CC BY
180
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС
УДК 629.7.072.5
ОЦЕНКА ГОДНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ДЕЛЬТАЛЕТА
МЕТОДОМ АНАЛОГОВ
И.В. НИКИТИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье предлагается использовать для оценки летной годности элементов конструкции дельталета метод аналогов, основанный на сравнении основных параметров оцениваемого элемента с аналогичным элементом конструкции дельталета уже прошедшего сертификацию и имеющего подтверждение летной годности многолетним опытом безаварийной эксплуатации.
Одной из задач, решаемых при сертификации единичных экземпляров дельталетов, является задача оценки годности элементов их конструкции и используемых материалов. В процессе сертификации гражданских воздушных судов эта задача решается на всех этапах, начиная с разработки технического задания и проектирования и кончая этапами эксплуатационных испытаний. При этом проводятся расчеты и испытания во всех ожидаемых условиях эксплуатации, включая различные климатические условия, расчеты и испытания на прочность, оценку срока службы и ресурса [1].
Элементы конструкции дельталета должны соответствовать своему функциональному назначению и обеспечивать заданную прочность. Методы, используемые сегодня для оценки прочности конструкции дельталета и ее элементов, показаны на рис. 1.
Для оценки прочности при сертификации типа дельталета применяется, как правило, экспериментальный метод статического нагружения крыла и функционального модуля (мототележки), на котором размещены: шасси, оборудование, рабочие места экипажа и силовая установка до их разрушения. Однако при проведении оценки соответствия единичного экземпляра установленным требованиям прочности применение этого метода затруднительно из-за большого объема работ, а также невозможности нагружения конструкции до ее разрушения, так как это грозит потерей того самого экземпляра, на котором выполняются полеты. Практикуется также нагружение до максимальных эксплуатационных нагрузок, однако этот метод также трудоемок, кроме этого имеется риск получения местных остаточных деформаций обшивки и элементов конструкции из-за возможной местной концентрации прилагаемой нагрузки [2].
Рис. 1. Методы оценки прочности конструкции дельталета и ее элементов
При сертификации экземпляра ВС, имеющего сертификат типа, должно быть подтверждено соответствие конструкции экземпляра типовой конструкции. В случае сертификации единичного экземпляра воздушного судна (ЕЭВС) такой типовой конструкции нет. Однако, как правило,
в конструкции ЕЭВС используется большое количество типовых элементов, годность которых подтверждена испытаниями и опытом эксплуатации. В конструкции дельталета около 100% таких элементов.
В практике проведения работ по сертификации единичных экземпляров дельталетов оценка годности элементов конструкции и материалов осуществляется подготовленными экспертами, имеющими соответствующие знания и опыт. Личный опыт всегда индивидуален, и то, что знает один, может не знать другой. В то же время за 20 лет эксплуатации дельталетов и работ по оценке годности их конструкций отработаны типовые элементы конструкции, определены конструкционные материалы и агрегаты, годность которых подтверждена многолетним опытом эксплуатации. В этой статье для решения задачи оценки годности элементов конструкции дельталетов предлагается использовать метод аналогов. Этот метод аналогичен методу оценки на основе сравнения с эталоном. Предлагаемый метод основан на сравнении элемента конструкции сертифицируемого дельталета с уже известным элементом, годность которого подтверждена опытом эксплуатации, испытаниями, или расчетами.
Эта задача решается на основе анализа особенностей, обобщения типовых элементов конструкции, материалов, комплектующих изделий и агрегатов дельталетов, летная годность которых подтверждена многолетним опытом эксплуатации, выбора и формирования перечня эталонных аналогов, которые могут быть использованы для оценки летной годности элементов сертифицируемого дельталета.
Оценка годности элементов конструкции дельталета сводится к оценке конструкционных материалов, из которых они изготовлены, технологии изготовления и их основных геометрических параметров, которые должны обеспечивать их безотказное функционирование и заданную прочность.
На рис. 2. представлена блок-схема оценки годности элементов конструкции дельталета с использованием метода аналогов. На первом этапе необходимо выбрать аналог, или аналоги, наиболее близкие по свом характеристикам и параметрам конструкции к сертифицируемому дельталету. При этом рассматриваются следующие основные параметры: взлетная масса, площадь крыла, стреловидность крыла, размах крыла, конструктивно-силовая схема крыла, материалы каркаса и обшивки крыла, конструктивно-силовая схема функционального модуля, основные параметры шасси, компоновка рабочих мест экипажа, силовой установки и оборудования, база и колея шасси, тип и характеристики двигателя, состав оборудования. На втором этапе проводится сравнение конструкционных материалов, технологий изготовления, основных параметров и условий работы элементов сертифицируемого дельталета с аналогичными элементами дельталета, выбранного в качестве аналога-эталона.
Если оцениваемый элемент и элемент аналога изготовлены из одинаковых материалов, по одинаковой технологии и имеют одинаковые, или близкие размеры, то годность оцениваемого элемента считается подтвержденной. В случае использования в конструкции оцениваемого элемента и элемента аналога разных материалов следует провести сравнительную оценку их свойств и основных характеристик. При этом свойства и характеристики конструкционного материала оцениваемого элемента должны быть не хуже чем у элемента аналога. Особое внимание следует уделить технологии изготовления, в частности, применению гибки и сварки, в том случае, когда сравниваемые элементы изготавливаются из разных конструкционных материалов. Например, использование гибки недопустимо для хрупких материалов, а сварной шов может привести к потере прочности. В таких случаях требуется дополнительное исследование.
Тем не менее, в 95% случаев сегодня можно подобрать для сравнения с оцениваемым элементом аналоги, имеющие абсолютно идентичные размеры, конструкционные материалы и геометрические параметры. Для облегчения решения этой задачи разработан электронный атлас типовых элементов конструкции дельталетов, которые можно использовать в качестве аналогов- эталонов.
Выбор дельталета аналога
Выбор элемента конструкции аналога
Сравнение конструкционных материалов сертифицируемого элемента и аналога
Проведение дополнительных расчетов и испытании
Проведение дополнительных расчетов и испытаний
Проведение дополнительных расчетов и испытаний
Проведение дог расчетов и \/ юлнительных 1СПЫТЭНИЙ
Подтверждение соответствия установленным требования
Рис. 2. Блок-схема оценки годности элементов конструкции дельталета с использованием метода аналогов
Допуск к эксплуатации в различных странах + многолетний опыт эксплуатации при отсутствии конструкционно-производственных дефектов - на основании этих критериев сформирован перечень дельталетов, элементы конструкции которых предлагается рассматривать в качестве эталонов. Отобранные дельталеты выпускаются ведущими мировыми изготовителями СЛА и эксплуатируются во многих странах уже много лет. Ведущие мировые изготовители дельталетов - фирмы: Cosmos, Air Creation - Франция, P&M Aviation - Великобритания и другие выпускают от 100 до 300 дельталетов в год. Многие дельталеты изготовлены в количестве от нескольких сот до тысячи и более экземпляров. Отдельные экземпляры дельталетов имеют налет до 2000 часов, без поломок и ремонтов.
Номенклатура материалов, применяемых в конструкции дельталетов, сводится всего к нескольким группам традиционных материалов, что значительно облегчает оценку элементов конструкции летательных аппаратов данного класса.
Для изготовления силового каркаса крыла и функционального модуля используются, как правило, трубы из алюминиевых сплавов Д16Т, Д16М, реже — из В95; для моторных рам, шасси и силовых узлов — трубы и лист из алюминиевых сплавов, нержавеющих, легированных и других марок сталей. Иногда в конструкции отдельных узлов можно встретить детали из титановых сплавов. Тросовые расчалки изготавливаются из стального многожильного каната диаметром 1,6—5,0 мм. Прокладки, радиусные, шайбы, обтекатели и т. п. изготавливаются из пластмасс и композиционных материалов (КМ). Обшивка крыла изготавливается из синтетической ткани типа дакрон, используемой для изготовления парусов. Сиденья, чехлы, изготавливаются из авиазента, пенополиэтилена, поролона и других подобных материалов.
Более 95% дельталетов имеют сегодня классическую конструктивно-силовую схему крыла дельтаплана. И лишь на некоторых дельталетах используется крыло без мачты.
Классическое крыло состоит из силового каркаса и обшивки из синтетической ткани, подкрепленной силовыми элементами-латами. Типовая конструктивно-силовая схема каркаса крыла приведена на рис.3.
Рис. 3. Типовая конструктивно-силовая схема каркаса крыла дельталета:
1 - боковая балка; 2 - поперечная балка; 3 - носовой узел; 4 - центральный узел; 5 - мачта;
6 - верхние продольные растяжки; 7 - растяжки антипикирующего устройства; 8 - боковой узел; 9 - верхние поперечные растяжки; 10 - задний узел; 11 - растяжки поперечной балки; 12 - килевая балка; 13 - узел навески; 14 - рулевая трапеция; 15 - передние нижние растяжки;
16 - задние нижние растяжки; 17 - нижние поперечные растяжки.
Функциональный модуль (ФМ) дельталета предназначен для размещения экипажа, силовой установки и оборудования. Он состоит из силового каркаса, основных опор шасси, передней опоры шасси, кресел экипажа, силовой установки, приборного оборудования и узлов крепления.
ФМ современных дельталетов имеют чаще всего подкосную, расчалочную и панельную конструктивно-силовую схему. Реже встречаются ФМ с корпусной и ферменной схемой. На рис. 4 представлен классический пример типовой конструкции ФМ панельной схемы дельталета «Поиск-06».
Рис. 4. Типовая конструкция ФМ дельталета «Поиск-06»
Суть метода аналогов можно продемонстрировать на примере оценки боковой балки крыла дельталета. На рис. 5 приведены примеры конструкции боковых балок дельталетов, прошедших испытания и находящихся в эксплуатации более 10 лет, которые могут быть использованы в качестве аналогов-эталонов.
Типовая боковая балка состоит из набора нескольких труб с увеличивающейся к боковому узлу суммарной толщиной стенки и усилениями в местах отверстий.
В носовой части боковая балка имеет отверстие 6-8 мм для крепления к пластинам носового узла, в консольной части балки находится узел крепления обшивки, в центральной части имеется одно, или два отверстия для крепления элементов бокового узла. Боковая балка изготавливается из труб Д16Т с различным диаметром и толщиной стенки. При изготовлении используются стандартные технологии: резка, обработка торцов напильником, или аналогичным инструментом, сверление, нанесение гальванического покрытия. Поэтому сравнение аналогичных балок сводится к сравнению их геометрических параметров.
Если линейные размеры сечений боковой балки оцениваемого дельталета отличаются от размеров эталона, то оценка производится путем сравнения их основных геометрических характеристик. При этом основные параметры сравниваемого элемента должны быть не ниже параметров эталона. Участки боковой балки работают на изгиб, сжатие и растяжение.
При использовании одинаковых материалов и технологий изготовления, оценка годности боковой балки сводится к оценке её прочности путем сравнения геометрических характеристик в наиболее нагруженных сечениях. Это сечения по отверстию бокового узла, по отверстию в месте крепления носового узла и в местах со ступенчатым изменением толщины стенки.
Условие прочности для этих сечений боковой балки:
¥ц < ¥а; < Щ2,,
где ¥ц, ¥2 - площадь і— го сечения сравниваемого элемента и аналога;
Щц, Щі2 - момент сопротивления і— го сечения сравниваемого элемента и аналога.
Рис. 5. Примеры конструкций боковых балок дельталетов, которые могут быть использованы в качестве аналогов-эталонов
Это условие может быть применено также к следующим элементам дельталета, которые одновременно работают на изгиб, растяжение и сжатие: килевая балка крыла, ручка управления, силовые балки ФМ, элементы силового каркаса сидений экипажа, основных стоек шасси и подкосов.
Оценка прочности элементов конструкции, изготовленных из одинаковых материалов с использованием одинаковых технологий, работающих на растяжение, сжатие, смятие или срез, в число которых входят: тросовые растяжки, антипикирующее устройство, элементы носового, центрального и бокового узлов крыла, болтовые соединения крыла и ФМ, обшивка, проводится исходя из условия:
Fa < Fi2,,
где Fn, Fi2 — площадь i- го сечения сравниваемого элемента и аналога.
В конструкции дельталета имеются элементы, особенностью нагружения которых является так называемый продольный изгиб, при котором длинные стержни (трубы, балки) сохраняют
несущую способность до некоторой критической нагрузки Ркр. При дальнейшем увеличении
нагрузки стержень теряет форму — выпучивается, происходит потеря устойчивости, прогрессирующая деформация и, наконец, разрушение. К таким элементам относится поперечная балка крыла, стойки рулевой трапеции, мачта, передняя стойка шасси, моторная рама, подкосы моторной рамы, элементы поплавкового шасси.
Условие прочности для этих элементов можно записать в виде:
h < l2; Fi < F 2; Wi < W2, J2 < Ji,
где l i, 12 — длина сравниваемых элементов;
Fit F2— площадь центрального сечения сравниваемого элемента и аналога-эталона;
Wit W 2 — момент сопротивления сравниваемого элемента и аналога-эталона;
Jit J2 — момент инерции сечения сравниваемого элемента и аналога-эталона.
ЛИТЕРАТУРА
1. Клименко А.П., Никитин И.В. Мотодельтапланы: Проектирование и теория полета. - М.: Патриот, 1992.
2. Lufttüchtigkeitsforderungen für schwerkraftgesteuerte Ultraleichtflugzeuge Nfl II-100/99, DULV, Bacnang. 2001.
CONFORMANCE ESTIMATION OF THE TRIKE STRUKTURAL ELEMENTS BU ANALOG METHOD
Nikitin I.V.
In the article it is suggested for purposes of airworthiness estimation of the trike structural elements to use the analog method rested on comparison of the key parameters of the evaluation elements with the analog structural elements of the trike which has been already certificated, has airworthiness conformation and has trouble-free operation during many years.
Сведения об авторе
Никитин Игорь Валентинович, 1953 г.р., окончил МИИГА (1979), кандидат технических наук, начальник СКБ МГТУ ГА, автор свыше 80 научных работ, область научных интересов - сверхлегкая авиация, проектирование и конструкция, область и эффективность применения сверхлегких воздушных судов, аэродинамика и динамика полета, методы испытаний.
