Upload
vancong
View
223
Download
6
Embed Size (px)
Citation preview
Tadeusz Andrzej OPARATadeusz Andrzej OPARA
Instytut Mechaniki Stosowanej i EnergetykiInstytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki
Politechnika Radomska im. Kazimierza PuPolitechnika Radomska im. Kazimierza Pułłaskiegoaskiego
ZWIZWI ĘĘKSZENIE ODPORNOKSZENIE ODPORNOŚŚCI CIEPLNEJ I MECHANICZNEJCI CIEPLNEJ I MECHANICZNEJ
REJESTRATORREJESTRATORÓÓW LOTNICZYCH W LOTNICZYCH
POPRZEZ ZASTOSOWANIE OSPOPRZEZ ZASTOSOWANIE OSŁŁ ON ABLACYJNYCHON ABLACYJNYCH
RozwRozwóój Techniki, Technologii i Transportu w Lotnictwiej Techniki, Technologii i Transportu w LotnictwiePolitechnika PoznaPolitechnika Poznańńska, 17ska, 17--18 wrze18 wrześśnia 2012nia 2012
BarografBarografsamolotusamolotuCharlesaCharlesaLindberghaLindberghaSpiritSpirit ofof St.St.LouisLouis
KasetaKasetarejestratorarejestratorainformacjiinformacji K12K12--51G1M51G1M(Mi(Mi G 21)G 21)
REJESTRATORY PIERWSZEJ GENERACJI
David Warren – konstruktor rejestratora z zapisem magnetycznym Flight Memory Recorder(1956 r.)
- zapis mechanicznyna cienkich metalowych foliach (przesuw 6 cali/godz., ~ 15 cm/godz., odporność folii na wysokie temperatury, dzięki duŜej zawartości niklu)
- zapis magnetycznyna metalowej folii lub drucie:(kąt kursowy, pułap, prędkość lotu, prędkośćwznoszenia/opadania, zapis dźwięku z kabiny),zakres działania do temperatury Curie TC.
- zapis optycznyna papierze światłoczułym lub kliszy, (łatwopalne, wraŜliwe na prześwietlenie)
CoFe Fe2B FeOFe2O3
- 1388 K (1115 °C),- 1043 K (770 °C),- 1015 K (742 °C),- 858 K (585 °C).
Temperatura Curie ferromagnetyków:
1957 – wprowadzono obowiązek montaŜurejestratorów parametrów lotu
(lotnictwo wojskowe i komunikacyjne)
01.08.1958 – określono wymagania techniczne dla lotniczych urządzeńrejestruj ących (CAA, FAA)
REJESTRATORY DRUGIEJ GENERACJI
Wnętrze rejestratora pokładowegoBUR-1
Wnętrze magnetofonu pokładowego MARS – BM
Rejestrator typu CVR(Cockpit Voice Recorder)
REJESTRATORY TRZECIEJ GENERACJI
pamięć katastroficzna
blok akwizycji
interfejs pamięci
interfejspokładowy
modułkompresji danych
izolacjatermoochronna
stalowa obudowa
zewnętrzna
lokalizator podwodny
Rejestrator półprzewodnikowy trzeciej generacji typu SSFDR (Solid State Flight Data Recorder)
Rejestrator parametrów lotu S2-3a (ITWL)
(TS-11 „Iskra”,PZL-130 „Orlik”, SW-4)
WIDEOREJESTRATORYnaziemny
system deszyfracji
wyświetlaczwielofunkcyjny
wyświetlacz w hełmie pilota
wskaźnikprzezierny
kamera
System rejestracji obrazu samolotu F-16
- powierzchni sterowych,- elementów silnika i zespołu napędowego,- podwozia,- tablicy przyrządów w kabinie pilotów,- wnętrza kabiny załogi oraz pasaŜerów.
Poszerzenie zakresu kontroli nad przebiegiem lotu poprzez rejestrację obrazu:
REJESTRATORY ODŁĄCZALNEPo oddzieleniu od samolotu stają sięautonomicznym obiektem szybującym.i muszą mieć:
- sprawniejszy układ lokalizacji,- dodatnią pływalność- moŜliwość lądowania z odpowiedniozredukowaną prędkością.
Rejestratory lotnicze przeznaczone są do zapisu podstawowych parametrówlotu i eksploatacyjnych parametrów pracy zespołów statkupowietrznego, w celu oceny:
-- bezpieczeństwa lotu,
- techniki pilotowania,
- stanu systemów pokładowych,
- przyczyny wypadku lub katastrofy lotniczej.
Klasyfikacja rejestratorów pokładowych:
-- zbiorcza jednostka informacyjna (szyfrator) FDAU (Flight - Data Acquisition Unit),
- parametrów lotu FDR (Flight Data Recorder),
- szybkiego dostępu QAR (Quick Access Recorder),
- dźwięku CVR (Cockpit Voice Recorder),
- obrazu DVR (Digital VideoRecorder),
- robocze i eksploatacyjne,
- specjalne.
REJESTRATORY LOTNICZEREJESTRATORY LOTNICZE
PRZEZNACZENIEPRZEZNACZENIE
DO DO OBIEKTYWNEJ OBIEKTYWNEJ
KONTROLI KONTROLI PILOTAPILOTA ŻŻUU
DO BADADO BADAŃŃ SP SP WW LOCIELOCIE
DO ANALIZY DO ANALIZY PRZYCZYN PRZYCZYN
WYPADKWYPADK ÓÓW W LOTNICZYCHLOTNICZYCH
RODZAJ RODZAJ
PARAMETRPARAMETR ÓÓWW
REJESTRATORY REJESTRATORY PARAMETRPARAMETR ÓÓW W
LOTU FDRLOTU FDR
REJESTRATORY REJESTRATORY DDŹŹWIWI ĘĘKUKU
CVRCVR
REJESTRATORY REJESTRATORY OBRAZU OBRAZU
DVRDVR
REJESTRATORY REJESTRATORY SPECJALNESPECJALNE
katastroficzne
eksploatacyjne
medyczne
specjalne
METODA METODA REJESTRACJIREJESTRACJI
PARAMETRPARAMETR ÓÓWW
MECHANICZNAMECHANICZNA
MAGNETOMAGNETO --ELEKTRYCZNAELEKTRYCZNA
OPTYCZNAOPTYCZNA
MAGNETYCZNAMAGNETYCZNA
RADIORADIO TELE TELE --METRYCZNAMETRYCZNA
PPÓÓŁŁPRZEWODPRZEWOD--NIKOWANIKOWA
bezpośrednia
z modulacjączęstotliwości
z modulacją fazy
z modulacjąszerokości impulsów
cyfrowa
Klasyfikacja rejestratorów lotniczych
Rejestratory pokładowe eksploatowane SP RP
SuSu--22 M422 M4MigMig--2929
PZLPZL--130 130 ”” OrlikOrlik””100 h100 h
16 analogowych16 analogowych8 binarnych8 binarnych
5 kana5 kanałłóów cyfrowychw cyfrowych
pamipamięćęćppóółłprzewodnikowaprzewodnikowacyfrowycyfrowyppóółłprzewodnikowyprzewodnikowyATM-QAR
TSTS--11 11 „„ IskraIskra””PZLPZL--130 130 „„ OrlikOrlik””
SWSW--44
12 h12 h(ostatnich)(ostatnich)
22 analogowe22 analogowe48 binarnych48 binarnych
pamipamięćęćppóółłprzewodnikowaprzewodnikowacyfrowycyfrowyppóółłprzewodnikowyprzewodnikowyS2-3a
W3WAW3WA““ SokSokóółł ””
50 h50 h(ostatnich)(ostatnich)
20 analogowych20 analogowych45 binarnych45 binarnych
tataśśmamamagnetycznamagnetycznacyfrowycyfrowymagnetycznymagnetycznyBUR-1-2
MiGMiG--29293 h3 h
(ostatnie)(ostatnie)
34 analogowe34 analogowe4 cz4 częęstotliwostotliwośścioweciowe
32 binarne32 binarne
tataśśmamamagnetycznamagnetyczna
cyfrowycyfrowymagnetycznymagnetycznyTESTER-U3
MiMi --88MiMi --22
12.5 h12.5 h
48 analogowych48 analogowych(96 awaryjny)(96 awaryjny)
32 binarne32 binarne(64 awaryjny)(64 awaryjny)
tataśśmamamagnetycznamagnetyczna
cyfrowycyfrowymagnetycznymagnetycznyMSRP-256
TSTS--11 11 „„ IskraIskra””SuSu--2222
5 h5 h6 analogowych6 analogowych
9 binarnych9 binarnychbbłłonaona
fotograficznafotograficznaanalogowyanalogowyfotooptycznyfotooptycznySARPP-12
TSTS--11 11 „„ IskraIskra””MiMi --88
2 h2 h3 analogowe3 analogowetataśśmama
papierowapapierowaanalogowyanalogowymechanicznymechanicznySpidobarograf
K-3-63
typystatków
powietrznych
długośćzapisu
ilośćrejestrowanych
parametrów
rodzajnośnika
sposóbzapisu
typrejestratora
nazwa
OCHRONA URZĄDZEŃ REJESTRUJĄCYCH
oraz sprawdzenie takich ich właściwości jak:
WyposaŜenie awioniczne statku powietrznego poddawane jest badaniom testowym zgodnie z procedurami wynikającymi z dokumentu:
EUROCAE ED-14D/RTCA DO-160D„ Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment”
Obejmują one sprawdzenie odporności wyposaŜenia SP na następujące czynniki:
- temperaturę,- pułap lotu,- wilgotność,- zasolenie,- wibracje,- oblodzenie,
- pleśń i inne grzyby,- oddziaływanie piasku i kurzu,- atmosferę wybuchową,- krótkotrwały impuls energetyczny,- uderzenie pioruna,- wyładowanie elektrostatyczne.
Urządzenia pokładowe wojskowych SP eksploatowanych w krajachNATO muszą spełniać wymagania normyśrodowiskowejMIL-STD-810
- udarność eksploatacyjna,- dopuszczalne bezpieczne obciąŜenie udarowe,- wodoodporność,- odporność na oddziaływanie cieczy niebezpiecznych.
1 lipca 2009 r.- lot francuskiego Airbusa A330-200
z Rio de Janeiro do ParyŜa
- lokalizacja samolotu (rejestratora),
- wydobycie „czarnej skrzynki”
- wpływ ciśnienia hydrostatycznego,
- oddziaływanie wody morskiej.
ODDZIAODDZIA ŁŁ YWANIE YWANIE WYSOKOTEMPERATUROWEGO WYSOKOTEMPERATUROWEGO
STRUMIENIA CIEPLNEGOSTRUMIENIA CIEPLNEGO
260 °C przez 10 godzinq ==== 134 kW/m2
1100 °C przez 60 min. pokrycie pow. 100%FDR
CVRDVR
03.2003EDED 112112
260 °C przez 10 godzinq ==== 134 kW/m2
1100 °C przez 30 min. pokrycie pow. 100%
CVR02.1996CC 123a123a
260 °C przez 10 godzinq ==== 134 kW/m2m2
1100 °C przez 60 min. pokrycie pow. 100%
FDR01.1996CC 124a124a
260 °C przez 10 godzinq ==== 134 kW/m2
1100 °C przez 30 min. pokrycie pow. 100%
FDR02.1992CC 124124
260 °C przez 10 godzinq ==== 134 kW/m2
1100 °C przez 30 min. pokrycie pow. 100%
FDR05.1990CC 123123
1100 °C przez 30 min. pokrycie pow. 50%FDR11.1966CC 51a51a
1100 °C przez 30 min. pokrycie pow. 50%CVR11.1963CC 8484
1100 °C przez 30 min. pokrycie pow. 50%FDR08.1958CC 5151
Odporność termicznaTypRok
wprowadzeniaNormaTSO
Wymagania dotyczące odporności cieplnejrejestratorów lotniczych według FAA
0
1
2
3
4
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
C51 C84 C51a C123 C124
C123a
C124a ED112
Q/A
Ciepło przejmowane przez jednostkową powierzchnię obudowy rejestratoradla kolejnych norm TSO (wartości względne - odniesione do normy C 51)
Równanie róŜniczkowe nieustalonej wymiany ciepła Fouriera-Kirchhoffa
p
v
222
p
2
2
2
2
2
2
c
q
z
t
y
t
x
t
tc
1
z
t
y
t
x
ta
t
ρλ
ρτ+
∂∂+
∂∂+
∂∂
∂∂+
∂∂+
∂∂+
∂∂⋅=
∂∂
Do opisu wymiany ciepła pomiędzy gazem i ciałem stałym potrzebna jest znajomość współczynnika przejmowania ciepłaαααα na granicy ośrodków oraz rozkład temperatury gazut = t(x,y,z).
gdzie: t – temperatura,ττττ – czas,a – dyfuzyjność cieplna,ρρρρ – gęstość,cp – ciepło właściwe,λλλλ – współczynnik przewodzenia ciepła,qv– wydajność wewnętrznych źródeł ciepła.
W warunkach ustalonych, przejmowanie ciepła pomiędzy gazem i ciałem stałym jest uzaleŜnione od tzw.oporu właściwego przenikania ciepła rkp, czyli wielkości ujmującej łącznie właściwości fizyczne materiału i płynu oraz geometrii ścianki izolującej.
Przenikanie ciepła przez ściankę płaskątrójwarstwową
Opór właściwy przenikania ciepła przez ściankę płaską wielowarstwową
2
n
1i i
i
1kp
11r
αλδ
α++= ∑
=
Gęstość strumienia ciepła określa prawo Pécelta
kp
pp
r
ttq 21 −
=
W warunkach ustalonych temperatura gazu za ścianką będzie miała wartość
kppp rqtt ⋅−= 12
śadne znane materiały konstrukcyjnenie mają oporu cieplnego rkpo tak wysokiej wartości, by stanowić osłonę termiczną, redukującą
długotrwale temperaturę w zakresie∆∆∆∆t = tp2 – tp1 = 1000 °C.
Warstwa termoizolacyjna chroni przed skutkami oddziaływania strumienia cieplnego o temperaturze 1100°C na 50 % powierzchni obudowy w czasie 15 minut.
Rejestrator pokładowy BUR-1 Warstwa termoizolacyjna
Magnetofon pokładowy” MARS – BM
Warstwa termoizolacyjna chroni przed skutkami oddziaływania strumienia cieplnego o temperaturze 1100°C na 50 % powierzchni obudowy w czasie 15 minut.
Warstwa termoizolacyjna
TERMOOCHRONNE ASPEKTY ABLACJI MATERIAŁOWEJ
„Ablatio” (łac.) oznacza „kradzieŜ” , „rabunek’; a takŜe „porwany” , „odj ęty”.
Pojęcie ablacji pojawia się w róŜnych dziedzinach nauki:
- glacjologii,
- geologii,
- medycynie- ablacja onkologiczna,- ablacja kardiologiczna,
- inŜynierii powierzchni,
- fizyce (termodynamice)
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t [°C]
Q [kJ]
l+w
w+p
w
p
Wykres kalorymetryczny lód – woda – para wodna,
dla 1 kg H2O
Schemat fizycznego modelu ablacji
Procesy zachodzące w warstwie ablacyjnej:
- reakcje rozkładu termicznego i pirolizy w organicznej osnowie materiału,
- przemiany termochemiczne gazowych i stałych produktów rozkładu,
- reakcje chemiczne pomiędzy gazowymi i stałymi produktami rozkładu,
- endotermiczne reakcje i przemiany w fazie ciekłej.
Schemat warstwy ablacyjnej: tpa – temperatura powierzchni ablacyjnej,
ta – temperatura frontu ablacji,
ts – temperatura tylnej powierzchni ścianki.
Ablacja jest samoregulującym się procesem wymiany ciepła i masy, w wyniku którego na skutek przemian fizycznych oraz reakcji chemicznych, dochodzi do nieodwracalnych zmian strukturalnych i chemicznych materiału z równoczesnym pochłanianiem ciepła. Proces ten jest inicjowany i podtrzymywany z zewnętrznych źródeł energii cieplnej.
W procesie ablacji strumień energii zuŜywany jest na:
- depolimeryzację organicznych składników kompozytu,
- topnienie, parowanie i sublimację łatwotopliwych napełniaczy kompozytu i produktów depolimeryzacji,
- endotermiczne reakcje pomiędzy składnikami kompozytu i produktami depolimeryzacji,
- nagrzewanie produktów odprowadzanych do otoczenia,
- nagrzewanie warstwy wierzchniej obiektu i obszarów pod nim leŜących,
- konwekcyjną wymianę ciepła z otoczeniem,
- wymianę ciepła przez promieniowanie.
Dla typowych materiałów ablacyjnych z wypełnieniem w postaci włókien szklanych zachodzą następujące reakcje chemiczne:
( ) ( ) ( ) ( )2 2 2 2 146,5
JH O SiO SiO +H O
kg molg s g g+ → −
⋅( ) ( ) ( ) ( )
2 2 131,3J
H O C CO +Hkg mol
g s g g+ → −⋅
molkg
J1722CO CCO )((s))(
2 ⋅−→+ gg
( ) ( ) ( ) ( )2 627,9
JSiO C SiO +CO
kg mols s g g+ → −
⋅
( ) ( ) ( ) ( )2 3 512,8
JSiO C SiC +2CO
kg mols s s g+ → −
⋅
gdzie: (g) – gaz, (s) – ciało stałe, (l) – ciecz
Stałe produkty tych reakcji tworzą warstwę o innych właściwościach fizycznych i znacznie niŜszym współczynniku przewodzenia ciepła λ.
Gdy powierzchnia ablacyjna osiągnie temperaturę topnienia wypełniacza pojawia sięciekła warstwa stopionego komponentu i zachodzą reakcje:
( ) ( ) ( )2 2 614,9
JSiO Si SiO
kg mols l g+ → −
⋅
molkg
J4,1373COSiO3SiO2SiC (g)(s))(
2)(
⋅−+→+ ls
Zastosowania materiałów ablacyjnych w technice rakietowej
Grom
osłona dyszy silnika rakietowego
wkładka dyszyruszt silnika rakietowego
Rozkład temperatury w przekroju poprzecznym płomienia palnika acetylenowo-tlenowego: a) nieustabilizowanego, b) ustabilizowanego w „dziale ablacyjnym”
Stabilizacja strumienia cieplnego
c)
Skutki oddziaływania strumienia cieplnego na próbkę: a) nieustabilizowanego (oddziaływanie punktowe, bardzo erozyjne), b i c) ustabilizowanego (zminimalizowane działanie erozyjne), h – grubość warstwy ablacyjnej
h
a)b)
Stanowisko pomiarowe do badań abalacyjnych
Schemat stanowiska pomiarowego: 1 – działo ablacyjne, 2 – statyw, 3 – palnik, 4 – płomień acetylenowo-tlenowy stabilizowany, 5 – próbka badawcza w uchwycie działa, 6 – osłona próbki, 7 – termoelement, 8 – miernik temperatury, 9 – komputer
rejestrujący temperaturę ścianki ts, 10 – pirometr do pomiaru temperatury tpa(τ )
Badania ablacyjne - realizacja
Próby ablacyjne: a i b) przebieg próby, c i d) próbki po badaniach
a)
d)c)
b)
Parametry kompozytów polimerowych określane w klasycznych badaniach ablacyjnych:
a) średnia szybkości ablacjiva [µm/s],
b) ablacyjny (erozyjny) ubytek masyUa [%];
c) temperatura tylnej powierzchni ścianki próbki ablacyjnejts [oC]..
Parametry mechaniczne polimerowych kompozytów ablacyjnych:
a) wytrzymałość na rozciąganieRm [MPa],
b) wytrzymałość na ścinanie międzywarstwoweτILSS [MPa],
c) udarność KC [J/m2].
CELE REALIZOWANEGO PROGRAMU BADAWCZEGO
1. Określenie ilościowego i jakościowego wpływu wybranych komponentów na proces ablacji kompozytów epoksydowych ze wzmocnieniem włóknistym oraz na ich właściwości wytrzymałościowe,
2. Stworzenie uniwersalnej obudowy ochronnej, która w sytuacji awaryjnej:
- zapobiegłaby zniszczeniu rejestratora przez oddziaływanie wysokotemperaturowego strumienia cieplnego,
- umoŜliwi zabudowanie obecnie eksploatowanych rejestatoróww dodatkowe, ablacyjne obudowy termoochronne,
3. Implementacja procedur kwalifikacyjnych lotniczych rejestratorów pokładowych do badań kompozytowych elementów ochronnych.
Osnowa kompozytów:
- Ŝywica epoksydową Epidian 52, sieciowana w temperaturze pokojowejutwardzaczami PAC lub Z-1 produkcji Z.Ch. Organika - Sarzyna S.A.
Modyfikatory Ŝywicy epoksydowej:
- glinokrzemian warstwowy,
- Bentonit Specjal Extra z 75% zawartościąMMT montmorylonituwapniowego (Zakłady Górniczo-Metalowe Zębiec w Zębcu).
Wzmocnienie kompozytu:
tkanina aramidowa (kevlarowa) o gramaturze 470 g/m2,
tkanina szklana o gramaturze 300 g/m2.
j x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3yj
1 + + + + + + + +
2 + + - - - - + +
3 + + + - + - - -
4 + + - + - + - -
5 + - + + - - + -
6 + - - - + + + -
7 + - + - - + - +
8 + - - + + - - +b0 b1 b2 b3 b12 b13 b23 b123
Pełnoczynnikowa macierz planowania I rzędu typu 23 z powtórzeniami
x1 - udział masowy włókna aramidowego odniesiony do sumy mas wzmocnieńwłóknistych (włókno aramidowe + szklane) [%], 79% (+) i 38 % (-),∆x1 = 20,5%,
x2 - udział masowy nanonapełniacza (montmorylonitu MMT) w kompozycie [%], 15% (+) i 3% (-), ∆x2 = 6%,
x3 - rodzaj utwardzacza Ŝywicy: PAC lub Z-1, 80 nsPAC(+) i 13 nsZ-1(-);
Nr próbki
Włókno aramidowe
Włókno szklane
Udział MMTw kompozycie
Utwardzacz
Ilośćwarstw tkaniny
Poziom kodowy
Ilośćwarstw tkaniny
Poziom kodowy
[%]Poziom kodowy
Rodzaj Poziom kodowy
1 10 + 4 15 + PAC +
2 10 + 4 3 - Z-1 -
3 10 + 4 15 + Z-1 -
4 10 + 4 3 - PAC +
5 4 - 10 15 + PAC +
6 4 - 10 3 - Z-1 -
7 4 - 10 15 + Z-1 -
8 4 - 10 3 - PAC +
Skład ośmiu próbek kompozytów
Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa]
Maszyna wytrzymałościowa ZWICK/ROELL Z100
Próbki kompozytów po statycznejpróbie rozciągania wykonane
zgodnie z PN DIN 53455
Wytrzymałość na zginanie Rg [MPa]
Badanie wytrzymałości kompozytów metodą trójpunktowego zginania krótkich belek zgodnie z normami PN EN ISO 178, PN EN ISO 14125 oraz PN EN ISO 14130
Udarność KC [J/m2]
Młot Charpy’ego firmy Galdabini: Impact 25
Próbki kompozytów do próby udarnościowej
Wpływ poprzecznych obciąŜeń udarowych na wytrzymałość na zginanie Rg
Stanowisko do badań poprzecznych obciąŜeń udarowych
149 cm61.5 kg900 J2
110 cm41.65 kg450 J1
WysokośćMasa bijaka
Energia uderzenia
lp.
ŚŚrednia wartorednia wartośćść wytrzymawytrzymałłoośści ci prpróóbki bki na zginanie w zalena zginanie w zależżnonośściciod od skskłładu adu fazowegofazowego popo pochpochłłonionięęciu ciu energiienergii 900 J900 J
l.p. Nr próbki
Bez próby udarowej Po próbie udarowej
Rx [MPa] Ex [MPa] Rx [MPa] Ex [MPa]
1 4 194.0 8615 174.0 6435
2 6 323.5 12750 278.5 10750
3 7 304.5 10350 168.0 4350
Konfiguracje stanowiska do badaKonfiguracje stanowiska do badańń udarowychudarowych
0
1
2
3
4
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
C51 C84 C51a C123 C124
C123a
C124a ED112
Q/A
48
Ciepło przejmowane przez jednostkową powierzchnię obudowy rejestratoradla kolejnych norm TSO (wartości względne - odniesione do normy C 51)