Для изделий авиационной техники понятия надежности имеет первостепенное значение, в связи с тем что процесс полета не может быть немедленно прерван в отличии от движения по земной или водной поверхности. В процессе эксплуатации летательного аппарата, его узлы, агрегаты и детали испытывают постоянное влияние ряда факторов, которые по-разному сказываются на его техническом состоянии, так же определяют его эксплуатационную надежность и работоспособность.
Под надежностью понимают свойство летательного аппарата в целом и его частей (конструкции, бортового оборудования, двигателей и др.) выполнять заданные функции, сохраняя значения эксплуатационных показателей в установленных пределах, соответствующих режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки.
Понятие надежности комплексное, оно включает в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости; доля каждого фактора определяется исходя из поставленной задачи и методик оценки. Его фактический уровень зависит от стабильности технологических процессов и характеристик материалов, совершенства методов проектирования, определяемых общим уровнем развития науки и техники и производственными возможностями.
Сущность решения проблемы обеспечения надежности изделий заключается в изучении физических причин появления и развития отказов, создании инженерных методов проектирования высоконадёжных изделий, разработке производственно-технологических процессов изготовления материалов, деталей и узлов с заданными физико-механическими и прочностными свойствами, применении эффективных методов и средств эксплуатационного контроля и технического обслуживания изделий, разработке научных методов анализа и прогнозирования ожидаемых нагрузок и внешних воздействий в реальных условиях эксплуатации.
Изделия авиационной техники являются сложными системами, и уровень их надежности зависит от уровня устойчивости и прочности составных частей. Особенность этих изделий заключается в том, что при допущении возможности отказа отдельных составных частей работоспособность всего изделия должна сохраняться. С этой целью применяется рациональное резервирование частей с потенциально возможными отказами.
Все многообразие факторов, которые характеризуют реальные условия эксплуатации и оказывают влияние на техническое состояние летательного аппарата, можно подразделить на объективные и субъективные.
К объективным факторам относятся: влияние окружающей среды, механические и другие внешние воздействия на элементы конструкции и комплектующие изделия функциональных систем.
К субъективным влияниям относят те, которые зависят от человека. Сюда можно отнести выбор схемы конструктивного решения при проектировании; выбор материалов и конструкции элементов; режимы нормальной эксплуатации; стратегию, методы и режимы технического обслуживания и др. Как правило, эти факторы являются причинами возникновения внезапных отказов. С другой стороны факторы, которые влияют на смену технического состояния самолета, можно разделить на конструктивно-производственные, которые определяют начальные качества объектов, и эксплуатационные, что отражают изменение технического состояния в процессе эксплуатации.
К конструктивно-производственным факторам относятся:
- выбор схемных и конструктивных решений, элементов и материалов;
- технология изготовления деталей и узлов, сборки и испытания объектов;
- качества производства;
- характеристики текущего и выходного контроля.
Решающую роль в изменении технического состояния и надежности борта оказывают эксплуатационные факторы. Именно в процессе эксплуатации и определяется уровень этой надежности. Они эксплуатируются в специфических условиях, которые значительно отличаются от работы наземных видов транспорта. Эта специфичность заключается в следующем:
- осложнение условий работы, то есть увеличение действующих нагрузок и их абсолютных величин (температуры, давления, вибрации и др.);
- быстрое изменение во времени и пространстве действующих на самолет факторов (напряжения, температуры);
- широкий диапазон изменения этих факторов (аэродинамические нагрузки, перегрузки, температуры и др.).
Эксплуатационные факторы можно разделить на несколько групп. Группы нагружающих (объективных) факторов, то есть факторов, связанных с особенностями применения летательного аппарата и условиями его летной эксплуатации: аэродинамические нагрузки, перегрузки, давления, вибрации, акустические нагрузки, аэродинамическое нагревание, нагрев от работающей силовой установки, электрические нагрузки.
Группы факторов, которые характеризуют внешние условия:
1) климатические условия. Сюда относятся температура, давление и влажность атмосферного воздуха, их суточное и годовое колебание, изменения и перепады по высоте и длине трассы, осадки (дождь, снег, лед, туман), насыщенность воздуха агрессивными веществами (соли, щелочи и др.);
2) условия, которые характеризуют состояние аэродромов: запыленность атмосферы, качества покрытия взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек, степень их чистоты, наличие на них осадков и т. д.;
3) биологические факторы: плесень, насекомые, грызуны, птицы. Плесень вызывает гниение материалов органического происхождения. Грызуны и насекомые замусоривают системы и агрегаты, поедают изоляцию, детали обработки и т. д. Птицы попадают в двигатель, повреждают застекление и обшивку. Для борьбы с этими факторами применяют различные химические вещества, обрабатывают поверхности, ставят защитные сетки.
Группы человеческих факторов:
1) условия летной эксплуатации, качества работы летного состава: количество взлетов и посадок (с превышением массы, вертикальной, горизонтальной скоростей; взлеты и посадки на некачественную полосу, с ограниченной площадки, с частично отключившимися двигателями, с порванным пневмонасадком), использования режимов полета и режимов работы двигателей, умения правильно действовать в особых случаях и особенных условиях полета, умение правильно готовиться к полету и правильно его рассчитывать и т. д. Эти факторы зависят от степени обученности и уровня натренированности летного состава;
2) качества технического обслуживания: организация эксплуатации, квалификация инженерно-технического состава, качества и своевременность выполнения работ по обслуживанию и ремонту, особенности транспортировки и хранения. При выполнении работ по техническому обслуживанию, с одной стороны, улучшается состояние систем, агрегатов и узлов ВС и предупреждаются неисправности (введение масел, регуляции параметров и т. п.), с другой стороны, в результате некачественного выполнения работы может ухудшиться их техническое состояние и даже появиться неисправность.
В зависимости от характера влияния на техническое состояние агрегатов и систем можно выделить еще две отдельные группы факторов:
1) качества материалов, которые применяются (горюче-смазочных и др.): степень их окисления и старения, загрязнение посторонними частицами, наличие влаги и т. д.;
2) часовые факторы. Это в первую очередь процесс старения, то есть процесс медленного изменения физико-химических свойств материалов. Скорость процесса старения может изменяться под воздействием внешних факторов: тепла, вибрации, кислорода, озона, влаги и т. д. Для многих материалов процесс старения протекает без видимых признаков ухудшения свойств материалов. Эти изменения накапливаются и в отдельных случаях могут привести к внезапному скачку-разрушению. В наибольшей степени процессу старения поддаются материалы органического происхождения.
Значительное влияние на техническое состояние авиационного двигателя оказывает температура воздуха на входе в двигатель tн, прежде всего из-за сильного влияния температуры tнна рабочий процесс авиационного двигателя, в не зависимости от его есполнения: ДВС, ГТД и т. д. Понижение температуры воздуха приводит при nизм=const к значительному возрастанию тяги ТРД и уменьшению Суд; повышение температуры tнприводит к обратному эффекту. Так, например, обычно в среднеширотных условиях понижение tнот + 15С до — 30С приводит при n=const в среднем к увеличению Рдв на 25...30 %, а Суд снижается на 5...10 %. Рост тяги ТРД при этом происходит как за счет возрастания Gв, так и за счет возрастания Руд (Рдв = Руд Gв).
При значительном уменьшении давлениях рн изменение атмосферного давления начинает влиять на безразмерные параметры течения в проточной части. Это объясняется выходом характеристик газовоздушного потока из зоны автомодельности, т. е. из области турбулентного течения и переходом в область ламинарного.
На рис. 1 показано влияние атмосферного давления рн на дроссельную характеристику ТРД в случае испытания при рн = var (Н > 11 км), М = 0, tн = сonst. При этом число Рейнольдса (отношения сил инерции и сил вязкости) Rе меняется, т. к. рн и ρ снизились, возросли утечки ν, Rе понизилось.У современных крупноразмерных ТРД и ТРДД такие низкие давления (
= 0,2), где начинает проявляться влияние Rе, могут встретиться только в условиях полета на очень больших высотах (Н > 16...17 км). Однако, часто влияние Rе у ГТД обнаруживается и на меньших высотах, если сказываются геометрические параметры ЛМ (узкие лопатки, лопатки малой высоты и т. п.). Кроме того, перспективные проработки так называемых трансатмосферных самолетов с высотой полета не менее 25 км показывают, что они работают в зоне значительного влияния критерия Rе.
Рис.1. Влияние на дроссельную характеристику атмосферного давления [1]
Наличие в атмосфере водяного пара, значительно отличающегося по своим свойствам от воздуха, приводит к весьма заметным изменениям параметров рабочего тела ГТД, что в первую очередь связано с существенным различием газовых постоянных у пара и воздуха (соответственно R = 0,461 и 0,287 кДж/(кг К)). Поэтому с увеличением атмосферной влажности с одной стороны возрастает величина газовой постоянной воздуха и вместе с ней критической скорости, с другой вместе с ней снижается плотность воздуха, т. е. падает расход воздуха, растет удельная тяга, т. к. возрастает скорость Сс.
В связи с такими изменениями параметров рабочего тела влияние атмосферной влажности проявляется как на термодинамическом цикле, так и на совместной работе элементов ГТД. Так, например, возрастание ср и Rв под влиянием влажности приводит к увеличению скорости звука.
Из приведенного обзора видно, что при планировании эксплуатации и проектировании двигателя под конкретные задачи необходимо учитывать большое количество эксплуатационных факторов, важность каждого из которых определяется задачами проектируемого двигателя и летательного аппарата.
Литература:
1. Григорьев В. А. Испытания и обеспечение надежности авиационных ГТД. — Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011.
2. Электронный ресурс [http://5fan.ru/wievjob.php?id=4415].
3. Электронный ресурс [http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/2812/Надежность].
