Новый способ диагностики остекления кабин воздушных судов

Ежегодно в авиации происходит значительное число авиационных событий, связанных с разрушением остекления кабины воздушных судов (ВС). Этот факт свидетельствует о недостаточном уровне контроля технического состояния остекления кабин ВС в процессе эксплуатации при проведении технического обслуживания.
Основным видом дефекта при эксплуатации является усталостная трещина (рисунок 1). Образование трещин вызвано циклически изменяющейся нагрузкой в зонах концентрации напряжений. Конструкция остекления кабины ВС в полете воспринимает знакопеременные нагрузки, вызванные набегающим потоком воздуха и избыточным давлением в кабине экипажа.
В настоящее время в процессе эксплуатации при проведении технического обслуживания и ремонта АТ для диагностики технического состояния остекления кабин ВС применяют средства диагностики, основанные на оптическом методе контроля. Применение существующих средств позволяет диагностировать только видимые дефекты остекления, не скрытые конструктивными элементами каркаса кабины ВС.

Рисунок 1. Трещины в остеклении кабины воздушного судна

Анализ существующих методов НК, использующихся при контроле технического состояния силовых элементов конструкций объектов ответственного назначения, по критерию возможности обнаружения опасных (развивающихся) дефектов позволяет сделать вывод, что перспективным методом контроля технического состояния элементов остекления кабин ВС в условиях эксплуатации является метод акустической эмиссии (АЭ).
Он основан на регистрации упругих волн, излучаемых дефектами, развивающимися в нагруженных конструкциях. Зародившаяся волна напряжений распространяется в материале конструкции, поступает на вход датчиков, где преобразуется в электрический сигнал. Сигнал поступает на вход измерительной аппаратуры, фильтруется, усиливается и преобразуется из аналогового в цифровой, который затем вводится в компьютер для дальнейшей обработки и анализа. Метод АЭ позволяет с большой достоверностью обнаруживать структурные дефекты и усталостные повреждения в виде развивающихся трещин на труднодоступных участках силовых элементов конструкций.
Анализ существующих способов АЭ диагностики изделий из КМ, органического стекла, клеевых соединений позволяет установить, что: в настоящее время не разработаны АЭ средства диагностики, позволяющие оперативно, с высокой точностью выявлять развивающиеся дефекты органического стекла и твердых полимерных клеевых соединений; отсутствуют единые подходы к обработке и анализу АЭ информации; не разработаны эффективные алгоритмы фильтрации помех при АЭ диагностировании.
Нами разработан способ акустико-эмиссионной диагностики остекления кабин воздушных судов, включающий в себя [1-4]:
1. Модель определения наличия и степени опасности дефектов остекления кабин воздушных судов на основе инвариантов АЭ;
2. Модель определения местоположения дефектов при АЭ диагностике остекления кабин воздушных судов;
3. Макет аппаратно-программного комплекса (АПК) АЭ диагностики остекления кабин воздушных судов;
Разработанный способ АЭ диагностики позволяет в условиях эксплуатации при проведении технического обслуживания и ремонта авиационной техники до 40% повысить достоверность и оперативность контроля технического состояния остекления кабин, повысить частный показатель безотказности воздушных судов – средний налет на неисправность, обнаруженную в полете и приводящую к невыполнению полетного задания для парка самолетов до 10%.
Модель определения наличия и степени опасности дефектов остекления кабин воздушных судов на основе инвариантов АЭ
Используется подход, заключаю¬щийся в том, что связь регистрируемых сигналов АЭ с конкретным физиче¬ским процессом разрушения определяется по отклонению от устойчивых (инвариантных) статистических распределе¬ний количества импульсов на временных интервалах выборки сигнала АЭ в процессе диагностирования.
Для верификации результатов исследований и проверки справедливости теоретических выводов были проведены испытания на растяжение до разрушения образцов органического стекла и образцов клеевого соединения органического стекла с лавсановой лентой на основе клея. При проведении испытаний исследовалась динамика изменения разработанного инварианта от нагрузки, действующей на конструкцию (рисунок 2).

Рисунок 2. Результаты экспериментальных исследований. При давлении 0,63 атм наблюдалось зарождение и развитие трещин до разрушения конструкции при давлении 0,95 атм

Разработанная модель определения наличия и степени опасности дефектов остекления основана на анализе АЭ процессов, отличается использованием инвариантов для оценки вида и степени отклонения потока информативных параметров сигналов эмиссии, позволяет определять наличие и степень опасности дефектов вне зависимости от формы, размеров и предыстории эксплуатации конструкций.
Модель определения местоположения дефектов при АЭ диагностике остекления кабин ВС. Разработанная модель определения местоположения дефектов основана на разности времени прихода акустических импульсов к датчикам, отличается от известных возможностью учета анизотропных свойств материала объекта контроля, позволяет повысить достоверность определения координат дефектов в композиционных материалах до 15% по сравнению с существующими методиками. Проведены экспериментальные исследования по определению местоположения дефектов остекления кабин ВС (рисунок 3).

Рисунок 3. Экспериментальные исследования по определению местоположения дефектов остекления кабин ВС: а - схема расположения датчиков, имитатора АЭ на остеклении ВС, б - интерфейс разработанного программного обеспечения

Разработан макет 4-х канального аппаратно-программного комплекса (АПК) АЭ диагностики остекления кабин ВС, предназначенный для регистрации, обработки и анализа АЭ процессов, происходящих в материале органического стекла при его нагружении, методика проведения экспериментальных исследований, проведены экспериментальные исследования по изучению связи статистических закономерностей акустических процессов с процессами разрушения конструкций остекления, изучено влияние эксплуатационных факторов на изменение значений разработанных инвариантов.
Для достижения требуемых возможностей АПК АЭ состоит из: датчиков АЭ с диапазоном рабочих частот 100-600 кГц; предусилителей сигнала АЭ с характеристиками, обеспечивающими сопряжение датчиков с аналого-цифровым преобразователем; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для преобразования регистрируемых сигналов АЭ с частотой дискретизации до 10 МГц; встроенного персонального компьютера с разработанным программным обеспечением, предназначенным для обработки и анализа АЭ процессов в реальном масштабе времени при проведении контроля; корпуса АПК АЭ. Структурная схема и внешний вид АПК АЭ представлены на рисунке 4.
Для сопряжения датчиков АЭ (ВИДГ.410.419.001) с АЦП E20-10 разработано согласующее устройство, позволяющее осуществлять регулировки уровня и коэффициента усиления контролируемого сигнала.
Для регистрации требуемых для работы АПК АЭ информативных параметров (число, амплитуда и длительность импульсов АЭ) применяется разработанный алгоритм беспороговой обработки АЭ сигналов.

Рисунок 4. Структурная схема и внешний вид разработанного АПК АЭ: 1-остекление фонаря кабины ВС, 2.1; 2.2; 2.3; 2.4 - датчики со встроенными предусилителями сигнала АЭ, 3 – согласующее устройство, 4 - АЦП, 5 - встроенный персональный компьютер, 6 - корпус АПК АЭ

Для повышения достоверности диагностирования остекления кабин ВС выполняется объединение (свертка) известных АЭ критериев разрушения и разработанных инвариантов АЭ процессов:
1. Разработанный АПК АЭ диагностики остекления кабин ВС, позволяет: обрабатывать сигналы АЭ (получать значения информативных параметров эмиссии на заданных интервалах времени диагностирования при низком соотношении сигнал/шум контролируемого сигнала), определять точное время прибытия сигналов АЭ к датчикам, оперативно (в реальном масштабе времени) определять степень опасности и местоположение дефектов органического стекла и клеевого соединения остекления с каркасом кабины, создавать базу данных и электронные паспорта ВС.
2. Получены результаты экспериментальных исследований, позволяющие установить связь между сигналами АЭ и кинетикой накопления повреждений в материале конструкции, сделать вывод о целесообразности использования разработанного экспериментального образца АПК АЭ для диагностирования образцов остекления кабин ВС.
3. Разработана методика переноса АЭ информации с образцов на реальные конструкции. Данная методика переноса результатов экспериментальных исследований основана на равенстве компонентов напряженно-деформируемого состояния в точке (сечении) исследуемого образца и реальной конструкции и является единственно возможным способом экспериментального изучения АЭ процессов в конструкциях при помощи проведения испытаний на образцах.
Экономический эффект достигается сокращением затрат на ремонт и восстановление авиационной техники, получившей повреждения в результате разрушения остекления кабин воздушных судов в полете. Затраты на ремонт и восстановление сокращаются в результате повышения достоверности диагностирования остекления кабин ВС по сравнению с существующими методами контроля.
Разработана методика АЭ диагностики остекления кабин ВС позволяющая: производить контроль технического состояния элементов остекления кабин ВС в условиях эксплуатации, при проведении технического обслуживания и ремонта АТ, повысить оперативность и достоверность определения наличия развивающихся дефектов.
Возможно комплексное применение АЭ и спекл-диагностики (рисунок 5). За счет использования способа лазерной спекл-диагностики возможно определение деформаций уже на начальном этапе создания избыточного давления внутри кабины с точностью до 1 мкм. Для этого остекление кабины облучают лазером с последующей регистрацией оптическими датчиками отраженной интерференционной картины. Прочностные характеристики остекления определяются по изменению параметров интерференционной картины в процессе изменения избыточного давления [4,5].

Рисунок 5. Комплексное применение АЭ и спекл-диагностики при диагностировании остекления кабин воздушных судов

В 2021 году в ходе проведении войсковых испытаний комплексное применение АПК АЭ и спекл-диагностики доказало высокую достоверность и оперативность при оценке эксплуатационной пригодности кабин ВС.

Рисунок 6. Представление разработки на Дне инноваций ВУНЦ ВВС «ВВА»

Таким образом, разработанный АПК позволяет повысить оперативность, достоверность и точность контроля при определении технического состояния остекления кабин воздушных судов на всех этапах жизненного цикла.
Перспективным направлением исследований является: разработка бортовых систем мониторинга, позволяющих в реальном масштабе времени в полете определять наличие, степень опасности и местоположение дефектов, прогнозировать техническое состояние силовых элементов конструкций воздушных судов.

Список используемой литературы:
1. Попов А.В. Способ оценки процессов разрушения конструкций при акустико-эмиссионном контроле: пат.  2233444 Российская Федерация. 2004. 5с.
2. Попов А.В., Комлев А.Б. Тесля Д.Н. Система оценки прочности конструкции авиационной и ракетно-космической техники на основе метода акустической эмиссии. // Контроль. Диагностика. 2018. №8 (242), С-32-37.
3. Попов А.В., Тесля Д.Н., Волошина В.Ю., Сиренко И.Л., Филимонов К.С. Многоканальная акустико-эмиссионная система контроля силовых элементов конструкций. Пат. 2359575 Российская Федерация. 2018. 5с.
4. Попов А.В., Тесля Д.Н., Вертебный В.В., Искин А.О. Многоканальная акустико-эмиссионная система контроля силовых элементов конструкций. Пат. 2760344 Российская Федерация. 2021. 6с.
5. Павлов П.В., Вольф И.Э., Евсин А.О., Владимиров А.П., Степанов А.Р., Хакимов Л.Н. Способ определения дефекта в заделке остекления кабины. Пат. 2759038 Российская федерация. 2021. 5с.

Алексей ПОПОВ, д.т.н., доцент,
Андрей КОМЛЕВ, к.т.н., преподаватель,
ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Воронеж)