Безаварийность боевых ЛА и их испытания

Несмотря на благородные усилия человечества направить свое развитие в русло мирного сосуществования государств, война (или ее угроза) будет еще долго оставаться решающим фактором жизни народов. Поэтому ни одно государство не может позволить себе ослабить свою военную мощь.

Правительства зарубежных государств не отказываются от решения политических проблем вооруженными силами. Совершенствуются существующие виды оружия и боевой техники, продолжаются работы по созданию новых образцов.

Проблема обеспечения достаточного уровня боевой готовности войск находится в прямой зависимости от технической оснащенности и, в первую очередь, от качества функционирования образцов вооружения, в том числе и ракетных комплексов. Одной из наиболее серьезных характеристик свойств объектов вооружения является безаварийность. Произошедшие за последние годы крупные аварии с огромными катастрофическими последствиями в технических системах атомной энергетики, транспорта и вооружения вскрыли остроту необходимости исследований и предупреждения аварий. Одним из направлений предупреждения аварий вооружения является проведение технической экспертизы аварийности образцов.

На этапе опытно-конструкторских работ проводятся различные виды испытаний, где проводятся следующие мероприятия по аварийности: отработка и подтверждение эффективности системы безаварийности и безопасности; анализ результатов испытаний и подтверждение проектных оценок и характеристик, заданных требованиями по обеспечению безаварийности; оценка отработанности объекта и достаточности всех проектных решений для допуска его к эксплуатации; прогнозирование значений показателей аварийности в процессе серийного изготовления.

Методическая сложность оценок, проводимых на данном этапе, заключается в определении достоверности результатов испытаний при ограниченном их числе и сроках проведения.

При технической экспертизе и оценке аварийности основным предметом исследований является аварийное событие. Аварийное событие в процессе исследований определяется причиной или группой причин, элементом системы или элементами, подвергнувшимися (участвующими) аварии на этапе функционирования при внешних и внутренних условиях функционирования при технических характеристиках системы и ее элементов и реализации фактора опасности аварии.

Система РК может быть представлена в виде двух основных состояний — это исходное состояние, при котором каких-либо работ по подготовке к пуску ракет не проводится, и состояние функционирования, при котором проводятся работы по переводу из одной готовности в другую, доставка ракет, содержание в готовности (боевое дежурство), обслуживание (поддержание в готовности), боевое применение и т. п. В рассматриваемом случае допускается достаточно обоснованное предположение, что аварии в исходном состоянии не возникают, так как авария-характеристика качества функционирования.

Исследование аварийного события возможно посредством применения физических моделей ракеты. Такие модели создаются на этапах ОКР и серийного изготовления для оценки качества изготовляемых элементов ракетного комплекса: ракетных частей, боевых частей, приборов системы управления, аппаратуры наземного оборудования. Исследования на таких моделях выявляют те или иные недоработки конструкторской и технологической документации, выявляют производственные дефекты, позволяют проводить имитацию тех или иных неблагоприятных воздействий на элементы системы.

Основные виды экспериментальной отработки конструкций. В ходе опытной отработки ЛА выполняется значительное количество испытаний, отличающихся задачами, объектами исследования и условиями проведения. Различают два основных вида испытаний — наземные (стендовые) и летные.

На этапе наземной отработки конструкцию ЛА испытывают в специальных лабораториях на действие статических и динамических нагрузок. Основными видами наземных испытаний являются:

статические испытания натурных отсеков и ЛА в целом;

теплопрочностные испытания ЛА;

аэротермоупругие испытания;

динамические испытания отдельных агрегатов.

Статические испытания. Этот вид испытаний самый распространенный. Статическим испытаниям подвергаются отдельные особо нагруженные агрегаты и ЛА в целом. Испытываются как опытные конструкции, так и серийные, последние лишь в выборочном порядке. Задачами статических испытаний являются:

1)                 Определение соответствия между коэффициентом безопасности, принятым при расчете, и фактическим значением этого коэффициента.

2)                 Оценка жесткости конструкции на основе измерения деформаций, линейных и угловых перемещений при различных значениях и распределениях действующей нагрузки. Необходимо, чтобы при эксплуатационной нагрузке отсутствовали заметные остаточные деформации;

3)                 Определение напряженно-деформированного состояния силовых элементов конструкции при действии внешних нагрузок и температуры и сравнение его с теоретическим расчетом для проверки допущений, принятых в расчетах на прочность. Эта задача диктуется стремлением накопить опыт, чтобы более точно рассчитывать последующие конструкции.

Статические испытания проводятся, как правило, в специальных лабораториях, имеющих мощный железобетонный пол, на котором монтируются силовые колонны, мостовой кран, силовозбудители и измерительная аппаратура.

Статические испытания проводятся в несколько этапов. Вначале с целью обтяжки конструкции прикладывается на короткое время нагрузка, составляющая 30…40 % от разрушающей. Затем проводится собственно испытание с замерами деформаций, напряжений и перемещений. Нагрузка при этом прикладывается ступенчато (примерно 10 % от разрушающей), доводится до эксплуатационного значения и снимается. Далее тщательно осматривается конструкция (она не должна иметь трещин и остаточных деформаций). Заключительный этап — повторное нагружение с доведением до разрушения.

Теплопрочностные испытания. Аэродинамический нагрев высокоскоростных ЛА существенно влияет на напряженно-деформированное состояние конструкций. Теоретический расчет этого влияния пока еще весьма несовершенен, поэтому в основном ориентируются на эксперимент.

Теплопрочностные испытания проводятся с целью выявления вредного влияния аэродинамического нагрева на несущую способность конструкции ЛА. При этом, как правило, к испытываемому объекту прикладываются одновременно статические или динамические нагрузки. От действия такого комбинированного нагружения определяется сложное напряженно-деформированное состояние объекта. Иногда ограничиваются чисто тепловыми испытаниями, которые имеют целью определение температурных напряжений в элементах конструкций, исследование коробления, изменения механических характеристик конструкционных материалов, а также изучение явлений ползучести при длительном воздействии повышенных температур.

Нагревание конструкций при испытаниях предъявляет ряд дополнительных, специфических требований к существующим традиционным требованиям и методам испытаний. Как следствие, усложняются технические средства эксперимента и методы моделирования внешних условий. Особо сложной задачей является воспроизведение нестационарных тепловых режимов конструкции, соответствующих реальным полетным условиям.

На практике наибольшее распространение получили два способа нагревания испытываемых объектов: путем лучистого нагрева и с помощью конвективного теплообмена между нагревателем и испытываемой конструкцией.

Лучистый нагрев позволяет достаточно легко воспроизвести желаемое температурное поле конструкции изменением напряжения тока в нагревателях или увеличением (уменьшением) количества включенных источников. Это обычно осуществляется при помощи регуляторов тепла, в качестве которых используются автотрансформаторы, магнитные преобразователи, ртутные выпрямители, игнитроны и другие устройства. Управление нагревом может осуществляться как вручную, так и автоматически.

В качестве источников инфракрасного излучения применяют трубчатые и ленточные излучатели из фольги металлов, имеющих высокое электрическое сопротивление (хромоникелевые и жаропрочные стали, молибден, вольфрам), силитовые и графитовые стержни, трубчатые кварцевые с вольфрамовой спиралью лампы и дугоразрядные лампы. Выбор того или иного излучателя определяется характером теплового режима, воспроизводимого в эксперименте, уровнем температуры поверхности испытываемой конструкции, удобством монтажа, эксплуатации, требованиями техники безопасности и др.

Из нагревательных элементов образуются нагревательные устройства по следующим схемам: стационарная установка под конкретный тип конструкции (крыло, корпус и др.), когда излучатели монтируются на едином силовом каркасе с общим или индивидуальными отражателями (рефлекторами) лучистой энергии; нагревательные блоки (модули), объединяющие небольшое число излучателей, из которых в дальнейшем могут создаваться универсальные нагревательные панели различных конфигураций; индивидуальные нагреватели из одного излучателя с отражателем, позволяющие устанавливать их при эксперименте в «особых» местах конструкции и осуществлять индивидуальное управление ими.

Конвективный нагрев по своей природе ближе к реальным процессам аэродинамического нагрева. Однако он, как правило, не обеспечивает нестационарные температурные поля. Существующие установки конвективного теплообмена моделируют в основном стационарные тепловые режимы.

Весьма эффективной установкой конвективного теплообмена является дозвуковая аэродинамическая труба с предварительным подогревом потока. Моделирование условий полета по тепловому режиму в такой установке обеспечивается регулированием температуры и скорости потока воздуха по времени. Известны также сверхзвуковые аэродинамические трубы с относительно большими габаритными размерами рабочих камер и рабочих частей.

Аэротермоупругие испытания. Применение тонких упругих конструкций на больших сверхзвуковых скоростях полета связано со значительными деформациями их срединных поверхностей.

Приращения местных углов атаки, обусловленные этими деформациями, становятся соизмеримыми с величиной исходного угла атаки, вследствие чего происходит перераспределение нагружения несущей поверхности: при положительных углах атаки передние зоны догружаются, задние — разгружаются. Система нагрузка-деформация стала неконсервативной, т. е. между ними появилась обратная связь.

При эксперименте задача статического аэроупругого нагружения возлагается на автоматическое решающее устройство, связанное с силовым приводом. Решающее устройство отслеживает фактические деформации и вырабатывает управляющий сигнал, а силовой привод воспроизводит нагрузку, соответствующую измеренной деформации конструкции.

Динамические испытания. Различают два вида динамических испытаний: ударные и вибрационные.

Ударные испытания проводятся с целью проверки прочности и устойчивости конструкций при динамическом приложении нагрузки. Динамическими нагрузками называются быстроизменяющиеся нагрузки, время приложения которых соизмеримо с периодом колебаний основного тона конструкции (тон колебаний — характеристика динамики конструкции, отражающая форму изогнутой поверхности конструкции при собственных колебаниях и и соответствующую ей частоту колебаний. Основной тон соответствует наименьшей частоте собственных колебаний.) Такие нагрузки возникают при запуске РДТТ, осечке двигателя, при транспортировке, при посадке ЛА (с носителем), при воздействии ударной волны и в ряде других случаев.

Как правило, экспериментально проверяется прочность узлов стыковки и подвески ЛА, устойчивость тонкостенных отсеков корпуса, прочность и работоспособность приборных отсеков. Наиболее сложная задача при динамических испытаниях — воспроизведение в лабораторных условиях ударного нагружения ЛА, имитирующего различные расчетные случаи. Общих методов и приемов, подобных тем, которые применяются при статических испытаниях, здесь нет. Каждый динамический стенд индивидуален и очень часто представляет собой уникальное сооружение.

Вибрационные испытания имеют целью определить динамические характеристики ЛА — частоты и формы собственных колебаний конструкции. Эти данные необходимы для уточнения расчетных значений критических скоростей самовозбуждающихся колебаний. При необходимости по результатам испытаний производится доработка конструкции (изменяется распределение масс в конструкции, иногда устанавливаются специальные противофлаттерные грузы, увеличивается жесткость обшивки и т. д.).

Испытания проводятся на вибростендах или с помощью вибраторов, устанавливаемых непосредственно на испытываемый объект. Для замеров используется разнообразная аппаратура, позволяющая фиксировать быстро протекающие процессы (осцилографы, тензографы и др.). В динамических лабораториях, оснащенных ЭВМ, регистрация динамических процессов возлагается на выч. технику.

Летные испытания. Лабораторные наземные испытания являются, безусловно, необходимыми. Но в ходе таких испытаний невозможно обеспечить полную имитацию условий полета. Кроме того, в лабораторных условиях нельзя выявить эксплуатационные качества конструкции с точки зрения удобства доступа, контроля, качества конструкции с точки зрения удобства доступа, контроля, монтажа, демонтажа. В лабораториях практически невозможно проводить совместную отработку работоспособности всего комплекса систем ЛА. Этим вопросам конструкторы, как известно, уделяют много внимания в период проектирования. Но никакой обмен информацией не заменит действительной проверки взаимодействия частей и систем ЛА во время полета. Наземные испытания, включая и моделирование на вычислительных машинах, как бы они ни были обширны, никогда не могут соперничать с летными испытаниями по полноте воссоздания реальных условий.

Однако надо учитывать, что летные испытания весьма дороги (из-за высокой стоимости опытных изделий и значительного количества потребного обслуживающего персонала). Поэтому каждое летное испытание является комплексным и решает целый ряд задач. В интересах прочности конструкций в процессе летных испытаний обязательно проверяются температурные поля, отсутствие критических аэроупругих режимов, напряженное и деформированное состояние наиболее нагруженных агрегатов.

Для осуществления перечисленных выше функций на борту ЛА устанавливают большое количество датчиков для измерения температуры, давления, перегрузок, частот и амплитуд колебаний, линейных и угловых перемещений и т. д., а также телеметрическую и записывающую аппаратуру. Принцип телеметрических измерений основан на передаче с борта ЛА на Землю радиосигналов от датчиков. Современные методы исследования позволяют регистрировать исключительно большой объем информации об особенностях нагружения и работы частей ЛА. Обработка и анализ опытной информации производится с помощью ЭВМ.

Испытания авиационных двигателей. Экспериментальное определение характеристик и свойств авиационных двигателей, их систем, узлов и агрегатов для выявления соответствия их техническим требованиям или для опытного изучений процессов, происходящих в двигателях, их натурных или модельных узлах и элементах. Результаты И. а. д. и их элементов в процессе разработки, опытного и серийного производства, а также эксплуатации являются основными показателями их технического состояния (например, работоспособность, эффективность).

Испытания можно классифицировать по их конечной цели и по общности исследуемых явлений. По конечной цели различают: испытания по изучению общих свойств двигателей, их систем, узлов и агрегатов; опытные испытания, проводимые для доводки новых образцов двигателей, их систем, узлов и агрегатов и для проверки соответствия нового двигателя техническим требованиям; заводские испытания серийных двигателей, которые проводятся с целью приработки деталей и отладки двигателя, проверки качества изготовления, сборки и соответствия основных данных двигателей и их агрегатов утверждённым техническими условиями, для подтверждения качества и годности к эксплуатации партии двигателей, проверки эффективности мероприятий, разработанных для устранения дефектов, выявленных в ходе серийного производства и эксплуатации, увеличения ресурса и др.

По общности исследуемых явлений различают: специальные испытания, к которым, например, относятся исследование высотно-скоростных характеристик, тензометрирование и вибрографирование рабочих лопаток, дисков, корпусов, направляющих аппаратов и других деталей двигателей в условиях реального нагружения; определение полей температур газа и термометрирование элементов конструкции; отработка эффективности рабочего процесса в основном и форсажных камерах сгорания; проверка достаточности запасов устойчивости компрессоров и сверхзвуковых воздухозаборников в системе силовой установки; исследование пусковых характеристик двигателя, его шума и т. д.

В России указанные испытания обязательны перед государственными испытаниями двигателей, номенклатура и их объём определяются программой государственных испытаний конкретного двигателя, Нормами лётной годности. В зависимости от требований испытания проводятся как на наземных открытых и закрытых стендах (условия; высота полёта H ≈ 0, Маха число M(∞) ≈ 0), так и на специальных стендах в имитированных высотно-скоростных условиях.

Испытания двигательной установки в аэродинамической трубе в набегающем натурном потоке воздуха создают адекватные полётным условия работы всех элементов двигательной установки. Реализация такой схемы испытаний требует больших энергетических и материальных затрат (суммарный расход воздуха через стенд Gв(Σ) > 10Gв.дв, где Gв.дв — расход воздуха через двигатель). Для натурных двигательных установок с большими расходами воздуха она применяется крайне редко. Широкое распространение получили более экономичные методы испытаний двигательных установок и двигателей в имитированных высотно-скоростных условиях на высотных стендах. Наиболее полно имитировать условия полёта удаётся при работе двигателя с самолётным воздухозаборником, обдуваемым набегающим потоком, осреднённые температура (TH∞), давление (pH∞) и скорость (VH∞) (число Маха) которого равны полётным (на высоте H). На выходе из реактивного сопла вне рабочей струи газов создаётся разрежение, близкое к полётному. Двигатель охлаждается отбираемым от воздухозаборника воздухом, как и при работе двигательной установки в натурных условиях. Такая модель граничных условий полностью обеспечивает тождество протекания всех внутренних процессов в двигателе при испытаниях на стенде и при его работе на самолёте. Не имитируется лишь обтекание кормовой части. Потребные расходы воздуха при этом составляют Gв(Σ≥)3Gв.дв. Технологически более простой и более экономичный (Gв(Σ) = 1,05–1,1Gв.дв) способ имитации полётных условий сводится к тому, что двигатель испытывается без самолётного воздухозаборника. На вход в компрессор двигателя подаётся практически равномерный поток воздуха с такими же осреднёнными значениями полного давления и температуры (а в особых случаях и влажности), как у воздуха на входе в компрессор при работе двигателя на самолёте. На выходе из реактивного сопла вне рабочей струи газов создаётся разрежение, равное полётному. Внешние поверхности двигателя омываются охлаждающим воздухом с таким расчётом, чтобы распределение температуры на стенках и тепловые потоки соответствовали натурным. При таком способе испытаний все местные и осреднённые значения параметров воздуха и газов в рабочих полостях, а также распределение давлений и температур на всех поверхностях элементов двигателя с точностью до влияния неравномерностей и пульсаций воздушного потока на входе в двигатель и выходе из него будут равны полётным. Если влияние неравномерности потока воздуха на входе имеет существенное значение, например, при полётах самолёта на больших углах атаки, перед компрессором испытываемого двигателя устанавливаются гидравлические устройства, обеспечивающие распределение параметров воздуха, соответствующее их распределению в натурных условиях.

В связи с ограниченным количеством высотных стендов широкое распространение получили испытания двигателей с частичной имитацией полётных условий на наземных (с подогревом воздуха, а также с наддувом и подогревом воздуха на входе) и климатических стендах. Это позволяет существенно увеличить долю испытаний с имитацией полётных условий, объём и качество информации о работоспособности и эффективности двигателя и его узлов. При создании двигателей научно-исследовательские и опытные испытания проводятся как на полноразмерных двигателях и газогенераторах, так и на отдельных узлах и их моделях. Создана широкая номенклатура специальных стендов, позволяющих получить сведения о работе каждого узла в требуемом диапазоне изменения влияющих параметров, определить характеристики и оптимальные условия его работы. Приближённое знание граничных условий, в которых должны работать узлы в новом двигателе, приводит к необходимости окончательной отработки их на полноразмерном двигателе. И. а. д. в опытном и серийном производствах проводятся на испытательной станции. В процессе доводки двигателя часть его эксплуатационных свойств (полётный пуск, приёмистость, включение и устойчивость работы форсажной камеры и т. п.) отрабатывается на летающих лабораториях. Для некоторых видов И. а. д. создаются специальные измерительные системы (например, для измерения тяги или мощности, расхода воздуха и т. п.), аттестуемые ведомственной службой метрологии. На наземных стендах закрытого типа при определении тяги двигателя учитывается влияние внутренней аэродинамики стенда. Учёт отличия атмосферных условий при испытаниях от стандартных при оценке основных параметров двигателя производится с использованием формул приведения (см. Приведённые параметры двигателя).

Современные тенденции в области И. а. д.: сокращение общего объёма испытаний, прежде всего по установлению ресурса и выявлению критических элементов двигателя, путём применения эквивалентно-циклических испытаний двигателя; объединение разных экспериментальных задач, получение в одном испытании возможно более разнообразной информации; широкое внедрение методов и средств частичной имитации полётных условий на наземных стендах; комплексная автоматизация испытаний (управление режимами работы двигателя и стенда, измерениями, обработкой и анализом результатов испытаний с использованием математических моделей двигателя и применением специальной автоматизированной информационно-вычислительной и управляющих систем).

Литература:

1.                  Голубева И. С. Конструкция и проектирование летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1995. — 448 с.

2.                  Урмансов Ф. Ф. Безаварийность летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1994.-356 с.