez wiele lat w szybowcach wyczynowych i akrobacyjnych. Na rysunku 8d, e przedstawiono rodzaje lotek bezszczelinowych, stosowane w nowoczesnych konstrukcjach szybowców wyczynowych. W szybowcach tych zrezygnowano ze skutecznych lotek szczelinowych na korzyść rozwiązań zapewniających uzyskanie jak największej doskonałości aerodynamicznej szybowca (jak wiadomo poprzez szczeliny następuje wyrównywanie się ciśnień, będące źródłem tzw. oporów szczelinowych).
Rys. 8. Charakterystyczne odmiany lotek
Najczęściej konstrukcja lotki jest pochodną konstrukcji skrzydła. Oznacza to, że w skrzydłach konstrukcji drewnianej także i lotki wykonane są z drewna i najczęściej kryte tkaniną (rzadziej sklejką), podczas gdy w szybowcach laminatowych lotki mają konstrukcję przekładkową (laminat i wypełniacz z tworzywa piankowego).
Lotka przypomina swoją budową pomniejszone skrzydło, a więc przy konstrukcji drewnianej składa się z dźwigarka, żeberek, kesonu i listwy spływu. Część od dźwigarka do listwy spływu jest najczęściej pokryta tkaniną.
W szybowcach dopuszczonych do rozwijania prędkości większych niż 200 km/h stosowane jest tzw. masowe wyważanie lotek. Polega ono na tym, że przed osią zawieszenia lotki umieszczany jest metalowy ciężarek, którego masa sprowadza środek ciężkości układu do pokrycia się z osią zawieszenia lotki. Takie wyważenie lotki zapobiega występowaniu drgań samowzbudnych (flatter) lotki w zakresie dopuszczalnych prędkości. Sposoby umieszczania ciężarków wyważających są różne. Najczęściej i najbardziej korzystnie rozwiązuje się problem wyważenia lotki przez zamocowanie wzdłuż krawędzi natarcia stalowego pręta lub paska z ołowiu. Mniej korzystny jest sposób polegający na umocowaniu na wystającym pod skrzydłem wysięgniku. Rozwiązanie takie jest też źródłem dodatkowych oporów, może być narażone na oblodzenie, a przede wszystkim na zaczepianie o wysoką roślinność podczas lądowania w przygodnym terenie.
Zależnie od rozpiętości szybowca, lotki różnią się długością i wydłużeniem. Lotki o mniejszej długości zawieszane są zwykle na trzech zawiasach, podczas gdy przy lotkach długich stosuje się cztery zawiasy lub dzieli się lotkę na dwie krótsze lotki. W ten sposób tworzy się lepsze warunki pracy lotek przy znacznych nieraz ugięciach skrzydeł w locie.
Lotki pracują z reguły na zasadzie różnicowości, polegającej na tym, że lotka wychylana do góry obraca się o większy kąt w stosunku do lotki opuszczanej. Zagadnienie to omówione jest obszernie w punkcie 6.
W niektórych szybowcach wyczynowych (głównie klasy otwartej) wyposażonych w klapy spotykane jest rozwiązanie polegające na tym, że z chwilą opuszczania klap następuje jednoczesne opuszczenie do dołu obu lotek, co oczywiście nie ogranicza ich normalnego funkcjonowania.
Klapy. Klapy stanowią w zasadzie urządzenie służące do zwiększania współczynnika siły nośnej skrzydła. Są one umieszczane wzdłuż spływowej części skrzydła na odcinku od lotek do kadłuba. Przez odpowiednie wychylenie klap do dołu uzyskuje się wysklepienie profilu, umożliwiające zmniejszenie prędkości i promienia krążenia lub też zmniejszenie prędkości i długości startu i lądowania. Przy dużym kącie n wychylenia klap przyrasta zdecydowanie współczynnik oporu, umożliwiając strome podejście do lądowania.
Istnieje kilka odmian klap, różniących się między sobą i konstrukcją, i efektywnością. Szczelinowa klapa wyporowa pod względem konstrukcji, jak i zawieszenia nie różni się od lotki. Przy klapie nie wychylonej szczelina między klapą i skrzydłem jest zakryta i odsłania się dopiero w trakcie opuszczania klapy.
Klapy-poszerzacze są to klapy o złożonym ruchu, podczas którego wysuwają się one do tyłu i stopniowo opuszczają krawędź spływu do dołu. Wraz z szybowcami laminatowymi rozpowszechniły się wąskie klapy bezszczelinowe. W rozwiązaniach takich wykorzystywane są własności sprężyste górnego pokrycia laminatowego na skrzydle, które w ten sposób spełnia rolę zawiasu klapy. Są to najczęściej klapy o dwojakim działaniu. Opuszczane w dół poprawiają nieco własności w krążeniu przez zmniejszenie prędkości i promienia krążenia, podnoszone o kilka stopni do góry poprawiają własności przeskokowe szybowca podczas wykonywania przelotu. Stąd też nazywa się je klapami do szybkiego przeskoku. Pod względem konstrukcyjnym klapy nie różnią się prawie wcale od lotek, to znaczy mogą mieć dźwigarek, keson, żeberka i listwę spływu. Klapy wykonywane z laminatów są ze względu na dużą sztywność pokrycia pozbawione żeber, a nawet dźwigarków, a wnętrze ich wypełniane jest całkowicie wypełniaczem piankowym.
Instalacja klap skrzydłowych komplikuje konstrukcję szybowca, zwiększa jej ciężar i podnosi koszty budowy. Umiejętne wykorzystanie efektów, jakie mogą dać klapy, uwarunkowane jest dużym doświadczeniem pilota, toteż klapy stosowane są głównie w szybowcach wysokowyczynowych.
Hamulce aerodynamiczne. Hamulce aerodynamiczne wytwarzają dodatkowe opory, wpływając w ten sposób na ograniczanie prędkości nurkowania lub zmniejszanie doskonałości szybowca podczas wykonywania manewrów przed lądowaniem.
Rys. 9 Konstrukcja hamulców aerodynamicznych
Spośród hamulców umieszczanych na skrzydłach najszersze zastosowanie znalazły hamulce płytowe (rys. 9). Rozróżnia się hamulce płytowe wysuwane (typ Schemp-Hirth) oraz hamulce wychylane obrotowo (typ DFS). Rozmieszczenie płyt hamulcowych na skrzydłach pokazane jest na rysunku 9a. Rysunek 9b wyjaśnia różnice w sposobie wysuwania hamulców, dalsze natomiast dotyczą konstrukcji drewnianych płyt hamulcowych i ich ...
Majka9215