Prezentacja - Politechnika Poznańska

Tadeusz Andrzej OPARA
Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki
Politechnika Radomska im. Kazimierza Pułaskiego
ZWIĘKSZENIE ODPORNOŚCI CIEPLNEJ I MECHANICZNEJ
REJESTRATORÓW LOTNICZYCH
POPRZEZ ZASTOSOWANIE OSŁON ABLACYJNYCH
Rozwój Techniki, Technologii i Transportu w Lotnictwie
Politechnika Poznańska, 17-18 września 2012
Barograf samolotu Charlesa Lindbergha
Spirit of St. Louis
Kaseta rejestratora informacji K12-51G1M
(MiG 21)
REJESTRATORY PIERWSZEJ GENERACJI
- zapis mechaniczny na cienkich metalowych foliach
(przesuw 6 cali/godz., ~ 15 cm/godz., odporność folii
na wysokie temperatury, dzięki duŜej zawartości niklu)
- zapis optyczny na papierze światłoczułym
lub kliszy, (łatwopalne, wraŜliwe na prześwietlenie)
- zapis magnetyczny na metalowej folii lub drucie:
(kąt kursowy, pułap, prędkość lotu, prędkość
wznoszenia/opadania, zapis dźwięku z kabiny),
zakres działania do temperatury Curie TC.
Temperatura Curie ferromagnetyków:
Co
Fe
Fe2B
FeOFe2O3
- 1388 K
- 1043 K
- 1015 K
- 858 K
(1115 °C),
(770 °C),
(742 °C),
(585 °C).
1957 – wprowadzono obowiązek montaŜu
rejestratorów parametrów lotu
(lotnictwo wojskowe i komunikacyjne)
David Warren – konstruktor
rejestratora z zapisem magnetycznym
Flight Memory Recorder (1956 r.)
01.08.1958 – określono wymagania
techniczne dla lotniczych urządzeń
rejestrujących (CAA, FAA)
REJESTRATORY DRUGIEJ GENERACJI
Rejestrator typu CVR
(Cockpit Voice Recorder)
Wnętrze rejestratora pokładowego
BUR-1
Wnętrze magnetofonu pokładowego
MARS – BM
REJESTRATORY
TRZECIEJ GENERACJI
Rejestrator półprzewodnikowy
trzeciej generacji typu SSFDR
(Solid State Flight Data Recorder)
moduł
kompresji
danych
interfejs
pokładowy
izolacja
termoochronna
stalowa
obudowa
zewnętrzna
lokalizator
podwodny
blok akwizycji
interfejs pamięci
pamięć katastroficzna
Rejestrator parametrów lotu S2-3a
(ITWL)
(TS-11 „Iskra”,PZL-130 „Orlik”, SW-4)
REJESTRATORY SZYBKIEGO DOSTĘPU
QAR (Quick Access Recorder)
Rejestrator szybkiego dostępu ATM-QR4
naziemny
system
deszyfracji
wyświetlacz
wielofunkcyjny
wskaźnik
przezierny
wyświetlacz
w hełmie pilota
WIDEOREJESTRATORY
Poszerzenie zakresu kontroli nad przebiegiem
lotu poprzez rejestrację obrazu:
- powierzchni sterowych,
- elementów silnika i zespołu napędowego,
- podwozia,
- tablicy przyrządów w kabinie pilotów,
- wnętrza kabiny załogi oraz pasaŜerów.
REJESTRATORY ODŁĄCZALNE
kamera
Po oddzieleniu od samolotu stają się
autonomicznym obiektem szybującym.
i muszą mieć:
- sprawniejszy układ lokalizacji,
- dodatnią pływalność
- moŜliwość lądowania z odpowiednio
zredukowaną prędkością.
System rejestracji obrazu samolotu F-16
Rejestratory lotnicze przeznaczone są do zapisu podstawowych parametrów
lotu i eksploatacyjnych parametrów pracy zespołów statku powietrznego,
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),
- obrazu DVR (Digital Video
Recorder),
- parametrów lotu FDR (Flight Data Recorder),
- robocze i eksploatacyjne,
- szybkiego dostępu QAR (Quick Access Recorder),
- specjalne.
- dźwięku CVR (Cockpit Voice Recorder),
REJESTRATORY LOTNICZE
RODZAJ
PARAMETRÓ
PARAMETRÓW
PRZEZNACZENIE
METODA
REJESTRACJI
PARAMETRÓ
PARAMETRÓW
REJESTRATORY
PARAMETRÓ
PARAMETRÓW
LOTU FDR
DO BADAŃ
BADAŃ SP
W LOCIE
MECHANICZNA
katastroficzne
eksploatacyjne
DO ANALIZY
PRZYCZYN
WYPADKÓ
WYPADKÓW
LOTNICZYCH
MAGNETOMAGNETOELEKTRYCZNA
OPTYCZNA
MAGNETYCZNA
REJESTRATORY
DŹWIĘ
WIĘKU
CVR
DO
OBIEKTYWNEJ
KONTROLI
PILOTAŻ
PILOTAŻU
bezpośrednia
z modulacją
częstotliwości
REJESTRATORY
OBRAZU
DVR
z modulacją fazy
REJESTRATORY
SPECJALNE
z modulacją
szerokości
impulsów
medyczne
specjalne
cyfrowa
RADIOTELE
RADIOTELE METRYCZNA
PÓŁPRZEWODPRZEWODNIKOWA
Klasyfikacja rejestratorów lotniczych
Rejestratory pokładowe eksploatowane SP RP
nazwa
typ
rejestratora
sposób
zapisu
rodzaj
nośnika
ilość
rejestrowanych
parametrów
długość
zapisu
typy
statków
powietrznych
Spidobarograf
K-3-63
mechaniczny
analogowy
taś
taśma
papierowa
3 analogowe
2h
TSTS-11 „Iskra”
Iskra”
MiMi-8
SARPP-12
fotooptyczny
analogowy
błona
fotograficzna
6 analogowych
9 binarnych
5h
TSTS-11 „Iskra”
Iskra”
SuSu-22
cyfrowy
taś
taśma
magnetyczna
48 analogowych
(96 awaryjny)
32 binarne
(64 awaryjny)
12.5 h
MiMi-8
MiMi-2
34 analogowe
4 czę
częstotliwoś
stotliwościowe
32 binarne
3h
(ostatnie)
MiGMiG-29
MSRP-256
magnetyczny
TESTER-U3
magnetyczny
cyfrowy
taś
taśma
magnetyczna
BUR-1-2
magnetyczny
cyfrowy
taś
taśma
magnetyczna
20 analogowych
45 binarnych
50 h
(ostatnich)
W3WA
“Sokó
Sokół”
S2-3a
półprzewodnikowy
cyfrowy
pamięć
pamięć
półprzewodnikowa
22 analogowe
48 binarnych
12 h
(ostatnich)
TSTS-11 „Iskra”
Iskra”
PZLPZL-130 „Orlik”
Orlik”
SWSW-4
cyfrowy
pamięć
pamięć
półprzewodnikowa
16 analogowych
8 binarnych
5 kanał
kanałów cyfrowych
100 h
SuSu-22 M4
MigMig-29
PZLPZL-130 ”Orlik”
Orlik”
ATM-QAR
półprzewodnikowy
OCHRONA URZĄDZEŃ REJESTRUJĄCYCH
Urządzenia pokładowe wojskowych SP eksploatowanych w krajach NATO
muszą spełniać wymagania normy środowiskowej MIL-STD-810
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,
- pleśń i inne grzyby,
- pułap lotu,
- oddziaływanie piasku i kurzu,
- wilgotność,
- atmosferę wybuchową,
- zasolenie,
- krótkotrwały impuls energetyczny,
- wibracje,
- uderzenie pioruna,
- oblodzenie,
- wyładowanie elektrostatyczne.
oraz sprawdzenie takich ich właściwości jak:
- udarność eksploatacyjna,
- dopuszczalne bezpieczne obciąŜenie udarowe,
- wodoodporność,
- odporność na oddziaływanie cieczy niebezpiecznych.
ODDZIAŁYWANIE
WYSOKOTEMPERATUROWEGO
STRUMIENIA CIEPLNEGO
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.
Rejestratory parametrów lotu S2-3a
Norma
TSO
wprowadzenia
Typ
C 51
08.1958
FDR
1100 °C przez 30 min.
pokrycie pow. 50%
C 84
11.1963
CVR
1100 °C przez 30 min.
pokrycie pow. 50%
C 51a
11.1966
FDR
1100 °C przez 30 min.
pokrycie pow. 50%
Rok
Odporność termiczna
1100 °C przez 30 min.
pokrycie pow. 100%
C 123
05.1990
FDR
260 °C przez 10 godzin
q = 134 kW/m2
1100 °C przez 30 min.
pokrycie pow. 100%
C 124
02.1992
FDR
260 °C przez 10 godzin
q = 134 kW/m2
1100 °C przez 60 min.
pokrycie pow. 100%
C 124a
01.1996
FDR
260 °C przez 10 godzin
q = 134 kW/m2m2
1100 °C przez 30 min.
pokrycie pow. 100%
C 123a
ED 112
02.1996
CVR
03.2003
FDR
CVR
DVR
260 °C przez 10 godzin
q = 134 kW/m2
1100 °C przez 60 min.
pokrycie pow. 100%
260 °C przez 10 godzin
q = 134 kW/m2
Wymagania dotyczące odporności cieplnej
rejestratorów lotniczych według FAA
Q/A
4
3
C124a
ED112
2
C123a
1
C51
C84
C51a
C123
C124
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Ciepło przejmowane przez jednostkową powierzchnię obudowy rejestratora
dla kolejnych norm TSO (wartości względne - odniesione do normy C 51)
Właściwości termoochronne rejestratorów eksploatowanych w SP RP
Równanie róŜniczkowe nieustalonej wymiany ciepła Fouriera-Kirchhoffa
2
2
2

qv
∂t
1 ∂λ  ∂t   ∂t   ∂t  
∂ t ∂ t ∂ t
= a ⋅ 2 + 2 + 2  +
+
+
+
      
∂τ
∂y
∂z  ρ c p ∂t  ∂x   ∂y   ∂z   ρ c p
 ∂x
2
2
2
gdzie: t – temperatura, τ – czas, a – dyfuzyjność cieplna, ρ – gęstość,
cp – ciepło właściwe, λ – współczynnik przewodzenia ciepła,
qv– wydajność wewnętrznych źródeł ciepła.
Do opisu wymiany ciepła pomiędzy gazem i ciałem stałym potrzebna jest
znajomość współczynnika przejmowania ciepła α na granicy ośrodków oraz
rozkład temperatury gazu t = t(x,y,z).
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.
Opór właściwy przenikania ciepła
przez ściankę płaską wielowarstwową
δi 1
rkp = + ∑ +
α1 i =1 λi α2
1
n
Gęstość strumienia ciepła określa
prawo Pécelta
q=
t p1 − t p 2
rkp
W warunkach ustalonych temperatura
gazu za ścianką będzie miała wartość Przenikanie ciepła przez ściankę płaską
trójwarstwową
t p 2 = t p1 − q ⋅ rkp
śadne znane materiały konstrukcyjne nie mają oporu cieplnego rkp
o tak wysokiej wartości, by stanowić osłonę termiczną, redukującą
długotrwale temperaturę w zakresie ∆t = tp2 – tp1 = 1000 °C.
Rejestrator pokładowy BUR-1
Warstwa termoizolacyjna
Warstwa termoizolacyjna chroni przed skutkami oddziaływania strumienia cieplnego
o temperaturze 1100°C na 50 % powierzchni obudowy w czasie 15 minut.
Magnetofon pokładowy” MARS – BM
Warstwa termoizolacyjna
Warstwa termoizolacyjna chroni przed skutkami oddziaływania strumienia cieplnego
o temperaturze 1100°C na 50 % powierzchni obudowy w czasie 15 minut.
TERMOOCHRONNE ASPEKTY ABLACJI MATERIAŁOWEJ
„Ablatio” (łac.) oznacza „kradzieŜ”, „rabunek’; a takŜe „porwany”, „odjęty”.
Pojęcie ablacji pojawia się w róŜnych dziedzinach nauki:
- glacjologii,
- geologii,
- medycynie
- ablacja onkologiczna,
- ablacja kardiologiczna,
- inŜynierii powierzchni,
- fizyce (termodynamice)
160
t [°C]
140
p
120
100
w+p
80
60
40
w
20
0
0
l+w
500
1000
1500
2000
2500
3000
-20
Q [kJ]
-40
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:
J
kg ⋅ mol
J
g
s
g
g
H2 O( ) + C( ) → CO( ) +H2( ) − 131,3
kg ⋅ mol
J
(g)
CO2 + C(s) → 2CO( g ) −172
kg ⋅ mol
H2O( ) + SiO2( ) → SiO2( ) +H2O( ) −146,5
g
s
g
g
SiO 2( ) + C( ) → SiO( ) +CO( ) − 627,9
J
kg ⋅ mol
SiO2( ) + 3C( ) → SiC( ) +2CO( ) − 512,8
J
kg ⋅ mol
s
s
s
g
s
g
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 się
ciekła warstwa stopionego komponentu i zachodzą reakcje:
SiO 2( ) + Si ( ) → 2SiO ( ) − 614, 9
s
SiC ( s ) + 2SiO 2
l
(l )
g
J
kg ⋅ mol
→ 3SiO (s) + CO (g) − 1373,4
J
kg ⋅ mol
Grom
Zastosowania materiałów ablacyjnych
w technice rakietowej
osłona dyszy silnika rakietowego
wkładka dyszy
ruszt silnika rakietowego
Stabilizacja strumienia cieplnego
Rozkład temperatury w przekroju poprzecznym płomienia palnika acetylenowotlenowego: a) nieustabilizowanego, b) ustabilizowanego w „dziale ablacyjnym”
a)
b)
c)
h
Skutki oddziaływania strumienia cieplnego na próbkę:
a) nieustabilizowanego (oddziaływanie punktowe, bardzo erozyjne),
b i c) ustabilizowanego (zminimalizowane działanie erozyjne),
h – grubość warstwy ablacyjnej
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
b)
a)
c)
d)
Próby ablacyjne: a i b) przebieg próby, c i d) próbki po badaniach
Schemat fizycznego modelu ablacji
Parametry kompozytów polimerowych określane
w klasycznych badaniach ablacyjnych:
a) średnia szybkości ablacji va [µm/s],
b) ablacyjny (erozyjny) ubytek masy Ua [%];
c) temperatura tylnej powierzchni ścianki próbki ablacyjnej ts [oC].
Parametry mechaniczne polimerowych
kompozytów ablacyjnych:
a) wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa],
b) wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe τILSS [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 rejestatorów
w 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 pokojowej
utwardzaczami PAC lub Z-1 produkcji Z.Ch. Organika - Sarzyna S.A.
Modyfikatory Ŝywicy epoksydowej:
- glinokrzemian warstwowy,
- Bentonit Specjal Extra z 75% zawartością MMT montmorylonitu
wapniowego (Zakłady Górniczo-Metalowe Zębiec w Zębcu).
Wzmocnienie kompozytu:
tkanina aramidowa (kevlarowa) o gramaturze 470 g/m2,
tkanina szklana o gramaturze 300 g/m2.
Pełnoczynnikowa macierz planowania I rzędu typu 23 z powtórzeniami
j
1
2
3
4
5
6
7
8
x0
+
+
+
+
+
+
+
+
b0
x1
+
+
+
+
b1
x2
+
+
+
+
b2
x3
+
+
+
+
b3
x1x2
+
+
+
+
b12
x1x3
+
+
+
+
b13
x2x3
+
+
+
+
b23
x1x2x3
+
+
+
+
b123
yj
x1 - udział masowy włókna aramidowego odniesiony do sumy mas wzmocnień
włóknistych (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 ns PAC (+) i 13 ns Z-1(-);
Skład ośmiu próbek kompozytów
Włókno
aramidowe
Włókno
szklane
Udział MMT
w kompozycie
Utwardzacz
Nr próbki
Ilość
warstw
tkaniny
Poziom
kodowy
Ilość
Poziom
warstw
kodowy
tkaniny
[%]
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
+
Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa]
Maszyna wytrzymałościowa
ZWICK/ROELL Z100
Próbki kompozytów po statycznej
próbie 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
Konfiguracje stanowiska do badań udarowych
lp.
Energia
uderzenia
Masa
bijaka
Wysokość
1
450 J
41.65 kg
110 cm
2
900 J
61.5 kg
149 cm
Średnia wartość wytrzymałości próbki na zginanie w zależności
od składu fazowego po pochłonięciu energii 900 J
Bez próby udarowej
Po próbie udarowej
l.p.
Nr próbki
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
Uniwersalna, dodatkowa obudowa obudowa
termoochronna
Q/A
4
3
C124a
ED112
2
C123a
1
C51
C84
C51a
C123
C124
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Ciepło przejmowane przez jednostkową powierzchnię obudowy rejestratora
dla kolejnych norm TSO (wartości względne - odniesione do normy C 51)
48
Dziękuję za uwagę
e-mail: [email protected], tel.: 22 753-84-41