Расчетно-экспериментальная методика исследования лобового стекла самолета на птицестойкость

Введение

Повреждения элементов авиационной техники при столкновениях с птицами существенно снижают уровень безопасности полетов в гражданской и транспортной авиации, приводят к росту числа аварий и катастроф, увеличению затрат на эксплуатацию, связанных с необходимостью выполнения восстановительного ремонта поврежденного летательного аппарата. Проведен анализ столкновений авиационной техники с птицами в условиях эксплуатации. Для элементов авиалайнера, на которые чаще всего приходятся удары, 45–50 % – это попадания в двигатель, до 25 % приходятся на попадания в крыло, 7 % – попадания в лобовое стекло (кабину пилотов), остальное – повреждения фюзеляжа, стоек шасси, носового обтекателя и хвостового оперения [1–7].

Конструкция лобового стекла играет важную роль в изучении проблемы птицестойкости остекления, поэтому большое внимание при исследованиях уделяется не только разработке конечно-элементных моделей остекления и птицы, но и анализу различных геометрий и материалов [8–20]. В результате удара в соответствии с международными сертификационными стандартами лобовое стекло должно не только выдерживать удар проникновения птицы, но и не допускать полной фрагментации всех прозрачных материалов, обеспечивать приемлемую видимость для безопасного продолжения полета и посадки. Эти стандарты играют решающую роль в случае, если лобовое стекло состоит только из двух панелей, потому что удар по одной стороне может привести к выходу из строя другой панели, или удар по контрбалке, которая разделяет две панели, может привести к фрагментации обоих материалов панелей остекления одновременно с последующей потерей видимости.

Разработана методика расчетного моделирования динамического процесса удара птицы по полной структуре лобового стекла (одной панели) самолета в пакете программ LS DYNA. В методике численного моделирования птицестойкости остекления использован SPH-метод гидродинамики сглаженных частиц для учета параметров птицы [16]. Стекло в расчетной модели рассматривается как упругопластичный хрупкий материал, в то время как полимерная прослойка ведет себя как вязкая среда, обеспечивающая высокую деформацию перед разрушением и хорошую прочность на разрыв. В расчетном моделировании, согласно сертификационным требованиям, использовалась птица с заданной массой и требуемой скоростью удара. В качестве модели птицы выбран цилиндр с полусферами. В соответствии с требованиями отказобезопасности лобовое стекло является многослойным и состоит из трех силикатных слоев и двух слоев полимерной пленки. При ударе в такое стекло и его разрушении осколки остаются соединенными с полимерными прослойками. Получены результаты численного моделирования ударного динамического процесса и напряженно-деформированного состояния (НДС) лобового стекла. Анализ НДС лобового стекла показал, что максимальные напряжения наблюдаются в первые моменты времени ударного динамического процесса. Результаты, полученные путем численного моделирования указанного динамического процесса, подтверждают способность стекла выдерживать удар птицы с учетом своих свойств материала и геометрических характеристик (малые углы удара и двойная кривизна), что позволяет птице скользить вдоль лобового стекла и тем самым снизить передающуюся ему кинетическую энергию. Также получены результаты расчетных исследований, которые позволили оценить влияние углов удара птиц разной массы на напряжения поверхности лобового стекла, а также угла наклона лобового стекла при оценке птицестойкости, что можно использовать при проектировании конструкции лобового стекла. По результатам расчетного моделирования лобовое стекло выдержало удар птицы.

Результаты испытаний лобового стекла самолета на птицестойкость на специальном стенде с пневматической пушкой с указанными выше параметрами массы и скорости птицы подтвердили результаты расчетного моделирования. После проведенных испытаний повреждений лобового стекла не обнаружено. Расчетное моделирование также позволило расширить полученную информацию об указанном ударном динамическом процессе при испытаниях лобового стекла самолета на птицестойкость. 

Расчетная методика исследований лобового стекла на птицестойкость и результаты исследований

Разработана методика расчетного моделирования динамического процесса удара птицы по полной структуре лобового стекла (одной панели) самолета в пакете программ
ANSYS LS DYNA. В методике численного моделирования птицестойкости остекления использован SPH-метод сглаженных частиц для учета параметров птицы. Стекло в расчетной модели рассматривается как упругопластичный хрупкий материал, в то время как полимерная прослойка ведет себя как вязкая среда, обеспечивающая высокую деформацию перед разрушением и хорошую прочность на разрыв. В расчетном моделировании согласно сертификационным требованиям использовалась птица массой 1,8 кг при скорости удара 158 м/с. В качестве модели птицы выбран цилиндр с полусферами. В соответствии с требованиями отказобезопасности лобовое стекло является многослойным и состоит из нескольких силикатных слоев и слоев полимерной пленки. При ударе в такое стекло и его разрушении осколки остаются соединенными с полимерными прослойками. Стекло рассматривается как упругопластический материал с очень коротким пластическим участком кривой типичного хрупкого материала. Полимерный материал, расположенный между слоями стекла, ведет себя как вязкоупругая прослойка. Этот тип материала демонстрирует хорошие характеристики прочности и прозрачности, обеспечивая высокую деформацию перед разрушением и хорошую прочность на разрыв.

В расчетной конечно-элементной модели многослойной панели лобового стекла каждый слой моделируется сплошными восьмиузловыми элементами с учетом кривизны лобового стекла. Используются стандартные литературные характеристики полимерного материала.

Ниже приводятся результаты численного исследования ударного динамического процесса и напряженно-деформированного состояния лобового стекла. Пакет лобового стекла состоит из трех слоев силикатного стекла и двух слоев (прослоек) полимерного материала. С использованием комплекса программы конечных элементов ANSYS LS-DYNA было выполнено численное моделирование, чтобы оценить способность конструкции лобового стекла безопасно и эффективно поглощать энергию удара птицы в соответствии со спецификациями сертификации стандартов EASA и др.

Как уже упоминалось, для моделирования птицы используется подход SPH. Модель птицы имеет плотность 950 кг/м³ и пористость 10 %, то есть состоит из 90 % воды и 10 % воздуха. Она ударяется о лобовое стекло со скоростью 158 м/с, как того требуют международные стандарты сертификации.

С учетом выбранного метода моделирования для птицы применялась идеализация гидродинамического материала. В частности, были использованы определяющее соотношение напряжения и деформации материала и уравнение состояния для зависимости давления от объема.

На рис. 1 показано положение точки удара птицы по панели лобового стекла кабины самолета. 

Окантовка лобового стекла распределена по всему периметру. Такое граничное условие было смоделировано путем фиксации каждой поступательной и вращательной степени свободы окружающего контура (зажатое состояние). На рис. 2 показана конечно-элементная модель панели лобового стекла и положение птицы в начале процесса удара, t = 1 мс (рис. 2, а) и в процессе удара, t = 5 мс (рис. 2, б).

На рис. 3–5 показаны результаты расчета напряженно-деформированного состояния в точке удара птицы (рис. 1) по панели лобового стекла: распределение напряжений в момент времени t = 1,5 мc (рис. 3), изменение перемещений (рис. 4) и напряжений (рис. 5) в наружном и среднем слое силикатного стекла.

Результаты расчета изменения кинетической энергии птицы при соударении с лобовым стеклом представлены на рис. 6.

Результаты экспериментальных исследований лобового стекла самолета на птицестойкость на специальном стенде с пневматической пушкой с указанными выше параметрами массы и скорости птицы подтвердили результаты расчетного моделирования. После проведенных испытаний повреждений лобового стекла не обнаружено. Расчетное моделирование также позволило расширить полученную информацию об указанном ударном динамическом процессе при испытаниях лобового стекла самолета на птицестойкость.

Энергия, передаваемая изогнутой панели во время удара, сильно зависит от угла удара, и для того, чтобы спроектировать конструкцию, способную безопасно поглощать энергию удара, возникающую во время удара птицы, предпочтительно иметь конструкцию лобового стекла с меньшим углом его наклона, например 30 или 45°. Это справедливо для всех конфигураций кривизны лобового стекла и для каждой компоновки. Численное моделирование дало интересный результат. Последняя временная диаграмма напоминает еще один ключевой аспект взаимодействия лобового стекла при столкновении с птицей. Фактически это показывает, что кинетическая энергия птицы в конце моделирования ударного динамического процесса остается значительной в процентах от энергии до удара. В данном конкретном случае только 13 % энергии удара птицы передается лобовому стеклу, а большая часть рассеивается в других формах энергии, таких как тепло, упругость, энергия скольжения и так далее. В основном это является следствием угла удара птицы и двойной кривизны лобового стекла, что приводит к желаемым конструктивным параметрам, позволяющим избежать проникновения птицы и фрагментации стекла.

На рис. 7 показана схема расположения поверхности лобового стекла и вектора скорости птицы при ее ударе по лобовому стеклу.

Были проведены дополнительные расчеты и на рис. 8 получены кривые напряжений на поверхности лобового стекла в области удара в зависимости от разных углов удара птиц с разными массами (1,0; 1,8 и 2,5 кг) по лобовому стеклу с одинаковой скоростью 158 м/c. Под углом удара птицы принят угол между вектором скорости движения птицы и горизонтальной плоскостью.

Анализ кривых напряжений на рис. 8 показывает, что с ростом угла удара птиц разной массы напряжения на поверхности лобового стекла возрастают, так как угол вектора скорости птицы приближается к углу нормали к поверхности лобового стекла. При этом указанные напряжения меньше предела прочности лобового стекла 380–390 МПа, что дополнительно подтверждает надежность лобового стекла для обеспечения безопасности полетов.

На основе расчетных исследований получена также зависимость (рис. 9) для определения напряжений на поверхности лобового стекла от угла его наклона при ударе птицы массой 1,8 кг с горизонтальной скоростью 158 м/с по лобовому стеклу самолета.

Полученные результаты расчетов (рис. 8 и 9) можно использовать при проектировании конструкции лобового стекла. При этом необходимо также учитывать, что напряжения на поверхности лобового стекла при ударе птицей, летящей с горизонтальной скоростью (рис. 9), начинают резко возрастать при увеличении угла его наклона после 60°.

Экспериментальная методика исследований лобового стекла на птицестойкость и результаты исследований

Опасность столкновения элементов корпуса самолета или газотурбинного двигателя с посторонними предметами (птицы, фрагменты льда, град, фрагменты двигателя самолета или шасси и др.) существенно влияют на безопасность полетов, в силу чего возникает необходимость экспериментальных исследований данных явлений в условиях, приближенных к реальным [1–7].

В соответствии с АП-25, CS-25, FAR-25 и АП-33 использована специальная исследовательская установка [1][2] для испытаний элементов ЛА и узлов ГТД.

Пневматическая пушка, изображенная на рис. 10 и 11, представляет собой устройство для заброса птиц и других посторонних предметов в заданную точку объекта испытаний с соответствующей скоростью [1].

Ключевыми отличиями данной пневмопушки от зарубежных или отечественных аналогов является укороченная длина ствола, составляющая 5,6 метра против 10–25 метров у аналогичного оборудования, поэтому пушка достаточно мобильная и может использоваться на стендах по испытаниям элементов ЛА, двигательных стендах и на разгонных стендах. Кроме того, многочисленные испытания и экспериментальные исследования показали, что разработанная отечественная пневмопушка (рис. 10 и 11) имеет в среднем в 5 раз меньше разброс по скорости птицы (в зависимости от давления в ресивере и массы средних и крупных птиц), чем зарубежные пневмопушки [7]. 

Разработка первоначального проекта пневматической пушки была осуществлена под руководством профессора А.Р. Лепешкина в 2000 году, далее проект пушки (рис. 10) был усовершенствован (рис. 11), опубликован и защищен патентом РФ на изобретение в 2012 году [1]. Ресивер, выполненный концентрично на стволе пушки, повышает ее компактность и быстродействие при испытаниях, а также позволяет сократить время на подготовку к выстрелу [1][2]. У разработанной пушки универсальный диапазон скоростей выстрела: от 20 до 300 м/с, повышенная надежность бесконтактного пневматического спускового механизма с предохранителем выстрела и механизмом закрытия ресивера до и после выстрела.

Предложена новая методика проведения экспериментальных исследований, которая заключается в следующем. Перед проведением экспериментов необходимо проверить подключение и работоспособность измерительных систем, системы видеосъемки, синхронизации. Осуществляют подготовку птицы для заброса, включающую рентгеновское исследование птицы на наличие инородных предметов. В случае если инородных предметов не обнаружено, ее подготавливают к забросу, упаковывают в тканевый мешочек, закладывают в гильзу и размещают в пушке.   

Подготовку к выстрелу обеспечивают специальными механизмами. Установка снабжена предохранителем выстрела с механизмом, который закрывает ресивер во время выстрела для исключения возможности самопроизвольного выстрела и дозировки сжатого воздуха на один выстрел. Конструкция ресивера, выполненная концентрично со стволом пушки, обеспечивает сокращение времени на подготовку к испытаниям.

Выcтpeл пpoизвoдитcя oпepaтopoм пpи пoмoщи двуx кнoпoк. Пpи нaжaтии пepвoй кнoпки включaютcя cиcтeмы cигнaлизaции и измepeний cкopocти птицы и cкopocтнoй cъeмки, cpaбaтывaет aвтoмaтикa пoдaчи cжaтoгo вoздухa. Высокоскоростные видeoкaмepы нaчинaют видeoзaпиcь в мoмeнт пoдaчи cигнaлa. Кoнcтpукция элeктpoпнeвмoклaпaнa зaтвopа aвтoмaтики пoзвoляет coкрaтить вpeмя нa пoдгoтoвку к выcтpeлу.

Пpи нaжaтии втopoй кнoпки oсущecтвляетcя пoдaчa вoздухa в cпуcкoвoй мeхaнизм и oткpывaeтся зaтвop. Oт пoдaчи вoздухa oбpывaeтcя лeскa, кoтoрaя дepжит пыж с птицeй. Пpи вoздeйcтвии пoтoкa вoздуха пыж с птицeй нaчинaeт peзкo увeличивaть cвoю cкopocть в cтвoлe. Нa выхoдe из cтвoлa пыж ocтaнaвливaeтcя в лoвитeлe, a птицa лeтит к oбъeкту иcпытaний.

Пoслe зaбpoсa птицы и oкoнчaния иcпытaний пpoвoдят aнaлиз пocлeдcтвий, в тoм числe oцeнку пoврeждeний узлoв и дeтaлeй aвиaциoннoй тeхники.

Остекление кабины экипажа является ответственной частью самолета, принимающей на себя основные аэродинамические и тепловые нагрузки, следовательно, его толщина и композиция, обеспечивающие необходимую прочность, являются определяющими параметрами. С использованием предложенной методики в рамках проведения одного из испытаний на птицестойкость остекления кабины был выполнен выстрел в заданную точку лобового стекла. Выстрел выполнялся птицей массой 1,8 кг при скорости удара 158 м/с (570 км/ч). Испытания проводились в соответствии с требованиями международных стандартов ASTM F 330-89 с целью подтверждения соответствия конструкции самолета требованиям авиационных правил АП-25, АП‑33.

Измеренная скорость птицы при ударе о лобовое стекло составила с использованием видеосъемки 158,0 м/с, фотоэлектрических датчиков – 157,5 м/с и электромеханических измерителей (разрыв проволоки) – 156,7 м/c. Опыт исследования и сравнения указанных измерителей скорости птицы показывает, что более точно измеряют скорость птицы фотоэлектрические датчики.

Внешний вид самолета после проведения испытаний и удара птицы по его лобовому стеклу представлен на рис. 12.

По результатам осмотра целостность каркаса фюзеляжа и испытываемого стекла не нарушены. Проникновение останков птицы в салон отсутствует.

Испытания остекления прошли успешно, пробития стекла не наблюдается.

Стендовые исследования и испытания узлов и деталей авиационной техники на птицестойкость с использованием предложенной методики позволяют решать следующие задачи:

• верифицировать расчетные модели поведения тела птицы и материала узлов и деталей при ударном нагружении с целью их дальнейшего использования в расчетах на птицестойкость;
• оценить птицестойкость узлов и деталей при относительной скорости удара, которая может быть воспроизведена при стрельбе из пневмопушки;
• выявить недостатки конструктивно‑технологических решений в объектах испытаний – узлах и деталях авиационной техники.

Заключение

Разработана расчетно-экспериментальная методика проведения исследований лобового стекла самолета на птицестойкость с использованием усовершенствованной конструкции пневмопушки и экспериментального оборудования на основе экспериментальных данных. Конструкция пушки имеет меньшую длину ствола, и разработанная методика имеет меньший разброс по скорости птицы (при многоразовых экспериментах) по сравнению с параметрами зарубежных пневмопушек. Предложенная методика позволяет сократить время на подготовку и проведение экспериментальных исследований авиационной техники на птицестойкость и повысить точность экспериментов.

Приведены результаты расчетных исследований элементов лобового стекла самолета на птицестойкость, которые согласуются с результатами экспериментов. Кроме того, полученные результаты расчетных исследований позволили оценить влияние углов удара птиц разной массы на напряжения поверхности лобового стекла, а также угла наклона лобового стекла при оценке птицестойкости, что можно использовать при проектировании конструкции лобового стекла.

Представлены результаты экспериментальных исследований лобового стекла самолета на птицестойкость, которые прошли успешно и при которых пробития стекла не наблюдалось. По результатам экспериментальных исследований и осмотра целостность каркаса фюзеляжа и испытываемого лобового стекла не нарушены. Проникновение останков птицы в салон отсутствует.

Исследования авиационной техники на птицестойкость с использованием разработанной методики позволяют верифицировать расчетные модели поведения тела птицы и материала узлов и деталей при ударном нагружении с целью их дальнейшего совершенствования и использования в расчетах на птицестойкость, достоверно оценить птицестойкость и повреждаемость узлов и деталей при относительной скорости удара, которая может быть воспроизведена при стрельбе из пневмопушки, разработать рекомендации для улучшения конструкции и повышения технологичности узлов и деталей авиационной техники.

Разработанная расчетно-экспериментальная методика может использоваться для испытаний элементов летательных аппаратов и деталей двигателей на специальных и разгонных стендах.