книги из ГПНТБ / Соломонов, П. А. Надежность планера самолета

щими к поверхности, происходит их торможение. Хотя нагрев поверхностей, обтекаемых воздухом, существует при любой ско­ рости движения, однако на малых скоростях полета он незначи­ телен. На больших же скоростях полета, превышающих ско­ рость звука, в сверхзвуковом потоке, обладающем громадной энергией, нагревание поверхности становится значительным. Известно, что абсолютная температура пограничного слоя Т в точке полного торможения воздушного потока с учетом ее вос­ становления

В начале сверхзвукового полета распределение температуры по конструкции происходит не­ равномерно, а через некоторое время температура выравнивает­ ся. Перепад температур, кото­ рый имеет место в начале сверх­ звукового полета, может приве­ сти к короблению отдельных элементов конструкции. Кроме того, значительный нагрев эле­ ментов конструкции планера

специальное оборудование, атмосферная и солнечная радиация. Влияние на нагрев самолетов атмосферной и солнечной радиа­ ций несущественно до высот порядка 50 км и их можно прак­ тически не учитывать. На современных самолетах начинают оказывать существенное влияние на нагрев конструкции двига­ тельные установки и выхлопные газы. Так, температура возду­ ха в отдельных отсеках конструкции может достигать 450— 500° С, что может привести к нагреву элементов конструкции до 300° С и более. Такой нагрев элементов конструкции планера также может привести к значительному снижению прочностных характеристик материалов. На рис. 11 в качестве примера пока­ зан характер изменения температуры воздуха в хвостовой час­ ти фюзеляжа при пробе двигателя на земле.

■20

1.3. Нагрузки и условия работы в полете агрегатов оборудования и систем самолета

К числу факторов, оказывающих влияние на надежность агрегатов оборудования и систем, в первую очередь, относятся механические нагрузки. Различают три вида механических на­ грузок: ударные нагрузки, вибрации и перегрузки. Под ударом понимают мгновенное приложение силы к агрегатам с последу­ ющим изменением скорости в течение короткого промежутка времени. Вследствие удара возникают колебания деталей с за­ тухающей амплитудой и собственной частотой. Процесс удара протекает в течение миллиили микросекунд. Его разделяют на две фазы — сжатие и восстановление. При сжатии центры тя­ жести элементов конструкции сближаются и кинетическая энер­ гия внешних сил переходит в потенциальную энергию деформа­ ции узлов и деталей. При восстановлении потенциальная энер­ гия упругой деформации преобразуется в кинетическую энергию отдельных элементов.

В упругих конструкциях возникают колебания с затухающей амплитудой на собственной частоте колебаний конструкции. Амплитуда колебаний отдельных узлов может быть значитель­ ной, достигать нескольких миллиметров и даже сантиметров (при резонансных и квазирезонансных явлениях).

При ударах в хрупких материалах конструкции появляются изломы и трещины. Кроме того, ускорения, вызываемые уда­ ром, передаются на все элементы конструкции и прочностные свойства отдельных узлов и деталей изменяются. В неупругих конструкциях в результате удара возникают деформации конст­ руктивных элементов. Ударные нагрузки на агрегаты оборудо­ вания и систем возникают в основном при посадках. При этом величина перегрузки может достигать 20 g. Это приводит к воз­ никновению внутренних напряжений в деталях и узлах и в конечном счете к снижению их прочности, а также нарушению1 надежности сочленения деталей.

Ударная нагрузка представляет собой случайную величину,, непрерывно изменяющуюся во времени, и для нее можно полу­ чить кривую распределения.

Вотличие от ударных нагрузок вибрационные нагрузки, сравнительно постоянны на определенных режимах полета и ре­ жимах работы двигателей.

Взависимости от режима полета и режима работы двигателя частота вибраций изменяется и отдельные узлы и блоки или элементы могут попадать в резонанс с возбуждающими коле­ баниями и приводить к быстрому преждевременному выходу из строя деталей и элементов оборудования.

Взависимости от конструкции отдельные детали агрегатов оборудования и систем могут испытывать вибрации с частотами до 5000 Гц. Амплитуды вибраций, как правило, невелики. Толь­

21

ко на некоторых типах летательных аппаратов, например на вертолетах, амплитуда вибраций может достигать нескольких миллиметров.

Величина вибраций (диапазон частоты и величины амплитуд смещений) агрегатов зависит от типа самолета (вертолета) и

их силовых установок, а также от зоны (фюзеляж, крыло, хвос­ товое оперение, кабина), в которой они установлены. Вибрации

чие от вибрационных сил, кото­ рые по направлению действия сил являются знакопеременными,

действие инерционных сил направлено в одну из сторон. Результат действия ударов, вибраций, а также сил инерции

принято выражать через ускорение. В этом случае действие

.22

внешних сил на агрегаты оборудования и систем характеризуют величиной ускорения /.

В ряде случаев воздействие внешних сил удобно характери­

где п — перегрузка.

Таким образом, коэффициентом перегрузки можно характе­ ризовать действие всех сил: инерционных, ударных и вибраци­ онных.

При посадке сухопутные самолеты испытывают перегрузку, которая может быть приближенно определена по формуле

где G — полетная масса самолета в кг.

Таким образом, при посадке летательного аппарата агрегаты оборудования и систем могут испытывать перегрузку не менее 2,6 g, а при грубых посадках до 6—8 g.

Возбуждающие силы, возникающие в полете, по-разному дей­ ствуют на различные части летательного аппарата, поэтому принято считать, что в нем образуется вибрационное поле.

Основным источником этого поля являются авиационные дви­ гатели.

Кроме нагрузок от внешнего воздействия, детали и узлы аг­ регатов оборудования и систем испытывают также высокие нагрузки от работы самих агрегатов.

Агрегаты систем современных самолетов при работе подвер­ гаются значительным нагрузкам. Так, обороты турбохолодиль­ ников системы кондиционирования кабины достигают 20—30 ты­ сяч оборотов в минуту, что приводит к высоким механическим и температурным нагрузкам их деталей, особенно подшипников. Значительным нагрузкам подвержены агрегаты других систем.

Гидравлические системы на современных летательных аппа­ ратах выполняют самые разнообразные операции; управление механизмами взлетно-посадочных приспособлений (шасси, поса­ дочных щитков и закрылков, тормозов колес и т. д.), управле­ ние механизацией входных и выходных каналов двигателей, открытие и закрытие створок люков, управление воздушными тормозами. В ряде случаев гидравлические системы применя­ ются для перемещения антенн радиолокационных станций и т. д. В системе управления летательным аппаратом гидравличе­ ские системы получили преимущественное применение. Все

23

большее применение находят комбинированные гидравлические и электрогидравлические агрегаты.

Гидравлические и топливные системы характеризуются высо­ кими рабочими давлениями жидкостей. Это вызвало увеличение нагрузок на детали агрегатов этих систем (рис. 15).

В настоящее время, как правило, применяются насосы пере­

Рис. 15. График изменения переменных напряжений в тру­ бопроводах двигателя при его работе на земле:

/—*в основной гидросистеме; 2—в системе гидроусилителя

В условиях летной работы воздействие температуры на агре­ гаты оборудования и систем носит циклический характер. Мак­ симальная температура нагрева отдельных агрегатов, установ­

до —50° С. Наблюдаемая интенсивность перепадов температуры может быть самой различной и зависит от времени набора вы­ соты, скорости полета, размещения агрегатов на самолете и пе­ риодичности их включения в работу.

С точки зрения условий работы и подверженности воздейст­ вию внешних факторов агрегаты систем планера самолета, сило­ вых установок и оборудования можно разделить на четыре группы:

—агрегаты, установленные в герметической кабине;

—агрегаты, расположенные вне герметической кабины (в

крыле, фюзеляже и т. д.) и не подвергающиеся нагреву от двига­ теля и других агрегатов силовой установки;

— агрегаты, установленные в двигательных отсеках, отсеках, расположенных вблизи форсажных камер, а также агрегаты

24

систем, в которых циркулирует рабочая жидкость с относитель­ но высокими температурами;

— агрегаты, работающие в условиях искусственного климата. Приборы и агрегаты, установленные в герметической кабине, работают большую часть времени при температуре 20±5°С. При этом перепад температур при эксплуатации не превышает

обычно 60—70° С.

Агрегаты систем, размещенные внутри отсеков конструкции планера и не нагревающиеся от силовых установок и форсаж-

Г

f =330Гр

РСр=2172Н/смг

Рср=185Н/см2

Рис. 16. Осциллограмма с записью пульсации давлений в гидросистеме са­ молета

ных камер, в зависимости от места установки могут подвергать­ ся воздействию различных перепадов температур.

Наибольшему перепаду температур подвержены узлы и де­ тали, установленные снаружи или вблизи обшивки летательного аппарата, обдуваемой встречным потоком воздуха.

Агрегаты, не подверженные аэродинамическому нагреву или нагреву от силовых установок и форсажных камер, могут под­

температуры при полетах со сверхзвзуковыми скоростями может достигать до 50° С в минуту (рис. 17).

Обеспечение больших скоростей и высот полета требует вы­ сокой энерговооруженности самолетов. С ростом мощностей си­ ловых установок увеличивается количество выделяемого ими тепла, усложняются температурные условия элементов конст­ рукции и оборудования самолетов, ухудшаются их характери­ стики.

Особенно большие температуры возникают в отсеках двига­ телей и форсажной камеры. Температура воздуха, обдувающего цилиндры управления реактивным соплом, может достигать 400° С и более. При опробовании двигателей на земле темпера­ тура в отсеках фюзеляжа, если там установлены двигатели,

25

может также достигать больших значений (200° С ). Рабочая тем­ пература жидкостей гидравлических систем современных само­ летов достигает 10Q—120° С. Высокая температура агрегатов и рабочих жидкостей создает тяжелые условия работы оборудова­ ния, расположенного в этих отсеках и системах. В первую оче­ редь это сказывается на сроках замены уплотнений, нарушается герметичность соединений, рабочие жидкости при повышенных температурах претерпевают физические и химические измене­ ния. Изменения температуры и связанные с ними изменения гео-

Рис. 17. Изменение высоты полета Я, числа М и темпера­ туры Т в хвостовой части фюзеляжа в полете (M=V/a, где V—скорость полета; а—скорость звука; т—время поле­ та в секундах)

метрических размеров элементов и деталей систем авиационной техники приводят к изменению электрических параметров сис­ тем. Кроме того, с изменением температуры происходит измене­ ние механических характеристик материалов, применяемых в системах и агрегатах оборудования.

Быстрый рост перепада температуры воздействует на места сочленения деталей, узлов, устройств. Проявление этого воздей­ ствия тем более, чем значительнее отличаются температурные коэффициенты объемного расширения сочлененных и соединен­ ных деталей.

Частые перепады температуры и отклонения ее от допусти­ мой могут приводить к утяжелению режимов работы агрегатов из-за изменения физических свойств материалов, из которых из­ готовлены их узлы и детали.

Перепады температур могут быть и при хранении (стоянке) авиационной техники. Наблюдениями установлено, что при дли­

26

тельном нахождении незачехленного самолета на солнце темпе­ ратура внутри отсеков превышает температуру окружающего воздуха:

— у самолетов с серебристым покрытием на 12—13° С;

наружного воздуха.

Одним из факторов, оказывающих влияние на работоспособ­ ность агрегатов, является влажность. Резкие перепады влажно­ сти при эксплуатации, как правило, возникают в герметической кабине и ряде отсеков после взлета самолета в холодное время года. Перед взлетом агрегаты имеют температуру окружающей среды (если перерыв в полетах больше Зт, где т — постоянная времени нагрева агрегата). После взлета вследствие работы системы обогрева температура в герметической кабине устанав­ ливается на уровне 20±5°С.

В условиях высокой температуры и низкой влажности в соч­ ленения элементов конструкции планера, силовые установки, а также в агрегаты оборудования и систем авиационной техники неизбежно проникают пыль и песок. Пыль и песок могут прони­ кать в различные агрегаты авиационной техники. С увеличением высоты полета количество пыли быстро убывает. Однако в верхних слоях атмосферы может находиться значительное ко­ личество космической и вулканической пыли.

К числу климатических факторов, воздействующих на техни­ ку, относится также барометрическое давление. Высота полета современных летательных аппаратов достигает 10—25 км. При высотных полетах резко изменяется барометрическое давление. Изменение барометрического давления ухудшает ус­ ловия охлаждения аппаратуры, затрудняет герметизацию соеди­ нений, утяжеляет условия работы некоторых агрегатов оборудо­ вания. Влияние барометрического давления на работу аппарату­ ры может быть уменьшено при применении камер повышенного давления, которые дополнительно выполняют функции охлаж­ дения. Однако в некоторых случаях это неприемлемо, так как усложняет и утяжеляет аппаратуру. С ростом высот особенно резко ухудшаются условия работы гидросистем и гидроагрега­ тов. Вредное воздействие высоты на работу гидросистем сказы­ вается в следующем:

—ухудшается эффективность охлаждения агрегатов и дета­ лей из-за уменьшения массовой плотности воздуха и, как след­ ствие, из-за снижения его теплоемкости;

—понижается электрическая прочность изоляции электрогид-

27

жидкости в гидросистеме, с одной стороны, ведет к увеличению ее массы, и, с другой стороны, введение нескольких дополнитель­ ных агрегатов может при определенных неблагоприятных ус­ ловиях снизить вероятность безотказной работы гидросистемы. Таким образом, увеличение высоты полета приводит к усложне­ нию условий работы отдельных агрегатов авиационной техники.

Перепад давлений является специфической особенностью эксплуатации агрегатов и деталей самолетов. Перепады давле­ ния создают дополнительные нагрузки на герметические узлы, что вызывает знакопеременные нагрузки в местах сочленений деталей. Низкое атмосферное давление может приводить к из­ менению параметров элементов, разрушению заливочных и гер­ метизирующих составов, ухудшению воздушного охлаждения. Разность давления внутри герметичных приборов и агрегатов приводит к нарушению герметичности, появлению трещин в ме­ стах сочленений деталей, образованию трещин в корпусах, герметизирующих замазках. При низком давлении летучие ве­ щества быстро испаряются и соответственно ухудшаются физи­ ческие свойства материалов. С увеличением высоты увеличива­ ется количество озона в атмосфере. Максимальная кон­ центрация озона обычно наблюдается на высотах 19,8—24,4 км. При соединении озона с влагой образуется перекись во­ дорода, которая оказывает вредное влияние на резину и пласт­ массы, приводя к их разрушению. Наиболее сильным будет воз­ действие озона при температуре 38°С, при наличии вибраций, высокой относительной влажности и концентрации озона, соот­ ветствующей высоте 20—25 км.

Большое влияние на надежность агрегатов оборудования и систем самолета оказывает изменение рассмотренных выше факторов, т. е. изменение окружающих условий работы и нагру­ зок (климатических, электрических, механических и т. п.). Ве­ личина и характер этих изменений в процессе эксплуатации но­ сит случайных характер.

При реальной эксплуатации агрегаты оборудования и систем подвергаются комбинированному воздействию ряда факторов, усиливающих или ослабляющих их действие.

1.4. Факторы, воздействующие на агрегаты планера, оборудования и систем самолета при хранении

Исправное состояние авиационной техники в значительной степени зависит от условий, в которых она находится между по­

летами [1.29].

Большую часть времени летательные аппараты, агрегаты оборудования и систем подвергаются воздействию климатиче­ ских и биологических факторов. К климатическим факторам от­ носятся явления, которые обусловлены режимом погоды. Это

28

температура, влажность, давление, ветер, пыль, песок, солнеч­ ная радиация.

В эксплуатации повышенная температура может способство­ вать ухудшению свойств изоляционных материалов, изменению параметров различных устройств автоматики

Пониженная температура увеличивает хрупкость, вызывает значительные изменения физических и химических свойств не­ которых материалов.

Агрегаты оборудования и систем, установленных на самоле­ тах, подвергаются периодическому тепловому воздействию, обусловленному суточным изменением температуры воздуха, ре­ гулярным солнечным облучением и другим периодическим воз­ действиям.

Апериодическое тепловое воздействие обусловливается сме­ ной времени года или связано с перебазированием самолетов (перелетом на сравнительно длительный срок) из одного клима­ тического пояса в другой.

Изменения характеристик деталей и узлов и мест их сочле­ нений происходят от многократных периодических тепловых воздействий. Особое влияние на нарушение мест сочленений оказывают переходы температуры через 0°С. При этом интен­ сивность появления повреждений во многом зависит от разности между наивысшей и наинизшей температурами. Под действием температуры со временем, как уже отмечалось, уменьшается механическая прочность органических материалов, они стано­ вятся более хрупкими и в конечном счете разрушаются под действием вибраций и ударов.

Влажность также является одним из основных факторов, ока­ зывающих влияние на надежность агрегатов оборудования и систем. Количество влаги, находящейся в воздухе, зависит от географического расположения местности. По влажности геог­ рафические районы земного шара разбиты на зоны: полярную, тропическую, умеренную и зону пустынь. При этом, если на уровне земли средние значения абсолютной влажности для по­ лярных районов равны «*0,1 г/м3, то для тропических районов они достигают 27 г/м3. Влага, находящаяся в природе в раз­ личных состояниях (водяные пары, дождь, снег, лед, иней, ту­ ман, соляные брызги), проникает в агрегаты оборудования и систем через атмосферу в жидком, парообразном или твердом состоянии. Содержание влаги в атмосфере принято характери­ зовать относительной влажностью, выражающей отношение в процентах действительного содержания влаги в воздухе к пре­ дельному значению влажности.

Для разных географических районов значение относитель­ ной влажности колеблется от 30 до 100%. Относительная влаж­ ность подвергается значительным колебаниям как в течение го­ да, так и в течение суток. Хотя вода, выпадающая в виде осад­

29