Оценка надежности конвертируемого летательного аппарата с гибридной силовой установкой и многовинтовой несущей системой

Проекты и экспериментальные образцы инновационных летательных аппаратов вертикального взлета и посадки с гибридной силовой установкой во всем мире вызывают большой интерес и приток инвестиций. В связи с этим при разработке новых концепций важно понимать достижимый уровень их технического совершенства относительно эксплуатируемых сейчас винтокрылых и конвертируемых летательных аппаратов по показателям надежности и безопасности полета, чтобы в будущем получить возможность их применения для пассажирских перевозок. Также при разработке конструкции, выборе оптимальной компоновки необходимо знать вклад каждого элемента и агрегата в обеспечение надежности летательного аппарата в целом для соответствия требованиям. Для расчета показателей надежности был выбран метод структурных схем, разработана методика расчета. Рассмотрена общая классификация современных инновационных концепций конвертопланов, определена принципиальная схема гибридной силовой установки и её основные параметры. В статье рассмотрено влияние количества подъемных винтомоторных групп и их расположение на возможность продолжения полета на режиме висения в случае отказа одной винтомоторной группы, определен необходимый запас мощности подъемных электродвигателей для обеспечения данного условия безопасности. В соответствии с принятой принципиальной схемой определены основные функциональные группы гибридной силовой установки конвертоплана, работающие на разных режимах полета. Рассмотрены основные режимы типового профиля полета конвертируемого летательного аппарата, заданы характерные для каждого режима временные интервалы. Для каждого режима полета построена структурная схема надежности функциональных групп гибридной силовой установки, имеющих последовательное или параллельное соединение элементов в зависимости от их влияния на последствия отказа, составлено уравнение расчета вероятности безотказной работы. Для подъёмных винтомоторных групп рассмотрена комбинация критических отказов более одной группы, построено уравнение для расчета вероятности катастрофического случая на режиме висения. На основании полученных уравнений выполнен результирующий расчет вероятности безотказной работы, вероятности отказа на один час полета для каждого режима полета отдельно и суммарно для всего полета. При этом для всех режимов рассмотрены вероятности катастрофического и аварийного случая, а также сложной ситуации в полете. Комплексный анализ полученных результатов расчета показателей надёжности для конвертоплана с шестью подъемными винтами и двумя турбовинтовыми двигателями позволил сделать вывод о его соответствии требованиям 25-й части авиационных правил для самолетов транспортной категории. Определен хороший потенциальный запас до 10-2 по вероятности катастрофического отказа на режимах взлета, посадки и переходном режиме. Выявлены критические по вероятности безотказной работы элементы и подсистемы, предложены способы повышения их надежности и летательного аппарата в целом.

1. Desmond K. Electric airplanes and drones: a history. Mc Farland & Company, Inc. North Carolina: Publishers Jefferson, 2018. 314 p.

2. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Commercial Aircraft Propulsion and Energy Systems Research: Reducing Global Carbon Emissions. Washington, DC: The National Academies Press, 2016. 122 p. DOI: https://doi.org/10.17226/23490

3. Никольский М. Конвертоплан Osprey V22 // Журнал Авиация и Космонавтика. 2012. № 5. С. 19–40.

4. Redkin A.V. Analysis of a convertible aircraft concept with a hybrid powerplant [Электронный ресурс] // Electric & Hybrid Aerospace Technology Symposium, Germany, Cologne. 2019. 21 p. URL: https://www.ukintpress-conferences.com/uploads/SPEHAT19/d2_s2_p4_andrey_redkin.pdf (дата обращения 17.08.2020).

5. Тищенко М.Н., Некрасов А.В., Радин А.С. Вертолеты. Выбор параметров при про- ектировании. М.: Машиностроение, 1976. 368 c.

6. Мрыкин С.В., Вильчек М.И., Нападов К.А. Метод структурных схем и оценка надёжности системы самолёта (этап проектирования). Лаб. Практикум. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2012. 48 c.

7. Черняк М.Ю., Эльберг М.С. Надежность технических систем: метод. указания. Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмич. ун-т, 2017. 55 c.

8. Волков Л.И., Шишкевич А.М. Надежность летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1975. 294 с.

9. Ялоза Ю.А. Эксплуатационно-технические характеристики самолета: учеб. пособие. М.: Издательство МАИ, 2017. 94 с.

10. Курочкин Ф.П. Основы проектирования самолетов с вертикальным взлетом и по- садкой. М.: Машиностроение, 1970. 354 c.

11. Ding F., Han S. Multi-state reliability analysis of rotor system using Semi-Markov model and UGF // Journal of Vibroengineering. 2018. Vol. 20, iss. 5. Pp. 2060–2072. DOI: 10.21595/jve.2018.19292

12. Aslansefat K. A markov process-based approach for reliability evaluation of the propulsion system in multi-rotor drones / K. Aslansefat, R. Mendonça, F. Marques, J. Barata // Technological Innovation for Industry and Service Systems, in Camarinha-Matos L., Almeida R., Oliveira J. (eds.). DoCEIS 2019. IFIP Advances in Information and Communication Technology. Springer, Cham. 2019. Vol. 553. Pp. 91–98. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-17771-3_8

13. Прытков С.Ф. Надежность электрорадиоизделий: Справочник / С.Ф. Прытков, В.М. Горбачева, А.А. Борисов и др. М.: 22 ЦНИИИ МО РФ, 2002. 574 с.

14. Фокин Ю.А., Туфанов В.А. Оценка надежности систем электроснабжения. М.: Энергоиздат, 1981. 224 с.