CC BY
38
УДК 681.391
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАЗРЯДА МОЛНИИ В ФЮЗЕЛЯЖ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО
МАТЕРИАЛА Блинова Ксения Павловна, студент (e-mail: 361544@mail.ru) Чермошенцев Сергей Фёдорович, д.т.н., профессор, зав. Кафедрой
(e-mail: sapr@kai.ru) Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н.Туполева, г. Казань, Россия
В данном докладе рассматривается моделирование процесса разряда молнии в фюзеляж летательного аппарата из композиционного материала в программном пакете 3D моделирования. Разработаны несколько имитационных моделей летательного аппарата из композиционного материала. Имитационные модели разработаны при помощи двух разных способов: моделирования структуры композиционного материала и моделирование при помощи задания свойств нужного материала. Внутри каждой модели размещены по одной плате и датчики, снимающие напряжение внутри конструкции. Проведено моделирование разряда молнии в фюзеляж летательного аппарата из композиционного материала.
Ключевые слова: Молниестойкость, летательные аппараты, композиционные материалы, виртуальное моделирование.
Введение
В настоящее время, внедрение композиционных материалов в производстве авиационной техники получило большое распространение, так как композиты обладают такими свойствами, как:
• малый вес;
• высокая износостойкость;
• высокая прочность;
• высокая жесткость и т.д.
Недостатком данного вида материала является низкая проводимость электрического тока, [1, 2]. По проведенным ранее исследованиям видно, что существующие ныне композиционные материалы имеют большое удельное сопротивление порядка 109 Ом/м, что затрудняет быстрое прохождение тока по фюзеляжу летательного аппарата, чем будет вызвано пагубное влияние на бортовую технику. Из чего следует, что при ударе молнии, на фюзеляже, будет накапливаться большое количество зарядов, вследствие чего, будут нанесены необратимые повреждения бортовой техники и материала, что в следствии приведет к огромным затратам в миллионы или миллиарды долларов.
Так как молния явление очень частое, то вероятность того, что молния попадет в летательный аппарат, очень велика. По данным, полученным с
помощью спутников, частота ударов молний составляет в среднем 44 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год. Молний ударяет между облаками или внутри облаков 75 %, а 25 % — в землю, что делает летательные аппараты более подверженным к удару молнии в полете, а не на земле. По статистике наиболее подвержены воздействию молнии летательные аппараты, находящиеся на высоте между 1524 - 4572 метра. Так как летательные аппараты наиболее подвержены влиянию именно в полете, то в результате грозового воздействия в радиоэлектронных средствах, оборудовании целевого назначения и системе управления возникнут опасные для их нормального функционирования помехи. Поэтому каждый элемент летательного аппарата должен отвечать требованиям по молниестойкости, включая структуру фюзеляжа из композиционного материала,[3, 4, 5].
1. Постановка задачи
Целью работы является анализ молниестойкости летательного аппарата из композитного материала и электронного оборудования, находящегося на борту.
Основной задачей данной работы является моделирование процесса удара молнии в фюзеляж летательного аппарата из композиционного материала и воздействия на бортовое оборудование.
Задачами являются:
1. Разработка имитационной модели летательного аппарата из композиционного материала.
2. Моделирование процесса разряда молнии.
3. Анализ результатов.
2. Моделирование молниестойкости летательного аппарата
Существуют различные методы анализа молниестойкости летательного аппарата, такие как:
1. Аналитические методы.
2. Моделирование воздействия в программных средах.
3. Использование установки для проведения испытаний на молниесто-кость.
Для анализа молниестойкости летательного аппарата наиболее подходит второй метод. Он является более удобным в использовании; более быстрым, чем решение математической модели; более дешевым, чем анализ на установке.
Разработана имитационная модель летательного аппарата (рис.1), имеющая следующие размеры:
• фюзеляж: в длину 3250 мм; радиус 250 мм; толщина стенки 10 мм;
• каждое крыло: в длину 1150 мм; толщина 30 мм; ширина у основания 600 мм;
• киль: высота 400 мм; ширина у основания 300 мм; толщина 50мм.
Задаваемый материал БЛА - углепластик имеет следующие параметры
на частоте 1000 МГц:
• электрическая проводимость 1,5 См/м;
• диэлектрическая проницаемость 7,6.
Рисунок 1 - Модель летательного аппарата
После создания имитационной модели летательного аппарата, создадим печатную плату (ПП), с расположенным на ней межсоединением, и разместим на каждом из концов по датчику (рис. 2). Размер ПП 50х2х100 мм, размеры медного проводника на плате 1х0,2х100 мм.
ITR.
Рисунок 2 - Печатная плата с расположенным на ней межсоединением
После создания печатной платы, поместим ее в центр части фюзеляжа, и расположим источник питания (ports) как показано на рис. 1. Для имитации удара молнии в фюзеляж летательного аппарата, подается ток 1=200 кА.
После моделирования и расчетов получились результаты, которые можно наблюдать на рис. 3 и 4.
и,в
400
^ с 26.138, 751 01 ) .
................ ■.....\..... ......д ................ ................ .................
У _
!
-
-400 0 40 80 120 160 ^ мкс
Рисунок 3 - Электромагнитная помеха на конце межсоединения, находящегося ближе к месту удара молнии
и,в 120
-80
( 32 731, 107 41 )
¿д
0 40 80 120 160 1,мкс
Рисунок 4 - Электромагнитная помеха на конце межсоединения, находящегося дальше от места удара молнии
Вторая модель будет иметь уже структурный материал. Структура показана на рис. 5.
Рисунок 5 - Структура композитного материала - углепластика
без эпоксидной смолы
После моделирования и расчетов получились результаты, которые можно увидеть далее на рис. 6 и 7.
и, в
1400
1000
40 80 120 160 I .мкс Рисунок 6 - Электромагнитная помеха на конце межсоединения, находящегося ближе к месту удара молнии
и, в 1000
■1000
(31.496,882 89 )
А,
\ / 1 \
V 1
Хл
0 40 КО 120 160 мкс
Рисунок 7 - Электромагнитная помеха на конце межсоединения, находящегося дальше от места удара молнии
Заключение
1. В данной работе разработана имитационная модель летательного аппарата.
2. В фюзеляже сымитировано расположение печатной платы для дальнейшего анализа воздействия на неё через корпус летательного аппарата, состоящего из композиционного материала.
3. Данная имитационная модель может существенно облегчить человеческие трудозатраты по оценке эффективности экранирования данного корпуса, так как в программном пакете 3D моделирования есть множество инструментов для анализа влияний электромагнитной природы.
Список литературы
1. Худяков В. А. Современные композиционные материалы: Учебное пособие / В. А. Худяков, А.П. Прошин, С.Н. Кислицина - М., Издательство АСВ, 2006, - 144 с.
2. Композитные материалы. Справочник. / Под. ред. Г.М. Ледяева, И.А. Ратнер -Киев, Издательство «Наукова думка», 1985, - 295 с.
3. Комягин С.И. Основы методологии электромагнитной стойкости беспилотных летательных аппаратов. / Комягин С.И. - М.: Изд-во МИЭМ, 2007. - 158 с.
4. R.R. Gaynutdinov, S.F. Chermoshentsev. Study of Lightning Strike Impact on Unmanned Aerial Vehicle // Proc. of the 17th Intern. Conf. of Young Specialists on Mi-cro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). - Novosibirsk. - 2016. - P. 428-432.
5. R.R. Gaynutdinov, S.F. Chermoshentsev. Immunity Research of the Electronic Systems Elements at the Influence of Intentional Ultrashort Electromagnetic Pulses // Proc. of the 17th Intern. Conf. of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). - Novosibirsk. - 2016. - P. 214-218.
6. R.R. Gaynutdinov, S.F. Chermoshencev. Modeling the external electromagnetic influences on the complex electronic equipment // Proc. of Intern. Conf. on Soft Computing and Measurements (SCM'2015). - 2015. - P. 90-92.
Blinova Ksenia Pavlovna, student
Kazan National Research Technical University named after Tupolev, Kazan, Russia
(e-mail: 361544@mail.ru).
Chermoshentsef Sergey Fedorovich, Doctor.Tech.Sci., professor, head of department.
Kazan national university of technic and research, Kazan, Russia
LIGHTNING ON THE FUSELAGE AIRCRAFT OF COMPOSITE
MATERIAL
Abstract. This report examines the simulation process of the lightning discharge in an aircraft fuselage made of composite material 3D modeling software package. Developed several imitationtional model aircraft made of composite material. Simulation models are developed using two different methods: a composite material structure modeling and simulation by defining the properties of the desired material. Within each model posted on the same board and sensors, relieves stress inside the structure. A simulation of lightning in an aircraft fuselage composite materials.
Keywords: Lightning protection, aircraft, composite materials, virtual simulation.
