N 7, август, 1995.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ЛЕГКИХ САМОЛЕТОВ
Последние годы - время перехода к новым формам хозяйствования
- отмечены бурным ростом числа появляющихся легких и очень легких самолетов,
разрабатываемых в многочисленных, часто самодеятельных КБ. Количество проектов
таких самолетов в России и Украине за последние 5 лет перевалило за сотню. Пожалуй,
можно говорить, что в странах СНГ формируется новый обширный класс самолетов
- авиация общего назначения, и аббревиатура "АОН" становится привычной.
Среди огромного числа разнообразных проблем, которые стоят
перед энтузиастами АОН, хотелось бы остановиться на одной, на наш взгляд довольно
важной проблеме обеспечения прочности легких и очень легких самолетов (здесь
и далее под таковыми понимаем самолеты, попадающие под действие Авиационных
правил (АП), части 23 или FAR-23 и JAR-VLA).
Проблема прочности самолетов не нова, она возникла одновременно
с рождением авиации. Например, уже на самолете братьев Райт были отмечены поломки,
которые мы можем классифицировать как усталостные разрушения элементов системы
управления. Первые авиаторы начала века запомнились нам как люди отчаянной смелости,
потому что каждый полет был сопряжен с огромным риском, в том числе и от недостаточной
прочности первых аэропланов. Так, например, во Франции в 1910 году половина
всех авиационных катастроф произошла вследствие разрушения силовых конструкций
самолета в воздухе.
Сейчас, спустя более 90 лет после первого взлета "Флайера", мы видим
какой гигантский шаг сделала как сама авиация, так и наука о прочности самолета.
В настоящее время катастрофы самолетов из-за разрушения конструкции стали редкими,
чрезвычайными событиями. И без сомнения можно утверждать, что решающую роль
в этом сыграло введение в практику проектирования самолетов Норм летной годности,
которые непрерывно совершенствовались на протяжении десятилетий. Кстати, не
за горами 100-летие Международного конгресса в Турине (1911 г.), на котором
впервые была предпринята попытка определить требования к прочности самолетов.
Однако резкий поворот в жизни нашей страны привел к тому,
что подавляющее большинство вновь появившихся КБ АОН оказались один на один
со своими проблемами, то есть, в положении если не пионеров авиации, то уж точно
энтузиастов 30-х годов. Безопасность полетов АОН снизилась. На Украине уже зарегистрированы
и аварии, и, увы, катастрофы.
Не будем утверждать, что все дело в игнорировании конструкторами самолетов АОН
Норм летной годности (а ведь они есть - АП-23, FAR-23, JAR-VLA), но все же отметим,
что характерной является ситуация в КБ, когда сначала проектируют и строят самолет,
а затем только анализируют соответствие его конструкции требованиям норм летной
годности, а иногда даже и этого не делают.
Кажется неудобным, но все же приходится напоминать прописную
истину: "Соблюдение Норм летной годности - залог безопасной эксплуатации
самолета".
С большим трудом набирающий обороты процесс сертификации
самолетов АОН государственными органами России и Украины заставляет разработчиков
и производителей по-иному смотреть на тома Авиационных правил, ведь путь к заветной
мечте - получению сертификата типа, лежит через демонстрацию соответствия самолета
каждому пункту АП. А требования прочности занимают в них значительную часть.
Это целый раздел С и большая часть раздела D.
Отраслевая научно-исследовательская лаборатория прочности
и надежности авиаконструкций (ОНИЛ "Прочность") Харьковского авиационного
института имеет более чем 20-летний опыт исследований и обеспечения прочности
конструкций различных самолетов. Лаборатория регулярно аттестовывалась МАП СССР
и ЦАГИ на проведение расчетных и испытательных работ по статической и усталостной
прочности самолетов, а в 1995 году аккредитована в качестве испытательной лаборатории
Минмашпрома Украины. ОНИЛ "Прочность" делегированы полномочия Авиарегистром
Украины на проведение сертификационных экспертиз прочности легких и очень легких
самолетов. Считаем, что наши соображения по затронутой проблеме будут небесполезны
проектировщикам, конструкторам, производителям, а также руководителям КБ и производств
самолетов АОН.
Итак, главный вопрос, как обеспечить прочность самолета или, что то же самое,
как удовлетворить требованиям прочности, регламентируемым АП ? Ответ находим
в параграфе 307, сформулированном идентично в FAR-23, АП-23 и в JAR-VLA: "Соответствие
прочности и деформации ... должно быть доказано для каждого расчетного случая
нагружения. Подтверждение прочности конструкции одними расчетами допускается
лишь в том случае, если данная конструкция соответствует тем конструкциям, для
которых, как показал опыт, применяемый метод расчета является надежным. В остальных
случаях должны проводиться подтверждающие статические испытания". И далее:
"Определенные части конструкции должны быть подвергнуты испытаниям в соответствии
с Разделом D настоящих авиационных правил". Таким образом, Авиационные
правила допускают использование надежных расчетных методов и предписывают проведение
статических испытаний.
Остановимся на расчетных методах оценки прочности. Они незаменимы на этапе проектирования,
и, безусловно, прочностные расчеты должны быть проведены. Какие методы считать
надежными? По нашему мнению те, которые приводятся в официальных документах
компетентных организаций, например, ЦАГИ. Для некоторых агрегатов надежным можно
считать метод расчета по балочной теории, изложенный в Руководстве для конструктора
(РДК) 1943 года, или метод конечных элементов, реализованный, например, в широко
применяемой программе COSMOS. Проблемы возникают, когда методы и программы,
предназначенные для расчета "больших" самолетов, переносят на "малые",
имеющие ряд весьма существенных особенностей, например, очень тонкие металлические
или перкалевые обшивки, не воспринимающие нормальные напряжения. Неопределенными
являются и коэффициенты опирания при расчете на устойчивость, величины начальных
эксцентриситетов. А методы расчета шасси типа рессор вообще не использовались
в "большой" авиации, и теперь, как показывает опыт, это является серьезной
проблемой для АОН. О практике рационального совмещения расчетов и испытаний
и говорит процитированный выше параграф АП-23.
Теперь перейдем к прочностным испытаниям. Привлечение испытаний не только не
ограничивается ни одним параграфом АП, но, более того, соответствие ряду параграфов
(613, 681, 683, 687, 723, 725 и др.) может быть доказано только испытаниями.
Приведем текст параграфа 641: "Прочность крыльев с несущей обшивкой должна
быть доказана испытаниями или сочетанием расчета и испытаний". Так же предписывается
проводить испытания поверхностей управления.
Но кроме целей сертификации статические испытания самолета проводят и по другим
причинам. Важнейшая из них - в испытаниях определяют реальную прочность узлов
и агрегатов. Условия их работы и конструктивные схемы часто так сложны, что
не могут быть должным образом учтены в расчетах. После испытаний становится
ясным, какие элементы следует усилить, а какие имеют избыточную прочность. Другой
аспект этой проблемы - можно ли допускать самолет к первым полетам или необходимы
доработки конструкции, чтобы пилот мог не опасаться поломок в воздухе на всех
режимах полета.
Результаты статических испытаний имеют большую ценность для конструктора, ведь
это часто единственная возможность проверить расчетную схему, вариант конструктивного
решения или уточнить расчетные зависимости. Конструктор, присутствующий на статических
испытаниях, видит поведение конструкции под постепенно возрастающей нагрузкой,
что дает ему ту бесценную информацию - пищу для размышления, которая затем переходит
в то, что называется опытом конструирования.
Здесь необходимо сделать очень важное замечание. Все вышесказанное
будет справедливым лишь при условии, что статические испытания проведены ПРАВИЛЬНО,
то есть ни на одном из многочисленных этапов их подготовки и проведения не будет
допущено ошибки или необоснованного упрощения. В противном случае результаты
будут искажены (это можно утверждать с уверенностью), и главная цель - обеспечение
безопасности в полете не будет достигнута. Можно выразиться так: "Неграмотно
проведенные прочностные статические испытания самолета уже являются предпосылкой
к летному происшествию, ибо допускают возможность непрогнозируемого разрушения
того или иного элемента конструкции ".
Но что значит ПРАВИЛЬНО провести статические испытания?
Ведь на первый взгляд, Авиационные правила не содержат
конкретных указаний по испытаниям. Однако, если внимательнее вчитаться в параграфы
общей части раздела С, можно понять принципы или, так сказать, идеологию АП
в отношении обеспечения прочности и, следовательно, испытаний. Во-первых, это
уже цитированный параграф 307, требующий рассмотрения всех расчетных случаев
и выбора критических по тому или иному параметру. Во-вторых, методологический
аспект содержится в подпункте (b) параграфа 301: "Воздушные, наземные или
водные нагрузки должны быть уравновешены инерционными силами всех частей самолета.
Распределение этих нагрузок должно быть приближенным, взятым с запасом, или
должно точно отражать фактические условия". Это значит, что в испытаниях
к самолету и его агрегатам должны быть приложены только внешние и уравновешивающие
их инерционные нагрузки, причем распределение и тех, и других должно быть строго
определенным. Достигается это тем, что в испытаниях самолет должен быть "вывешен"
на рычажных системах нагружения агрегатов и на любом этапе нагружения находиться
в равновесии. Только так можно избежать возникновения неконтролируемых нагрузок.
Всякое закрепление самолета или его агрегатов приводит к искажению распределения
нагрузок. Именно поэтому целесообразно испытывать агрегаты в системе целого
самолета для моделирования реальных жесткостей в узлах навески агрегатов.
Другим важнейшим принципом организации статических испытаний является извлечение
максимума информации в процессе испытаний конструкции (мероприятия весьма недешевого
и практически неповторяющегося). Для этого проводят обширную тензометрию всех
агрегатов, измеряют прогибы и углы их закручивания. Нагружение осуществляют
ступенчато с шагом примерно 10% расчетной нагрузки. На каждой ступени проводят
тщательный осмотр конструкции для обнаружения возможных преждевременных разрушений.
Результаты осмотра заносят в протокол, а сам процесс испытаний подробно документируют
(фотографируют). Подчеркнем, что тензометрия, пожалуй, единственный на сегодняшний
день реальный метод удовлетворения требований параграфа JAR-VLA 572 относительно
усталостной прочности.
Еще один важный аспект проблемы организации статических испытаний - минимизация
их стоимости и сроков. Конечно, заманчиво уменьшить до предела число исследуемых
расчетных случаев, но практика показывает, что, во-первых, условия нагружения
агрегатов, не говоря уже об элементах конструкции, чрезвычайно разнообразны,
а, во-вторых, расчетные методы еще не слишком точны, поэтому реализовывать в
испытаниях приходится несколько десятков расчетных случаев.
Оптимально составленная программа испытаний способствует снижению их трудоемкости,
но кардинально понизить ее (а следовательно, и стоимость испытаний) можно максимальным
использованием универсального оборудования, которым располагают залы статических
испытаний. Безусловно, некоторая специфическая оснастка для конкретного самолета
должна быть изготовлена, но это малая часть того огромного количества оборудования,
необходимого для проведения испытаний. Для легких и очень легких машин, например,
вес рычажных систем нагружения значительно превышает вес пустого самолета.
Таковы общие подходы к планированию, организации и проведению прочностных статических
испытаний самолетов АОН. Следует отметить, что существуют документы, определяющие
(точнее, определявшие) требования и порядок проведения испытаний. Это Нормы
летной годности гражданских самолетов СССР третьего издания 1984 года (НЛГС-3)
и Методы определения соответствия (МОС) Единым нормам летной годности самолетов
(ЕНЛГ-С) 1987 года. Есть основания надеяться, что, по крайней мере, МОС будут
признаны в качестве официального документа Авиарегистрами России и Украины.
Это явилось бы реальным шагом в сохранении и использовании колоссальнейшего
и бесценного опыта, накопленного авиацией СССР.
Наверное, определенному кругу специалистов - разработчикам и производителям самолетов
АОН, будет полезно ознакомиться с опытом проведения конкретных прочностных статических
испытаний очень легкого самолета типа 01М "Шмель", разработанного
в ОКБ "Тайфун" г.Новомосковска Днепропетровской области, для проверки
его соответствия требованиям прочности, регламентируемым нормами летной годности
JAR-VLA. Такие испытания в Украине проведены впервые.
Для повышения оперативности и эффективности работы, а также
получения единой системы документации по исходным данным, расчетам, результатам,
протоколам и отчетам Заказчиком - ОКБ "Тайфун" было принято решение
провести прочностные исследования в одном месте - ОНИЛ "Прочность"
ХАИ.
В соответствии с техническим заданием на выполнение работ в ОНИЛ "Прочность"
были переданы общие виды и чертежи самолета и всех агрегатов, компоновочная
схема самолета с указанием масс агрегатов и оборудования, результаты продувок
модели самолета и необходимые аэродинамические коэффициенты, а также данные
силовой установки.
Работы по обеспечению прочности начинаются с анализа норм
летной годности или Авиационных правил, в данном случае Единых авиационных требований
JAR-VLA, для определения параграфов, действие которых распространяется на данный
тип самолета. Одновременно необходимо выбрать метод, с помощью которого будет
доказано соответствие этим параграфам.
Первым шагом непосредственно расчетов является определение внешних нагрузок,
действующих на самолет в расчетных случаях нагружения, регламентируемых нормами
летной годности, или, если выражаться кратко, нормирования нагрузок на самолет.
Рассмотрим подробнее этот важнейший этап.
П.А.Фомичев,
И.Ю.Трубчанин,
В.В.Звягинцев,
Д.А.Пинчук.
АВИАЦИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ |
Информационный бюллетень |