Целостность элементов конструкции планера при длительной эксплуатации гражданских воздушных судов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

2009

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС

№141

УДК 629.7.017.1

ЦЕЛОСТНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ПЛАНЕРА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРАЖДАНСКИХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ

С.В. БУТУШИН, А.В. СЕМИН

По заказу редакционной коллегии

Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.

Для безопасной эксплуатации воздушных судов требуется консолидированная ответственность.

"Единственной целью расследования авиационных происшествий или инцидентов является предотвращение авиационных происшествий и инцидентов в будущем. Целью этой деятельности не является установление чьей-либо вины или ответственности" - Приложение 13 к Конвенции о международной гражданской авиации "Расследование авиационных происшествий и инцидентов", глава 3, п. 3.1.

В ракурсе этого тезиса в статье рассмотрен один из аспектов обеспечения целостности конструкции планера ВС с длительной эксплуатационной наработкой и имеющего в своем составе участки материала поврежденного коррозией и усталостью.

Ключевые слова: целостность конструкции ВС, длительность эксплуатации, коррозия, усталость.

Исследования различных источников информации печатных и Интернет-изданий позволяют определить структуру и параметры парка эксплуатируемых воздушных гражданских судов западного и отечественного производства.

До 2000 года пополнение мирового парка гражданских ВС происходило в основном за счет узкофюзеляжных пассажирских самолетов, вместимостью 121-170 пассажиров. По состоянию на 2001-2004 гг. их численность составляла 5441 шт.(» 35,6 %) - это самая многочисленная категория ВС (рис. 1).

Структура парка ВС западного производства

Число мест в ВС Количество ВС

Широкофюзеляжные самолеты

Рис. 1. Структура мирового парка гражданских судов западного производства

(в интервале 2001-2004 гг.)

К настоящему моменту времени темпы прироста мирового парка пассажирских самолетов снизились, но положительный прирост самолетов существует. Приоритет изготовления остается за узкофюзеляжными самолетами.

Мировой парк воздушных грузовых судов западного производства, по состоянию 2001-2004 гг., насчитывал 1775 самолетов грузоподъемностью, изменяющейся в пределах от 11,4 т. до 85 т. полезного груза (табл. 1).

Из этого числа самолетов (» 25%) были изначально изготовлены в виде грузовых вариантов соответствующих базовых моделей. Остальная часть парка приходится на переоборудованные самолеты, которые имели эксплуатационную наработку на магистральных пассажирских перевозках около 15—20 лет.

За последние семь лет, востребованными стали широкофюзеляжные самолеты средней вместимости. Этот спрос удовлетворяет реализация программ выпуска грузовых самолетов, вариант "Airbus A300-600" и "Boeing 767—600", которые приходят на замену самолетам "DC-8F" и "Boeing 707F.

Таблица 1

Узкофюзеляжные ВС малой грузоподъемности до 27 т. Узкофюзеляжные ВС средней грузоподъемности от 27 до 55 т. Широкофюзеляжные ВС средней грузоподъемности от 32 до 65 т. Широкофюзеляжные ВС большой грузоподъемности выше 65 т.

Модели Кол-воВС Модели Кол-во ВС Модели Кол-во ВС Модели Кол-во ВС

В-727-100, В-737-200/- 300, ВАе 146 QTs, DC-9 (все модели) 662, (37,3%) В-707-320, В-757-200, DC-8-50/60, DC-8-70 З5З, (19,9%) А300В4, А300-600, А310-200, В-767-200, В-767-300, В-767-300, DC-10-10, L1011, MD-10-10 255, (14,4%) В-747-100, В-747-200, В-747-300, В-747-400, DC-10-30, DC-10-40, MD 10-30, MD-110 5O5, (28,4%)

В целом для мирового парка воздушных судов характерна тенденция к устареванию. Воздушные суда в возрасте 15—23 года составляют более половины парка устаревших турбореактивных и турбовинтовых самолетов (соответственно 53,7% и 56,5%, "Flight International", 2002 г. рис. 2). Учитывая устаревшие самолеты стран СНГ, общее число таких воздушных судов составляло около 11250 единиц.

Турбореактивные самолеты:

Airbus АЗЮ, Airbus 320,

Boeing MD-8O, Boeing 7З7, Boeing 727, Boeing 747, MDC DC-lOOlO^O & 4O, MDC DC-9.

Календарный срок службы, лет

Рис. 2. Наработка парка воздушных гражданских судов западного производства

Большую часть устаревающего парка составляют самолеты старого поколения - 94,7% среди турбореактивных самолетов и 66,9% среди турбовинтовых. Узкофюзеляжные самолеты преобладают в парке устаревших турбореактивных самолетов.

Характерно, что более четверти (27,4%) парка устаревших самолетов и почти пятая часть (17,8%) парка устаревших турбовинтовых самолетов западного образца не используется. Среди этих самолетов значительную часть составляли "Boeing 727", "MDC DC-9", "Boeing 747 Classic" и "MDC DC-10". На их долю приходится 51% мирового парка неиспользуемых воздушных судов. Возраст самолетов неиспользуемого парка более 15 лет, среди них наиболее многочисленная группа — это суда в возрасте 20 лет (550 единиц). Одну из причин роста неиспользуемых ВС спровоцировали события 11 сентября 2001 г. в США. Неиспользуемые ВС на западном рынке перевозок имеют тенденцию "перетекать" в другие регионы, где они востребованы.

Из приведенных данных следует, что основное количество эксплуатируемых гражданских ВС мирового парка имеют средний возраст 24-27 лет.

Структура парка ВС отечественного производства

В реестре воздушных гражданских судов пассажирские и грузовые самолеты составляют треть общей численности парка. В пассажирский парк входят около 750 магистральных самолетов и 700 региональных самолетов 31 типа. Общая численность пассажирского парка постепенно снижается с темпом 20-25 самолетов в год за счет сокращения числа региональных самолетов. Наиболее распространенными в пассажирском парке по-прежнему являются самолеты семейств Ту-154, Ту-134, Ан-24, Як-40. По численности они составляют 75% пассажирского парка.

Грузовой парк насчитывает около 390 самолетов 13 типов, он также сокращается. Почти 60% численности грузового парка составляют специальные рамповые самолеты Ил-76 и Ан-26.

Средний возраст парка постоянно повышается, это обусловлено низкими темпами его обновления. Для магистральных пассажирских самолетов средний возраст составляет 17 лет, а для региональных приближается к 30 годам (табл. 2).

Таблица 2

Возрастная структура парка гражданских ВС отечественного производства 2007 г. [1]

Тип ВС Доля воздушных судов, находящихся в эксплуатации, % Средний возраст типа ВС, лет

До 5 лет от 5,1 до 15 лет от 15,1 до 30 лет от 30,1до 40 лет 40 лет

Всего: 3,0 12,1 68,7 16,2 23,0

из них :

Ил-62 2.9 34.8 60,9 - 1,4 21,1

Ту-154 0,9 29,8 69,3 - 26,5

Ту-134 - - 77,6 22,4 28,1

Ту-204 50,0 50,0 - - - 6,3

Ан-2 - - 61,8 15,4 2.8 25,7

Ан-12 - - - 57,7 42,3 40,4

Як-42 2,8 28,2 69,0 - - 17,8

Як-40 - - 25,4 71,5 3,1 31,6

Быстроразвивающийся рынок авиаперевозок России требует расширения и обновления парка ВС. За прошедшие пять лет в парк ВС поступило 252 пассажирских самолета. В том числе: 20 новых отечественных самолетов, 152 западных самолетов и 80 реэкспортных самолетов в основном Ту-154М, Як-42 и Ту-134. Поступление новых отечественных самолетов (Ту-204, Ту-214, Ил-96-300) составляет 4-5 самолетов в год. Иностранные типы самолетов эксплуати-

руются в России с начала 90-х годов. С этого времени их численность постоянно возрастала и достигла уровня 270 самолетов (табл. 3).

Таблица 3

ВС зарубежного производства, эксплуатирующиеся авиакомпаниями России 2GG8 г.

Тип ВС Количество ВС Средний возраст совокупности ВС, лет

Boeing 737-5GG 53 15,5

Boeing 737-3GG 31 19,2

Boeing 767 27 14,6

Boeing 757-2GG 16 14,2

Boeing 747-2GG 12 24,6

Airbus A319 33 5,7

Airbus A32G 33 6,G

Airbus A321 1G 2,3

ATR42 11 18,7

Остальные 44 14,2

Термин «устаревшие воздушные суда» не имеет объективного определения. Скорее это понятие отражает совокупность обстоятельств социально-экономической ситуации в развитии общества. В Приложении 8 к Чикагской конференции ИКАО используется понятие "сохранение целостности конструкции", которое распространяется на весь период эксплуатации ВС.

Тезис " устаревание парка гражданских ВС" не означает нецелесообразность и опасность их эксплуатации. Каждому возрасту ВС присущи свои особенности и проблемы эксплуатации, которые можно охарактеризовать разными категориями. Устаревающие самолеты приобретают оттенки морального несовершенства, непривлекательность, «ущербность», они требуют больше времени и средств на поддержание их летной годности согласно требованиям ИКАО (DOC 9642-AN/941, DOC 9760-AN/967, [2, 3] и др.), предъявляемым ко всем эксплуатируемым самолетам мирового парка. Эксплуатационную эффективность устаревающих самолетов в итоге определяет длительность простоев ВС, обусловленных объемами работ поддержания летной годности (в том числе и ремонтными работами) и стоимостью этих работ.

Повреждения, нарушающие целостность конструкции планера ВС

В процессе наработки календарного срока службы с начала эксплуатации в элементах конструкции планера каждого ВС возникают и развиваются различные повреждения, обусловленные физическими процессами взаимодействия ВС с окружающей средой. Среди эксплуатационных повреждений, нарушающих целостность конструкции, выделяются коррозионные и усталостные повреждения. Коррозия стала предметом обсуждений специалистов как с технической, так и с организационно-экономической стороны.

На различных этапах технической эксплуатации, таких как периодическое ТО, ремонтные работы, целевые осмотры осуществляется фиксация (в том числе и документирование) возникших повреждений элементов конструкции планера и агрегатов. Из накопленного потока информации о повреждениях различных типов ВС на долю коррозионных повреждений и повреждений от усталости приходится в среднем до (63- 70)% (табл. 4).

На основе систематизации сведений по возникшим коррозионным повреждениям (КП) на элементах конструкции планера ВС и описания закономерности их проявления, установлено [5, 6], что общее число КП и их размеры возрастают с увеличением наработки с начала эксплуатации (рис. 3, 4). Выявленная тенденция отражает накопление необратимых изменений несущей способности материала элементов конструкции ВС в процессе энергетического воздействия окружающей среды на конструкцию при эксплуатации. Основным фактором, определяющим масштабы развития коррозионных повреждений, является интенсивность эксплуатации (т. е.

время, наработка непосредственной эксплуатации ВС). Чем больше наработка самолета, тем больше количество коррозионных повреждений образуется в конструкции ВС. Переменность условий эксплуатации ВС способствует обновлению среды и условий для протекания коррозионных процессов.

Таблица 4

Эксплуатационные повреждения элементов конструкции планера ВС, выявленные при выполнении работ по продлению назначенных, межремонтных ресурсов и сроков службы (результаты документирования ТС в выборке 208 самолетов [4])

Тип ВС Вид повреждения

Коррозия, % Трещины усталости, % Деформация пробоины обшивки, % Утяжка, обрывы головок заклепок и винтов, % Нарушение ЛКП, % Прочие, %

Ан-12 41,5 43,0 0,6 7,6 - 7,3

Ан-24 51,4 7,4 0,5 17,0 - 23,7

Ан-74 36,0 21,0 29,0 - - 14,0

Ил-62М 37,3 17,0 5,4 8,1 7,8 24,4

Ил-76Т, ТД 57,4 25,7 4,6 5,1 0,6 6,6

Ил-86 50,9 9,8 6,6 8,2 11,5 13,0

Ту-134 65,5 2,9 5,4 6,0 10,7 9,5

Ту-154Б 58,3 7,7 1,0 11,4 15,4 6,2

Ту-154М 63,7 6,3 4,5 11,8 5,9 7,8

Появление коррозии нарушает геометрическую форму поверхности элемента конструкции, ее целостность, в результате образуются очаги локальной концентрации напряжений, уменьшается несущая способность элемента (обшивки, стрингера, шпангоута) за счет потери толщины материала, снижается пластичность материала.

Наработка, лет

Наработка с начала эксплуатации, лет

Рис. 3. Появление коррозионных повреждений Рис. 4. Рост глубины коррозии в обшивке

за календарный срок службы на основе резуль- фюзеляжа пассажирского самолета

татов мониторинга коррозионного состояния из сплава Д16АТВ, [6]

100 самолетов типа Ту-154 [5]

Коррозионные концентраторы напряжений являются источником возникновения усталостных повреждений в процессе эксплуатации. Коррозионное повреждение глубиной до 20% толщины материала конструкции вызывает снижение долговечности в 5- 8 раз. Основная причина

снижения циклической долговечности вследствие коррозии обусловлена уменьшением площади поперечного сечения элемента, что приводит к увеличению уровня локальных напряжений в этом сечении.

Аналогичный эффект проявляется и при распространении усталостной трещины [7]. Увеличение скорости роста трещины может быть объяснено исключительно уменьшением толщины нетто-сечения вследствие коррозии (рис. 5, 6).

Из рис. 5, 6 видно, что скорость роста усталостных трещин для корродированных материалов сдвинута вверх и влево. Это означает, что рост усталостной трещины происходит быстрее, чем в базовом материале для любой влажности окружающей среды. После корректировки потери толщины (учета уровня напряжений в нетто-сечении), скорости роста усталостных трещин для обеих групп экспериментальных данных совпали.

1,0Е-03

Э 1,0Е-04

'Л

о

5 10 15 20

Размах коэффициента интенсивности напряжений цикла

1

1

Рис. 5. Скорость роста усталостной трещины без коррекции толщины

1,0Е-03

1,0Е-04

'Л

о

1,0Е-05

1,0Е-06

Сплав 7075-Т6

с эксплуатационной наработкой К=0,05, при влажности 85%

5 10 15 20

Размах коэффициента интенсивности напряжений

25

0

Рис. 6. Скорость роста усталостной трещины с коррекцией толщины

Потеря толщины элемента конструкции вследствие коррозии приводит к изменению тре-щиностойкости рассматриваемого материала (рис. 7), которая характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений для плоского напряженного состояния, Кс.

Контроль целостности конструкции ВС обеспечивает ее безопасную эксплуатацию. Периодичность контроля силовых элементов конструкции базируется на оценке времени развития повреждений от максимально не обнаруживаемого значения до предельного (критического) значения.

На рис. 8 схематически показана взаимосвязь между длиной трещины и временем ее развития (число циклов нагружения). Считается, что первоначально все трещины имеют длину 2а0, в виде "начального производственного дефекта". Вид зависимости 2а от N является сложной функцией и определяется многими факторами (геометрическими, наследственно-технологическими, характером и последовательностью приложенной нагрузки, механическими свойствами материала и др.).

¡3

=

=

3

Ê

В

я

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

" 2024-T3, t nom=1 mm ^ ™ 2024-T3, t nom=1,6 mm/-_ 7075-T6, t nom=1 mm

—b---7075-T6, t nom=2,286

Изменение .X-' трещиностойкости материала Кс за счет коррозии

Потеря толщины материалу за счет коррозии

О 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Относительная толщина материала

Рис. 7. Изменение трещиностойкости материала за счет потери толщины материала в результате коррозии

Число циклов нагружения

Рис. 8. Принцип установления периодичности осмотра элементов конструкции планера

Предполагается, что зависимость 2а от N может быть построена для каждой интересующей детали конструкции. Критическая длина трещины 2ac представляет собой наибольшую длину трещины, которая может быть в элементе конструкции, перед тем как произойдет неустойчивый ее рост и разрушение. Это свойство характеризуется трещиностойкостью материала, величиной Kc. Первый интервал осмотра для элемента конструкции, в котором нет коррозии, определяется как половина времени, требуемого для достижения трещиной критической длины 2ас ,

он равен No¡. Результат действия коррозионных повреждений обязывает корректировать этот интервал осмотров.

Во-первых, наличие коррозионного повреждения способствует ускоренному росту трещины. Этот эффект представлен на графике зависимости 2а от N кривой, обозначенной как «Материал с коррозией». Трещина 2a¡, распространяющаяся в материале, поврежденном коррозией, всегда будет длиннее, чем в неповрежденном материале при осмотре конструкции через No¡ циклов. В итоге время первого осмотра требует корректировки и устанавливается равным Nok..

Во-вторых, наличие коррозионного повреждения способствует снижению трещиностойкости, величина 2ac снижается. Это влечет за собой корректировку времени осмотра на величину A Nok.

Можно отметить, что в длительно эксплуатирующихся конструкциях ВС вне зависимости от разработчика самолетов возникшие коррозионные и усталостные повреждения конструкции развиваются по одним и тем же физическим законам. В совокупности эти повреждения нарушают целостность конструкции ВС, снижают безопасную эксплуатацию. Уровень допустимости коррозионных поражений является одним из требований обеспечения ресурса по условиям усталости и остаточной прочности. В эксплуатации это требование обеспечивается за счет уточнения критических мест конструкции, повышения эффективности методов диагностики и периодической оценкой технического состояния ВС, а также разработкой соответствующих регламентов технического обслуживания, уточнением методов оценки предельных состояний конструкции с учетом анализа реальных условий эксплуатации. Использование процедуры индивидуального поэтапного увеличения назначенных ресурсов и сроков службы экземплярам ВС, включающей обязательный контроль технического состояния ВС, является эффективным способом обеспечения безопасности полетов парка самолетов.

Требования к процедуре оценки целостности конструкции при длительной эксплуатации определены Федеральными авиационными правилами и Методами определения соответствия при сертификации экземпляра воздушного судна.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гражданская авиация в России 2007. Стат.сб/Росстат-М., 2007.

2. Руководство по сохранению летной годности (Doc 9642-AN/941) ,1995.

3. Руководство по летной годности (Doc 9760 AN/967), 2001.

4. Васильев В.Ю., Шапкин В.С., Метелкин Е.С., Дуб А.В. Коррозия и старение воздушных судов при длительной эксплуатации. - М.: Логос, 2007.

5. Антонова М.В. и др. Оперативный критерий оценки коррозионного состояния ВС // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС, №130, 2008.

6. Нестеренко Б.Г., Нестеренко Г.И. Живучесть самолетных конструкций // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, №119, 2007.

7. Doerfler M.T... "The effect of exfoliation corrosion on the fracture and fatigue behavior of 7075-T6 aluminum". International Journal of Fatigue, 17, 1994.

INTEGRITY OF ELEMENTS OF A GLIDER AT CONTINUED AIRWORTHINESS

Butushin S.V., Semin A.V.

Maintenance of integrity of a design of a glider of the plane with a long operational operating time and damaged by corrosion and weariness demands a material incorporating sites the increased responsibility.

Сведения об авторах

Бутушин Сергей Викторович, 1948 г.р., окончил МАТИ (1971), кандидат технических наук, старший научный сотрудник НЦ ПЛГВС ГосНИИ ГА, автор 97 научных работ, область научных интересов - механика и работоспособность технических устройств и машин.

Семин Александр Викторович, 1957 г.р., окончил МИИГА (1982), начальник группы НЦ ПЛГВС ГосНИИ ГА, автор 17 научных работ, область научных интересов - эксплуатационная прочность и ресурс ВС.