С ИСТЕМА К ОМПЛЕКСНОГО М ОНИТОРИНГА
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ СИСТЕМЫ
Мониторинг напряженно-деформированного состояния конструкций в режиме реального времени Оценка ресурса по реальному состоянию конструкции Слежение за возникновением и развитием трещин, в том числе скрытых, Обнаружение дефектов типа расслоений композиционных материалов, Слежение за накоплением усталостных явлений в материалах Слежение и фиксация превышений допустимых нагрузок, включая однократные и кратковременные Регистрация и периодическая сверка резонансно-акустического “портрета” конструкции, как интегральной характеристики эксплуатационной пригодности ЛА.
2
АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ
ПРОБЛЕМАТИКА Обоснование необходимости мониторинга
Снижение уровня подготовки кадров Потеря контроля качества, Нечеткое выполнение ТТ производителями комплектующих, Упадок системы стандартизации Большой разброс параметров входящих изделий и материалов по причине нарушений технологий производства
Как следствие:
Низкая повторяемость изделий, Большой разброс рабочих параметров и запасов прочности, Невозможность применения статистических методов оценки ресурса ЛА ( широко применяемого за рубежом),
Ограниченность внутренней элементной базы
Заблаговременный вывод ЛА из эксплуатации, ориентируясь . только на график. .
3
НАПРАВЛЕНИЕ РАЗРАБОТКИ
Мониторинг напряженно-деформированного состояния конструкций в режиме реального времени, реализованный на интегрированных в материал и размещенных в ключевых точках конструкции датчиках деформации.
Условное размещение датчиков на самолете
Датчик деформации
4
ОПИСАНИЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Основные требования интегрируемость в материал надежность при ускорениях и вибрации малые массо-габаритные характеристики электромагнитная совместимость взрыво-пожаробезопасность технологичность изготовления
Описание датчика Датчик представляет из себя отрезок волоконного световода из кварцевого стекла, легированного в сердцевине оксидом Германия и покрытого сверху защитным покрытием из полимера или металла. В области сердцевины световода формируется периодическая структура, отражающая свет на определенной длине волны волоконная брегговская решетка (ВБР). Оптический период этой структуры определяет длину волны резонансного отражения. Приложенная деформация растяжения или сжатия световода вдоль оси приводит к изменению этого периода и смещению длины волны в спектре отражения. Осуществляя регистрацию этого смещения, можно реализовать измерения продольного удлинения отрезка световода в диапазоне от 10-6 до 10-3.
5
ОПИСАНИЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Технологические особенности применения Датчики могут быть внедрены в композиционный материал (а) или закреплены к поверхности контролируемой конструкции с помощью конструктивной оснастки (б).
б)
1х13
1х13
а)
1х13
Система регистрации содержит источник света с широким спектром, спектрометр, измеряющий спектральные смещения ВБР, компьютер, пересчитывающий спектральные смещения в измеряемые деформации.
регистратор
Синхронизация
компьютер
Рис.4. Многоканальная система регистрации волоконно-оптических датчиков деформации.
6
ОПИСАНИЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Датчик деформации
Критически важная информация в ограниченном объеме (обработанные данные) предоставляются экипажу (а), в полном объеме записывается на цифровой носитель и предоставляется наземным техническим службам (б).
1.
3.
2.
Регистрирующая аппартура может быть выполнена в виде бортового (1) полевого (2) стендового (3) (лабораторного) исполнения.
Регистрация может проводиться как в режиме регламентных работ и предполетной подготовки (б), так и в процессе эксплуатации, в полете (а).
б.
а.
Структура комплекса
7
СТЕПЕНЬ ПРОРАБОТКИ ТЕМАТИКИ
ЗАРУБЕЖНЫЕ ОРГАНИЗАЦИИ, ЗАНИМАЮЩИЕСЯ АНАЛОГИЧНОЙ ТЕМАТИКОЙ Уровни технической готовности (TRL)
The Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS “Optical Inspection Systems” проходят лабораторные испытания EADS and DaimlerChrysler “Structural Monitoring Using Fiber-Optic Bragg Grating Sensors” обе лаборатории проводят полевые испытания NASA Autonomous Composite Fan Containment Integrity Monitoring(AUTOCONFIRM) System.
Acellent Technologies, Inc Airbus Deutschland GmbH - Bell Helicopter - Sikorsky - Boeing - Lockheed Martin - Northrup Grumman - Bombardier Aerospace и т.д.
В РОССИИ СТЕПЕНЬ ПРОРАБОТКИ:
готовность к проведению ОКР. Заказчик проведенных НИРМинпромторг России
8
СТАДИИ РАЗРАБОТОК ЗАПАДНЫХ КОМПАНИЙ
NASA
2001
Испытания Структурного Мониторинга с 2001 г. В частности установка датчиков на механической конструкции левой шасси. Система функционировала в качестве дистанционно-управляющего устройства сбора данных. Были проведены четыре летных испытания. Проверено програмное обеспечение. Тесты показали, что радиочастотная коммуникация должна быть доработана для обеспечения надежности.
Boeing
2005
В апреле 2005 г. компанией Boeing были протестированы в лаборатории и проверены в испытательных полетах на трех коммерческих самолетах технологии Структурного Мониторинга. Были применены CVM датчики. Разработчики Lockheed Martin (lab. Sandia) в кооперации с FAA, SMS, Университет Аризоны и несколькими частными авиакомпаниями (Delta Airlines).
2006
Компания TRI/Ostin Inc. провела летные испытания 14 сентября 2006 г. системы LAHMP на борту F-15. 22 января 2007 г. наземные и летные испытания самолета военно-воздушных сил F-15 E1. Продемонстрирована полная функциональность в течении всего тестового полета в сборе данных о состоянии безопасности конструкции.
SpaceShipOne
2008
С 2008 г. структурный мониторинг используется в перспективном частном космическом челноке “Белый рыцарь”. Первый полет состоялся в 2004 г.
NLR TFT-FOC и голландская Национальная аэрокосмическая лаборатория (NLR) сделали первый успешный испытательный полет с применением оптоволоконных датчиков на Брэговских решетках на самолете Fairshield Metro II (турбовинтовой самолет). 2010 г.-модернизирована система и переход к стандартам безопасности. Полное соответствие с требованиями полетов. Следующий полет на реактивном Cessna Citation II. Анализ полета и записанные данные показали TRL 5. Фото с видеоролика TFT
9
СТАДИИ РАЗРАБОТОК ЗАПАДНЫХ КОМПАНИЙ-II
Airbus
2009
Компания изучает возможности применения Структурного Мониторинга на самолете нового поколения А-380 в качестве дополнения к традиционным методам неразрушающего контроля, во взаимодействии с Хольгер- Speckmann (координационный центр, Бремен),Cornerstone. Решается проблема труднодоступности, проверки глубоко скрытых недостатков из-за инновационного дизайна и многогранной геометрии.
FAA Некоторые системы уже коммерциализированы, такие как акустические и ультразвуковые датчики, которые прошли адаптацию в режиме реального времени при проверках на композитах компаниями PAC, Drexel University. Испытания проводились на полномасштабных самолетах. Применялись для мониторинга микротрещин в металлических компонентах трансмиссии на вертолете Black Howk и V-22 Osprey.
2010
Bae Systems Хамбл, Саутгемптон, Великобритания разработала систему Insensys на основе оптоволоконных Брэгговских решеток. В том числе для мониторинга в промышленности и ветровых турбинных лопаток. Несколько проектов в стадии окончания реализации.
Boeing, Airbus Вакуумные сенсорные методы содержат около 300 натурных датчиков для испытательных полетов.
NASA Исследует методы диагностики структуры композитов корпусов реактивных двигателей (Glenn Researh Center). Исследовательская лаборатория ВВС (AFRL, UDRI)
2011
NASA, ВМС США Лечение повреждений композитов в режиме пилотирования ЛА (Cornerstone Researh Group), CRG Дейтон, штат Огайо. Рефлексивные технологии композитов (SMP) сочетаютcя с интеллектуальной системой управления и активации автоматической идентификации повреждения и ответ первичных несущих элементов самолета.
По мнению руководства Airbus существует три подхода к внедрению СМ: : 1) датчики только стационарно установлеы в структуре, которые требуют периодического контроля с отдельным блоком, в то время как структура не работает. 2) датчики на месте сбора данных ( позволяют записывать данные во время работы), которые требуют периодической( вне службы) загрузки данных; 3) датчики в режиме реального времени передают данные на удаленный сайт, позволяющий одновременно осуществлять структурный контроль с помощью беспроводной системы телеметрии.
10