Лекция 3. Условия эксплуатации авиационных приборов и систем. Типовые структуры измерительных приборов и измерительно-вычислительных комплексов

На измерительные приборы и системы в процессе работы и при длительной эксплуатации оказывают влияние различные внешние воздействия и факторы, основными из которых являются изменение температуры и давления окружающей среды, ионизирующие излучения, пыль и влажность, механические удары и вибрации, линейные и угловые ускорения и т. д.

Наиболее тяжелые условия эксплуатации характерны для авиационных приборов и измерительных систем. Требования к оборудованию самолетов и вертолетов, условия их эксплуатации и испытаний устанавливаются "Нормами летной годности самолетов и вертолетов" – НЛГС и НЛГВ.

Общие технические требования к оборудованию по внешним воздействиям определяются в зависимости от типа и назначения самолета, условий его эксплуатации, типа и места размещения силовых установок, авиационного оборудования на самолете.

Изменение температуры и давления окружающей среды в широком диапазоне объясняется особенностями земной атмосферы. С ростом высоты температура, плотность и давление воздуха меняются, причем их изменение в зависимости от времени года, суток, места и метеоусловий носит различный характер. Это затрудняет градуировку высотно-скоростных приборов, основанных на использовании свойств земной атмосферы. В связи с этим на основе статистической обработки многолетних метеорологических данных разработана модель поведения атмосферы, представляющая характер изменения параметров воздуха от высоты, принятая за основу стандартной атмосферы (СА -73). Значения параметров воздуха на различных высотах по СА – 73 близки к средним значениям этих параметров в летнее время. Для СА – 73 исходными данными являются значения параметров воздуха на уровне моря и широте 45^º: давление 760 мм рт. ст.(101325 Па), температура +15^ºC (288,15 К), плотность 1,225 кг/м³, скорость звука 340,294 м/с. В табл. 1.2 приведены некоторые параметры из СА – 73 на высотах от – 1000 до 20000м.

Авиационные приборы и системы должны сохранять свою работоспособность в условиях повышенной и пониженной температур, циклического и быстрого изменения температуры окружающей среды. Изменение температуры приводит к изменению геометрических размеров деталей и физических параметров материалов (электрическое и магнитное сопротивление, модуль упругости и т. п.). С ростом температуры увеличивается износ трущихся поверхностей, понижается механическая и электрическая прочность.

Авиационное оборудование в зависимости от размещения на самолете подразделяется на оборудование, расположенное: а) в отсеках с регулируемой температурой; б) в отсеках с нерегулируемой температурой и в зонах, контактирующих с внешним потоком воздуха; в) в двигательных отсеках.

Во всех случаях нижний предел рабочей температуры равен -60^ºC. Верхний предел для случая а равен +60^ºC, для случая б определяется режимом полета, для случая в может равняться +300^ºC. Скорость изменения температуры в случае а может достигать 2^ºC/мин, в остальных случаях – 10^ºC/мин. Испытание на устойчивость оборудования к тепловым воздействиям проводится при нормальном атмосферном давлении.

Для снижения вредного влияния изменения температуры среды для приборов выбирают материалы с малыми температурными коэффициентами, применяют схемы температурной компенсации, используют термообогрев и термостатирование приборов.

Значения нормируемых параметров пониженного давления р для авиационного оборудования устанавливают в зависимости от высотности самолетов, на которых оно устанавливается. Различают оборудование, предназначенное для высот до: 6000м (р»350 мм рт. ст.); 10000м (р»200 мм рт. ст.); 15000м (р»90 мм рт. ст.); 26000м (р»15 мм рт. ст.). Оборудование, устанавливаемое в гермокабинах и гермоотсеках, должно нормально функционировать при быстром (не более 15 с) изменении давления от 560 мм рт. ст. до значения, указанного в скобках и в условиях пониженного давления в течение 30 мин.

Параметры стандартной атмосферы СА – 73 Таблица 1.2

Понижение давления воздуха ухудшает отвод тепла от электрических узлов, усиливает испарение смазки подшипников, уменьшает электрическое напряжение пробоя изоляции. В целях уменьшения влияния понижения давления воздуха применяется герметизация приборов и заполнение их инертным газом.

В измерителях скорости в этих случаях используют специальные компенсаторы.

Повышенная влажность воздуха отрицательно сказывается на работе приборов. Отношение количества паров в определенном объеме к количеству насыщающих паров (при данной температуре) в процентах характеризует степень насыщенности воздуха водяными парами и называется относительной влажностью. Относительная влажность воздуха может меняться до 100%. Предельное количество водяных паров в воздухе зависит от его температуры, оно тем больше, чем выше температура.

С подъемом на высоту (т.е. при охлаждении воздуха, насыщенного водяными парами) происходят конденсация влаги и ее выпадение в виде росы, инея, снега. Осадки, попадая на приборы, отрицательно влияют на их работу. При этом ускоряется коррозия металлов, понижается сопротивление электрической изоляции, происходит заклинивание подвижных частей с замерзанием конденсата. Для устранения этих нежелательных последствий в приборах применяют нержавеющие материалы, лакокрасочные и гальванические покрытия. Используют герметизацию приборов с заполнением инертным газом, влагопоглотители, электрообогрев (для предохранения от обледенения).

Авиационные приборы и системы подвергаются механическим воздействиям: перегрузкам от эволюций самолета, турбулентных колебаний атмосферы, ударам при взлете и посадке, вибрациям от воздействия аэродинамических сил и работы двигателя. Величина перегрузки n_п оценивается в относительных единицах: отношением ускорения j к ускорению свободного падения g. Значения нормируемых параметров линейного ускорения по каждому из шести направлений устанавливаются при оценке устойчивости и прочности оборудования до 5 g (49 м/с²), а при оценке прочности узлов крепления – до 10 g (98 м/с²).

Линейные ускорения могут привести к смещению положения равновесия подвижной системы при наличии небаланса, к увеличению зоны застоя за счет увеличения трения в опорах, к нарушению прочности узлов крепления.

В целях снижения вредного влияния линейных ускорений производят тщательную балансировку (как статическую, так и динамическую) подвижной системы, взвешивание подвижной системы в жидкости.

Кратковременные, но достаточно большие по величине ускорения – удары и вибрации могут привести к обрывам проводов в местах пайки, к ускоренному износу (выработке) осей, опор, подшипников, к нарушению работы подвижных элементов приборов, к потере способности оборудования сохранять свои функциональные способности оборудования сохранять свои функциональные параметры в заданных пределах в период и после окончания их действия. Основными параметрами, характеризующими ударные воздействия, являются: амплитуда ударного ускорения, длительность ударного импульса, форма ударного импульса (ускорения во времени), количество и частота следования ударов. Значения параметров удара в зависимости от динамических зон (центральная или концевая¹)

размещения оборудования на самолете и типа самолета могут достигать: ускорение – до 6 ÷ 8 g, длительность удара – до 20 мс, общее количество ударов – несколько тысяч, частота ударов – от 60 до 80 в минуту.

Для каждого типа самолета вибрационные воздействия имеют свои диапазоны частот и уровни виброускорений (вибросмещений), спектральные плотности (дисперсии), охватывающие множество эксплуатационных вибрационных состояний в местах установки оборудования на самолете.

¹К центральной зоне относят фюзеляж и 2/3 полуразмаха крыла от осевой линии.

К концевой – концевые части крыла, хвостовое оперение, выносные штанги.

В случае совпадении частоты вибрации основания с частотой колебаний отдельных деталей и узлов прибора может наступить опасный для эксплуатации резонанс.

Верхняя частота диапазона вибрации для оборудования самолетов с турбореактивными двигателями (ТРД) достигает 2000 Гц, для оборудования самолетов с турбовинтовыми двигателями (ТВД) и амортизируемого оборудования – 500 Гц. Применяемое на борту самолетов оборудование должно быть виброустойчиво и вибропрочно.

Виброустойчивость характеризует способность оборудования правильно функционировать при вибрации, а вибропрочность – сопротивляемость разрушающему влиянию вибрации. Для характеристики интенсивности вибрации используют вибрационную перегрузку n_в – отношение максимального ускорения при вибрации к ускорению свободного падения.

Для синусоидальной вибрации

где f – частота вибрации; a_в – амплитуда вибрации; g – ускорение свободного падения.

При установке приборов на амортизированные приборные доски величина n_в может достигать 1,5; при установке оборудования на фюзеляже – 4; при креплении на раме двигателя – 10. Эти значения могут меняться в зависимости от типа самолета.

Виброустойчивость приборов и систем достигается тщательной балансировкой их деталей и узлов, выбором собственной частоты упругих колебаний выше верхней частоты вибрации самолета. Вибропрочность обеспечивается применением прочных и твердых материалов, термообработкой и выполнением деталей определенного сечения с необходимым запасом прочности.

Для уменьшения действия вибрации, ударов и тряски на работу приборов на самолетах используется индивидуальная амортизация и амортизация приборных досок.

Кроме внешних воздействий авиационное оборудование может подвергаться воздействию сетевых радиопомех, магнитного и электростатического полей, ионизирующего излучения, морского тумана, плесневых грибов.

Сетевые радиопомехи, распространяющиеся по цепям питания от радиотехнических и электрических устройств, отрицательно влияют на работу электрических приборов и электронных устройств. Обычно с целью исключения этого влияния в цепи питания приборов устанавливают электрические фильтры, которые защищают прибор как от внешних помех, так и от помех, возникающих в самом приборе.

Для устранения влияния магнитного и электростатического полей приборы экранируют. Радиационные излучения при прямом воздействии солнечных лучей на оборудование ослабляют чувствительность полупроводниковых элементов. Для предотвращения влияния

ионизационного излучения на приборы используют элементы повышенной стойкости, увеличивают запас по коэффициентам усиления.

При попадании пыле-песчанной смеси в механизмы приборов они засоряются, в результате возможен их отказ. Для устранения отказов корпуса и соединения приборов выполняют пылевлагонепроницаемыми.

Воздействие соляного морского тумана на авиационное оборудование также отрицательно сказывается на его функционировании. Снижение влияния морского тумана на работу приборов и на их внешний вид обеспечивается применением особых материалов, покрытий, а также герметизация приборов.

При эксплуатации авиационного оборудования в условиях влажного тропического климата возможен рост плесневых грибов, влияние которых может отрицательно сказаться на работоспособности оборудования. Обычно к оборудованию в этом случае предъявляется требование способности противостоять развитию плесневых грибов. С этой целью используют герметизацию приборов, а для изготовления деталей и узлов применяют грибоустойчивые материалы.

При проектировании авиационных приборов и измерительных систем необходимо учитывать возможные последствия различных видов воздействия и принимать меры по предупреждению нежелательных явлений. Эти меры позволяют получить требуемые надежность работы приборов и долговечность.

Надежность как характеристика авиационного прибора является определяющей при обеспечении требуемой регулярности и безопасности полета. Высокая надежность обеспечивается как в процессе проектирования и производства, так и в процессе технической эксплуатации. Техническая эксплуатация включает техническое обслуживание, подготовку приборов к полету и эксплуатацию в полете.

Применяемая в настоящее время планово-предупредительная система технического обслуживания авиационных приборов основывается на проведении определенного фиксированного объема работ через установленные промежутки времени независимо от фактического технического состояния приборов. Техническое обслуживание приборов ведется с использованием контрольно-поверочной аппаратуры и состоит из оперативных и периодических форм технического обслуживания. Периодические формы технического обслуживания могут проводиться без демонтажа приборов, непосредственно на борту самолета, и с демонтажем приборов в условиях лаборатории авиационно-технической базы (АТБ).

Техническое обслуживание приборов проводится по регламентам в определенной последовательности в течении установленного межремонтного ресурса. Регламент данного типа самолета является основным документом, определяющим объем и периодичность выполнения работ по техническому обслуживанию авиационных приборов.

При используемой в настоящее время системе технического обслуживания межремонтные ресурсы назначаются на основе вероятностных законов для совокупности однотипных изделий по "худшим" образцам, исходя из необходимости обеспечения высокого уровня безопасности полетов.

Это означает, что индивидуальные ресурсы многих приборов используются не полностью.

Время безотказной работы для большинства авиационных приборов является случайной величиной, имеющей большие среднеквадратичные отклонения. Поэтому, с одной стороны, возможны отказы приборов до истечения межремонтного ресурса, а с другой стороны, с самолета снимают приборы, обладающие значительным запасом работоспособности. Кроме того, проведение на исправно работающем приборе каких-либо операций (переборок, замен узлов и т. д.) часто приводит в последующем к возникновению дефектов, свойственных по вероятностным законам этапу приработки. Все это делает расчетно-экспериментальные методы установления ресурсов и эксплуатацию по установленным ресурсам недостаточно эффективными и приводящими к большим экономическим потерям.

Одним из перспективных путей повышения надежности и эффективности использования авиационных приборов является разработка и внедрение в практику эксплуатации метода технического обслуживания с заменой приборов по техническому состоянию.