Способ мониторинга нагрузок и накопленной усталостной повреждаемости в условиях эксплуатации самолета
Владельцы патента RU 2599108:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Изобретение относится к авиации и касается способа мониторинга нагрузок и накопленной усталостной повреждаемости конструкции агрегатов планера в условиях реальной эксплуатации. При мониторинге нагрузок и накопленной усталостной повреждаемости конструкции агрегатов планера на основе обработки реализаций параметров полета, фиксируемых на штатный аварийный регистратор, и реализаций нагрузок, полученных расчетно-экспериментальными методами, с установлением между результатами таких обработок осредненных статистических зависимостей с учетом интенсивности и времени колебаний конструкции по режимам полета, используются тензодатчики, установленные и используемые при проведении государственных сертификационных испытаний. Достигается повышение точности мониторинга за счет отслеживания переменной нагруженности и накопленной усталостной повреждаемости каждого экземпляра самолета в каждом полете с использованием осредненных статистических связей нагруженности с фиксируемыми параметрами полета на аварийный регистратор, точность которых увеличивается с увеличением суммируемых полетов. 3 ил., 1 табл.
Данное изобретение относится к области авиации, в частности к способу мониторинга нагрузок и накопленной усталостной повреждаемости конструкции агрегатов планера конкретного экземпляра транспортного самолета данного типа в условиях его реальной эксплуатации.
Разработка методов и средств контроля фактической нагруженности в условиях регулярной эксплуатации, получение и анализ соответствующих статистических материалов является необходимым условием повышения безопасности эксплуатации самолетов по условиям прочности конструкции (Авиационные правила АП-25, МОС 25.571). По действующей нормативной системе ресурс конструкции по условиям усталостной прочности устанавливается для самого нагруженного экземпляра самолета из парка данного типа (коэффициент надежности η3=2 по МОС 25.571). В случае, когда на конкретном экземпляре самолета установлена система мониторинга, то для данного экземпляра коэффициент η3 принимается равным 1, т.е. если мониторинг осуществляется для всех экземпляров самолетов, то ресурс парка в среднем увеличивается в два раза.
Аналогичные работы проводятся в FAA, США [.http://aar400.tc.faa.gov/Programs/AgingAircraft/airbornedata/FAA%20HTML%20Design%20Template5a.htm]. Федеральное управление гражданской авиации (FAA) разработало Систему контроля действующих в эксплуатации нагрузок, которая включает сбор данных о полетных нагрузках на больших транспортных самолетах и самолетах местных авиалиний.
В основу мониторинга нагрузок на агрегаты самолета, выполняемого FAA, положена тензометрия отдельных экземпляров самолета данного типа в условиях регулярной эксплуатации. Это дорогостоящее мероприятие.
Известен способ мониторинга нагрузок парка летательных аппаратов-самолетов или вертолетов (патент US 2011112878, 2011, МПК G06F 19/00, G06Q 10/00). Полет выполняют на любом серийном самолете из парка. Способ реализует вычисление внешних нагрузок, действующих на самолет во время его эксплуатации с использованием набора ортогональных функций и набора коэффициентов (для высокочастотных данных), связанных с этими функциями. Данные коэффициенты вычисляют и хранят на борту самолета, а затем передают в наземную систему. Наземная система включает базу данных обслуживания с копией набора ортогональных функций. При передаче в наземную систему указанного выше набора коэффициентов восстанавливают внешние нагрузки, действующие на самолет во время его эксплуатации. По этим данным вычисляют накопленную усталостную повреждаемость конструкции агрегатов планера серийного самолета, а также усталостную повреждаемость парка самолетов; эти данные сохраняют. Этот способ также позволяет вычислять внешние нагрузки, действующие на агрегаты планера самолета в течение выполненного полета и, кроме того, позволяет вычислять накопленные повреждаемости агрегатов планера самолета от вычисленных нагрузок и хранить эти накопленные повреждаемости в специальном банке данных. К недостатку способа можно отнести необходимость проведения дополнительных полетов на дополнительном самолете из парка самолетов, что требует дополнительных финансовых затрат.
Известен взятый за прототип способ мониторинга нагрузок и накопленной усталостной повреждаемости парка самолетов (патент GB 2192723, 1988, МПК G07C 3/00, по теме OLMS-OPERATIONAL-LOAD MONITORING SYSTEM FOR AIRCRAFT).
Он содержит следующие операции:
1. Выбирают несколько самолетов из парка самолетов. Самолеты могут быть как транспортные, так и военные.
2. В выбранных сечениях конструкции агрегатов планера каждого выбранного самолета устанавливают датчики одного (первого типа), предназначенные измерять внутренние нагрузки, действующие в указанных выше сечениях во время полета. Кроме того, на борту самолета устанавливают другие датчики (второго типа), предназначенные измерять основные параметры полета во время полета.
3. На выбранных самолетах выполняют полеты, во время которых с указанных выше датчиков двух типов снимают данные (внутренние нагрузки, действующие в указанных выше сечениях во время полета и основные параметры полета) во время полета, эти данные передают в бортовой компьютер. В бортовом компьютере по показаниям датчиков первого типа вычисляют внешние нагрузки, действующие на каждый из выбранных самолетов во время полета каждого выбранного самолета; эти данные обрабатывают и сокращают.
4. После выполнения полета каждого из указанных выше самолетов, данные о внешних нагрузках и основных параметрах полета передают в наземную систему. В наземной системе данные о внешних нагрузках статистически обрабатывают и вместе с данными об основных параметрах полета передают для хранения в специальный банк данных, который обладает возможностью хранить данные о 500 полетах на одном носителе.
5. По данным, хранящихся в специальном банке данных, выполняют диагностику и прогнозирование усталостной повреждаемости выбранных самолетов, а также по этим данным выполняют диагностику и прогнозирование усталостной повреждаемости парка самолетов.
Недостаток способа мониторинга прототипа: операции выполняют на отдельно выбранных самолетах из парка, что приводит к недостаточной точности определения остаточной повреждаемости парка самолетов. К недостатку способа также можно отнести необходимость проведения дополнительных полетов на дополнительном самолете из парка самолетов, что требует дополнительных финансовых затрат. В основу мониторинга нагрузок в данном способе положена тензометрия отдельных экземпляров самолета в условиях регулярной эксплуатации. Это дорогостоящее мероприятие.
Техническим результатом изобретения является возможность повышения точности мониторинга за счет отслеживания переменной нагруженности и накопленной усталостной повреждаемости каждого экземпляра самолета в каждом полете с использованием осредненных статистических связей нагруженности с фиксируемыми параметрами полета на аварийный регистратор, точность которых увеличивается с увеличением суммируемых полетов.
Технический результат достигается тем, что в способе мониторинга нагрузок и накопленной усталостной повреждаемости в условиях эксплуатации самолета, основанном на том, что выбирают агрегаты, сечения конструкции планера самолета и типы нагрузок, устанавливают в выбранных сечениях тензодатчики, осуществляют полет самолета, указанными тензодатчиками измеряют во время полета нагрузки, действующие в указанных выше агрегатах и сечениях, регистрируют штатным аварийным регистратором параметры полета на борту самолета, в наземной системе статистически обрабатывают данные с тензодатчиков, на основе результатов статистической обработки и данных об основных параметрах полета выполняют аналитическое определение усталостной повреждаемости агрегатов и конструкций самолета выбранного типа, тензодатчики устанавливают и измеряют ими нагрузки при проведении государственных сертификационных испытаний или аналогичных испытаний, аналитическое определение усталостной повреждаемости проводят путем разделения всего полета на режимы, получения для каждого режима статистических зависимостей нагрузок от параметров полета, регистрируемых штатным аварийным регистратором, на основании анализа тензометрии при государственных сертификационных испытаниях выбирают критические элементы: агрегаты, сечения и силовые элементы конструкции планера самолета и типы действующих на них нагрузок - определяющих ресурс конструкции по условиям усталостной прочности, аналитически определяют вклад различных режимов полета в их повреждаемость, для каждого из которых и каждого критического элемента на основе обработки многократно повторяющихся режимов полета устанавливают статистические зависимости повреждаемости и экстремальных нагрузок от нагрузок функционирования, интенсивности (СКО - среднеквадратичного отклонения перегрузок) и времени колебаний (эквивалентного значения условной повреждаемости по перегрузкам) интегральных силовых факторов - перегрузок, фиксируемых аварийным регистратором со своих штатных датчиков; при возвращении любого экземпляра самолета данного типа на базовый аэродром переписывают информацию аварийного регистратора и обрабатывают ее на ЭВМ, при этом выделяют интересующие режимы полета по регистрируемым параметрам, на каждом режиме для каждой интересующей нагрузки аналитически определяют нагрузки функционирования с использованием регистрируемых параметров, на каждом режиме полета определяют среднеквадратичные отклонения перегрузок и эквивалентные по усталостной повреждаемости значения перегрузок, определяют эквивалентные по усталостной повреждаемости значения рассматриваемых нагрузок на каждом режиме полета с использованием зависимостей, полученных при государственных сертификационных испытаниях, определяют экстремумы нагрузок цикла «земля-воздух-земля» анализом экстремальных нагрузок за все режимы полета и определяют повреждаемость от его воздействия, определяют суммарную повреждаемость по каждой нагрузке за полет как сумму по режимам и по циклам «земля-воздух-земля», повреждаемости документируют и хранят в банке данных.
На фиг. 1 приведен пример восстановления усталостной повреждаемости от действия изгибающего момента в одном из сечений крыла пассажирского самолета (СКОny - среднеквадратичное отклонение вертикальной перегрузки).
На фиг. 2 показано влияние частоты опроса на повреждаемость от вертикальной перегрузки на режиме разбега.
На фиг. 3 представлены реализации перерезывающей силы в тензометрированном корневом сечении ГО и усилия в МПС (механизме перестановки стабилизатора) в разных полетах и на различных режимах
Все экземпляры эксплуатируемых самолетов оснащены штатными аварийными регистраторами полетной информации, на носители которых происходит регистрация по времени основных параметров полета: вес самолета, вес топлива, центровка, перегрузки и угловые скорости самолета, высота, скоростной напор, число Маха, углы отклонения рулевых поверхностей и механизации, режим двигателя и др. Максимальная частота опроса и регистрации параметров, как правило, не превышает 8 Герц и различна для различных параметров. Как правило, при возвращении самолета на базовый аэродром информация с аварийного регистратора переписывается на промежуточный носитель и обрабатывается наземной службой экспресс-анализа. С использованием разработанного программного обеспечения с минимальной частотой регистрации определяющих параметров восстанавливаются нагрузки функционирования (средние нагрузки), действующие на агрегаты самолета. Имеющихся частот регистрации достаточно для их точного восстановления. Кроме того, с использованием специальных алгоритмов и регистрируемых параметров весь полет разбивается на режимы, отслеживающих, как правило, изменение нагрузок функционирования на агрегаты самолета.
Помимо изменения нагрузок функционирования усталостную повреждаемость определяют переменные нагрузки от воздействия атмосферной турбулентности, неровностей аэродромного покрытия, срывных обтеканий от отклонения механизации крыла, интерцепторов, реверса тяги двигателей на пробеге и др. Спектральный, корреляционный и регрессионный анализ результатов тензометрии при летных испытаниях показывает, что в основу мониторинга повторяемости переменных нагрузок (усталостной повреждаемости) по определяющим режимам полета могут быть положены лишь статистические связи нагруженности с интегральными силовыми факторами (перегрузками). В целом по рассматриваемым режимам полета корреляция между приращениями нагрузок и перегрузками не жесткая, она может быть значимой только в определенных диапазонах частот. Для различных агрегатов конструкции определяющим по усталости диапазоном частот изменения нагрузок является 0-10 Гц, поэтому частота регистрации 8 Гц перегрузок в аварийных накопителях явно не достаточна.
В алгоритмах восстановления повреждаемости от сил и моментов в различных сечениях конструкции самолета используются статистические зависимости нагруженности от интенсивности (среднеквадратичного значения перегрузки) и времени (эквивалентного по повреждаемости значения перегрузки) колебаний по режимам полета. Повторяемость приращений переменных нагрузок (повреждаемость) определяется с некоторой погрешностью (обусловленной осреднением статистических связей) в каждом конкретном полете (режиме), которая уменьшается с увеличением числа осредняемых (суммируемых) полетов. В основу циклообразования положены экстремумы нагрузок. Повреждаемость определяется расчетом (соответствующим программным обеспечением) с использованием полных циклов, линейного суммирования, степенного вида кривой выносливости (ниже приведены примеры зависимостей для металлических конструкций с показателем степени 4).
На фиг. 1 приведен пример восстановления усталостной повреждаемости от действия изгибающего момента в одном из сечений крыла пассажирского самолета (СКОny - среднеквадратичное отклонение вертикальной перегрузки). Коэффициент k1 вычисляется для каждого режима полета как:
,
где 
- эквивалентный изгибающий момент за режим полета;
- средний изгибающий момент за режим полета;
- эквивалентная вертикальная перегрузка за режим полета.
Под эквивалентными нагрузками здесь понимается максимум отнулевого цикла нагрузки, дающий усталостную повреждаемость, равную повреждаемости от исходной реализации нагрузки за режим полета.
Определены поправочные коэффициенты, связанные с малой частотой опроса, для всех режимов полета для коррекции в системе мониторинга повреждаемостей от перегрузок со штатных датчиков. Пример таких зависимостей приведен на фиг. 2. Здесь k - отношение повреждаемости от вертикальной перегрузки при заданной опросности к повреждаемости при частоте опроса 128 Гц. Зависимость СКО от частоты опроса перегрузок практически отсутствует.
Все перечисленные выше материалы получены обработкой результатов тензометрии при ГСИ (государственных сертификационных испытаниях), являющихся обязательными при сертификации самолета по условиям прочности.
Исследование точности восстановления переменной нагруженности и накопленной усталостной повреждаемости мониторинга желательно проводить, используя записи тензометрии целого полета (с момента запуска двигателей до их выключения, а не по режимам). В Таблице 1 приведен пример анализа точности системы мониторинга самолета-амфибии (Мэкв - эквивалентный по усталостной повреждаемости изгибающий момент за один полет, СБИ - непрерывная тензометрия полета, Ресурс - вычисление по алгоритмам мониторинга; 6 - полет на пожаротушение, 1 - транспортный полет, 7 - тренировочный полет). Видно, что с увеличением числа осредняемых полетов точность нахождения суммарной повреждаемости увеличивается (k - коэффициент, равный отношению накопленной за предыдущие полеты повреждаемости, полученной в системе мониторинга, к повреждаемости, рассчитанной по данным тензометрии). Суммарная повреждаемость за 10 полетов по сечению крыла отличается от истинной на 12% (в запас), а по сечению лодки на 3% (не в запас), в то время как это следует из таблицы, самый тяжелый полет отличается от самого легкого в 67 раз. 12% по повреждаемости соответствует погрешности восстановления нагрузок <3%, что определяется точностью восстановления нагрузок при летных и натурных прочностных испытаниях. Следует также иметь в виду, что ресурс самолета по условия усталостной прочности определяется десятками тысяч полетов, регламент технического обслуживания (осмотры, доработки, замены деталей с ограниченным ресурсом), как правило, проводится с периодичностью не менее сотен - тысяч полетов.
Горизонтальное оперение (ГО) является одним из самых сложных агрегатов с позиций восстановления нагрузок, поскольку на него влияют скосы потока за крылом (отклонения предкрылков, закрылков, интерцепторов, колебания). На фиг. 3 представлены реализации перерезывающей силы в корневом тензометрированном сечении правой половины стабилизатора (Q1_тенз) на определяющих режимах нескольких полетов и соответствующие значения, восстановленные по параметрам полета (Q1_расч), используя теоретические соотношения с поправками некоторых аэродинамических производных по результатам летных испытаний. Частота опроса тензометрии и параметров полета 64 Гц. Здесь же дан пример восстановления усилия (S) в тяге механизма перестановки стабилизатора, на который влияют не только перерезывающие силы, но и изгибающие и крутящие моменты в бортовых сечениях правой и левой половин ГО.
Демонстрируется очень хорошее соответствие не только по нагрузкам функционирования (которое можно еще улучшить, учитывая несимметричность обтекания левой и правой половин ГО), но и по динамическим наложениям нагрузок. Т.е. увеличение частоты опроса ведущих параметров, регистрируемых на аварийный или эксплуатационный накопитель, позволит в значительной мере отказаться от статистических подходов в мониторинге (где повреждаемость в каждом конкретном полете оценивается с некоторой погрешностью из-за использования осредненных статистических зависимостей, которая уменьшается при увеличении числа осредняемых полетов) и повысить точность восстановления повторяемости переменных нагрузок в каждом конкретном полете.
Способ осуществляют следующим образом.
1. Определяют агрегаты, сечения конструкции и типы нагрузок (перерезывающие силы, изгибающие и крутящие моменты, усилия в элементах), которые необходимо контролировать в эксплуатации (расчетно-экспериментальным способом).
2. Выделяют режимы полета, которые определяют интересующие нагрузки. На этих режимах на самолетах, принимающих участие в Государственных сертификационных испытаниях (ГСИ) по результатам тензометрии на этапе ГСИ, получают зависимости типа фиг. 1. На этих режимах по результатам тензометрии на этапе ГСИ получают зависимости типа фиг. 1.
3. При наземной обработке информации штатных аварийных регистраторов серийных самолетов в системе экспресс-анализа с каждого борта самолетов данного типа:
- выделяют интересующие режимы полета специальными алгоритмами по регистрируемым параметрам;
- на каждом режиме для каждой интересующей нагрузке определяют 
- нагрузки функционирования (средние нагрузки - получают аналитически с корректировкой по результатам тензометрии при ГСИ) специальными алгоритмами по регистрируемым параметрам;
- на каждом режиме полета определяют СКО и эквивалентные по усталостной повреждаемости значения перегрузок (например, для вертикальной перегрузки: 
и СКОny, фиг. 1);
- с использованием зависимостей, аналогичных фиг. 1, определяют эквивалентные по усталостной повреждаемости значения рассматриваемых нагрузок на каждом режиме полета (
);
- определяют экстремумы нагрузок цикла «земля-воздух-земля» (ЗВЗ) анализом экстремальных нагрузок за все режимы полета и определяют повреждаемость от его воздействия;
- определяют суммарную повреждаемость по каждой нагрузке за полет (сумма по режимам и ЗВЗ);
- повреждаемости документируют и хранят в банке данных.
Программное обеспечение обработки данных, записанных на штатный аварийный регистратор во время полета для каждого серийного самолета, разработано в операционной среде системы экспресс-анализа и работает автоматически без вмешательства оператора.
- Точность мониторинга в каждом конкретном полете зависит от используемых осредненных статистических зависимостей. Точность восстановления повторяемости нагрузок (усталостной повреждаемости) увеличивается с увеличением числа суммируемых полетов и, как показывают результаты тестирования, уже на базе ~10 полетов становится соизмеримой (определяется) с точностью тензометрирования. Повышение точности мониторинга в каждом конкретном полете связано с необходимостью увеличения частоты опроса используемых параметров штатного регистратора.
Достоинства и возможности системы
Техническим результатом изобретения является возможность повышения точности мониторинга за счет отслеживания переменной нагруженности и накопленной усталостной повреждаемости каждого экземпляра самолета в каждом полете с использованием осредненных статистических связей нагруженности с фиксируемыми параметрами полета на аварийный регистратор, точность которых увеличивается с увеличением суммируемых полетов.
- используемая в рассматриваемой работе система мониторинга позволяет отслеживать переменную нагруженность каждого экземпляра самолета из парка в каждом полете. Это существенное качественное улучшение мониторинга с точностными характеристиками, соизмеримыми с тензометрией. То, что система позволяет организовать индивидуальное отслеживание расхода ресурса каждым экземпляром самолета, дает возможность в среднем увеличить ресурс парку в 1,5-2 раза и принесет существенный экономический эффект.
- данная система не требует дополнительных инвестиций, т.е. отсутствуют эксплуатационные затраты, поскольку на самолете ничего дополнительно не устанавливается, а система встраивается в систему экспресс-анализа полетной информации (внедрением специального программного обеспечения обработки записей);
- позволяет организовать оптимальное планирование технического обслуживания (осмотры, замены деталей с ограниченным ресурсом, доработки), что также экономически эффективно;
- повышение безопасности эксплуатации, поскольку характеристики нагруженности будут определяться с использованием существенно большего числа влияющих на нее параметров, чем это делается до сих пор, что также экономически эффективно;
- контроль нагрузок при грубой посадке (снижение финансовых потерь при остановке эксплуатации с минимизацией контрольно-восстановительных работ);
- разработка рекомендаций по стилю пилотирования (траектория набора и снижения, посадка, использование механизации, разбег и др.) с целью снижения нагрузок и повреждаемости;
- мониторинг состояния ВГШ и РД аэродромов по реакции самолета;
- накопление банка данных по экстремальным нагрузкам с целью уточнения нормативных требований по статической прочности;
- позволяет получать материалы по статистическим характеристикам переменной нагруженности и повреждаемости с целью правильного построения программ натурных усталостных испытаний и получения достоверных характеристик усталостной прочности, что увеличивает безопасность эксплуатации.
Способ мониторинга нагрузок и накопленной усталостной повреждаемости в условиях эксплуатации самолета, основанный на том, что выбирают агрегаты, сечения конструкции планера самолета и типы нагрузок, устанавливают в выбранных сечениях тензодатчики, осуществляют полет самолета, указанными тензодатчиками измеряют во время полета нагрузки, действующие в указанных выше агрегатах и сечениях, регистрируют штатным аварийным регистратором параметры полета на борту самолета, в наземной системе статистически обрабатывают данные с тензодатчиков, на основе результатов статистической обработки и данных об основных параметрах полета выполняют аналитическое определение усталостной повреждаемости агрегатов и конструкций самолета выбранного типа, отличающийся тем, что тензодатчики устанавливают и измеряют ими нагрузки при проведении государственных сертификационных испытаний или аналогичных испытаний, аналитическое определение усталостной повреждаемости проводят путем разделения всего полета на режимы, получения для каждого режима статистических зависимостей нагрузок от параметров полета, регистрируемых штатным аварийным регистратором, на основании анализа тензометрии при государственных сертификационных испытаниях выбирают критические элементы: агрегаты, сечения и силовые элементы конструкции планера самолета и типы действующих на них нагрузок - определяющих ресурс конструкции по условиям усталостной прочности, аналитически определяют вклад различных режимов полета в их повреждаемость, для каждого из которых и каждого критического элемента на основе обработки многократно повторяющихся режимов полета устанавливают статистические зависимости повреждаемости и экстремальных нагрузок от нагрузок функционирования, интенсивности (СКО - среднеквадратичного отклонения перегрузок) и времени колебаний (эквивалентного значения условной повреждаемости по перегрузкам) интегральных силовых факторов - перегрузок, фиксируемых аварийным регистратором со своих штатных датчиков, при возвращении любого экземпляра самолета данного типа на базовый аэродром переписывают информацию аварийного регистратора и обрабатывают ее на ЭВМ, при этом выделяют интересующие режимы полета по регистрируемым параметрам, на каждом режиме для каждой интересующей нагрузки аналитически определяют нагрузки функционирования с использованием регистрируемых параметров, на каждом режиме полета определяют среднеквадратичные отклонения перегрузок и эквивалентные по усталостной повреждаемости значения перегрузок, определяют эквивалентные по усталостной повреждаемости значения рассматриваемых нагрузок на каждом режиме полета с использованием зависимостей, полученных при государственных сертификационных испытаниях, определяют экстремумы нагрузок цикла «земля-воздух-земля» анализом экстремальных нагрузок за все режимы полета и определяют повреждаемость от его воздействия, определяют суммарную повреждаемость по каждой нагрузке за полет как сумму по режимам и по циклам «земля-воздух-земля», повреждаемости документируют и хранят в банке данных.
