CC BY
168УДК 629.7.014 ГРНТИ 78.21.53
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЖИВУЧЕСТИ САМОЛЕТА С ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ПЛАНЕРА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ
Д.В. КОВАЛЬЧУК
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
В статье обоснована необходимость создания методики оценки живучести самолета с высоконагруженными элементами планера из полимерных композиционных материалов в условиях воздействия по нему средств поражения в виде управляемых авиационных ракет класса «воздух-воздух» с осколочно-фугасной боевой частью неконтактного подрыва. Представлена структура методики, состав и содержание математических моделей, описывающих функционирование самолета в условиях воздействия по нему управляемых авиационных ракет. Акцентируется внимание на необходимости получения и учета факторов, во многом определяющих характер боевых повреждений и живучесть высоконагруженных конструкций планера самолета из полимерных композиционных материалов, находящегося в условиях воздействия управляемых авиационных ракет. Представлены некоторые результаты моделирования, отражающие работоспособность разработанных моделей.
Ключевые слова', живучесть самолета, полимерные композиционные материалы, средства поражения, управляемые авиационные ракеты, математическое моделирование.
THE MAIN CoNTENT of THE METHoDoLoGY For ASSESSING THE AIRCRAFT
survivability with composite airframe high-load elements when exposed to weapons
D.V. KOVALCHUK
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
The article substantiates the need to create a methodology for assessing the aircraft survivability with polymer composite airframe high-load elements under the influence of destruction weapons in the form of guided air-to-air missiles with a high-explosive warhead of non-contact detonation. The methodology structure, the composition and content of mathematical models describing the operation of the aircraft under the guided missiles influence on it are presented. Attention is focused on the need to obtain and take into account factors that largely determine the nature of combat damage and survivability of highly loaded airframe structures made of polymer composite materials under the influence of guided aircraft missiles. Some simulation results are presented that reflect the developed models performance.
Keywords: aircraft survivability, polymer composite materials, weapons of destruction, guided aircraft missiles, mathematical modeling.
Введение. В последние годы наблюдается повышение интереса к характеристикам живучести авиационных комплексов как в теоретическом, так и в практическом плане, что вызвано расширением боевых возможностей современных самолетов и приводит к повышению затрат на их разработку и особенно на эксплуатацию.
Под живучестью сложной технической системы понимается ее способность выполнять предписанные ей функции после повреждения или разрушения отдельных ее элементов при действии внезапных экстремальных (как правило, нерасчетных) внешних воздействий. Для боевого самолета таким внешним воздействием может быть применение по нему авиационных средств поражения различного типа, и при этом оперируют проявлением его боевой живучести как способности продолжить выполнение задания после состоявшегося воздействия средств поражения при наличии боевых повреждений [1]. Это одно из ключевых эксплуатационных свойств самолета, определяющих его выживаемость в целом. Поэтому важно иметь научно-методический аппарат, который бы позволял получать результаты, позволяющие исследовать это свойство, оценивать его количественно и разрабатывать практические рекомендации проектировщику с точки зрения обеспечения боевой живучести самолетов.
Актуальность. Современный боевой самолет наделен высокими показателями технических и тактических свойств, расширяющих его боевые возможности (сверхзвуковая крейсерская скорость, значительная боевая нагрузка, размещенная во внутренних объемах самолета, малая радиолокационная заметность, высокая маневренность во всем диапазоне высот, скоростей полета и перегрузок, высокоавтоматизированность процесса управления). Однако особое внимание обращают на себя показатели его живучести, определяемые характером боевых повреждений элементов планера, проявляющиеся в условиях воздействия средств поражения. На современном уровне это вызвано резко изменившейся конструкционной структурой самолета, определяемой широким применением полимерных композиционных материалов (ПКМ) в высоконагруженных элементах планера. Под высоконагруженными элементами планера понимаются компоненты основной несущей конструкции (крыла, оперения, фюзеляжа) самолета, находящиеся в условиях однопутного нагружения от внешних эксплуатационных нагрузок, критическое повреждение которых может привести к аварийной или катастрофической ситуации [2]. Такими конструкциями стали силовые панели кессона вертикального оперения самолета МиГ-35, крыла и фюзеляжа самолета Су-57, и такая масштабность применения ПКМ была не свойственна самолетам предыдущих поколений (рисунок 1).
Рисунок 1 - Применение полимерных композиционных материалов в конструкции планера истребителей
В качестве ПКМ, применяющихся для изготовления высоконагруженных элементов планера, используются, как правило, углепластики, представляющие собой композиты на
основе высокопрочных углеродных непрерывных волокон с полимерном матрицей в виде эпоксидных смол. Однонаправленные слои углепластика, уложенные друг относительно друга под определенными углами, образуют конструкцию, обладающую более высокими удельными прочностными и жесткостными характеристиками по отношению к большинству металлических сплавов [3]. Однако такие материалы обладают ярко выраженной анизотропией физико-механических свойств.
Проведенные экспериментальные исследования в области оценки характеристик боевой повреждаемости тонкостенных самолетных конструкций из ПКМ показали существенную зависимость площадей и форм видимой и особенно подповерхностной части боевых повреждений от углов и скоростей подхода поражающих элементов (ПЭ) управляемых авиационных ракет. Так, например, на рисунке 2 показан характер боевых повреждений углепластиковой обшивки вертикального оперения самолета МиГ-29, полученный в результате натурных обстрелов в условиях отсутствия предварительного нагружения, с обозначенными зонами видимых и подповерхностных частей повреждений при углах подхода ПЭ в 45 и 60 градусов. Отмечается, что границы и формы площадей подповерхностных повреждений, определенные импедансным методом неразрушающего контроля, могут достигать до 80 % от видимой их части в зависимости от кинематических характеристик ПЭ в момент воздействия. Такой характер разрушения присущ конструкциям с проявляющейся анизотропией физико-механических свойств.
Рисунок 2 - Характер боевых повреждений конструкций из полимерных композиционных материалов
Поэтому оценка показателей живучести самолета, определяемая стойкостью высоконагруженных элементов силовой конструкции планера из ПКМ, в условиях воздействия управляемых авиационных ракет, должна учитывать зависимость характера получаемых боевых повреждений от случайных условий встречи с ПЭ. При этом необходимо учитывать влияние внешнего эксплуатационного нагружения и совокупности конструктивных факторов, определяющих структуру самих ПКМ (тип ПКМ, схемы его армирования, роли конструктивного элемента в рамках силовой схемы).
Таким образом, широкое применение ПКМ в высоконагруженных элементах планера стало одним из факторов, определяющим конструкцию современного самолета и позволяет реализовывать заданные к нему требования тактических свойств за счет использования прочностных и жесткостных характеристик композитов. Однако влияние указанных выше факторов на живучесть самолета с высоконагруженными конструкциями из ПКМ при наличии боевых повреждений в настоящее время еще недостаточно изучено. Пренебрежение этими свойствами или необоснованная констатация их количественных показателей при оценке эффективности функционирования авиационного комплекса может привести к тому, что априорно обладающий высокими боевыми возможностями самолет на самом деле будет находиться на земле в ожидании ремонта из-за наличия боевых повреждений в элементах основной силовой конструкции планера из ПКМ.
Существующий научно-методический аппарат по оценке боевой живучести самолетов [1], а также оценки эффективности авиационных средств поражения при действии по воздушным целям [4] предполагает решение задачи определения их поражения методами статистического моделирования при наведении управляемой авиационной ракеты с последующей оценкой степени уязвимости самолетных систем. При этом считается, что все попавшие в конструкцию ПЭ имеют скорость соответствующую начальной при вылете из боевой части (БЧ), осколочное поле имеет форму шара, а вектора скорости ракеты и самолета в момент подрыва БЧ имеют одинаковое направление. Таким образом, требуется разработка математических моделей учитывающих влияние собственной скорости самолета на скорости и углы встречи ПЭ с различными его агрегатами, в зависимости от углов подхода ракеты к самолету, а так же особенности формирования осколочных полей, образованных при подрыве БЧ. Эти факторы во многом определяют характер боевых повреждений конструкций из ПКМ, что необходимо учитывать при оценке живучести самолета в целом.
Поэтому необходима методика оценки живучести самолета с высоконагруженными элементами планера из ПКМ с учетом определения влияния скоростей и углов подхода ПЭ средств поражения на характеристики боевых повреждений с последующей оценкой стойкости конструкции в условиях действия эксплуатационного нагружения.
Эта методика должна позволять определять вероятность непоражения самолета с ПКМ в
высоконагруженных элементах планера Опкм при условии наличия различных по параметрам боевых повреждений Р с учетом возможного изменения прочности Д1 этих конструкций по отношению к текущей Д, характеризуемой величиной действующих напряжений от эксплуатационного нагружения пу1 (рисунок 3)
О пкм = axgmax Р
(I- д|| <з)\а
где 8 - область значений, в пределах которой обеспечивается заданная прочность конструкции с боевыми повреждениями, в том числе и за счет наличия запасов по прочности.
Пу1 Пу
Рисунок 3 - Графическая интерпретация задачи исследования
Такая оценка должна проводиться как по состоянию (непосредственно после воздействия), так и по итогам выполнения всех последующих этапов боевого задания (т.е. с учетом изменения режимов полета и оценкой прочности конструкции с повреждениями).
В соответствии с поставленной задачей на рисунке 4 представлена общая структурная схема методики оценки живучести самолета с применением ПКМ в основной силовой конструкции планера.
Поставленная задача подлежит декомпозиции и подразумевает разработку: комплекса имитационных математических моделей динамики управляемого полета самолета и управляемой авиационной ракеты с учетом реализации соответствующего метода ее наведения, функционирования неконтактной БЧ, воздействия по конструкции планера ПЭ с определением фактов их попадания и кинематических характеристик в момент встречи;
имитационной модели конструкции самолета, отвечающую параметрам его аэродинамической компоновки и отражающей его силовую структуру;
имитационной модели формирования напряженно-деформированного состояния элементов планера самолета с высоконагруженными конструкциями из ПКМ в условиях статического расчетного (предельного по прочности) случая нагружения;
модели оценки характеристик остаточной прочности при наличии боевых повреждений конструкции из ПКМ в условиях высокоскоростного воздействия ПЭ средств поражения;
статистической математической модели оценки показателей живучести самолета в условиях состоявшегося воздействия по нему управляемой авиационной ракеты с возможностью определения его состояния с учетом стойкости конструкций из ПКМ.
Рисунок 4 - Структурная схема методики оценки живучести самолета с высоконагруженными элементами планера
из полимерных композиционных материалов
Структура модели воздействия управляемой авиационной ракеты по самолету.
Совместное решение уравнений динамики полета самолета и управляемой авиационной ракеты относительно земной системы координат приводит к возможности получения их кинематических характеристик в момент срабатывания неконтактного взрывателя. Структурная схема такой модели приведена на рисунке 5.
В состав модели входят:
имитационная модель динамики полета самолета с комплексной системой управления;
имитационная модель динамики полета управляемой авиационной ракеты, наводимой на цель по методу пропорциональной навигации;
имитационная модель функционирования неконтактного взрывателя ракеты.
Начальные условия для модели самолета
Начальные условия для модели ракеты
Настройка модели
Рисунок 5 - Структурная схема модели динамики полета системы «самолет-ракета»
Статистическое решение этой задачи позволяет в зависимости от начальных условий сформировать массив координат возможных точек подрыва БЧ относительно центра масс самолета при нахождении ракеты в зоне возможных пусков (рисунок 6). При этом определяется статистическая вероятность попадания БЧ ракеты в зону нанесения самолету ущерба как отношение количества результативных наведений к общему числу смоделированных реализаций.
наведение ракеты на самолет массив координат точек подрыва БЧ ракеты
Рисунок 6 - Результаты моделирования наведения управляемой авиационной ракеты на самолет
Определяющими параметрами, получаемыми при моделировании, являются кинематические характеристики системы «самолет-ракета» в момент, предшествующий срабатыванию неконтактного взрывателя.
Структура моделей конструкции самолета и боевой части средства поражения.
Для оценки кинематических характеристик попавших в конструкцию ПЭ из состава БЧ, образовавшихся при ее подрыве, формализуются математические модели самолета и разлета ПЭ (рисунок 7). Модель самолета представляет собой интеграцию возможностей твердотельного и поверхностного описания объектов. Современные прикладные программные средства твердотельного моделирования (например, Autodesk Inventor, Compas 3D и т.п.) позволяют при наличии конструкторской документации создавать модели, наиболее полно и всесторонне отвечающие параметрам реальной конструкции. Поверхностное представление твердотельной модели образует полигональную (геометрическую) модель самолета с возможностью ее математического описания массивом координат вершин полигонов относительно связанной с центром масс самолета системой координат.
Рисунок 7 - Структурная схема модели функционирования БЧ управляемой авиационной ракеты и результаты ее воздействия при попадании ПЭ в элементы планера модели самолета
Статистическая модель разлета ПЭ из состава БЧ позволяет реализовывать осесимметричное осколочное поле в зависимости от кинематических характеристик системы «самолет-ракета», определять скорости и углы подхода каждого ПЭ из состава БЧ относительно центра масс самолета с учетом действия на них аэродинамических сил лобового сопротивления (¥х, ¥у, ^) . Исходными данными при этом являются начальные скорости разлета ПЭ (Ух, Уу, У2),
диапазоны углов разлета и их количество в БЧ, а так же геометрические размеры ПЭ, его форма и масса (рисунок 7).
Таким образом, комплексная работа математических моделей функционирования системы «самолет-ракета» позволяет определять характеристики встречи каждого ПЭ (скорость, углы подхода, координаты точек попадания) с конструкцией планера самолета (таблица 1). Из данных таблицы 1 видно, что кинематические характеристики ПЭ в момент встречи с одним и тем же элементом конструкции, выпущенные из одной БЧ средства поражения могут существенно отличаться, а значит приводить к разной степени нанесенного ущерба.
Таблица 1 - Кинематические характеристики ПЭ БЧ в момент встречи с конструкцией планера самолета (некоторые данные по левому килю)
Координаты точек попадания ПЭ относительно центра масс самолета, м Угол подхода ПЭ к конструкции,град Скорость ПЭ в момент встречи с конструкцией, м/с
X у z
-3,91 2,02 -1,77 83,5 2094
-4,53 0,6 -1,62 59,2 2146
-4,81 1,92 -1,73 32,2 1823
Подход к оценке прочности конструкций из ПКМ и живучести самолета при наличии боевых повреждений. Характер боевых повреждений определяет реакцию конструкции планера из ПКМ на действие поражающего фактора средства поражения и способствует оценке ее стойкости.
Сложность строения и многообразие механизмов разрушения композитов, кратковременность протекания процесса высокоскоростного удара, высокая стоимость и трудоемкость главным образом баллистических экспериментов приводит к необходимости применения расчетных методов, в частности, метода конечных элементов (МКЭ) (например, МКЭ пакет прикладных программ ANSYS и др.).
Здесь важно отметить, что центральным вопросом в процессе практического использования методов конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния полимерных анизотропных конструкций является вопрос корректного выбора моделей деформирования и разрушения материалов, а также назначения или определения соответствующих параметров выбранных моделей, число которых может измеряться десятками.
Эта процедура, как правило, производится на основании тестирования разработанных моделей материалов с данными экспериментальных исследований [5]. Например, на рисунке 8 показаны условия и результаты численных экспериментов по оценке характера боевого повреждения композиционной панели с заданными характеристиками монослоя и схематизации их укладки в конструкции (рисунок 8 а). Исходными данными при этом являются результаты накрытия конструкции самолета высокоскоростным полем ПЭ (таблица 1), модель композиционной панели - слоистая, что позволяет формировать картину, в том числе и подповерхностного разрушения при различных кинематических характеристиках встречи с ПЭ (рисунок 8 б). Из данных рисунка 8 в видно, что при прочих равных условиях площадь повреждения с учетом подповерхностных разрушений конструкции в зависимости от угла подхода изменятся более чем в 2 раза.
Такие расчетные эксперименты позволяют получить широкий статистический материал зависимости площади повреждения конструкции из ПКМ от кинематических характеристик встречи с ПЭ (углов апэ и скоростей подхода ПЭ Гпэ), упруго-прочностных и геометрических
характеристик панели и использовать его для оценки стойкости конструкций из ПКМ по отношению к воздействию ПЭ БЧ средств поражения.
а) схематизация ПКМ б) характер повреждения в) результаты моделирования
Рисунок 8 - К расчетным исследованиям боевой повреждаемости композиционных конструкций
Для формирования выводов о стойкости конструкций из ПКМ и планера самолета в целом при наличии боевых повреждений необходимо исследовать характер напряженно-деформированного состояния таких конструкций в зависимости от случая нагружения, характерного для эксплуатации самолета данного типа. При этом задача сводится к
определению прочности конструкции в условиях действия потока ПЭ, с присущими каждому из них уникальными кинематическими характеристиками и определением вероятности непоражения самолета в виде [ 1]
О П
I 1,0 при ^повр < ^ 10 при £повр * ^
где £повр - суммарная площадь повреждения конструкции из ПКМ с учетом накопления ущерба от множественных попаданий ПЭ с разными кинематическими характеристиками встречи и определяющая характер действующих напряжений в поврежденной конструкции &повр ; £к> -
критическая минимальная площадь поврежденной поверхности конструкции из ПКМ потоком ПЭ, которая необходима для ее поражения в условиях действия расчетного случая нагружения, характеризуемого величиной расчетных напряжений & .
Необходимо отметить, что процесс накрытия и распределения потока ПЭ по конструкции самолета носит случайный характер. Кроме того, значения внешних нагрузок, действующих на элементы планера самолета на различных режимах полета, будут разными. Поэтому параметр критической минимальной площади разрушения конструкции из ПКМ будет непостоянен и требует его определения для основных расчетных по прочности случаев нагружения самолета в полете [1].
На рисунке 9 приведены результаты конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния модели конструкции киля самолета, силовой кессон которого выполнен из ПКМ с типовой по высоте схематизацией укладки монослоев углепластика. Условие нагружения соответствует полету на числе М=1 с нормальной перегрузкой пу = 7,5.
Определены зоны с наибольшей величиной действующих напряжений, которые сопоставлены с данными статических испытаний конструкции киля под тот же случай нагружения.
Рисунок 9 - Напряженное состояние высоконагруженной конструкции из ПКМ
На рисунке 10 приведены зависимости снижения прочности конструкции с повреждениями в зависимости от толщин типовых панелей кессона и размеров площадей боевых повреждений, полученных с учетом влияния на них скоростей и углов подхода ПЭ средств поражения.
Данные рисунка 10 показывают, что помимо условий встречи ПЭ и конструкции важным фактором, определяющим стойкость конструкций из ПКМ при наличии боевых повреждений, является величина действующих напряжений с повреждениями <г , степень роста которых
более интенсивна в корневых сечениях киля (действует больший изгибающий момент), несмотря на большие толщины панелей из ПКМ.
Рисунок 10 - Изменение прочности кессона при наличии боевых повреждений
Выводы. В статье изложено основное содержание методики оценки живучести самолета с высоконагруженными элементами планера из полимерных композиционных материалов в условиях воздействия по нему средств поражения - управляемых авиационных ракет с осколочно-фугасной боевой частью класса «воздух-воздух» с неконтактными взрывателями. Математические и имитационные модели, входящие в ее состав, позволяют производить моделирование воздействия средств поражения по самолету с оценкой характера боевых повреждений конструкций из ПКМ в зависимости от скоростей, углов подхода ПЭ БЧ к элементам планера, а также типа и структуры применяемых композитов. С учетом этого, моделирование напряженно-деформированного состояния элементов планера в условиях воздействия ПЭ средств поражения дает возможность оценивать стойкость высоконагруженных элементов планера из полимерных композиционных материалов и классифицировать состояние самолета с точки зрения его боевой живучести.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болховитинов О.В., Вольнов И.И., Захарченко В.С., Калашников В.И., Константинов С.Д., Михалев Г.Е., Павлов С.Н., Подоляк М.П., Румянцев С.С., Хайров А.М. Конструкция и
прочность летательных аппаратов: учебник для вузов ВВС / под ред. Болховитинова О.В. М.: ВВИЛ им. проф. Н.Е. Жуковского, 2004. 678 с.
2. Методы Определения Соответствия к ЛП 25.571 «Обеспечение безопасности конструкции по условиям прочности при длительной эксплуатации». Директивное письмо № 5-96 авиационного регистра межгосударственного авиационного комитета от 30.12.1996 г. 29 с.
3. Композиционные материалы: Справочник. В.В. Васильев, В. Д. Протасов, В.В. Болотин и др. / под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнапольского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
4. Миропольский Ф.П., Пырьев Е.В., Головенкин В.В., Хрулин С.В. Лвиационные боеприпасы: Учебник для слушателей и курсантов высших военно-учебных заведении ВВС / под. ред. Миропольского Ф.П. М.: ВУНЦ ВВС «ВВЛ им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.Л. Гагарина», 2010. 407 с.
5. Гришин В.И., Дзюба Л.С., Дударьков Ю.И. Прочность и устойчивость элементов и соединений авиационных конструкций из композитов. М.: Издательство физико-математической литературы, 2013. 272 с.
REFERENCES
1. Bolhovitinov O.V., Vol'nov I.I., Zaharchenko V.S., Kalashnikov V.I., Konstantinov S.D., Mihalev G.E., Pavlov S.N., Podolyak M.P., Rumyancev S.S., Hajrov A.M. Konstrukciya i prochnost' letatel'nyh apparatov: uchebnik dlya vuzov VVS / pod red. Bolhovitinova O.V. M.: VVIA im. prof. N.E. Zhukovskogo, 2004. 678 p.
2. Metody Opredeleniya Sootvetstviya k AP 25.571 «Obespechenie bezopasnosti konstrukcii po usloviyam prochnosti pri dlitel'noj 'ekspluatacii». Direktivnoe pis'mo № 5-96 aviacionnogo registra mezhgosudarstvennogo aviacionnogo komiteta ot 30.12.1996 g. 29 p.
3. Kompozicionnye materialy: Spravochnik. V.V. Vasil'ev, V. D. Protasov, V.V. Bolotin i dr. / pod obsch. red. V.V. Vasil'eva, Yu.M. Tarnapol'skogo. M.: Mashinostroenie, 1990. 512 p.
4. Miropol'skij F.P., Pyr'ev E.V., Golovenkin V.V., Hrulin S.V. Aviacionnye boepripasy: Uchebnik dlya slushatelej i kursantov vysshih voenno-uchebnyh zavedenii VVS / pod. red. Miropol'skogo F.P. M.: VUNC VVS «VVA im. prof. N.E. Zhukovskogo i Yu.A. Gagarina», 2010. 407 p.
5. Grishin V.I., Dzyuba A.S., Dudar'kov Yu.I. Prochnost' i ustojchivost' 'elementov i soedinenij aviacionnyh konstrukcij iz kompozitov. M.: Izdatel'stvo fiziko-matematicheskoj literatury, 2013. 272 p.
© Ковальчук Д.В., 2020
Ковальчук Дмитрий Владимирович, адъюнкт, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.Л. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54Л, [email protected].
g' и
