strokovne vesti Les in letala avtor Stane GRČAR V prispevku je prikazan kratek kro-nolo{ki pregled lesenih letal in nekatere njihove konstrukcijske tehnolo{ke zna~ilnosti. Pionirskim graditeljem letal je bil prav les glavno gradivo. Njegove edinstvene lastnosti dokazujeta poleg vseh drugih eno najve~jih vodnih letal ter slavno angle{ko leseno bojno letalo iz druge svetovne vojne. Narava je v milijonih let evolucije ustvarila fantasti~no tvorivo, ki ga imenujemo – les. Ko povpre~en ~lo-vek vidi sliko lesnega prereza pove~ano z elektronskim mikroskopom nekaj stotiso~ ali celo milijonkrat vsakdo ostrmi, saj si niti v najbujnej{i domi{ljiji ne zmoremo predstavljati nekaj tako ~udovitega. Pravljica o ~ude`ni de`eli Alice je le bledi odsev zgradbe lesa … Drevesa so se pojavila na na{em planetu `e v paleozoiku pred nekako {eststo milijoni let. Arheologi so posamezne dobe prazgodovine poimenovali po glavnih gradivih: kamena, bronasta, `elezna doba. O vseh teh gradivih so se ohranili fosilni artefakti. ^lovekova lesena orodja se iz znanih biolo{kih razlogov niso mogla ohraniti, zato raziskovalci niso pred kameno dobo uvrstili tudi “lesene dobe”, ~eprav so jih `e hominidi zanesljivo uporabljali. V dokaz so opazovanja dana{njih primatov. Dandanes gozdovi pokrivajo dokaj{en del kopne zemlje v zmernem in tropskem pasu. Drevesa in les sre~ujejo na vsakem koraku vsa živa bitja. Nedvomno so si naši davni predniki homi-nidi izdelovali lesena orodja. Med prvimi izdelovalci lesenih orodij je bil bržčas Homo Habilis. Dandanes les uporabljamo za brezštevilne namene v vsakodnevni rabi in tehnologiji. Gradiva in njihove lastnosti Glavne zahteve, ki jih postavljajo kon-strukterji letal na gradiva so: • mala masa v primerjavi s trdnostjo, • zadostna trdnost, • sprejemljive deformacije pri obremenitvah, • odpornost na vplive okolja, • primernost za spajanje, • primernost za preoblikovanje. Trdnost, elastični modul in gostota gradiv Posamezni deli strukture letala so obremenjeni na razli~ne na~ine. Tako razlikujemo natezne, tla~ne, stri`ne in povr{inske napetosti. Posebno zna~il-ne so strukture letal po razmerju dimenzij. Praviloma so dol`inske dimenzije bistveno ve~je od pre~nih, kar pomeni, da imamo opraviti s problemi uklona in stabilnosti strukture. V teh izra~unih je pomembna lastnost gradiva elasti~ni modul. Pri klasi~nih gradivih ve~inoma zado{~a podatek o modulu za napetosti do meje plasti~nosti. V drugih vejah strojni{tva vpra{anja stabilnosti niso pogosta. V preglednici 1 so podane bistvene stati~ne lastnosti konstrukcijskih gradiv. Iz preglednice 1 je razvidno, da les po raztr`ni dol`ini preka{a konstrukcijska jekla in mnoga druga gradiva. Tu je razlog, da je bil in je {e vedno pomembno gradivo za lahke konstrukcije. NATEZNI ELEMENTI Za primerjavo mase in trdnosti gradiv pri natezno obremenjenih elementih je najbolj nazorna raztr`na dol`ina. Definirana je kot dol`ina palice vpete na zgornjem koncu in prosto vise~e, pri kateri se zgoraj pretrga. Izraz je preprost: Napetost tik pod vpetjem: σ = L ρ g ali raztr`na dol`ina: L = σ / ρ g Preglednica 1. Bistvene stati~ne lastnosti konstrukcijskih gradiv NAZIV OZNAKA TRDNOST N/mm2 GOSTOTA kg/m3 RAZTR@NA DOL@INA km ELASTIČNI MODUL N/mm2 LES SMREKA 70 600 11,7 10 000 JEKLO KONST. St 60-2 650 7850 8,3 210 000 JEKLO VZM. 50CrV4 1550 7850 19,7 210 000 TITAN Ti-15Mo-5Zr 1550 5060 31,2 105 000 ELEKTRON MeALZn 275 1800 15,3 40 000 PERAL AIMg5 340 2700 12,8 71 000 DURAL AICu, SiMe 4 O 450 2700 17 72 000 STEKLO VLAKNO 2200 2500 90 73 000 KEVLAR VLAKNO 2600 1450 183 132 000 OGLJIK VLAKNO 2800 2600 110 276 000 ijaLes 57(2005) 10 strokovne vesti Pri čemer so: g... zemeljski pospešek (9,81 m/s2) L ... dolžina palice (m) a.... napetost ob vpetju (N/m2) p .... gostota gradiva (kg/m3) Iz enačb vidimo, da raztržna dolžina ni odvisna od prereza preskusne palice, kar je na prvi pogled presenetljivo. Iz preglednice razberemo da je les za letala ugodnejši od običajnih jekel. Uklonski elementi Kadar so prečne dimenzije elementov v primerjavi z vzdolžnimi precej manj-še, je treba upoštevati elastično in plastično stabilnost. Strojniški zgled je uklon palice, obremenjene na tlak. Kritična vrednost uklonske sile pri obojestranskem zglobnem vpetju je: F, = %2 E.I I l2 k min 0 Pri čemer so: I ... najmanjši aksialni min vztrajnostni moment prereza l...... prosta uklonska dolžina (m) Od lastnosti gradiva je pri tej vrsti obremenitve pomemben le elastični modul. Analiza drugih uklonskih elementov in razmer v plastičnem območju zahteva mnogo bolj zapletene račune. Stri`ni in torzijski elementi Konstrukcijski elementi letala imajo precej tankih ploščatih stojin, ki jih zunanje sile obremenjujejo s strižnimi napetostmi. Te računamo po enačbi: T = Q / h . d T ... strižna napetost v stojini (N/m2) h ... višina stojine (m) Q ... prečna sila (N) d .... debelina stojine (m) Letalo ima tudi precej tenkostenskih torzijskih votlih elementov. Najpomembnejša je torzijska škatla krila. Strižno napetost v oplati računamo po znani preprosti BREDTOVI enačbi: T = M / A . d ijaLes 57(2005) 10 τ ..... stri`na napetost v oplati (N/m2) A …. povr{ina znotraj konture oplate (m2) d ….. debelina oplate (m) M … torzijski moment (N/m) Ve~ino elementov letala je treba analizirati tudi prek uklonske meje, kar je bistveno bolj zapleteno. Evolucija tehnologije gradiv O tehnologiji gradiv je ogromno napisanega v strokovni literaturi. Tukaj podajam le kratek pregled. Les je bil nedvomno eno najpomemb-nej{ih gradiv primernih za gradnjo letal vse do sredine dvajsetega stoletja. Vse njegove lastnosti je bilo mogo~e {e mnogo bolje uporabiti s pojavom kakovostnih sinteti~nih lepil in za{~itnih premazov, ki so se pojavili v prvi tretjini dvajsetega stoletja. Pomen lesa za gradnjo letal je mo~no upadel s pojavom dveh lahkih kovin: aluminija in magnezija. Aluminijeve zlitine z bakrom so najbolj trdne, a `al korozijsko ob~utljive. Slaba lastnost magnezijevih zlitin je vnetljivost. Kemijska tehnologija je v sredini dvajsetega stoletja ustvarila polimerna gradiva z mnogimi uporabnimi lastnostmi. Kompozitna gradnja s temi smolami in izjemno trdnimi vlakni (steklo, kevlar, ogljik) je odprla popolnoma nove mo`-nosti v gradnji po~asnej{ih podzvo~nih letal. Med najpomembnej{e {tejemo izjemno natan~no geometrijo in glad-kost zunanjih povr{in. Oboje je pogoj za laminarno aerodinamiko. Lesena letala V tem prispevku prikazujem nekaj naj-zna~ilnej{ih lesenih letal, ki so se zapisala v svetovno zgodovino kot pomembni mejniki. Slovenci nismo zaostajali, zato sledi pregled najuspe{-nej{ih na{ih in tujih letal. Vsa letala v devetnajstem stoletju so gradili obrtni{ko pionirji amaterji iz lesa, platna in nekaj malega kovin. Z njimi so posku{ali leteti, `al neuspe{no, v~asih tudi tragi~no. Lilienthal je v svojem drsalcu visel (slika 1). Njegov zmaj~ek je bil ves lesen in prekrit z impregniranim platnom. Krmaril je s premikanjem telesa. Vzletal in pristajal je kar na nogah. Leta 1896 je pri poskusu novega drsalca strmoglavil in naslednjega dne umrl. Sedemnajstega decembra leta 1903 je ameri~anoma bratoma Orvillu in Wil-burju Wrightu po {tevilnih poskusih uspelo poleteti z njunim motornim letalom Flyer III. Njun podvig je kon~no dokazal, da letalo te`je od zraka vendarle leti. Ta datum je zapisan v zgodovini kot za~etek sodobnega letalstva. Bratoma Orvillu in Wilburju Wrightu je po {tevilnih poskusih 17. decembra 1903 uspelo poleteti z njunim motornim letalom FLYER I. Uspe{en polet je trajal 59 sekund, letalo je preletelo 260 m. Letalo sta izdelala dobesedno s svojimi rokami. Letalo je bilo dvokrilno z dvema propelerjema. Vzletalo je na tra~nicah proti vetru. Pilot je le`al na spodnjem krilu. Imelo je smerno in vi{insko krmilo, vendar je bilo brez krilc. Pilot je letalo nagibal z zvijanjem zunanjih delov kril. @elje in zahteve graditeljev letal so na-ra{~ale, saj naj bi letalo slu`ilo za prelete ve~jih razdalj in druge prakti~ne namene. Motorji so postajali mo~nej{i in zanesljivej{i. Francozi so vodili v letalstvu tistega ~asa in tako je bil izziv: preleteti Rokavski preliv. Prvi je uspel Francoz Louis Blériot (slika 3), ki je 25. julija 1908 poletel s francoske obale in po 37 minutah poleta pristal na angle{ki obali blizu Dovra. Tako si je prislu`il izdatno nagrado. Popolnoma leseni dvomotorni De Ha-villand MOSQUITO (slika 4) je po svojih letalnih zmogljivostih preka{al ve~ino takratnih lovskih letal. Motorja strokovne vesti Slika 1. Lilienthalov drsalec Slika 2. Letalo Flyer I bratov Wright. Slika 3. Letalo Blériot XI. Nizkokrilnik s pali~astim trupom, podvozjem in `e kar modernimi krmili. Trivaljni motor je zmogel vsega 19 kW. Slika 4. Med lesena letala spada tudi izjemno uspe{no dvomotorno bojno letalo De Havilland MOSQUITO, ki so ga zgradili Angle`i med zadnjo svetovno vojno. Sklepamo lahko, da je bil eden od razlogov za uporabo lesa izogibanje sovra`nikovim radarjem. Njegovo gradnjo so omogo~ila takrat razvita sinteti~na lepila (foto Marko Malec). Rolls – Royce sta imenitno brnela in tako je letalo dobilo ime Komar. To je vrhunski dose`ek lesene gradnje letal. Med na{teta lesena letala spada kot posebne` tudi orja{ko vodno letalo bo-gata{a Hughesa HK-1 Spruce Goose (slika 5). Tudi on je bil velik posebne`. Slovenci nismo zaostajali za svetovnimi dose`ki. Gori~ana brata Edo in Jo`e Rusjan sta izhajala iz dru`inske sodarske tradicije, zato sta obvladala lesno rokodelstvo. S svojim prvim letalom EDA I je Edvard v Rojah pri Gorici 25. novembra 1909 prvi~ uspe{no poletel in se zapisal v zgodovino slovenskega in jugoslovanskega letalstva (slika 6). Med obema vojnama so slovenski graditelji ustvarili vrsto lepih in uspe{nih jadralnih in motornih letal. Vsa so bila lesene gradnje in izdelana rokodelsko. V Konstrukcijskem Biroju Letalske Zveze so v desetletjih po vojni nastali na~rti mnogo lepih in uspe{nih jadralnih in motornih letal, ki so jih gradili v tedanji tovarni LETOV. Navdu-{eni {tudentje - amaterji so gradili zares lepa in uspe{na letala. (vir: ZIT 100-let letalstva). Organizirana gradnja letal je v Sloveniji zamrla v {estdesetih letih dvajsetega stoletja, ko se je iztekel tudi ~as lesene gradnje letal. Dandanes so zelo dejavni ljubiteljski ustvarjalci, ki z ljubeznijo obnavljajo stara letala in gradijo nova po lastnih ali tujih na~rtih. Značilnosti lesenih konstrukcij v letalstvu Mehanske in kemijske značilnosti lesa narekujejo ustrezne konstrukcijske in tehnološke prijeme. Podajam nekaj bistvenih lastnosti lesa, ki jih je treba upoštevati pri konstruiranju letal. • natezna, tlačna in strižna trdnost so odvisne od smeri vlaken (anizotropnost); • natezna trdnost lesa iglavcev je precej večja od tlačne; • kakovost lesa, posebno iglavcev, je močno odvisna od rastišča; • iglavci imajo večinoma vraščene grče, ki jih je treba izločiti; • les se zelo lepo obdeluje z odrezovanjem in brušenjem; • za spajanje je uporabno predvsem lepljenje z ustreznimi lepili; • na atmosferske vplive les ni zelo odporen in ga je treba zaščititi s premazi; • za torzijske in strižne elemente so uporabne vezane plošče iz lihega števila slojev; • v omejenem območju je mogoče les plastično preoblikovati; • za gradnjo lesenih konstrukcij je uporabna mizarska tehnologija; • za gradnjo letal ne uporabljamo silosklepnih spojev. V Sloveniji imamo dve znani rastišči naj-kakovostnejše smreke: Jelovico in Po- ijaLes 57(2005) 10 strokovne vesti Slika 6. Posebno mesto med letali bratov Rusjan ima EDA V, najbr` prvo slovensko letalo, ki je tudi letelo. Na{ neumorni letalec in ustvarjalec ALBIN NOVAK je zgradil veren posnetek tega letala. Dandanes z njim letijo na{i ve{~i piloti. Slika 7a. Po vojni se je razcvetela gradnja doma~ih letal. Med prvimi je bilo popolnoma leseno za~etni{ko {olsko letalo VRABEC, na katerem so lepo vidne zna~ilnosti lesene konstrukcije. Na sliki je letalo brez platna, bila je generirana s programom Autodesk Inventor, izdelal jo je kapitan Aleksander Sekirnik. Slika 8. GRUNAU BABY je bilo prikupno jadralno letalo za {olanje in trena`o. Gradili so ga po nem{kih na~rtih tudi pri nas (arhiv Marko Malec). Slika 7b. Amatersko vzorno izdelan VRABEC B, s katerim bodo lahko navdu{enci lahko celo leteli (foto Marko Malec). Slika 9. ^AVKA, po slovensko kavka je bila namenjena za trena`o in {olanje. Gradili so jih tudi pri nas. Za letenje je bila preprosta in prijetna. V ugodnih vremenskih razmerah so piloti z njo tudi jadrali (arhiv Marko Malec). Slika 10. SALAMANDRA je bilo uspe{no prehodno {olsko jadralno letalo, ki so ga v {tiridesetih letih po poljskih na~rtih gradili tudi pri nas (arhiv Marko Malec). ijaLes 57(2005) 10 strokovne vesti Slika 11. Jadralno letalo JASTREB je konstruiral in`enir [o{tari~, gradili so jih pri nas. S tem letalom je celo avtor izpolnil enega od pogojev za “srebrni C” s preletom iz Ljubljane v Ajdov{~ino v davnem letu 1952 (arhiv Marko Malec). kljuko. Po izro~ilu je slavni italijanski izdelovalec godal STRADIVARI svoje ~udovite instrumente izdeloval prav iz tega lesa. Ve~ina letal, izdelanih po vojni v tovarni LETOV, je bila zgrajena prav iz tega lesa. Mojstri so sami v gozdu izbirali primerna drevesa. Posebno pozorno so sve` les su{ili na pravilno vla`-nost. Uporaben je bil les z ve~ kot desetimi rastmi na centimeter {irine. Vse napake v rasti so izrezali in nato kose zlepili s po{evnim spojem Tako dobljene primerno dolge letve so nato zlepili v trami~e, ki so bili namenjeni za nosilce. Za stri`ne elemente so primerne vezane plo{~e iz brezovih ali bukovih furnirjev, ki so zlepljeni s sinteti~nim lepilom v foliji pod pritiskom in pri po-vi{ani temperaturi. {tevilo furnirjev je vedno liho. Uporabne debeline so od 0,8 do 10 mm, za gradnjo plovil rabijo tudi debelej{e plo{~e. Pri modernih lesenih konstrukcijah so zelo pomembna lepila. Elementi tesarskih in mizarskih konstrukcij iz preteklih ~asov so bili spojeni izklju~no s silo-sklepnimi spoji, saj niso poznali ustreznega lepila. Mizarski ko`ni klej ni bil primeren ker je zahteval stiskanje lepljencev in ni bil odporen na vlago. Nekaj bolj{e je bilo kazeinsko lepilo, ki je slu`ilo v gradnji letal vse do prvih sinteti~nih lepil v petdesetih letih dvaj- setega stoletja. Ang-le{ko izredno uspe{no bojno letalo De Havi-lland Mosquito je bilo vrhunski dose`ek profesionalne letalske lesene gradnje. Gradbeniki danes z uporabo lepljenih lameliranih nosilcev uspe{no gradijo tudi zelo velike loke. Ugotovili so, da ima les nekatere prednosti v primerjavi z armiranim betonom in jeklom. Priklju~ni ali spojni okovi lesenih konstrukcij so jekleni ali iz Alu-zlitin. Na leseni del so vezani z vijaki ali votlimi kovicami, Sile se prena{ajo kot plo{~in-ski tlak. Modernej{e konstrukcije so lepljene in se sile prena{ajo s stri`nimi napetostmi v lepljenih ploskvah. Glavni krilni nosilci letal so bili najpogosteje {katlasti. Upogibne obremenitve krila so praviloma nesimetri~ne: navzgor so ve~je kot navzdol. Za dimenzioniranje pasnic takih nosilcev je izdelal na{ profesor dr. Anton Kuhelj elegantno grafo-analiti~no metodo. Stri`ne napetosti v lepilnih ploskvah je mogo~e kontrolirati s preprostimi ena~bami. Obe stojini je treba kontrolirati tudi na elasti~no stabilnost. Vozli{~a letvastih predal~nih konstrukcij so zgrajena z nalepljenimi za- Slika 12. Popolnoma leseno visokosposob-no jadralno letalo WEIHE (slovensko: Kanja), ki so ga nepou~eni poimenovali kar “VAJA”. To letalo je bilo br`~as najuspe{-nej{e med konstrukcijami znanega nem{kega in`enirja Jacobsa. Z njim so odli~ni piloti dosegli v 50-letih vrsto odmevnih rekordov. S Kanjo je z u`itkom letel tudi avtor, vendar zaradi konstrukter-skega dela premalo (arhiv Marko Malec). platami iz vezane plo{~e. Ukrivljeni elementi so praviloma zlepljeni iz ve~ tanj{ih lamel. Tradicionalni rokodelci so les krivili pod paro ali dalj ~asa trajajo~o obte`bo. Za letala so zna~ilne lupinaste strukture. Ve~inoma so to podprte lupine, le redko ~iste masivne strukture. Vezane plo{~e je mogo~e uvijati prek krilnih reber ali trupnih okvirov. Tako nastane zunanja oblika letala. Sklep Les je bil v za~etkih razvoja letalstva nenadomestljivo gradivo vse do sredine dvajsetega stoletja, ko so konstrukterji to gradivo nadomestili z lahkimi kovinami. Lesene konstrukcije niso omogo-~ale dovolj natan~nih in gladkih povr-{in za laminarna krila, saj les “diha”. Kemija polimernih smol in izjemno trdnih vlaken je prinesla v drugi polovici dvajsetega stoletja gradiva, ki so zamenjala les pri vrhunskih laminarnih letalih. ijaLes 57(2005) 10