OSQAVIA-CANOPY CLOSED AND LOCKED DEL 4: Huven och kroppens färdigställande Stora delar av kroppens uppbyggnad bygger på konstruktionsmanualen till Lancair 235. Orsaken till detta är att det är svårt att uppskatta hur kraftigt man skall dimensionera olika kompositdetaljer för att flygplanet inte skall få en bräcklig känsla. Ofta är det inte aerodynamiska laster som styr konstruktionen utan handling. Det är otroligt svårt även för den bäste konstruktör/beräkningsingenjör att med exotiska material konstruera ett tvåsitsigt ultralätt flygplan (275kg). För att uppnå viktskraven tvingas därför många tillverkare av ultralätta flygplan minska på handling kraven. Att minska på dessa krav behöver inte påverka flygsäkerheten bara man är medveten om att flygplanen är lite mer ömtåliga och behöver mer kärlek än de gamla certifierade klubbkärrorna. När man jobbar med kompositer handlar det mycket om sunt förnuft. Har man bara förstått att kompositer egentligen är små trådar, kan man applicera konstruktionstekniken från första världskriget med vajrar. Jag har studerat kompositer på högskolan, gjort egen provning och kört datorsimuleringar för att försöka förstå vad som händer när man kombinerar olika fiberriktningar och material. Jag anser mig inte vara en expert, så om någon läsare inte håller med om mina resonemang nedan uppskattar jag mycket om ni tar kontakt med mig. På ett forum på Barkarby svarade professor Sven-Olof Ridder på en fråga om tigermatta (blandad väv med kol/kevlar) att kevlaren gör ingen som helst nytta då lasten går den styvaste vägen dvs. i kolfibern. Möjligtvis kunde man dra nytta av kevlaren när kolfibern kollapsar (t.ex. vid en krasch). När jag var på flygmässan i Friedrichshafen såg jag många glasfiberkonstruktioner med lokala remsor av kolfiber. Jag förstår inte alls hur detta fungerar. Kolfiber är styvare än glas och kommer att dra till sig last. Om tjockleken på kolfibertejpen är tunn kommer den att dra till sig last och gå sönder mycket tidigare än övriga konstruktionen. Ett annat problem uppstår när remsan slutar tvärt med rejäl spänningskoncentration som följd. Liknande resonemang gäller när man blandar riktad tape och väv. Lasten går i tejpen men vad händer när tejpen tar slut? Det är viktigt att det finns något som lasten kan gå över i, t.ex. en motorinfästning. Om man har en lastkoncentration, t.ex. runt vinginfästningen, är det viktigt att man trappar väven/tejpen så att lasten får tid på sig att sprida ut sig i den övriga konstruktionen. Osqavia har mycket tunna kroppsskal med 300g glasfiberväv på utsidan och 160g på insidan. En förstärkning lokalt med 300g glasfiberväv drar till sig mycket last och orsakar lätt stora spänningskoncentrationer när den upphör. Efter datorsimuleringar konstaterades att om man laminerar förstärkningar som prismor så att förstärkningsväven slutar i en spets elimineras sådana koncentrationer. Det är lätt att glömma bort att på moderna kompositflygplan har distansmaterialets tjocklek optimerats, varför det ofta är buckling som dimensionerar sandwich panelerna för både vinge och kropp.
Dimensionering och konstruktion av framkroppen Motorinfästning, golv, kardantunnel och främre vinginfästning. Det tar mycket tid i anspråk att dimensionera från scratch. Vi valde att konstruera efter konstruktionsmanualen till Lancair 235. Vi var lite osäkra på hållfastheten för den plywood som laminerats fast som brandvägg på KTH och tyckte att vi såg antydningar till luftinneslutningar i lamineringen. När brandväggen var färdigställd fick vi jämfört med Lancair följande förändringar: En extra infästning av motorfundamentet ovanför kardantunneln, 5 extra inlaminerade 1mm stålplattor för att klara hålkantbelastningen utan plywood, 1 extra lager 300g glas på brandväggen. Om det är överstarkt för en Lycoming O-235 lär det hålla för vår lilla Rotax 912. Efter hållfasthetsprovning av flygplywood har denna används vid nästan alla hardpoints på Osqavia. Anders Ljungberg tycker inte att man skall använda ett levande material som distansmaterial för kompositer och framför allt inte på sjöflygplan. Naturligtvis hade det varit bättre att använda tung vävbakelit, som Lancair förespråkar, eller dyr divinycell med hög densitet. Ett flygplan är fullt av kompromisser och trä har använts under många år som distansmaterial utan större problem. Där plywood inte varit tillräckligt stark har 4130 stålplåtar med massa skärkraftshål laminerats in. Dessa hål fylls med flox vilket är epoxi blandat med fyllmaterial. På SAAB är det tabu att bygga in spänningskoncentrationer med massa hål. Där limmar man under mycket kontrollerade former. Om man inte har tillgång till mycket kontrollerade former och använder sig av mycket konservativa hållfasthetsvärden tycker jag personligen att denna metod som jag tror Windex-gänget utvecklat verkar smart. Enligt ett examensarbete från KTH kan mindre floxhål än 12mm inte användas för att limmets tvärkraftsupptagning skall utnyttjas fullt ut. Detta verkar inte stämma då provning av två olika provföremål med 8 och 12mm diameters hål båda gav ungefär
samma hållfasthetsvärden, vilka är dubbelt så höga mot dem som använts vid dimensionering. Det är viktigt att betrakta alla hålen som ett bultförband med små klena bultar. Att bara ta tvärkraft/area blir med stor sannolikhet fel om inte lasten angriper i centrum. Många diskussioner om huruvida stål skall ytbehandlas eller inte före inplastning ägde rum med kompositexperter. På Malmö Flygindustri hade alla delar pulverlackats innan de laminerades in. På KTH hade infästningsbeslaget till höjdroder och fena laminerats in utan ytbehandling. Vår kontrollant menade bestämt att blästrade plåtar var det bästa så därför laminerades förstärkningsplåtar in utan ytbehandling i början av projektet. Efter ett telefonsamtal med vår granskare Sakka bestämdes dock att återstående plåtar skulle primas med SAAB primern S15/90 innan fastlaminering. Alla stålplåtar är dimensionerade för att bara ta last via floxhålen varför det inte spelar så stor roll om plåtarna rostar inne i epoxin (hur nu detta går till har jag inte förstått). Vår egen provning, med vaxade plåtar, påvisade också extra säkerhetsmarginal. Laminering av aluminium i kolfiberstruktur skall undvikas på grund av galvanisk korrosion. Dimensionering och konstruktion av cockpit Främre och bakre vinginfästning samt kolfiberförstärkning I cockpit kommer alla lasterna in från vinginfästningen. Dessa laster skall fördela sig till nyttolasten ombord samt motor och stabilisator. För att minska dessa laster är det mycket fördelaktigt att bära med sig bränslet i vingarna och att pilot och passagerare sitter direkt på vingbalken. Om man inte tar hänsyn till landstället kan man rent teoretiskt fylla vingarna med bränsle utan att det påverkar dimensioneringen av flygplanet. Nu har vi tyvärr något som kallas tyngdpunktsläge att ta hänsyn till varför detta idealscenario är svårt att uppnå.
På Osqavia går vinglasterna via kroppssidan. Eftersom vi slipat ner mycket av golvet för att få plats med vingbalken räknades detta inte som lastbärande. Det blir trycklast i den övre longerongen och draglast i den undre förstärkningen vid positiv g-belastning. Kroppssidan är dimensionerad för att ensam klara att ta upp skärlasten från vingen. Den undre förstärkningen valdes att lamineras i kolfiber bara för att få lite mer styvhet och därigenom suga till sig mer last runt det ur spänningssynpunkt ogynnsamma hålet där vingbalken går in i kroppen. Notera hur kolfibern är trappad mot bakre vinginfästningen. Laminering av främre vinginfästningen Bakre och främre vinglasterna går in i kroppen via inlaminerade stålplåtar. Den mest viktsoptimala lösningen för att laminera in den främre plåten, enligt klassisk laminatteori, beräknades till 6 lager 45/45 glasfiberväv och 4 lager 250g glasfibertape blandade och trappade i olika längder upp mot longerongen. Laminatet överlappar stålplåten cirka 30mm på varje sida. Värt att nämna är att det nästan blir lika optimalt att laminera all väv i 45/45 riktningen. Anledningen är: 1. Väven på kroppssidan ligger redan i 45/45 vilket ger en fin lastövergång 2. Tvärkraft tas upp bäst i 45/45 och man betraktar alla små flox hål som bultar 3. Lasterna går i samma riktningar genom hela laminatets tjocklek I ett examensarbete från KTH drog man slutsatsen att hela laminatet skulle bestå av riktad tape vilket vi inte alls kom fram till!? Vi trodde att det skulle bli besvärligt att lägga upp hela paketet med 5 lager glasfiber på varje sida om plåten samt flox, men detta gick väldigt smidigt. Till stor del berodde detta på att vi bultade ihop skärkraftsplåten med en tidigare fastlaminerad stålplåt inne i
rotsprygeln. Utrymmet mellan rotsprygel och skärkraftsplåt fylldes med divinycell och flox. Bakre vinginfästning och sätets förstyvning. Den bakre horisontella vinglasten på grund av vingens nossug tas upp i en inlaminerad sträva. Denna sträva kan också föra upp den vertikala lasten till ryggstödet via två kolfiberförstärkningar. Som en extra säkerhet har de bakre vertikala vinglasterna ytterligare en 100% lastväg via en inlaminerad plåt i sidan på kroppen. Dimensionering och konstruktion av kapoteringsskydd och säkerhetsbältesinfästning. Kapoteringsskydd, bakre säkerhetsbältesinfästning och kroppsförstärkning
Efter diskussioner med vår kontrollant dimensionerades kapoteringsskyddet för att vara jämnstarkt med det som finns i Lancair 320. Strax efter färdigställandet informerade Sakka att kravet är 3g. Detta krav är väldigt tufft att uppfylla men ligger inom räckhåll om huvramen tillsammans med kroppsspant och fena inkluderas. Bågen konstruerades av två lager 30mm bred och 10mm tjock divinycell med 2mm pultruderad (typ som lattor till båtar) kolfiber på var sida om kärnan. Hela paketet laminerades med 4 lager 300g glasfiber upplagt 45/45. Ytterligare två lager 45/45 adderades när bågen laminerades fast i kroppens överbyggnad. Axelremmarnas infästning, bakom bagageutrymmet, är konstruerad på ett snarlikt sätt som kapoteringsskyddet. Eftersom cockpit är dimensionerad för att klara 20g rakt framifrån gjordes detta också för bältesinfästningen. De undre bältena fäster in i den bakre vinginfästningen och i mitten på den genomgående stålsträvan. Om man jämför med Lancair 235s infästning känns det som säkerhetsbältesinfästningen blev överdrivet stark (läs tung). Dimensionering och konstruktion av bakkroppen På KTH hade bakkroppen dimensionerats som en ideal ellips med jämn lastfördelning. Per-Åke Torlund, tidigare projektledare, uppmuntrade mina förstärkningsförslag när jag förklarade att i närheten av bagageutrymmet fördelar sig lasterna från bakkropp och stabilisator som ett kraftpar i longerong och golv. Kombinerade fenlaster och stabilisatorlaster gav också för höga spänningar i hörnen på ellipsen. Bakom mittspantet i bakkroppen och i hela botten framför spantet har vi förstärkt med ett lager 300g glasfiber väv. Bakkropp med infästningen, huvudspantet, för stabilisator och fena Stabilisator och fena är infäst på ett mycket snillrikt sätt i två sfäriska kullager. I lagerna passar de två styrpinnar som bultas fast både i fenan och i stabilisatorn. Fena och stabilisator är som en enhet men lasterna förs över till kroppen individuellt. De bakersta
spanten som fäster in stabilisator och sidroder är gjorda i plywood täckta med ett antal lager glasfiberväv i 45/45 och 0/90 riktningarna. Det är förvånande hur mycket man måste förstärka runt inspektionshål som är tillräckligt stora för att man skall få ner handen i dem. Följande metodik användes vid lamineringen av huvudspantet för stabilisator och fena: 1: Vi började med att tillverka spantet och fästa överbyggnaden temporärt 2: Spantet limmades fast i den lilla överbyggnaden (efter inmätning) 3: Nästa dag nitades överbyggnaden fast och spantet limmades samtidigt 4: Radier byggdes upp med flox och spantet laminerades fast med 45/45 väv Det var mycket mätande dessa dagar och rejält nervöst när huvudspantet slutligen laminerades fast. Konstruktion av huvram och låsmekanism En huv i plexiglas formad i Schweiz fanns redan att tillgå i projektet. Huvramen bestod av en mycket sladdrig bit honeycomb klädd med glasfiber. Vi var inställda på att det skulle bli en hel del jobb innan huven kom på plats men så här i efterhand konstaterar vi att det gick relativt smidigt och att vi fick god passform. Första problemet att lösa var att lyckas hålla formen på denna sladdriga bit honeycomb vid lamineringen. Någon typ av fixtur behövdes. Vi insåg att vi måste börja med att fästa ramen till mötande struktur. En träfixtur i överdimension tillverkades. Det lilla utrymmet mellan ram och fixtur fylldes med plastic padding. Eftersom Osqavias huv är väldigt snarlik den till Lancair 235/320 kände vi att här kan sparas en hel del tid genom att köpa in delar från deras byggsats. Både deras konverteringskitt för huvfällning framåt och deras huvlås kitt köptes in. När de mycket dyra grejorna anlände blev vi förskräckta över vikten på paketet. Grejerna från Lancair är nog inget att rekommendera om du försöker bygga ultralätt men återger en gedigen känsla. Det bästa med deras byggsatser var att de kom med utförliga beskrivningar och små påsar med uppmärkta grejer. Efter att konstruerat det mesta själva fick plötsligt uttrycket uppfinna hjulet på nytt en helt ny innebörd.
Huvramen förstärks med divinycell och kolfiber Huvramens konstruktion och kolfiberförstärkning följer instruktionerna från Lancair med ett undantag. Höjden på den bakre delen av huvramen är minskad. Denna del av huvramen är dock förstärkt med kolfiber för att uppnå ekvivalent styvhet. Utprovning av hydraulcylindrarnas placering Det var häftigt att prova ut huvfällningen. Dock var det något jobbigt att takhöjden inte räckte till inne i bygglokalen. Detta var första gången under projektets gång som jag personligen kände att vi närmar oss slutet. När förstärkningar för infästningen av cylindrarna laminerats fast var det dags att passa till plexiglashuven. En tryckluftsdriven sticksåg med ett fint blad fungerade utmärkt.
Huven efter limning med Araldite 420 A/B Vilket lim skall då användas? Lancairs gamla manual rekommenderade flox men nuförtiden används något dyrt lim som heter Hysol. Efter lite enkla limprov med Araldite 420A/B, som vi använt till vingskalen, bestämde vi oss för att limma fast huven med denna epoxi (den är i alla fall betydligt bättre än LY5052/flox). Efter ytterligare tillpassning och slipning på den tänkta limytan installerades huven med 30 skruvtvingar. Byggmanualen till Lancair föreskrev ytterligare två lager 300g glas mot insidan av huven och ner på huvramen vilket laminerades dit med LY5052. Under allt arbete med huven var den hela tiden fastsatt med plastic padding i sin träram. Jag har sett i andra byggmanualer att det finns huvar som bara är limmade på insidan ungefär som en bil. Detta hade naturligtvis varit mycket enklare men hur övertalar man en EAA granskare att det håller utan omfattande provning? Installationen av huvlåsningen gick mycket smidigt och är identisk med den till Lancair 320. Nästa gång går vi vidare med lackering, räddningsskärm och motorinstallation Vi har många års erfarenhet av dimensionering och tillverkning av flygplansdelar i metall och komposit. Niklas Anderberg Flight & Safety Design Int. AB Email: Osqavia@telia.com