Экспериментальные исследования динамики и прочности ЛА
Виды испытаний элементов конструкции ЛА, разделяющиеся по содержанию, характеру получаемых данных, могут быть представлены тремя основными группами: испытания по определению нагрузок, испытания под действием заданных нагрузок и динамические испытания конструкции.
Определение нагрузок и испытания
При действии заданных нагрузок
Определение нагрузок производится при маневрах в полете в неспокойной атмосфере, при взлетах, посадках и рулежках ЛА, а также старте и разделении ступеней РН.
В группу испытаний под действием заданных нагрузок входят статические и усталостные испытания, испытания на действие импульсных нагрузок, испытания с дополнительным тепловым воздействием, комбинированные испытания.
В состав динамических испытаний входят определение динамических характеристик конструкции, запасов до флаттера и других видов опасных колебаний, виброобстановки на данном ЛА и испытания по подтвержению вибропрочности в условиях воздействия вибраций, возникающих при наземной эксплуатации (транспортировании) РН.
Существует и другая классификация, предусматривающая разделение испытаний по целям их проведения, учитываемое при выборе методики испытаний и средств измерений.
Следующим признаком, по которому может быть проведено разделение, являются параметры объекта и среды испытаний. Могут проводиться испытания как натурных ЛА, так и испытания отдельных частей, узлов и элементов конструкции. Особенностью последних испытаний является необходимость удовлетворения граничным условиям, имеющим место при натурной эксплуатации в составе всего ЛА. К этому же виду классификации относятся испытания на моделях, т.е. замена исследования интересующего реального явления исследованием на модели иного масштаба в специальных лабораторных условиях. Возможно и аналоговое моделирование на установках, математическое описание которых совпадает с исследуемым. Преимуществами модельного эксперимента являются возможность опережающих испытаний и широких исследований влияния параметров полета и конструктивных параметров на исследуемое явление, меньшая опасность. Однако, как правило, не удается полностью удовлетворить условия подобия и, поэтому, модели классифицируют по степени их подобия натуре.
Испытание характеризуется методикой, т.е. совокупностью определенных приёмов и способов получения опытных данных. В методике обосновывается целесообразность эксперимента, проводится выбор последовательности и условий проведения исследования, определяются средства измерений и оборудования (с учётом их возможностей, чувствительности, надёжности), способы обработки, оформления, анализа и проверки результатов.
При экспериментальных исследованиях всегда имеет место разброс результатов. Данные, полученные при повторных измерениях, образуют массив, который не дает точного результата. Для извлечения из этого массива максимально полезной информации применяют статистические методы.
Применяя простые статистические методы анализа, экспериментатор может существенно уменьшить объем данных, определяя при этом тип распределения, наиболее вероятное (среднее) значение и ожидаемое отклонение от среднего значения (стандартное отклонение).
Завершая вводную часть лекционного курса, перечислим наиболее перспективные направления в развитии экспериментальных методов исследования прочности конструкций:
1.Внедрение управляемого эксперимента, в котором выбирается наиболее рациональное продолжение или приостановка эксперимента по ставшим известными в процессе испытаний результатам. Такие испытания требуют обеспечения измерений, обработки, анализа и индикации результатов в темпе эксперимента.
2. Автоматизация эксперимента и измерений, что позволяет повысить информативность эксперимента и глубину проникновения в суть исследуемого явления, сократить время проведения эксперимента.
3.Создание математического обеспечения для проведения и обработки результатов эксперимента, облегчающего анализ достоверности и обеспечивающего обобщение материалов испытаний.
Определение нагрузок.
Нагрузки, воздействующие на ЛА, определяют, используя два подхода – непосредственное измерение или фиксация параметров, определяющих их. Второй подход позволяет получить более общие выводы по сравнению с непосредственным измерением. Испытания на ЛА в полёте проводят по обоим направлениям, в то же время испытания на моделях в полете, в аэродинамической трубе (АТ) или лаборатории проводят только по первому направлению.
При летных испытаниях (ЛИ) исследуют реальный объект в реальных условиях с реальными действиями летчика или системы автоматического управления, что является существенным преимуществом метода. Однако, в некоторых случаях ЛИ не безопасны. Их можно проводить только на режимах, параметры которых удовлетворяют уравнениям движения.
Поисковые и опережающие испытания, исследование влияния конструктивных параметров проводят на моделях. Модели различаются по степени выполнения условий подобия натурным конструкциям. Для определения аэродинамических давлений, суммарных сил, а также воздействия вертикальных порывов проводят испытания на «жестких» моделях в АТ. В некоторых случаях, в частности для определения распределения инерционных сил при посадке используются упругоподобные модели. И все-таки основной объём исследований по определению нагрузок проводят на натурных объектах при ЛИ, чему и посвящено дальнейшее изложение.
Определение внутренних сил и моментов.
Компоненты внутренних сил и моментов определяют используя два метода: суммирования и обобщенных зависимостей. В соответствии с первым методом измеряются напряжения в поверхностном слое в заданном сечении с дальнейшим суммированием элементарных сил и моментов. Необходимые при этом гипотезы о распределении напряжений по сечению устанавливают на основе материалов, полученных при статических испытаниях.
Другой метод основан на использовании связи относительных удлинений 
и искомых компонентов
(1.1)
В достаточно частых случаях, устанавливаемых по материалам статических испытаний, зависимость (1.1) является линейной и определение компонентов усилий и моментов сводится к решению системы шести линейных алгебраических уравнений. Для установления конкретного вида зависимостей (1.1) и входящих в них коэффициентов выполняют тарировки: предварительную, основную и контрольную.
Определение сил различной природы.
После определения внутренних силы и момента в сечении можно, рассматривая условия равновесия отсеченной части, найти суммарные силы и моменты, действующие на отсекаемую данным сечением часть конструкции. Основные затруднения связаны с наличием распределенных нагрузок и неизвестными значениями плеч при определении моментов.
Эта задача может быть решена достаточно точно, если рассматривать несколько сечений на объекте и принять обоснованные допущения о величинах и распределении сил различной природы.
Для определения аэродинамических сил используют датчики давления. Существует два способа регистрации давления: дренажный и бездренажный. По первому способу внутри крыла или другого объекта прокладывают трубопроводы, чтобы связать приемные отверстия с камерами датчиков, что приводит, иногда, к появлению достаточно заметных погрешностей. Оба эти обстоятельства (трудоемкость и погрешность), способствовали развитию бездренажного способа, основанного на применении миниатюрных приклеиваемых датчиков. Интегрируя эпюры давления по хорде, определяют погонную аэродинамическую силу или (при учете соответствующих множителей) момент.
Инерционные силы находят по показаниям акселерометрических датчиков; для определения реакции отдельных агрегатов используют специальные динамометрические узлы.
Измерения нагрузок практически выполняют на каждом опытном самолете или вертолете, на режимах, заданных Нормами летной годности (НЛГ). Режимами для нагрузок, определяющих статическую прочность являются маневры, посадки, полет в неспокойной атмосфере; усталостную прочность – типовые режимы, полет в неспокойной атмосфере для вертолета, рулежки для самолета; прочность при высокой температуре – полет при быстром возрастании числа М и др. Полеты выполняют с различной загрузкой, центровкой и имитацией различных отказов.
Измерение параметров, определяющих нагрузки.
Перечень параметров, определяющих нагружение, формируют в зависимости от характера исследуемых нагрузок.
Маневренные нагрузки определяются перегрузками, углами, угловыми скоростями и ускорениями ЛА, положением и действиями органами управления
Для определения нагрузок, возникающих при полете в неспокойной атмосфере регистрируют перегрузки и параметры, необходимые для определения эффективной скорости порывов.
Для определения и исследования нагрузок, возникающих при посадке, изучают характеристики неровности взлетно – посадочной полосы и рулёжных дорожек, измеряют вертикальную скорость снижения, углы крена, боковую составляющую ветра у земли.
При испытаниях обязательно соблюдение правил безопасности: постепенное изменениеопределяющих параметров, назначение ограничений с целью исключения возможных ошибок пилотирования, применение индикаторов определяющих параметров и нагрузок, регистрация и передача информации с помощью телеметрии.
Обработка информации проводится по принятому разделению нагрузок на большие однократные и усталостные. В первом случае разбивают весь диапазон значений между максимумом и минимумом нагрузки (или соответствующих значений определяющих параметров) на интервалы и считают число значений, попавших в каждый из них за определенное время или на определенном расстоянии. Такие графики дают возможность оценить вероятность появления того или иного значения нагрузки.
Для оценки усталостной прочности реальный процесс изменения нагрузки заменяют более простым: совокупностью синусоид различной частоты и средними значениями амплитуд.
Испытания при действии заданных нагрузок.
Статические испытания.
Статические испытания - испытания при действии большой нагрузки, изменяющейся настолько медленно, что можно пренебречь инерционными силами, вызванными перемещениями элементов конструкции при действии этой нагрузки.
Задача статических испытаний – определение несущей способности, напряженно – деформированного состояния и жесткости конструкции по различным случаям нагружения. Для определения напряженно – деформированного состояния конструкции проводят регистрацию ее деформаций, линейных и угловых перемещений при постепенном нагружении до расчетных значений. В зависимости от типа установки и объекта испытаний нагружение можно производить непрерывно или ступенчато.
Для определения несущей способности конструкции, которое всегда являлось главной целью испытаний проводят нагружение до разрушения с фиксацией разрушающих нагрузок. Конструкцию, как правило, фотографируют до и после разрушения.
Главными задачами при статических испытаниях являются приложение нагрузки и выполнение тензоизмерений. Требования к системе нагружения:
- погрешность воспроизведения нагрузки не более 5%;
- устойчивость (отсутствие автоколебаний), автоматическая остановка нагружения при нарушениях нормального хода испытаний;
- учет силы тяжести конструкции и рычажной системы;
- сохранение местной прочности, обеспечиваемое применением лямок из материи;
- плавное нагружение при больших нагрузках, без превышений заданной нагрузки в процессе перехода на следующую ступень;
- минимальное трение в шарнирах рычажной системы.
Распределенные внешние (аэродинамические) и массовые удельные нагрузки заменяют сосредоточенными силами, которые прикладывают к конструкции с помощью приклеиваемых матерчатых лямок, объединяемых с помощью рычагов так, что образуется многоярусная система. В результате получается чрезвычайно громоздкая система, сборка и разборка которой для перехода к другому расчетному случаю или в случае ремонта из-за преждевременного разрушения оказываются чрезвычайно трудоемкими и длительными.
В силу указанных обстоятельств разработаны два новых подхода: зональное и параллельное нагружение. При зональном нагружении выявляют лямки, нагрузки на которые сохраняются в одинаковом соотношении для ряда расчетных случаев, что дает возможность выделить зону, для которой одна и та же рычажная система может быть использована для различных расчетных случаев без перемонтажа.
Способ параллельного нагружения основан на применении большого числа силовозбудителей (несколько сотен штук). Порядок нагружения при этом такой: прикладывается нагрузка, составляющая обычно 10% от разрушающей для какого-то расчетного случая, например, случая А; затем прикладывают нагрузку, также составляющую 10%, но для случая В и т. д. Когда пройдены нагрузки указанного уровня для всех расчетных случаев, переходят, последовательно, к этапам нагружения
20%-ыми значениями нагрузок от расчетных для каждого случая; затем прикладывают 30% нагрузки и т.д. Это дает возможность избежать крупной перемонтировки рычажной системы. Очевидно, что для эффективности использования этого метода требуется полная автоматизация процесса нагружения, что обеспечивается использованием ЭВМ и устройств, непосредственно управляющих силовозбудителями по её командам.
Для наиболее полного определения слабых мест конструкции (с максимальными уровнями напряжений) необходимо обеспечить измерение последних в большом объеме(на крупных самолетах до 20 – 30 тысяч тензорезисторов). Особое внимание следует уделять зонам с нарушениями регулярности (узлам, вырезам, стыкам). Дополнительно с помощью тензодинамометров, датчиков давления проводятся измерения сил, создаваемых гидроцилиндрами. Кроме этого с помощью датчиков реостатных, тензорезисторных, ультразвуковых регистрируются перемещения различных элементов конструкции.
При испытаниях самолетов необходимо обеспечить нагружение внутренним давлением герметических кабин, имитацию действия жидкостей в баках (загружение их дробью).
Свои особенности имеют статические испытания основных отсеков корпуса ракетного ЛА. Клепаные конструкции хвостовых, переходных и приборных отсеков нагружают осевой сжимающей и поперечной силами и изгибающим моментом. Топливные отсеки испытывают на действие внутреннего давления, осевой и поперечной силы, а также изгибающего момента. Корпус и днища ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ), сопловые блоки двигателей и трубопроводы для подачи компонентов топлива в ЖРД нагружают внутренним давлением.
Устойчивость топливных, хвостовых и приборных отсеков проверяют нагружением равномерно распределенным внешним давлением. Если критическое внешнее давление не превышает одной атмосферы, то нагрузку можно имитировать вакуумированием внутренних полостей. При испытаниях топливных отсеков, корпусов РДТТ и трубопроводов внутреннее нагружение создают подачей воды под определенным давлением. Если топливные отсеки имеют большую длину, то такие испытания можно проводить по отдельным секциям. Это позволяет точнее имитировать действие инерционного гидростатического давления при больших перегрузках в полете. Секции герметизируют технологическими днищами. Осевые нагрузки создают прессами с помощью гидравлических силовозбудителей и прикладывают через соседние отсеки или приспособления, имитирующие жесткость этих отсеков.
Другими задачами, решение которых необходимо обеспечить при организации и проведении статических испытаний, являются: уравновешивание объекта и сохранение его положения в зале; выявление слабого элемента, от которого началось разрушение конструкции или потеря устойчивости; создание банков данных для сравнения результатов расчета и эксперимента.
Основными задачами в обеспечении безопасности испытаний являются обеспечение прочности испытательной оснастки (коэффициент безопасности при её расчете принимается не менее трёх), исключение возможности нанесения ущерба здоровью людей и смягчение негативных последствий для оборудования при нарушении герметичности кабин и разрушении топливных отсеков, корпусов и днищ РДТТ.