Mariusz WESOŁOWSKI Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 23, s. 189 205, 2008 r. PRZENOŚNE NAWIERZCHNIE LOTNISKOWE Dotychczasowe metody i technologie odbudowy nawierzchni lotniskowych, zniszczonych w sytuacjach losowych, nie były w stanie sprostać dużym reżimom czasowym, dlatego skonstruowano składane, przenośne nawierzchnie lotniskowe. Państwa członkowskie NATO, w tym Polska, posiadają w wyposażeniu przenośne nawierzchnie, które pozwalają na odtworzenie gotowości eksploatacyjnej zniszczonych elementów systemu nawierzchni lotniskowych w możliwie najkrótszym czasie. Obecnie, do naprawy dużych uszkodzeń wykorzystuje się dwa rodzaje składanych, mobilnych nawierzchni lotniskowych: aluminiowe i kompozytowe pokrycia lotniskowe, które zapewniają bezpieczne warunki wykonywania operacji lotniczych. Słowa kluczowe: przenośne nawierzchnie lotniskowe, aluminiowa nawierzchnia lotniskowa, kompozytowa nawierzchnia lotniskowa. 1. Wstęp Jednym z podstawowych warunków użycia lotnictwa w działaniach wojennych jest zabezpieczenie odpowiedniej liczby lotnisk oraz utrzymanie ich w stałej gotowości eksploatacyjnej. Jest to zadanie trudne, gdyż współczesne lotnictwo wymaga w zasadzie lotnisk o nawierzchniach utwardzonych, a czas, jakim dysponują pododdziały lotniskowe przeznaczone do odbudowy lotnisk, jest bardzo ograniczony. Dodatkowych trudności przysparza fakt, że lotniska stanowią główny i dogodny cel ataku powietrznego przeciwnika z uwagi na duże znaczenie operacyjne oraz na duże rozmiary i małe możliwości skutecznego maskowania. W ramach integracji z siłami sojuszu NATO polskie Siły Zbrojne realizują szereg zagadnień, zwanych celami, których wykonanie pozwala na stopniowe dostosowanie się lotnictwa Sił Zbrojnych RP do standardów obowiązujących w Pakcie Północnoatlantyckim. W związku z tym, umiejętności naprawy zniszczeń lotniskowych wymagane są zarówno na lotniskach NATO, jak i lotniskach używanych do uzupełnienia rozlokowanych na nich sił. Kraje, których wojska wykorzystują lotniska NATO do przeprowadzenia operacji w czasie wojny, ponoszą zatem odpowiedzialność za zorgani-
190 Mariusz WESOŁOWSKI zowanie naprawy uszkodzeń na lotnisku, poprzez zapewnienie siły roboczej, sprzętu i materiałów, we własnym zakresie albo poprzez odpowiednie dwustronne porozumienia z krajem goszczącym. Sprawna odbudowa nawierzchni lotniskowych umożliwia szybkie wznowienie wykonywania operacji lotniczych. Dotychczasowe metody i technologie odbudowy nie były w stanie sprostać dużym rygorom czasowym, dlatego skonstruowano składane, przenośne nawierzchnie lotniskowe. Obecnie, do naprawy dużych uszkodzeń nawierzchni lotniskowych, stosuje się dwa rodzaje nawierzchni składanych, mobilnych, tj.: aluminiowe pokrycie lotniskowe typu Class 60 oraz pokrycia kompozytowe z włókna szklanego typu FFM oraz KRATER. Wykorzystanie tych nawierzchni pozwala na spełnienie reżimów czasowych i zapewnienie bezpieczeństwa poruszającym się po nich statkom powietrznym. Celem pracy jest zaprezentowanie wymienionych rodzajów przenośnych nawierzchni lotniskowych, wykorzystywanych przez państwa członkowskie NATO, w tym Polskę, do odbudowy zniszczonych nawierzchni lotniskowych w sytuacjach losowych oraz przedstawienie wyników badań wybranych własności fizyko-mechanicznych pokrycia typu KRATER. 2. Terminy i zwroty dotyczące naprawy uszkodzeń nawierzchni lotniskowych Podstawowymi dokumentami regulującymi zasady postępowania przy usuwaniu zniszczeń lotniskowych i obowiązującymi w państwach członkowskich NATO są: STANAG 2929 [7] i Dyrektywa ACE 80-15 [2]. W świetle powyższych dokumentów wyróżnia się następujące pojęcia dotyczące odbudowy zniszczonych nawierzchni lotniskowych: a) Naprawa zniszczeń lotniskowych (Airfield Damage Repair ADR) to szereg działań i przedsięwzięć wymaganych do odtworzenia gotowości eksploatacyjnej lotniska. b) Podstawowy pas ruchu (Minimum Operating Strip MOS) to pas startowy, który spełnia minimalne wymagania operacyjne dla typów samolotów wydzielonych na potrzeby NATO, według ich całkowitego ciężaru maksymalnego lub bojowego na danym lotnisku. Długość podstawowego pasa ruchu zależy od długości startu lub lądowania samolotu, zaś jego szerokość od rozpiętości skrzydeł. c) Podstawowa strefa ruchu samolotów (Minimum Aircraft Operating Surface MAOS) to minimalna powierzchnia na lotnisku, która jest niezbędna dla ruchu samolotów pomiędzy ich rejonami rozśrodkowania i podstawowym pasem ruchu.
Przenośne nawierzchnie lotniskowe 191 d) Standardowy krater według NATO [3] (rys. 1) to krater, który posiada rzeczywistą średnicę równą 12 m, chociaż widzialna (pozorna) średnica wynosi tylko 6 m. 12 m 6 m 3 2 1 4 5 3 m 1 1,5 m 1. Nawierzchnia nieuszkodzona 2. Nawierzchnia zniszczona 3. Grunt wyrzucony podczas eksplozji 4. Luźno nasypany grunt, który opadł po eksplozji 5. Grunt rodzimy Rys. 1. Standardowy krater według NATO STANAG 2929 określa, że kraj goszczący lub użytkujący musi w ramach ADR wykonać naprawę trzech kraterów w ciągu trzech godzin. Całkowity czas na wykonanie naprawy wynosi cztery godziny, przy czym czas ten obejmuje jedną godzinę na: rozpoznanie, rozmieszczenie grup naprawczych i ich sprzętu, wybór kraterów, oznaczenie podstawowego pasa ruchu oraz trzy godziny na wykonanie samej naprawy. Planowanie szacunkowych uszkodzeń lotniskowych należy do obowiązków poszczególnych krajów członkowskich NATO. Przed określeniem wymogów zdolności usuwania zniszczeń lotniskowych, niezbędne jest możliwie dokładne planowanie i szacowanie poziomu zniszczeń danego lotniska, a szczególnie występujących na nim uszkodzeń nawierzchni lotniskowych oraz urządzeń zabezpieczających, od których zależy wznowienie operacji lotniczych. 3. Aluminiowe nawierzchnie lotniskowe Zaakceptowany przez NATO system mat lotniskowych typu Class 60, wykorzystywany do szybkiej odbudowy zniszczonych nawierzchni lotniskowych ADR, posiadają w swoim wyposażeniu Królewskie Siły Powietrzne Wielkiej Brytanii oraz Siły Powietrzne RP. Aluminiowa nawierzchnia lotniskowa typu Class 60 składa się
192 Mariusz WESOŁOWSKI z określonej liczby paneli podstawowych, które połączone ze sobą tworzą rodzaj kryjącej maty. Specjalne panele skrajne, pozwalające na bezpieczny wjazd i zjazd samolotu z pokrycia, są umieszczone na obu jego końcach. Pokrycie jest przymocowane do niezniszczonej nawierzchni pasa startowego za pomocą specjalnych kołków rozporowych, które po przykręceniu schowane są we wpustach paneli. Otwory do mocowania są przewiercone przez wpusty. Standardowa, zasadnicza sekcja pokrycia lotniskowego ma długość 11 m i szerokość 16 m. Każde pojedyncze pokrycie składa się z dwóch sekcji zasadniczych, połączonych ze sobą wzdłuż dłuższego boku (16 m). Można połączyć ze sobą dwa lub więcej pokryć (lub ich sekcji), poprzez usunięcie męskiego panelu skrajnego z jednej łaty i żeńskiego panelu skrajnego z drugiej, przysunięcie pokryć (lub sekcji) do siebie i uzupełnienie przerwy panelem podstawowym. W efekcie istnieje możliwość pokrycia większych powierzchni uszkodzonych nawierzchni lotniskowych. Wysokość profilu maty wynosi 32 mm, zaś pojedyncze panele mają odpowiednio wymiary: dłuższy 4,6 0,21 m i krótszy 2,3 0,21 m. Standardowe pojedyncze pokrycie lotniskowe waży około 12 500 kg, a sekcja zasadnicza 6250 kg. Konstrukcja maty umożliwia również wymianę uszkodzonych pojedynczych elementów składowych pokrycia. Przenośne pokrycia lotniskowe Class 60 powinny być wcześniej przygotowane do natychmiastowego użycia. Gotowe do użycia maty muszą być zrolowane i zeskładowane na stelażu w pobliżu pasa startowego, co przedstawia fot. 1. Fot. 1. Zrolowane pokrycia lotniskowe (maty aluminiowe) Class 60 Fot. 2. Transport maty aluminiowej na przyczepie KING
Przenośne nawierzchnie lotniskowe 193 Transport maty aluminiowej odbywa się przy wykorzystaniu specjalnej przyczepy samozaładowczej i rozładowczej typu KING, na której zrolowane pokrycie jest dostarczane w rejon odbudowanego krateru (fot. 2). Pokrycie lotniskowe Class 60 [6] rozwija się ręcznie. Rozwiniętą matę naciąga się na odbudowany krater we właściwym miejscu. Następnie w niezniszczonej nawierzchni pasa startowego nawiercane są otwory, w które wkłada się i dokręca specjalne bolce mocujące kołki rozporowe. Fot. 3. Rozwijanie zrolowanej maty aluminiowej Standardowe pokrycie lotniskowe o wymiarze 22 16 m może być złożone z pojedynczych paneli w ciągu ok. 3 godzin przez 20 żołnierzy. Po zakotwieniu maty w nieuszkodzonej nawierzchni lotniskowej należy ją bardzo dokładnie oczyścić, w pierwszej kolejności ręcznie, a następnie mechanicznie przy użyciu oczyszczarek lotniskowych. Złożona mata, dzięki budowie z szeregu zazębiających się wzajemnie paneli aluminiowych, może posiadać różne wymiary w zależności od potrzeb. Na rys. 2. przedstawiono sposób naprawy standardowego krateru przez Królewskie Siły Powietrzne Wielkiej Brytanii. Rys. 2. Przykład naprawy standardowego krateru
194 Mariusz WESOŁOWSKI Aluminiowa nawierzchnia lotniskowa typu Class 60 charakteryzuje się następującymi własnościami: dużą sztywnością, która wynika ze stosunkowo dużej wysokości profilu maty, ukształtowania przekroju poprzecznego oraz ograniczenia przemieszczeń pionowych w połączeniach panelowych maty; przekrój poprzeczny jednego panelu nawierzchni aluminiowej przedstawiono na rys. 3.; pokrycie jest odporne na działanie środków chemicznych i bezpośrednie działanie ognia; rowkowana powierzchnia poszczególnych elementów składowych pokrycia umożliwia dobre odprowadzanie wód opadowych, a także posiada większy współczynnik sczepności koła samolotu z górną powierzchnią maty; z drugiej jednak strony występują trudności w utrzymaniu czystości nawierzchni, ponieważ istnieje zagrożenie gromadzenia się ziaren kruszywa, zanieczyszczeń, ciał obcych w skomplikowanym geometrycznie przekroju nawierzchni. 30 30 30 30 30 30 210 mm Rys. 3. Przekrój poprzeczny panelu nawierzchni aluminiowej 4. Kompozytowe nawierzchnie lotniskowe Aktualnie, do układania na uszkodzonych w wyniku działań celowych nawierzchniach lotniskowych wykorzystuje się dwa rodzaje kompozytowych pokryć lotniskowych z włókna szklanego. Są to maty produkcji amerykańskiej typu FFM [1] (Folded Fibreglass Mats) oraz pokrycia produkcji krajowej typu KRATER, które zapewniają w stosunkowo krótkim czasie przywrócenie gotowości eksploatacyjnej lotniska w różnych warunkach atmosferycznych. Materiałom przeznaczonym na kompozytowe nawierzchnie lotniskowe postawiono bardzo wysokie wymagania w celu uzyskania kompozytu charakteryzującego się dobrymi parametrami. Decydującymi w tej sytuacji cechami były: zdolność do przenoszenia obciążeń od poruszających się po nawierzchniach samolotów oraz odporność kompozytu na działanie agresywnych czynników chemicznych, które występują w procesie eksploatacji nawierzchni. Zasadniczym warunkiem uzyskania zamierzonych własności kompozytu było zapewnienie odpowiedniej współpracy włókna i osnowy. W obu
Przenośne nawierzchnie lotniskowe 195 przypadkach kompozytowych pokryć lotniskowych matrycę stanowi żywica poliestrowa lub epoksydowa, zaś wzmocnienie włókno szklane. 4.1. Pokrycie lotniskowe typu FFM System oparty na składanych matach z włókna szklanego typu FFM jest wykorzystywany do naprawy uszkodzeń nawierzchni lotniskowych przez Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych, a także niektóre z państw europejskich będących członkami NATO. Standardowa mata FFM składa się z dziewięciu paneli wykonanych z włókna szklanego. Każdy panel posiada szerokość 1,8 m, długość 9,1 m oraz grubość 9,5 mm. Panele połączone są ze sobą za pomocą elastomerowych zawiasów. System do szybkich napraw nawierzchni lotniskowych (Rapid Runway Repair RRR) obejmuje również panele i zestawy pomocnicze dla dwóch mat. Panele łączące występują w dwóch długościach: 7,3 m i 9,1 m, ponieważ do połączenia dwóch standardowych mat FFM o wymiarach: 9,1 16,5 m potrzeba po jednym panelu każdego rodzaju. Złożona w ten sposób mata posiada wymiary: 16,5 18,2 m i jest wystarczająca do pokrycia standardowego krateru NATO. Standardowa mata FFM waży 1 542 kg. Maty z włókna szklanego FFM mają fabrycznie wykonane otwory przeznaczone dla śrub kotwiących. System kotwienia zależy od rodzaju konstrukcji nawierzchni lotniskowej (betonowa, betonowa z asfaltową warstwą jezdną, asfaltowa) i różni się w związku z tym długością śruby kotwiącej. Natomiast tuleje, przez które przechodzą śruby, są takie same dla każdego rodzaju konstrukcji nawierzchni, tzn. ich średnica jest równa 10 cm. Przy układaniu maty na naprawionej nawierzchni bardzo ważne jest zachowanie właściwego kierunku jej ułożenia względem kierunku ruchu statków powietrznych, dlatego maty FFM są kotwione wyłącznie na krawędziach, na które będą najeżdżać koła goleni samolotów. Fot. 4. Rozkładanie maty FFM
196 Mariusz WESOŁOWSKI Fot. 5. Łączenie dwóch standardowych mat FFM Fot. 6. Naciąganie maty na odbudowany krater
Przenośne nawierzchnie lotniskowe 197 Fot. 7. Przykręcanie śrub kotwiących do nawierzchni Walory nawierzchni kompozytowej typu FFM [3] są następujące: stosunkowo mały ciężar, a w związku z tym łatwiejszy montaż, transport i demontaż; łatwiejsze spełnienie warunku pełnego przylegania maty do podłoża; stosunkowo duża wytrzymałość materiału kompozytowego przy znacznych odkształceniach, niepowodujących zmian struktury płyty; dobra odporność na obciążenia udarowe i bezpośrednie działanie ognia; dobry, prosty i bezpieczny system kotwienia do istniejącej nawierzchni lotniskowej. Natomiast do własności kompozytowej maty typu FFM, które stanowią pewne ograniczenia w jej stosowaniu, można zaliczyć: niższą nośność nawierzchni z uwagi na jej mniejszą sztywność przestrzenną; większe odkształcenia lokalne (przemieszczenia pionowe); trudne do wykonania elastyczne przeguby liniowe, które traktować należy jako element konstrukcyjny, a nie tylko użytkowy nawierzchni; ograniczenia wielokrotnego wykorzystania maty w procesie bezpiecznej eksploatacji; ograniczoną w niewielkim zakresie odporność na działanie środków chemicznych, będących następstwem normalnej eksploatacji nawierzchni. 4.2. Kompozytowe pokrycie lotniskowe typu KRATER Do produkcji krajowej, mobilnej nawierzchni lotniskowej wykorzystano jako matrycę żywicę poliestrową PALATAL U541-TV-03, a jako wzmocnienie włókno szklane typu E wyprodukowane w Krośnieńskich Hutach Szkła. Stosując metodę wyciągania przy produkcji włókien, uzyskuje się włókna o średnicy od 6 do 18 µm.
198 Mariusz WESOŁOWSKI Średnica włókna decyduje o jego własnościach wytrzymałościowych, tzn. im mniejsza średnica włókna, tym większa jego wytrzymałość. Struktura wyprodukowanego kompozytu składa się z kilku warstw włókna szklanego i jest uzupełniona warstwą tkaniny o gramaturze 400 g. Pokrycie typu KRATER składa się z dziewięciu elementów, każdy o wymiarach: szerokość 1,8 m, długość 9,1 m i grubość 9,0 mm. Elementy połączone są ze sobą elastycznymi przegubami, które zapewniają współpracę pojedynczych segmentów pod obciążeniem. Zespół tych elementów stanowi pokrycie o wymiarach: 16,5 9,1 m. Połączone ze sobą dwa pokrycia tworzą matę o wymiarach: 16,5 8,2 m, która spełnia wymagania NATO dot. naprawy standardowego krateru. Dobrany w ten sposób skład materiałów na wykonanie składanych nawierzchni kompozytowych charakteryzuje się następującymi parametrami [4]: ilość żywicy 45%; masa zbrojenia w laminacie 5 kg/m 2 ; masa żywicy w laminacie 6,11 kg/m 2 ; masa laminatu 11,11 kg/m 2 ; ciężar pojedynczego elementu 182 kg; ciężar pokrycia składającego się z 9 elementów 1638 kg; ciężar maty 3276 kg; powierzchnia maty 150,15 m 2. Producent uzyskał następujące wyniki badań wytrzymałościowych kompozytu: wytrzymałość na rozciąganie 145 MPa; wytrzymałość na zginanie 205 MPa; moduł sprężystości przy statycznym rozciąganiu 12,20 GPa; moduł sprężystości przy zginaniu 8,95 GPa. Produkcja płyt odbywała się w Stoczni Żuławy na specjalnie przygotowanych stanowiskach roboczych. Pojedyncze warstwy w liczbie dziewięciu, z których składała się struktura płyty, łączono na zakład z elastycznym łącznikiem płyt. Wyprodukowaną matę poddano szczegółowej weryfikacji podczas kontrolnych badań laboratoryjnych. 4.2.1. Badania laboratoryjne pokrycia lotniskowego typu KRATER Przenośne pokrycie lotniskowe z włókna szklanego zostało poddane następującym badaniom materiałowym: określeniu wytrzymałości na rozciąganie, wytrzymałości zmęczeniowej na zginanie, sprawdzeniu odporności na bezpośrednie działanie ognia, odporności na działanie czynników eksploatacyjnych występujących na nawierzchniach lotniskowych, odporności na obciążenie udarowe, badaniu szorstkości i nasiąkliwości, a także oznaczeniu wytrzymałości elastycznych połączeń między
Przenośne nawierzchnie lotniskowe 199 elementami maty i wytrzymałości połączeń kotwiących matę do nawierzchni lotniskowej. W niniejszej publikacji zostaną przedstawione jedynie wyniki badań statycznego rozciągania próbek maty oraz badań zmęczeniowych podczas zginania [5]. Prezentacja wyników pozostałych badań będzie przedmiotem kolejnej publikacji. 4.2.1.1. Wyniki badań wytrzymałości próbek na rozciąganie Statyczne badania wytrzymałości na rozciąganie wykonano na próbkach prostokątnych o wymiarach 250 60 mm, wyciętych z arkusza maty w dwóch ortogonalnych kierunkach, tj. wzdłuż i w poprzek kierunku ułożenia włókien maty. Zbiorczy wykres krzywych rozciągania przedstawiono na rys. 4. Na wykresie tym można zauważyć różnicę wytrzymałości próbek, oznaczonych nr 311 i 322, w zależności od kierunku ich pozyskania. Różnica ta wynosi około 15 20%. Wytrzymałość jest większa w przypadku próbek pobranych z kierunku zgodnego z ułożeniem włókien. Ponadto, charakterystyczny jest wyraźnie monotoniczny wzrost naprężeń do chwili gwałtownego pęknięcia próbki, co świadczy o całkowitej utracie wytrzymałości. W przypadku jednej z próbek, podczas jej statycznego rozciągania, można było zaobserwować uskoki na krzywej rozciągania. Zjawisko to związane jest ze stopniowym pękaniem pojedynczych włókien i w związku z tym, ze stopniową utratą wytrzymałości. Typowym zjawiskiem dla badanego materiału jest zmiana nachylenia krzywej rozciągania dla wydłużenia próbki wynoszącego od 2 do 3 mm. Zmiana ta jest związana z utratą wzmacniającego oddziaływania żywicy na wytrzymałość maty i generalnie nie zależy od kierunku wycięcia próbki. Liczbowe wartości wytrzymałości oraz wydłużeń względnych i bezwzględnych dla wybranej partii próbek i ortogonalnych kierunków obciążeń przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1 Wyniki wytrzymałości próbek na rozciąganie Numery próbek Kierunek obciążenia Wielkość siły F max [kn] Wydłużenie bezwzględne [mm] Wydłużenie względne [%] Naprężenia σ [MPa] 311 (1) 103,20 5,95 6,61 215 (2) Podłużny 94,08 5,17 5,74 196 (3) 86,40 4,38 4,86 180 Wartości średnie: 5,73 197 322 (1) 93,60 4,58 5,08 195 (2) Poprzeczny 78,72 4,34 4,82 164 (3) 77,76 4,05 4,50 162 Wartości średnie: 4,80 174
200 Mariusz WESOŁOWSKI 250 σ [MPa] próbki 311 200 próbki 322 150 100 50 0 l [mm] 0 1 2 3 4 5 6 Rys. 4. Wykres statycznego rozciągania próbek serii 311 i 322 W trakcie przeprowadzonych badań wytrzymałości na rozciąganie kompozytowej nawierzchni lotniskowej typu KRATER, zarówno w kierunku podłużnym, jak i poprzecznym, uzyskano odpowiednio 197 MPa i 174 MPa przy średnim wydłużeniu próbki wynoszącym około 5,26%. 4.2.1.2. Wyniki badań wytrzymałości próbek na zginanie W celu określenia własności składanej nawierzchni lotniskowej typu KRATER przy zginaniu, wyznaczono charakterystyki siła zginająca ugięcie próbki (krzywe zginania) w pojedynczych cyklach na kolejnych poziomach ugięcia, tj.: 3, 4, 5,..., 15 mm. Na rys. 5 przedstawiono poszczególne krzywe wyznaczone w tych testach, w funkcji wielkości ugięcia (rys. 5a) i w funkcji czasu trwania cyklu sinusoidalnego (rys. 5b). Przy ugięciu równym 3 mm można mówić o liniowym zakresie krzywej siła zginająca ugięcie próbki i niewielkim odkształceniu trwałym zginanej próbki (po jej całkowitym odciążeniu). Dla większych ugięć wystąpiła wyraźna histereza krzywych zginania. Podczas testu przy ugięciu wynoszącym 5 mm wystąpiło pierwsze załamanie krzywej zginania, tzn. nastąpiło pęknięcie próbki, jej osłabienie i niewielki spadek wartości siły wymuszającej. W kolejnych cyklach przy ugięciach odpowiednio: 6, 7 i 8 mm, krzywe zginania nie wykazywały załamań. Wyraźny uskok spowodowany pęknięciem zginanej próbki nastąpił przy ugięciu równym
Przenośne nawierzchnie lotniskowe 201 9 mm, co spowodowało obniżenie siły zginającej o ponad 50%. Przy ugięciu rzędu 11 mm nastąpiło kolejne pęknięcie próbki. Jej odkształcanie przebiegało przy mniej więcej stałym, bardzo niskim, poziomie siły wymuszającej, co w praktyce oznacza utratę własności wytrzymałościowych próbki materiału. Charakterystyczne w tym przypadku są także oscylacje wartości siły, świadczące o wewnętrznych tarciach materiału w badanej próbce w obszarze, który uległ trwałej destrukcji w wyniku zadanych odkształceń. Widać także, że w kolejnych cyklach wzrastała wartość ugięcia, wówczas próbka ulegała trwałemu odkształceniu. 3500 F [N] 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 l [mm] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Rys. 5a. Przebieg krzywych siła zginająca ugięcie próbki w pojedynczych cyklach zginania, dla różnych poziomów ugięcia próbki 3500 F [N] 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 czas [s] 0 10 20 30 40 50 Rys. 5b. Przebieg krzywych siła zginająca czas w pojedynczych cyklach zginania, dla różnych poziomów ugięcia próbki
202 Mariusz WESOŁOWSKI 4.2.1.3. Badania zmęczeniowe próbek kompozytowych Badania zmęczeniowe przeprowadzono na próbkach prostokątnych o wymiarach 250 25 mm, wyciętych z maty w dwóch ortogonalnych kierunkach, tj.: wzdłuż i w poprzek kierunku ułożenia włókien szklanych. Badania trójpunktowego zginania wykonano w seriach o ustalonej liczbie cykli, przy stałej wielkości ugięcia w środkowej części próbki. Kolejne serie badań wykonywano przy ugięciach 3, 4, 5,..., 10 mm, rejestrując zmianę wielkości siły wymuszającej zadane ugięcie. Częstotliwość cykli obciążeń wynosiła 2 Hz, temperatura pokojowa: 20 23 º C, wilgotność powietrza: 45 55%. Badania wszystkich próbek rozpoczęto od ugięcia wstępnego wynoszącego 3 mm. Zmianę poziomu siły w trakcie cykli zmęczeniowych o zadanych, stałych wielkościach ugięcia, przedstawia rys. 6 dla kierunku wycięcia próbek wzdłuż włókien maty oraz rys. 7 w kierunku poprzecznym. Szczegółowy program badań przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2 Program badań zmęczeniowych trójpunktowego zginania Ugięcie [mm] Liczba cykli Kierunek podłużny Kierunek poprzeczny próbka 1 próbka 2 próbka 1 próbka 2 3 15000 7500 7500 7500 4 5000 5000 5000 5 7500 4000 4000 4000 6 3000 3000 3000 7 1000+1000 2000 2000 2000 8 1000 1000 1000 9 1000+1000 1000 1000 1000 10 1000 1000 1000 W każdym przypadku poziom siły wywołującej ugięcie był inny. Wraz ze wzrostem liczby cykli obciążenia następował systematyczny spadek siły zginającej, szybszy dla większych ugięć, czasem z wyraźnym uskokiem, świadczącym o powstaniu pęknięcia w próbce. W początkowym etapie badań, przy mniejszych ugięciach, zmiana wielkości ugięcia próbki powodowała istotny wzrost siły wymuszającej, po wystąpieniu pęknięć w próbce wzrastające ugięcie wymagało sto-
Przenośne nawierzchnie lotniskowe 203 sunkowo mniejszych przyrostów siły wymuszającej. W związku z tym wytrzymałość i odporność materiału na zginanie malały. 800 F [N] 700 600 500 3 mm 4 mm 5 mm 6 mm 7 mm 8 mm 9 mm 10 mm 400 300 200 100 0 1 10 100 1000 10000 N [cykl] Rys. 6. Przebieg krzywych: siła zginająca liczba cykli obciążenia, dla różnych poziomów ugięcia próbek wyciętych wzdłuż włókien 800 F [N] 700 600 500 3 mm 4 mm 5 mm 6 mm 7 mm 8 mm 9 mm 10 mm 400 300 200 100 0 1 10 100 1000 10000 N [cykl] Rys. 7. Przebieg krzywych: siła zginająca liczba cykli obciążenia, dla różnych poziomów ugięcia próbek wyciętych w poprzek włókien
204 Mariusz WESOŁOWSKI Z powyżej zaprezentowanych wykresów wynika, że dla ugięć mniejszych niż 6 mm zmiany zmęczeniowe są niewielkie, natomiast przy większych ugięciach obserwuje się wystąpienie w próbce pęknięć, powodujących znaczne obniżenie siły zginającej oraz spadek wytrzymałości próbki. Wyniki statycznych prób zginania przedstawiono na rys. 8. Uzyskane wyniki potwierdzają, że nie występuje istotna różnica między wytrzymałością materiału przed rozpoczęciem badań (linie ciągłe) i po badaniach zmęczeniowych (linie przerywane). Niszczenie materiału maty następuje wyłącznie lokalnie, w ograniczonych obszarach, bez jakichkolwiek śladów delaminacji poszczególnych warstw. 900 F [N] 800 700 600 500 400 300 200 100 0 kier. wzdł. kier. wzdł. wierzch kier. wzdł. spód kier. poprz. kier. poprz. wierzch kier. poprz. spód kier. wzdł. zm. wierzch kier. wzdł. zm. spód kier. poprz. zm. wierzch kier. poprz. zm. spód l [mm] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Rys. 8. Przebieg krzywych: siła zginająca ugięcie próbki w pojedynczych cyklach zginania próbek przed (linie ciągłe) i po (linie przerywane) badaniach zmęczeniowych 5. Podsumowanie Państwa członkowskie NATO, w tym Polska, posiadają w wyposażeniu składane, przenośne nawierzchnie, które pozwalają na odtworzenie gotowości eksploatacyjnej zniszczonych elementów systemu nawierzchni lotniskowych w możliwie najkrótszym czasie. Rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne przenośnych nawierzchni lotniskowych typu Class 60 oraz FFM spełniają oczekiwania użytkownika, tj. lotnictwa, a także zapewniają bezpieczne warunki wykonywania operacji lotniczych. Badania materiałowe wraz z niezbędnymi wyni-
Przenośne nawierzchnie lotniskowe 205 kami badań własności fizyko-mechanicznych przenośnej nawierzchni kompozytowej typu KRATER, wyprodukowanej przez Stocznię Żuławy, pozwalają przypuszczać, że nawierzchnia ta również może spełniać wymagane oczekiwania dla lotnictwa w sytuacjach losowych, jak i w procesie szkolenia batalionów usuwania zniszczeń lotniskowych. Wyrób ten jest porównywalny ze składanymi pokryciami lotniskowymi tego rodzaju, wyprodukowanymi w innych krajach, między innymi w Stanach Zjednoczonych, ale nie został jak dotąd poddany sprawdzeniu w rzeczywistych warunkach z wykorzystaniem statku powietrznego. Literatura 1. Detachment 1, 823 RHCES, Rapid Runway Repair. Silver Flag Exercise Site, Tyndall Air Force Base, Florida 2000. 2. Dyrektywa Dowództwa Sojuszniczych Sił Zbrojnych NATO ACE 80-15. 1989. 3. Nita P.: Instrukcja odbudowy nawierzchni lotniskowych przy wykorzystaniu mat kompozytowych typu KRATER. Nr bibl. 2411/50 ITWL, Warszawa 2005. 4. Nita P.: Określenie wymagań fizyko-mechanicznych dla przenośnych pokryć lotniskowych. Nr bibl. 321/50 ITWL, Warszawa 2001. 5. Nita P., Poświata A.: Płyty kompozytowe przeznaczone na składane przenośne nawierzchnie lotniskowe. ITWL, Warszawa 2001. 6. Przenośne pokrycie lotniskowe instrukcja obsługi. KDK Investment Sp. z o.o., 2000. 7. STANAG 2929 (wydanie 2) Naprawa Zniszczeń Lotniskowych. 1989. 8. Technologie szybkiej naprawy nawierzchni lotniskowych podczas działań operacyjnych Sił Powietrznych RP. WAT, Warszawa 2000.