Тема 1.2. Проектирование гидравлических систем. Нормы лётной годности самолётов транспортной категории (Авиационные правила, часть 25)

Гидравлические системы современных ЛА обеспечивают работу значительного числа потребителей (функциональных подсистем). Они должны обладать высокой надежностью и малой массой, их проектирование представляет собой весьма сложную задачу.

На первом этапе Заказчик формирует требования к ЛА и его системам, в которых должны содержаться следующие основные требования:

- по надежности, обеспечивающей заданный уровень безотказности;

- по обеспечению минимальной массы и объема;

- по применению стандартных агрегатов, давлений, расходов;

- по эксплуатационной технологичности;

- минимальной стоимости и т.п.

На данном этапе определяются потребители системы, т.е. функциональные подсистемы, входящие в гидравлическую систему. Создание ГС ЛА ведется с учетом требований руководящей документации, к которой, прежде всего, относятся Авиационные правила (АП), часть 25 «НОРМЫ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ САМОЛЕТОВ ТРАНСПОРТНОЙ КАТЕГОРИИ».

В Разделах А-О («Общие требования летной годности самолета при отказах функциональных систем») сформулированы основные понятия и определения по вопросам летной годности при отказах функциональных систем, регламентированы особые ситуации и вероятности их возникновения. Ниже приведены некоторые понятия и определения.

«2.1. Под отказным состоянием понимается неработоспособное состояние системы в целом, характеризуемое конкретным нарушением ее функций независимо от причин, вызывающих это состояние. Отказное состояние определяется на уровне каждой системы через последствия, оказываемые на функционирование этой системы. Оно характеризуется влиянием на другие системы и на самолет в целом.

2.8. Численные значения. При необходимости количественной оценки вероятностей возникновения событий могут использоваться указанные ниже величины:

вероятные – вероятность отказа более 10 ^-5;

где - частые —более 10 ^­-3;

умеренно вероятные —в диапазоне 10 ^-3—10 ^-5;

редкие (невероятные) —в диапазоне 10 ^-5—10 ^-9;

где - маловероятные —в диапазоне 10 ^-5—10 ^-7;

крайне маловероятные —в диапазоне 10 ^-7—10 ^-9;

практически невероятные —менее 10 ^-9.

Вероятности должны устанавливаться как средний риск на час полета, продолжительность которого равна среднему времени полета по типовому профилю.

2.9. Особая ситуация – ситуация, возникающая в полете в результате воздействия неблагоприятных факторов или их сочетаний и приводящая к снижению безопасности полета. Особые ситуации классифицируются с использованием следующих критериев:

а) ухудшение летных характеристик, характеристик устойчивости и управляемости, прочности и работы систем;

б) увеличение рабочей (психофизической) нагрузки на экипаж сверх нормального требуемого уровня;

в) дискомфорт, травмирование или гибель, находящихся на борту людей.

2.9.1. Катастрофическая ситуация – особая ситуация, для которой принимается, что при её возникновении предотвращение гибели людей оказывается практически невозможным.

2.9.2. Аварийная ситуация – особая ситуация, характеризующаяся:

а) значительным ухудшением характеристик и/или достижением (превышением) предельных ограничений или;

б) физическим утомлением или такой рабочей нагрузкой экипажа, что уже нельзя полагаться на то, что он выполняет свои задачи точно или полностью.

2.9.3. Сложная ситуация – особая ситуация, характеризующаяся:

а) заметным ухудшением характеристик и/или выходом одного или нескольких параметров за эксплуатационные ограничения, но без достижения предельных ограничений, или

б) уменьшением способности экипажа справляться с неблагоприятными условиями, как из-за увеличения рабочей нагрузки, так и из-за условий, понижающих эффективность действий экипажа.

2.9.4 Усложнение условий полета:

а) незначительное ухудшение характеристик или

б) незначительное увеличение рабочей нагрузки на экипаж, например, изменение плана полета.

3. Вероятности возникновения особых ситуаций

3.3. Самолет должен быть спроектирован и построен таким образом, чтобы в ожидаемых условиях эксплуатации при действии экипажа в соответствии с руководством по летной годности:

3.3.1.Каждое отказное состояние, приводящее к возникновению катастрофической ситуации, оценивалось как практически невероятное, а суммарная вероятность возникновения катастрофической ситуации, вызванной отказными состояниями, для самолета в целом не превышала 10 ^-7 на час полета.

3.3.2. Суммарная вероятность возникновения аварийной ситуации, вызванной отказными состояниями для самолета в целом, не превышала 10 ^-6 на час полета: при этом рекомендуется, чтобы любое отказное состояние, приводящее к аварийной ситуации, оценивалось как событие не более частое, чем крайне маловероятное (10 ^-7—10 ^-9).

3.3.3. Суммарная вероятность возникновения сложной ситуации, вызванная отказными состояниями, для самолета в целом не превышала 10 ^-4 на час полета, при этом не рекомендуется, чтобы любое отказное состояние, приводящее к сложенной ситуации, оценивалось, как событие не более частое, чем умерено вероятное (10 ^-3—10 ^-5).»

В АП-25 сформулированы и общие требования непосредственно к гидравлическим системам (см.п.25.1435.Гидравлические системы)

«(a) Конструкция.

(1) Каждый элемент гидравлической системы должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать нагрузки от расчетного рабочего давления в комбинации с максимальными эксплуатационными нагрузками на конструкцию, которые должны восприниматься без деформации, препятствующей его функционированию.

(2) Каждый элемент гидравлической системы должен выдерживать без разрушения нагрузки от расчетного рабочего давления, умноженного на коэффициент 1,5, в комбинации с предельными нагрузками на конструкцию, одновременное воздействие которых умеренно вероятно. Расчетное рабочее давление — максимальное давление при нормальной работе, за исключением переходных процессов.

(b) Испытания.

(1) Собранная гидравлическая система должна быть испытана статическим давлением для подтверждения ее способности выдерживать давление, превышающее в 1,5 раза расчетное рабочее давление, без деформации любой части системы, которая могла бы препятствовать выполнению системой своих функций. Зазор между элементами конструкции и элементами гидравлической системы должен быть достаточным, и не должно быть вредной остаточной деформации. Для проведения этих испытаний предохранительный клапан может быть отключен, чтобы создать необходимое давление.

(2) Соответствие гидравлических систем требованиям должно быть показано испытаниями на функционирование, на ресурс, а также анализом. Все гидравлические системы или их подсистемы должны быть испытаны на самолете или на стендах для определения соответствия требуемым характеристикам и сопоставления с другими системами самолета. Испытания на функционирование должны включать в себя имитацию условий отказа гидравлической системы. Испытания на ресурс должны имитировать повторяющиеся полетные циклы, которые могут быть в эксплуатации. Элементы системы, отказавшие в испытаниях, должны быть доработаны для исключения конструктивного недостатка и, если необходимо, испытаны вновь в достаточном объеме. Имитация условий работы и внешних нагрузок для элементов и соответствующих участков гидравлической системы должна быть достаточной для оценки влияния внешних факторов. При оценке соответствия требованиям необходимо учитывать следующее:

статические и динамические нагрузки, действующие в полете и на земле, нагрузки от рабочего тела, от пилота, инерционные и температурные нагрузки и их комбинации;

перемещение элементов системы, вибрацию, давление рабочего тела при переходных процессах и усталость;

абразивный износ, коррозию и эрозию;

совместимость жидкостей и материалов;

утечки и износ.»

Указанные требования по вероятностям ситуаций необходимы для формирования структуры системы (определения степени резервирования агрегатов и подсистем) и расчета вероятности безотказной работы.

Таким образом, на первом этапе проектирования должна быть разработана структурная схема гидросистемы, т.е. определены:

- число блоков питания независимых ГС;

- схема размещения и резервирования гидронасосов на двигателях, а также резервные (аварийные) источники энергии;

- число функциональных подсистем;

- кратность резервирования приводов в каждом канале с учетом секционирования поверхностей управления.

Для решения поставленной задачи необходимо разбить все функциональные подсистемы потребителей на группы по последствиям их отказов.

В первую группу должны войти подсистемы, отказ которых может привести к катастрофической ситуации. Сюда входят подсистемы управления рулями высоты, направления и элеронами. Для подсистем этой группы применяется нагруженный резерв, т.е. все независимые ГС на борту ЛА, каждая со своим блоком питания, должны работать одновременно и все они должны быть подключены к каждому отдельному потребителю данной группы.

Ко второй группе относят подсистемы, отказ которых приводит к аварийной ситуации. Это подсистема выпуска шасси (в случае, если шасси не убирается, то изменяется план полета – самолет возвращается на аэродром взлета и эта ситуация представляет собой лишь усложнение условий полета), тормозов колес и элементов механизации крыла (выпуск). Подсистемы второй группы имеют ненагруженный резерв, т.е. сначала их работа осуществляется от основной системы питания, а в случае ее отказа в работу включается резервная система питания (при этом может каким-либо образом меняться и вид самой функциональной подсистемы).

К третьей группе относятся системы, отказ которых приводит к сложной ситуации. Это системы поворота колес передней опоры шасси (подсистема поворота может быть отнесена в ряде случаев ко второй группе) и воздушных тормозов.

В четвёртой группе находятся системы стеклоочистителей, трапов и т.п. Функциональные системы четвертой и частично третьей групп могут не резервироваться.

Создание схемы гидравлической системы с помощью теории надежности. Поэтапное проектирование гидросистемы ЛА

Сложившаяся в настоящее время практика проектирования ЛА предполагает разделение процесса проектирования на несколько последовательных, взаимосвязанных и соподчиненных этапов, основными из которых являются:

- «внешнее» проектирование, завершающееся разработкой технического задания (ТЗ) на весь комплекс средств, обеспечивающих выполнение поставленной задачи;

- «внутреннее» проектирование, завершающееся разработкой конкретных объектов (отдельных компонентов комплекса и системы в целом).

На этапе «внешнего» проектирования основной упор делается не на разработку конкретного объекта и изделий, составляющих данный объект, а на исследование и анализ тех изменений, которые вызовет во всех сферах жизни общества создание предполагаемой технической системы. Здесь моделируются процессы функционирования комплекса, обладающего некоторыми характеристиками, при выполнении определенной задачи, например, при перевозке пассажиров на некоторой (реально существующей или планируемой) сети аэродромов. Реальная компоновка и конструкция ЛА, входящего в состав комплекса, рассматривается на этом этапе в самом общем виде на уровне возможных (прогнозируемых) летно-технических, эксплуатационных и стоимостных характеристик. Тем не менее, на этом этапе должны быть найдены наиболее рациональные сочетания требований, определяющие технические возможности комплекса, стоимость его создания и эксплуатации, сроки разработки, производства и поставки заказчику.

Для решения этой проблемы рассматривается возможно большее количество альтернативных вариантов комплексов, для каждого из которых оценивается также степень технического и экономического риска, определяемого возможными изменениями обстановки в будущем, располагаемыми и потенциально возможными уровнями техники и технологии, организационными и техническими возможностями предполагаемых разработчиков комплекса.

Естественно, что большинство моделей, описывающих на этом этапе проектирования функционирование комплекса и его взаимодействие с внешней средой, имеют вероятностно-статистический, эмпирический характер, т. е. отражают предыдущий (часто субъективный) опыт разработчиков ТЗ, построены на основе неполной или недостаточно верной информации и не дают возможности оценить события с достаточной степенью достоверности. В такой ситуации решения принимаются на основе неоптимального компромисса - соглашения на основе взаимных уступок. Несмотря на то, что разработанное таким образом ТЗ должно в последующем уточняться, этап «внешнего» проектирования является весьма ответственным, необходимым и обязательным, поскольку дает исходные данные для углубленной проработки ЛА на следующих этапах проектирования. На этапе «внутреннего» проектирования решаются следующие задачи:

- анализ ТЗ и выбор концепции ЛА;

- разработка технического предложения (аванпроект);

- эскизное проектирование;

- разработка технического (рабочего) проекта;

- изготовление наземных испытательных стендов;

- производство опытного экземпляра ЛА.

В частности, при проектировании гидросистемы самолета необходимо удовлетворять всем требованиях, сформулированным в АП-25 (см.п.2.1). Проектирование ГС начинается на этапах разработки технического предложения и эскизного проектирования, когда уже предварительно определены:

- аэродинамическая компоновка ЛА;

- максимальная взлетная масса;

- силовая установка;

- механизация крыла и др.

Эти данные позволяют сформировать облик гидравлической системы проектируемого ЛА:

- определить количество независимых ГС (по числу двигателей, а также, используя ММ теории надежности, решить задачу резервирования систем для достижения заданного уровня надежности);

- выбрать тип блока питания (с насосами постоянной или переменной подачи);

- выбрать тип системы обеспечения бескавитационного режима работы насосов (открытая, закрытая или полузакрытая);

- составить перечень функциональных подсистем и сгруппировать их по признаку опасности последствий.

Результатом данной работы является создание структурной и функциональной схемы гидросистемы проектируемого ЛА.

Прежде чем говорить о схемах ГС современных самолетов необходимо ознакомиться с условными обозначениями, принятыми при изображении таких схем (см. Табл.1.2).

Таблица 1.2