Научная статья на тему 'Особенности применения теплового метода неразрушающего контроля для обнаружения и оценки массы воды в сотовых панелях авиационной техники'

Особенности применения теплового метода неразрушающего контроля для обнаружения и оценки массы воды в сотовых панелях авиационной техники Текст научной статьи по специальности «Приборы неразрушающего контроля изделий и материалов»

CC BY
449
67
Поделиться

Аннотация научной статьи по приборостроению, автор научной работы — Нестерук Д. А., Вавилов В. П.

Приведены теоретические и экспериментальные результаты применения теплового метода неразрушающего контроля (инфракрасной термографии) для обнаружения воды в сотовых панелях авиационной техники в процессе эксплуатации. Показано, что тепловой контроль находит практическое применение в качестве скринингового метода, а количественная оценка скрытой воды по аномалиям поверхностного температурного поля требует дальнейших исследований.

Похожие темы научных работ по приборостроению , автор научной работы — Нестерук Д.А., Вавилов В.П.,

Текст научной работы на тему «Особенности применения теплового метода неразрушающего контроля для обнаружения и оценки массы воды в сотовых панелях авиационной техники»

стандартная энтальпия образования гексафторида серы. Это указывает на реализацию цепного процесса, инициируемого импульсным электронным пучком. При радиолизе смеси гексафторида серы с азотом импульсным электронным пучком не зафиксирована убыль азота. Поэтому источником энергии на разложение гексафторида серы была не

экзотермическая реакция синтеза трифторида азота, а другие экзотермические процессы. Вероятно, что наиболее существенный вклад в разложение гексафторида вольфрама вносит ионно-кластер-ный механизм цепной реакции. Наличие атомов серы и буферного газа (азота, гексафторида серы и др.) способствует формированию кластеров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Денисов Г.В., Новоселов Ю.Н., Ткаченко Р.М. Удаление оксидов азота из воздуха при воздействии микросекундного пучка электронов // Письма в ЖТФ. -1998. - Т. 24. - В. 4. - С. 52-56.

2. Денисов Г.В., Кузнецов Д.Л., Новоселов Ю.Н., Ткаченко Р.М. Конверсия оксидов серы и азота в воздухе под действием микросекундных пучков электронов // Журнал технической физики. -2002. - Т. 72. - В. 5. - С. 102-107.

3. Новоселов Ю.Н., Рыжов В.В., Суслов А.И. Цепной механизм инициирования реакций окисления углеводородов в низкотемпературной плазме // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24. -В. 19. -С. 40-43.

4. Власов В.А., Пушкарёв А.И., Ремнёв ГЕ., Сосновский С.А., Ежов В.В., Гузеева Т.И. Экспериментальное исследование и математическое моделирование восстановления фторидных соединений импульсным электронным пучком // Известия Томского политехнического университета. -2004. -Т. 307. - № 5. -С. 89-93.

5. Kondrat'ev N.A., Pushkarev A.I., Remnev G.E., Pushkarev M.A. Investigation of interaction pulse power electron beams with vapor

hexofluoride tungsten // Proc. of 3 Intern. Symp. on pulsed power and plasma applications. — Mianyang, China, 2002. — P. 323—325.

6. Ремнев Г.Е., Фурман Э.Г., Пушкарев А.И., Карпузов С.Б., Кондратьев Н.А., Гончаров Д.В. Импульсный сильноточный ускоритель с согласующим трансформатором // Приборы и техника эксперимента. —2004. — № 3. — С. 130—134.

7. Remnev G.E., Furman E.G., Pushkarev A.I., Kondratiev N.A., Goncharov D.V. High-current pulsed accelerator with matched transformer: construction and exploitation characteristics // IEEJ Transactions on fundamentals and materials. — 2004. — V. 124. — № 6. —P. 491—495.

8. Пушкарев А.И., Пушкарев М.А., Жуков Л.Л., Суслов А.И. Измерение диссипации энергии электронного пучка в плотном газе малоинерционным дифференциальным датчиком давления // Известия вузов. Физика. —2001. — № 7. — С. 93—97.

9. Пушкарев А.И., Пушкарев М.А., Ремнев Г.Е. Исследование звуковых волн, генерируемых при поглощении импульсного электронного пучка в газе // Акустический журнал. — 2002. — Т. 48. — № 2. —С. 260—264.

УДК 620.179.13

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНКИ МАССЫ ВОДЫ В СОТОВЫХ ПАНЕЛЯХ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Д.А. Нестерук, В.П. Вавилов

НИИ интроскопии при Томском политехническом университете E-mail: nesteruk@introscopy.tpu.ru

Приведены теоретические и экспериментальные результаты применения теплового метода неразрушающего контроля (инфракрасной термографии) для обнаружения воды в сотовых панелях авиационной техники в процессе эксплуатации. Показано, что тепловой контроль находит практическое применение в качестве скринингового метода, а количественная оценка скрытой воды по аномалиям поверхностного температурного поля требует дальнейших исследований.

Введение

В отечественных самолетах нового поколения широко используют сотовые конструкции (металлические и композиционные), которые обладают высокими прочностными характеристиками при малой массе [1]. Однако первые годы эксплуатации самолетов с сотовыми панелями (ИЛ-86, ИЛ-96, ТУ-204, ЯК-42) выявили возможность появления существенного эксплуатационного дефекта, а именно накопления воды в ячейках сот за счет конденсации и прямого проникновения атмосферной влаги. В первую очередь, сказанное относится к самолетам ТУ-204, которые идут на смену устаревшим отечественным лайнерам ТУ-154. Наличие

значительной массы воды в сотовых панелях приводит не только к увеличению взлетной массы, но, главным образом, к ухудшению свойств клеевых соединений и возможному разрушению конструкций. В процессе полета и посадки вода претерпевает фазовые превращения, поскольку температура за бортом самолета изменяется от -50 до +50 °С. Увеличение объема воды при замерзании может вызвать разрушение ячеек сотовых конструкций, кроме того могут ухудшаться сцепные свойства клея, при помощи которого ячейки крепятся к несущим панелям. Наличие воды приводит также и к утяжелению сотовой конструкции, что увеличивает взлетный вес и сказывается на прочности панелей. Следует заметить, что сотовые конструкции использу-

ют в ответственных узлах самолетов: элеронах, закрылках, рулях высоты и направления. Только в течение последнего года произошло два инцидента с российским самолетами ТУ-204, сопровождавшихся разрушением в воздухе руля высоты, причем, по мнению экспертов, именно наличие воды в сотах явилось одним из факторов разрушающего воздействия. Возможность накопления воды в сотах и степень серьезности этого вида дефектов фактически не была предусмотрена конструкторами, поэтому до сих пор отсутствует приемлемая технология его диагностики и "лечения".

Сотовые панели представляют собой две обшивки, между которыми находится ячеистая сотовая структура, состоящая из соединенных профилированных листов, образующих замкнутые ячейки квадратной или шестигранной формы. В конструкциях с несущими слоями из алюминиевого сплава материалом заполнителя обычно служит алюминиевая фольга (или бумага типа Nomex), соединяемая с несущими слоями при помощи клея. Толщина обшивки из дюралюминиевых листов составляет 0,5.. .1,5 мм, типичная толщина самих сот из алюминиевой фольги сот - 0,1 мм. Такие конструкции использованы в российских самолетах последнего поколения ИЛ-76, ИЛ-86 и др., а также в европейских аэробусах А-310 производства фирмы Airbus Industry. Сотовые конструкции, выполненные из полимерных композиционных материалов (ПКМ), применяют на российских самолетах АН-72, ИЛ-96, ТУ-204, вертолетах Ка-50. Основными элементами, где может скапливаться вода, являются элероны, закрылки, рули высоты и направления, воздухозаборники, а также ряд фюзеляжных панелей.

Компьютерное моделирование теплопередачи

в сотовых структурах

Для моделирования процесса нагрева воды или льда в сотовой конструкции разработана компьютерная программа "МиШЬауегШ", позволяющая определять температуру на поверхности и по глубине многослойной структуры, которая подвергается воздействию внешних источников тепла. Программный продукт позволяет моделировать одномерные структуры, состоящие из неограниченного числа слоев с произвольными теплофизическими характеристиками. В отличие из большинства известных программа, в том числе и коммерческих пакетов МаНаЬ, LabView и т.п., в программе "МиШЬауегШ" учитывается возможность фазовых переходов, которые имеют место при плавлении льда и замерзании воды. В основе разработанного алгоритма лежит одномерная математическая модель нагрева многослойной структуры [2]. Применительно к обнаружению воды в сотовых конструкциях вид исследуемых структур представлен на рис. 1.

Структур» 6»j дефект» Структура с дефектом

Рис. 1. Модель обнаружения воды в самолетной сотовой панели: 1) обшивка, из дюралюминия или ПКМ; 2-4) слои клея, воздуха, воды или льда

Методы неразрушающего контроля воды

в сотовых конструкциях

На данный момент можно выделить три способа неразрушающего контроля воды в сотовых конструкциях: радиационный, ультразвуковой и тепловой. Применение радиационного метода ограничивается лабораторными условиями, что связано со специфическими требованиями безопасности. В российских аэропортах достаточно широко применяется ультразвуковой метод, но он характеризуется малой производительностью и неспособностью контролировать вертикально-ориентированные панели самолетов, например, рули направления и фюзеляжные зализы. В данной работе рассмотрены особенности применения теплового метода неразрушающего контроля для обнаружения воды в сотовых панелях самолетов. Тепловой контроль использует динамические различия в температурах дефектной и бездефектной зон объекта испытаний при воздействии на него тепловой энергией различного вида. Появление на рынке современных измерительных тепловизоров, характеризующихся малой массой, отсутствием охлаждаемых приемников излучения и высокой чувствительностью, делает применение теплового метода привлекательным с точки зрения практики.

о» (Мм itfvw UHtHnMcm С-trt> _

■•|»Т»:Т|н1 mi afelBl jaj Ji jJ

/

к

/ 1.....

/

I

I

[Ц, 1Л± О*. 1ХН Си* ам _ Ми 1А44 Л'. ЭД

_I»у.О ».■.■ _^«Ичгге НЯп*._

Рис. 2. Изменение поверхностной температуры в бездефектной (кривая 1) и дефектной (кривая 2) области при перемещении сотовой панели из среды с температурой -10 °С в среду с температурой +53 °С

Учет фазовых переходов при моделировании различных начальных и граничных условий позволил определить оптимальное время наблюдения температурных сигналов, обусловленных наличием воды или льда. Например, установлено, что при нагреве сотовой панели (толщина обшивки из ПКМ -1 мм, толщина слоя воздуха - 8 мм для бездефектной

панели и 4 мм для структуры с дефектом, толщина слоя воды/льда - 4 мм) при нагреве в среде с температурой +53 °С, начальной температуре -10 °С и коэффициентах теплообмена на внешних поверхностях, равных 23 Вт/(м2-К), температурный сигнал сохраняется 2 ч. На рис. 2 показано развитие температуры в бездефектной (кривая 1) и дефектной (кривая 2) областях. В отличие от общепринятой в тепловом контроле модели чистой теплопроводности, расчет в дефектной области выполнен с учетом плавления льда. Период времени, когда в массе льда

происходит фазовое превращение, соответствует от/- <-> »» м

четливо наблюдаемой полочке в развитии температуры. Рост поверхностной температуры замедлен, поскольку поступающая из окружающей среды тепловая энергия расходуется на таяние льда.

Экспериментальные результаты

Обследования самолетов ТУ-204, проведенные в 2003-2004 гг. в аэропортах "Толмачево" (г. Новосибирск) и "Домодедово" (г. Москва), а также лабораторные исследования, проведенные в НИИ интроскопии при ТПУ, показали пригодность предложенной одномерной модели нагрева сотовой конструкции для оптимизации условий неразру-шающих испытаний. На рис. 3 в качестве иллюстрации полученных экспериментальных результатов приведены термограммы правого и левого крыльев самолета ТУ-204 [3]. Съемку проводили через 40...60 мин после посадки при температуре окружающего воздуха +10 °С. Отчетливо видно различие в температурах поверхности элеронов, в частности, в правом элероне обнаружено значительное скопление воды, характеризующееся зонами пониженной температуры (участки черного цвета на рис. 3). Температурные сигналы, обусловленные скоплением воды, сохранялись в течение 4 ч после посадки самолета.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу разработанной совместно с ГосНИИ ГА методики обследования самолетов в пассивном (после посадки) и активном (при дополнительном нагреве) режиме.

Рис. 3. Инфракрасные термограммы крыльев самолета ТУ-204

Повышение достоверности обнаружения зон с водой

Одной из важных задач при локализации зон с водой является выделение "полезных" температурных сигналов на фоне специфических помех. Под обшивкой самолета могут находиться различные

конструктивные элементы (стрингеры, внутренние перегородки и т.п.), сигналы от которые при тепло-визионном осмотре могут быть интерпретированы как соответствующие скоплениям воды. Для лабораторного моделирования такой ситуации был изготовлен эталонный образец, имитирующий сотовую конструкцию и содержащий включения воды, металла и резины. Процесс нагрева образца регистрировали с помощью тепловизора Thermovision 570 (спектральный диапазон 7...13 мкм, температурное разрешение 0,1 °С, частота кадров 30 Гц, формат кадра 320x240 элементов). На рис. 4 приведены термограммы образца в начале и через 12 мин после нагрева, зона 1 соответствует области с водой (льдом), зона 2 - области с резиновым включением, зона 3 - области с металлическим включением.

12 3 12 3

Рис. 4. Термограммы образца в начале и через 12 мин после нагрева

Экспериментальные данные обрабатывали с помощью алгоритма, реализованного с помощью пакета "МаНаЬ 6.5" и использующего различные теплоемкости примененных материалов, а также наличие отмеченной выше "полочки", обусловленной фазовым переходом. Результатом обработки является термоизображение, на котором отчетливо видна зона с водой и отсутствуют дефектные отметки, обусловленные металлом и резиной (рис. 5).

15

Рис. 5. Результат компьютерной обработки термограмм Оценка количества воды

Наряду с локализацией зон с водой, важной задачей является оценка массы накопленной воды, которая необходима для применения норматива отбраковки и последующего удаления воды из зон, признанных дефектными. В настоящее время дан-

ный норматив, как и способы лечения сотовых панелей, находится в стадии разработки, в частности соответствующие исследования проводятся в ГосНИИ ГА. Для определения массы воды диагностические службы российских аэропортов используют ультразвуковой метод, который позволяет измерить водяной столбик высотой более 2 мм в отдельной соте. Тепловой метод контроля до сих пор является качественным и рекомендуется в качестве скринингового или дополнительного к ультразвуковому. Представляет интерес разработать способ приближенной оценки массы скрытой воды по аномалиям температуры, что в сочетании с высокой оперативностью тепловизионных осмотров позволит повысить привлекательность теплового метода.

Можно показать, что для этого целесообразно анализировать температуру на поверхности сотовой панели в период времени, когда в массе льда/воды

происходят фазовые превращения. Например, пусть необходимо различить т1=0,9 кг и т2=1 кг воды с использованием источника энергии мощностью Р=1 кВт. При отсутствии фазовых переходов, для нагрева этих количеств воды на ДТ=10 °С необходимо время ¡=(стДТ)/Р , где с - теплоемкость воды -4200 Дж/(кг-К). Тогда /1=37,8 с, /2=42 с, а разность времен ¡2-11 составит около 4 с. Если учитывать фазовые переходы, то для плавления воды массой т необходимо время ¡=(Ят)/Р, где Я - теплота плавления льда (340 кДж/кг), тогда /1=306 с, и /2=340 с; соответственно длительность интервала наблюдения составит 34 с. Таким образом, можно предположить, что анализ температурных полей в момент фазового перехода может облегчить оценку массы накопленной воды по сравнению с моделью чистой теплопроводности. Соответствующий алгоритм находится в стадии разработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гиммельфарб А.Л. Основы конструирования в самолетостроении. — М.: Машиностроение, 1971. -312 с.

2. Никитенко Н.И. Исследование процессов тепло- и массообме-на методом сеток. - Киев: Наукова думка, 1978. - 213 с.

3. Вавилов В.П., Климов А.Г., Антошкин С.А., Нестерук Д.А. Тепловизионная диагностика воды в авиационных сотовых панелях // В мире неразрушающего контроля. - 2003. - № 2. -С. 11-12.

УДК 621.378:681.3:535

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ПРИНЦИПА СКАНИРОВАНИЯ ФАЗОВОГО ПРОСТРАНСТВА ОПТИЧЕСКИМ ФАЗОМЕТРОМ: 1. ПОИСКОВЫЕ ТРАЕКТОРИИ

С.М.Слободян

Инновационный центр "ТЕСТ". г. Томск E-mail: IC_Test@ inbox.ru

Проведен анализ различных траекторий сканирования пространства оптическим следящим фазометром. Найдено, что оптимальным по вероятности обнаружения объекта при срыве слежения является алгоритм расходящегося с точки потери построчного сканирования пространства наблюдения.

Понятие локации и назначение локационных систем любого класса всегда [1-6] отождествляется с решением задачи обнаружения и определения местонахождения искомого объекта в некотором Ж-мерном пространстве или поле наблюдения. В качестве основных параметров, отражающих местоположение объекта, обычно принимают линейные или угловые координаты, их изменение и удаление объекта от системы в наблюдаемом пространстве. Задача обнаружения и оценки координат положения объекта в пространстве решается системами в темпе реального или квазиреального масштаба времени. Квазиреальность объясняется наличием задержки принятия решения. Подвижность объекта контроля, широкий формат пространства, весьма малые, по сравнению с форматом пространства, размеры элемента покрытия пространства, локация узконаправленными лазерными пучками

и т.д. обуславливает применение сканирования или поочередного просмотра отдельных областей -ячеек пространства. Это необходимо для получения информации об изменении в структуре наблюдаемого поля и последующего ее анализа, формирования оценок и принятия решения о наличии или отсутствии каких-либо изменений в пространстве наблюдения. Сканирование производится с целью обнаружения объектов в заданном пространстве, определения координат их местонахождения, последующей оценки их траекторных изменений при сопровождении и наведении по требуемой траектории их перемещения в координатной системе наблюдаемого пространства.

Гетеродинные интерферометрические системы обладают высокой чувствительностью среди измерительных, телевизионных, локационных и навигационных средств [1-6]. Спецификой этих систем