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
535
71
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.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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