KURZUS: Légi közlekedés

MODUL: I. modul

2. lecke: Légi járművek felépítése és szerkezete

| A légi közlekedés eszközei a légi járművek, melyek a repülés fejlődése során felmerülő számos feladat ellátásához igen sokféle repülőszerkezet kifejlődésében öltöttek testet.
Napjaink elterjedt repülési eszközein a kívánt repülési magasság biztosításához az áramvonalas szárnyprofilokon keletkező dinamikus felhajtóerőt használják fel, mely elnevezésben a "dinamikus" szó arra utal, hogy az csak a repülési eszköz meghatározott haladási sebessége felett állítható elő biztonságosan.
A repülés eddigi történetében rendkívül sokféle repülési eszközt építettek meg a különböző felhasználási céloknak és igényeknek megfelelően.
1. Légi járművek osztályozása, felépítése
Légi járműveknek nevezzük azokat a szerkezeteket, amelyek a földi atmoszférában, a levegő reakcióerejéből származó felhajtóerő segítségével a repülési magasság megőrzésére vagy megváltoztatására képesek.
A fenti meghatározás szerint a légpárnás járművek nem tartoznak a légi járművek kategóriájába, mert működésükhöz elengedhetetlen a föld- vagy vízfelszín közelsége és így repülési magasságról érdemben nem beszélhetünk.
Az egyes változatok felhasználási területe, építés módja és külalakja is nagy különbségeket mutat. A különféle repülési eszközöket sok szempont szerint lehet osztályozni és csoportosítani (pl. szerkezeti kialakítás, hajtómű, használat jellege). A légiközlekedésben először a léggömbök jelentek meg, melyek a meleg levegő emelőhatást kihasználva emelkedtek a magasba. Ezek irányítása bonyolult, elsősorban a szél irányától függ. Ehhez hasonló a vitorlázó repülőgépek különböző változatai, melyek hajtóművel nem rendelkezne, felemelkedésük külső meghajtással történik. A közlekedésre alkalmas, irányítható, hajtóművel ellátott eszközök, szerkezetük szerint lehetnek:
merev szárnyú repülőgépek, forgó szárnyú repülőgépek (helikopter), billenő rotoros repülőgépek merev vázú léghajó
Billenő rotoros repülőgép
2. ábra
A hajtóművel ellátott légi járművek közül a merev szárnyú repülőgép kiemelkedő jelentőségű a mai repülési technológiában, elsősorban a nagyobb távolságú közlekedésben. A forgó szárnyas helikopterek a polgári, mezőgazdasági és katonai repülésben jutnak egyre nagyobb szerephez, elsősorban a rövidebb távú közlekedésben.
A merevszárnyú repülőgépeket elrendezés szerint is szokás csoportosítani. Az elrendezés szerinti csoportosításhoz a gép szárnyának, törzsének vagy más fő részeinek számát, elhelyezését, kialakítási módját vesszük figyelembe.
A repülőgépszárny elrendezése szerinti osztályozáskor a különbség a szárnyak számából, kialakításából és elrendezéséből adódik. Az első repülőgépek többsége kétszárnyú volt, a lehető legnagyobb felhajtóerő biztosítása érdekében. Ez az elrendezési mód nagy fordulékonyságot biztosított a gépeknek.
Az egyszárnyú repülőgépek a szilárdságtani méretezés fejlődésével alakultak ki. Az ilyen szárnyak lehetnek merevítettek - azaz a szárnyak bizonyos pontjait a szilárdság növelése érdekében a gép törzséhez rögzítik támasztó dúcokkal - és szabadonhordók. A merevített szárnyak kisebb súlyúak, azonban a támaszelemek nagy légellenállása csak kis sebességű repülést tesznek lehetővé. Nagy sebességű repülőgép csak szabadonhordó szárnnyal építhető.
A szárny elhelyezése szerint a repülőgép lehet alsó-, középső-, és felsőszárnyas. Itt a szárnynak a géptörzshöz rögzítés helye az osztályozás szempontja. Napjaink kereskedelmi forgalomban repülő gépei általában alsó szárnyas kialakításúak. Felső szárnyas kialakítást általában a hajtómű elhelyezése (nagy légcsavarok) ill. az üzemeltetési körülmények (repülőt nemcsak kiépített repülőtéren használják).
Mint látható a hajtómű elhelyezése szempontjából is csoportosíthatjuk a repülőgépeket, így törzsön kívüli vagy törzsben elhelyezett hajtóműről beszélni (kisebb gépek). A törzsön kívüli elhelyezés lehetséges a szárnyon, ill. a gép törzsének hátsó részén.
A repülőgépek futóműveinek kialakítását is használják osztályozási szempontként. Korábban a nagyobb, napjainkban már csak a kisebb gépeket farokkerekes futóművel építik, ami azt jelenti, hogy a földi gurulás során a kanyarodást vezérlő kereket a farokfelületek alatt rögzítik a gép törzséhez. Ezzel szemben az orrkerekes építési módnál - a kereskedelmi repülésben ez az elterjedt - a törzs elejére építik be a kormányzó kereket.
A két főfutót általában a szárny alatt, a törzstől bizonyos szimmetrikus távolságban - a széles nyomtáv biztosítása érdekében - helyezik el. Néhány géptípusnál ún. tandem (soros) futóművel is találkozni lehet, melynek jellemzője a két főfutónak a törzs középvonalába történő egymás mögé építése.
Futómű elrendezések
3. ábra
A repülőgép vízről is felszállhat. A vízi repülőgépeken a kerekek helyén úszótestek találhatók, sőt gyakori megoldás, hogy a gép törzsét csónaktestként alakítják ki.
Az előző csoportosítási szempontokon túl a légi járműveket legjellemzőbb módon feladatuk szerint osztályozhatjuk:
polgári repülőgépek utasszállító teherszállító sport mezőgazdasági speciális célú katonai repülőgépek
Az utasszállító repülőgépeket hatótávolság szerint kis-, közép- és nagy hatótávolságú kategóriákba sorolják.
A kis hatótávolságú gépek 10-50 férőhellyel, 1000 kilométeren belüli fuvarozási feladatokat oldanak meg. Hajtóművük többnyire légcsavaros gázturbina vagy gázturbinás sugárhajtómű. Sebességük általában 600 km/h alatt marad, felszálló tömegük 50 tonnáig terjed.
A középhatótávolságú utasgépeket 5000 km távolság alatt, a nagy hatótávolságúakat e felett üzemeltetik. Sebességük csaknem 1000 km/h-ig terjed, repülési magasságuk 10-13 km. Emiatt utasterüket túlnyomásos kabinként alakítják ki. Hajtóműveik gázturbinás sugárhajtóművek. Az óriás gépek felszálló tömege eléri a 400 tonnát is, a férőhelyek száma pedig az 500-at.
Az utasgépek a nemzetközi légi forgalomban műszeres és rádiónavigációs eszközökkel felszerelt repülésirányító rendszerben közlekednek, így ez az ilyen gépek kötelező felszereléseit is meghatározza.
Teherszállító repülőgépek az utasszállítógépekhez képest lassabban repülnek. Általában gyors szállítást igénylő, nagy értékű áruk szállítására használják. Gyakori, hogy az utasgépekből áruszállító változatot is kifejlesztenek.
A sportrepülőgépeket vitorlázó és motoros kategóriára lehet osztani. A gondos áramlástani kialakítás, nagy szárnykarcsúság és könnyű építési mód jellemzi az egy vagy két üléses vitorlázógépeket. A motoros sportgépeket általában dugattyús motorral forgatott légcsavar hajtja. A műrepülés igénye a motor szerkezetében, tüzelő- és kenési rendszerében különleges megoldásokat igényel, de a sárkány kialakítását is nagy igénybevételek elviselésére kell méretezni.
A mezőgazdasági repülőgépek rendszeresen a talaj közelében 10 méternél alacsonyabb magasságban repülnek, így felszerelésük és kialakításuk a sűrű egymás után ismétlődő feladat ellátására teszi őket alkalmassá.
Külön csoportot képeznek a katonai célokat szolgáló légi járművek, melyek az ismertetett csoportok fegyverrel felszerelt változata.
A repülőgépeken üzemeltetett rendszerek az alábbi módon csoportosíthatók:
gépészeti rendszerek sárkányszerkezet hajtómű futómű irányító rendszer tüzelőanyag rendszer hidraulika és pneumatika rendszer kondícionáló rendszer utaskényelmi és tehertér berendezések jégtelenítő rendszer különleges rendszerek elektromos rendszer navigációs rendszer rádió rendszer tűzoltó rendszer oxigén rendszer
2. Repülőgép sárkányszerkezete
A repülőgép sárkányszerkezete viseli a repülőgép aerodinamikai és szilárdsági terhelésének legnagyobb részét.
Merev szárnyú repülőgép főbb elemei
4. ábra
A repüléshez szükséges dinamikus felhajtóerő a szárnyon jön létre. A szárny kiegészítő berendezései a csűrőlapok, az orrsegédszárny, a fékszárny és a féklap, amelyek a repülőgép irányításának fontos részei. A gép fő szerkezeti részeit (szárny, hajtóművek, farokrészek) a törzs kapcsolja össze. A gép törzsének két egymással ellentétes elvárásnak kell megfelelnie. Egyrészt, a gép légellenállásának legnagyobb része a törzstől származik, másrészt egy szállítójárműről van szó, tehát belül minél tágasabbnak kellene lenni.
Li-2 és Airbus 321 repülőgépek (https://airportal.hu)
5. ábra
Napjainkra a törzsátmérő alapján keskeny és széles törzsű gépek repülnek és a gépek hossza is jelentős mértékben növekedett.
Li-2 és Airbus 321 repülőgép összehasonlítása
| Li-2 / DC-3 (1946) | Airbus 321 (2018)
Fesztáv | 21,8 m | 34,1 m
Hossz | 19,6 m | 44,5 m
Felszállótömeg | 10 700 kg | 93 500 kg
Férőhely | 21 fő | 230 fő
Utazó sebesség | 245 km/h | 828 km/h
Hatótávolság | 2 500 km | 5 900 km
1. táblázat
Míg a személyszállító gépek elsősorban az utas szállítás céljait szolgálják - van mód áruszállításra is - addig az áruszállító gépeknél a fő szempont az árú biztonságos elhelyezése és rögzítése. Ebben az esetben a törzs kialakítása is ezen igények szerint történik, a rakodóajtók nagyobbak, néha a törzs eleje vagy a hátulja nyitható a könnyebb rakodás érdekében.
A repülőgép törzse biztosítja repülés közben a túlnyomást, hiszen a repülési magasságon az ember számára a légnyomás alacsony. Általában nem a teljes törzsben, hanem csak egy részében van túlnyomás, a törsz többi részétől ezeket a területeket nyomáshatároló falak választják el.
A sárkányszerkezet fontos része a szárny. A repülőgépen keletkező felhajtóerőt - a törzs és a farokfelületek néhány százaléknyi felhajtóerejétől eltekintve - a szárny állítja elő. A szárny - felhajtóerőt előállító szerepén kívül - a gép mozgatásával és kormányzásával, fel- és leszállásával kapcsolatos szerepet is betölt. Ennek következtében a szárny egy igen erősen tagolt, sok különálló szerkezeti részt is magába foglaló nem minden esetben sima zárt felületű szerkezeti egység.
Szárnyprofilon metszete és az áramlások
6. ábra
A mechanika törvényei értelmében egy test (pl. repülőgép) megőrzi egyenes vonalú egyenletes mozgását, ha a rá ható erők eredője zérus. A vízszintes repülés során ezért akkora felhajtóerőt kell megtermelni, amennyi a repülési tömegből származó gépsúllyal éppen egyensúlyt tart. A felhajtóerő kialakulásához a szárny alatt nagyobb nyomásnak kell uralkodni, mint a szárny felett. A közismert Bernoulli-egyenlet értelmében ekkor a szárny alatt kisebb a sebesség, mint a szárny felett.
A fékszárnyak, féklapok az áramlási viszonyokat módosítják, így könnyebbé teszik a leszállást.
Kezelő berendezések és a gép mozgása
7. ábra
Kevés kivétellel a szokásos kialakítású farokfelület szerkezetek vízszintes és függőleges farokfelületre bonthatók. A farokfelületek azért, mert a szárnyhoz hasonló terhelési körülmények között dolgoznak, szerkezetileg és geometriailag is a szárnyhoz nagymértékben hasonlóak.
A szerkezetileg más kialakítást általában a hajtómű elhelyezése indokolja mint pl. a 2×3 hajtóművel szerelt AN225-ös esetén, melynek két függőleges vezérsíkja van.
A magassági-, oldal- és csűrő-kormánylapoknak a gép mozgására gyakorolt hatását az előző ábra szemlélteti. A csűrőlapok, a magassági kormány és az oldalkormány mozgatása korábban rudazatok és vezérlőhuzalok segítségével történt. A technika fejlődésének köszönhetően ma már ún. "fly by wire" technológiával repülnek a gépek, mely azt jelenti, hogy a pilóta nem közvetlenül irányítja ezeket az eszközöket, hanem csak kapcsolókat kezel, melyek villamos motorokat, hidraulikus egységeket irányítanak.
3. Futóművek
Azon szerkezeti részek együttesét nevezzük futóműnek, melyek a repülőgép mozgását a talajon biztosítják. A repülőgép fel- és leszállása valamint repülőtéri gurulása során a futómű statikus és dinamikus terheléseket vesz fel. A futóművek szerkezetének egy része - a rugóstagok és kerékköpenyek - elasztikusak.
A leszállási lendületét nagy részben a rugóstagok, míg gurulás közben a talajlökéseket nagy részben a kerékköpenyek veszik fel. A teljes futómű súlya a felszálló gépsúly 4-6%-a. Működési ideje a repülési időhöz viszonyítva rendkívül kicsi. A szerkezet bonyolultsága, a működtető rendszerek és a kialakítás technológiai nehézségei miatt a futómű a gép egyik legköltségesebb szerkezeti része. A futómű általános elrendezését tekintve a két fő futómű általában a szárny alatt helyezkedik el, míg egy harmadik a törzs első részén.
A futóművek főbb feladatai a következők:
megfelelő statikus stabilitás a jármű álló helyzetében, megfelelő stabilitás és kormányzási lehetőség biztosítása a fel- és leszállás, illetve a gurulások meglehetősen nagy sebessége mellett, megfelelő talajfelületi terhelés biztosítása, hatásos fékezés a leszállás utáni kigurulás során.
A harmadik kerék nagyobb gépek esetén is korábban a farok alatt került elhelyezésre. Az orrkerekes elrendezés simább leszállást tesz lehetővé.
A harmadik kerék kormányozható, így lehetővé teszi a jármű földi irányítását, de a gurulás közbeni kormányzást szolgálják a hajtóművek toló- vagy vonóerejének aszimmetrikus szabályozása is.
4. Hajtómű
A hajtómű biztosítja a repüléshez szükséges teljesítményt, amelyet belső égésű hőerőgépekkel lehet előállítani. A meghajtás csak propulziós hajtással lehetséges, mely azt jelenti, hogy az alkalmazott hajtómű a környező levegő egy részét alkalmas módon - a repülési iránnyal ellentétes értelemben felgyorsítva - mozgásba hozza. A mozgásba hozott levegőáram nagyságától és a felgyorsítás mértékétől függ az a reakcióerő, amely az őt mozgásba hozó szerkezetre visszahat, és ezáltal hajtóerőt létesít a repülőgép számára. A kis sebességű repülőgépeken dugattyús motorokat, míg szubszónikus és a feletti repülésben gázturbinákat alkalmaznak a repülőgépek hajtására.
Az energiaforrás teljesítményét a hajtómű adja át a környezetnek mely lehet:
légcsavaros hajtómű, sugárhajtómű.
A ma használt leggazdaságosabb gázturbinás sugárhajtóművek kétáramúak, ami azt jelenti, hogy a hajtóműbe jutó levegőáram két részre oszlik: egyik része a turbina gázgenerátorában lefolyó égés táplálására és a turbinák hajtására szolgál, míg a másik része egy csőlégcsavarban közvetlenül felgyorsulva járul a tolóerő előállításához. Természetesen a turbinákat elhagyó primer gázáram is hozzájárul a tolóerő létrehozásához. A kilépő gázáram gyorsításához - a hajtómű belsejében kialakított tüzelőtérben - tüzelőanyagot égetnek el a beszívott levegőben. A tüzelőtérből távozó gáz energiájának egy részét, a turbinalapátokon keresztül visszavezetik a kompresszor járókerék forgatásához. A nagy tolóerők eléréséhez nagy nyomásviszonyú kompresszorokat kell alkalmazni, amit axiális kompresszorfokozatok sorba kapcsolásával valósítanak meg.
Kétáramú sugárhajtómű
8. ábra
Ahogy a hajtómű a gyorsításért és a jármű haladásáért felel, ugyan úgy részt vesz a jármű megállításában is. Ezt az ún. sugárfordító teszi lehetővé. Ennek működése során a gáz nem hatra fele áramlik ki a hajtóműből, hanem vagy a hajtóműoldalán előre fele, vagy a hajtómű végen egy lap irányítja a gázokat a haladás irányába. Ez hatékony lassítást tesz lehetővé, vizes leszálló pálya esetén is. A másik használati módja, hogy ugyan korlátozott mértékben, de lehetővé teszi a repülőgép hátra fele haladását is.
5. A törzs belső elrendezése
Polgári légi közlekedésben a repülőgépek általában két fős irányító személyzettel repülnek.
Airbus pilótafülke
9. ábra
A pilóta munkáját számtalan műszer szolgálja. A hagyományos analóg műszerek és a botkormány eltűnt a korszerű gépekből, helyüket számítógépek kijelzői és kisméretű irányító karok foglalták el.
Az utasszállító gépek belső berendezése is sokat változott. A következő képen látható két belsőtér között 70 év telt el. Ma egyre nagyobb szerep jut a biztonság mellett az elszállítható utas mennyiségnek.
Utasszállító gép belső elrendezése 1946 és 2018-ban
10. ábra
A keskeny törzsűnek nevezett gépeknél 3-3 székes elosztást használnak, míg a széles törzsű gépek esetén a 3-4-3-mas elrendezés a jellemző. Ez azt jelenti, hogy az üléssorok között két folyosó található. Az ülések általában 17'' - 18'', azaz 43,2 - 45,7 cm szélesek. A szélesség és a kényelem általában attól függ, hogy a légi társaság hogyan rendezi be a repülőgép belsejét.
A kereskedelmi repülőgépek másik nagy csoportja az áruszállító gépek. Ezeken nincs utas kabin, a fő cél az áruszállítás.
Áruszállító repülőgép belső kialakítása
11. ábra
Áruszállító repülőgépeknél a megerősített padlólemezen görgők segítik az áruk, ill. a rakományt tartalmazó raklapok mozgatását. Különleges szerep jut a rakomány rögzítésének, melyek rögzítési pontjai szintén a padlón vannak. A repülés során a rakomány elmozdulását minden irányba meg kell akadályozni, mert a jármű előre megtervezett súlypontjának megváltozása súlyos következményekkel járhat.
Irodalom
[1] M. Hirst: The Air Transport System, Woodhead Publishing Limited 2008. ISBN 978-1-84569-522-4 (5. fejezet)
[2] D. Schmitt, V. Gollnick: Air Transport System, Springer-Verlag 2016. ISBN 978-3-7091-1880-1 (5. fejezet)
[3] Zvikli Sándor: Közlekedéstechnika II. főiskolai jegyzet (6. és a 11. fejezet)
[4] Futómű jelentősége: https://avherald.com/h?article=4c9cad94&opt=0

| Ellenőrző kérdések
Milyen fő elemeit lehet megkülönböztetni egy utasszállító repülőgépnek? Jellemzően milyen meghajtási módot alkalmaznak napjaink repülőgépein? Milyen fő belső elrendezési módok jellemzik a repülőgépeket?