Глава 2. Основные факторы поддержания
летной годности воздушных судов
2.1. Эксплуатационная живучесть конструкции воздушных судов
В соответствии с современными нормами летной годности конструкция ВС должна обладать эксплуатационной живучестью. Исключения составляют только те элементы и детали конструкции, в отношении которых требования эксплуатационной живучести практически невыполнимы.
Конструкция ВС должна быть спроектирована таким образом, чтобы при эксплуатации обеспечивался высокий уровень ее безопасности по условиям прочности.
Под безопасностью конструкции по условиям прочности подразумевают как свойство самой конструкции, так и способы поддержания ее прочности при длительной эксплуатации [12].
Оценка безопасности конструкции по условиям прочности должна показать, что в пределах установленного назначенного ресурса (срока службы) в ожидаемых условиях эксплуатации практически невероятны аварийные и катастрофические ситуации из-за усталости конструкции, повреждения коррозией и случайных факторов.
Безопасность конструкции по условиям прочности обеспечивается:
соответствующей конструкцией ВС;
технологическими процессами изготовления ВС;
техническим обслуживанием и ремонтом;
выполнением бюллетеней по доработкам;
соблюдением установленных правил и условий эксплуатации.
Она подтверждается:
результатами соответствующих расчетов;
исследованием фактических условий эксплуатации, в том числе характеристик среды и действующих нагрузок;
результатами прочностных испытаний;
результатами лабораторных и стендовых испытаний конструкций основных компонентов ВС, их частей и материалов;
опытом эксплуатации ВС данного типа и (или) ВС аналогичных типов.
В настоящее время при создании конструкции ВС реализуются три основных принципа (подхода) обеспечения ее безопасности по условиям прочности:
безопасный ресурс (срок службы);
безопасность разрушения (отказа);
допустимость повреждения.
Последние два из указанные принципов объединяются обобщенным термином «эксплуатационная живучесть».
Схемы нагружения конструкции, используемые в расчетах при разных принципах проектирования, упрощенно проиллюстрированы примерами на рис.1. При этом предполагается, что конструкция в процессе эксплуатации должна выдержать предельную нагрузку, равную 100 кг. Учитывая требования норм летной годности, расчетная статическая разрушающая нагрузка в этих примерах будет 150 кг.
Конструкция, показанная на рис.1а, проектируется на заданный безопасный ресурс (срок службы), в течение которого гарантируется, что практически не будут возникать усталостные трещины. Все критические по усталости зоны должны быть выявлены при лабораторных прочностных испытаниях и доработаны. Возможные коррозионные повреждения конструкции должны выявляться и устраняться при проведении технического обслуживания и ремонта.
В конструкции, представленной на рис.1б, реализуется принцип безопасного разрушения (отказа), причем ее статическая прочность должна быть такова, чтобы при разрушении (отказе) одного из элементов оставшиеся должны выдерживать предельную нагрузку. Ключом к безопасной эксплуатации такой конструкции является достаточная величина остаточной прочности после полного разрешения одного из элементов конструкции планера.
Принцип безопасного разрушения находит широкое применение и при проектировании функциональных систем ВС. Надежная работа этих систем при отказах отдельных элементов (агрегатов) обеспечивается за счет резервирования (параллельного соединения) наименее надежных элементов. Гарантия безопасности в этом случае основывается на уверенности в том, что любые безопасные отказы элементов (агрегатов) функциональных систем будут своевременно обнаружены и устранены.
Конструкция, изображенная на рис.1в, спроектирована по принципу безопасного допустимого повреждения. Условно она представляет собой пластину, статическая прочность которой без трещины составляет 150 кг.
Допустимый размер трещины определяется условием - остаточная прочность должна быть достаточной для восприятия максимальной эксплуатационной нагрузки (100 кг), т.е. не менее 2/3 начальной по требованиям норм летной годности. Материал и структура такой конструкции должны обеспечивать как малую скорость развития трещины, так и возможность ее обнаружения при техническом обслуживании. Гарантия безопасности основывается на уверенности в том, что любые усталостные трещины и коррозионные повреждения будут выявлены раньше, чем они достигнут критических размеров.
При анализе безопасности конструкции, по условиям прочности различают, рис. 2:
основную силовую конструкцию;
основные силовые элементы;
особо ответственные конструктивные элементы;
критические места конструкции.
Важнейшей задачей является произвести отбор составных частей элементов конструкции ВС, относящихся к критическим местам конструкции.
Рис.1. Схемы нагружения конструкций при разных принципах проектирования:
а - безопасный ресурс (срок службы); б - безопасное разрушение (отказ);
в - безопасное допустимое повреждение
Перечень критических мест разрабатывается при проектировании ВС и уточняется по результатам лабораторных испытаний и опыта эксплуатации. При отборе составных частей и элементов конструкции для включения их в перечень критических мест используются следующие основные критерии:
условия нагружения;
последствия трещинообразования;
возможность проведения осмотра;
возможность повреждения в нескольких местах;
конструкционная избыточность;
возможность возникновения коррозии.
Оценки характеристик допустимости повреждения (живучести) составных частей и силовых элементов конструкции должны быть основаны на тщательно отобранной информации, включая результаты анализа, испытаний и опыт эксплуатации, а также - специальных проверок и осмотров, которые могут быть предусмотрены для данной типовой конструкции. По этой информации можно судить о месте или местах возможного появления трещин в каждой составной части или силовом элементе конструкции, а также о наработке или числе полетов, по достижении которых это может произойти.
Рис. 2. Классификация элементов конструкции планера ВС
Необходимо определить характеристики скорости развития повреждений, а также их влияние на прилегающие составные части в плане взаимодействия, ведущего к более быстрому или более обширному повреждению. Этот анализ должен включать места возможного образования трещин, вызываемых усталостью, коррозией, коррозией под напряжением, износом, отклеиванием, случайным повреждением, производственными дефектами или другими недостатками в тех зонах, которые по результатам опыта эксплуатации или оценки конструкции считаются наиболее уязвимыми.
Необходимо определить минимальный размер повреждения, который практически можно обнаружить, и предлагаемые методы контроля, а также число полетов, необходимых для того, чтобы трещина развилась от поддающегося обнаружению размера до допустимого окончательного размера повреждения таким образом, чтобы конструкция имела остаточную прочность, соответствующую условиям допустимого повреждения (0,67 от начальной прочности).
При выборе предлагаемых методов контроля должны быть рассмотрены: а) визуальный осмотр; б) неразрушающий (инструментальный) контроль; в) анализ данных встроенных бортовых устройств мониторинга нагружений и дефектов.
Постоянная оценка целостности конструкции может выявить более существенные повреждения, чем те, которые возможно рассматривались при первоначальной оценке ВС, такие, как:
а) множество мелких близко расположенных трещин, каждая из которых может быть короче минимальной обнаруживаемой ее длины, внезапно превратившихся в одну длинную трещину;
б) разрушения или частичные повреждения в других местах конструкции, возникающие в результате перераспределения нагрузок вследствие первоначального разрушения и приводящие к ускоренному развитию усталости;
в) одновременные разрушения или частичные повреждения элементов с множественными путями передачи нагрузок (например, проушин, планок или ограничителей роста трещин), работающих с одинаковым уровнем напряжений;
г) очаги коррозии в других местах конструкции.
Возникающие в процессе эксплуатации повреждения конструкции регламентируются в соответствующих нормативных документах.
Безопасность конструкции с допустимыми повреждениями достигается системой контроля ее состояния. Поэтому главной целью анализа допустимого повреждения является оценка контролепригодности силовых элементов конструкции и программы их осмотра в процессе эксплуатации, особенно в зонах вероятного возникновения усталостных и коррозионных повреждений, а также в зонах повреждения случайными нагрузками в эксплуатации [13].
Программа осмотров должна определять частоту осмотров, условия их проведения и средства контроля (в том числе инструментального). Частота (периодичность) осмотров силовых элементов конструкции должна определяться на основе оценки времени роста повреждения (трещины) от минимального, но надежно обнаруживаемого размера, до предельного. Необходим возможно медленный рост этих повреждений с тем, чтобы требуемая частота осмотра (инструментального контроля) была приемлемой для системы технического обслуживания и ремонта ВС.
Успешная реализация принципа эксплуатационной живучести предполагает высокий уровень эксплуатационной технологичности и контролепригодности конструкций ВС [14].
2.2. Сохранение целостности конструкции воздушных судов
по условиям прочности
В Приложении 8 ИКАО «Летная годность ВС» сказано, что государство разработчика ВС обеспечивает наличие программы сохранения целостности его конструкции для обеспечения летной годности.
Инициатором разработки программы целостности конструкции выступает организация, ответственная за типовую конструкцию ВС. Разработка программы проводится совместно с представителями эксплуатантов и полномочных органов в области летной годности. При этом полномочный орган определяет, в каком объеме содержание программы является обязательным для исполнения.
Признано, что к моменту начала эксплуатации ВС каждый эксплуатант должен иметь программу ТОиР. Кроме того, организация, ответственная за типовую конструкцию, обязана постоянно оценивать целостность своих типовых конструкций в течение всего срока их эксплуатации, принимая во внимание исходные предположения и требования к конструкции, развитие технологий и поведение конкретной конструкции в эксплуатации. По результатам такой оценки организация, ответственная за типовую конструкцию, и эксплуатанты обязаны совместно разрабатывать и выпускать информацию, дополняющую действующие программы ТОиР эксплуатантов с целью обнаружения повреждения конструкции до того, как оно станет серьезной проблемой для всего парка. Такая информация о проверках и осмотрах основывается на материалах анализа, подкрепленных данными испытаний и опытом эксплуатации, и подлежит включению в программу сохранения целостности конструкции.
Используемые при проведении постоянной оценки целостности конструкции и разработке программы сохранения целостности конструкции методы, принципы и данные представляются сертифицирующему полномочному органу для рассмотрения. Особый акцент делается на том, что проверки, модификации и замены элементов, описанные в указанной программе, являются дополнительными к исходной программе ТОиР.
Каждый эксплуатант должен пересматривать свою программу ТОиР для включения, при необходимости, содержащихся в программе сохранения целостности конструкции данных.
Эксплуатант своевременно извещает организацию, ответственную за конструкцию типа ВС, об использовании ВС, выявленных в эксплуатации недостатках конструкции и результатах первичного их анализа, если таковые имеются.
Указанные данные должны включать описание и указание места повреждения, обозначение конкретного ВС, соответствующие данные о выполненных на нем модификациях и истории его эксплуатации, наработку с начала эксплуатации, наработку после последнего планового вида ТО или ремонта, способ обнаружения недостатка и его возможную причину.
Первоочередной задачей является определение составных частей конструкции и элементов, воспринимающих основную часть нагрузок в полете и на земле, нагрузок от избыточного давления или управляющих воздействий, и отказы которых могут повлиять на целостность конструкции, необходимую для обеспечения безопасность полетов и, следовательно, характеристики живучести или безопасного ресурса, которые необходимо определить или подтвердить.
Эти подтверждающие данные должны содержать надлежащую оценку эксплуатационных спектров нагружений, распределения нагрузок по конструкции и свойств материалов. При установлении сроков начала проверок и осмотров, их периодичности и, при необходимости, обязательных сроков списания должны быть предусмотрены определенные допуски на разброс в оценках сроков начала образования трещин в течение срока эксплуатации конструкции и скорости распространения трещин. В других случаях срок начала проверок и осмотров может быть основан исключительно на статистической оценке опыта эксплуатации парка ВС.
Некоторые организации, ответственные за типовую конструкцию, рассматривают в качестве эффективного метода оценки состояния конструкции более старых ВС проведение их выборочных проверок и осмотров, включающих активное использование неразрушающих методов контроля и проверку отдельных ВС с частичной или полной разборкой их конструкции.
Программы сохранения целостности конструкции ВС время от времени сверяются с текущим опытом эксплуатации. Любой возникший непредвиденный дефект анализируется в рамках непрерывной оценки целостности конструкции с тем, чтобы определить необходимость пересмотра программы. Эксплуатационные бюллетени в отношении конструкции планера должны содержать указания относительно их влияния на рассматриваемую программу.
При оценке целостности конструкции конкретного типа ВС учитывается прежде всего информация, которая должна храниться в организации, ответственной за типовую конструкцию в форме, удобной для повторного обращения и справок:
текущие эксплуатационные статистические данные по парку в части налета в часах или числе полетов;
типовой полет или полеты, принятые при проведении оценки;
условия нагружения конструкции в отдельных выбранных полетах;
подтверждающие результаты испытаний и соответствующий опыт эксплуатации.
Кроме того, для оценки целостности конструкции каждой критической составной части или элемента конструкции ВС необходимо иметь следующие данные:
основания для оценки характеристик живучести или безопасного ресурса данной составной части или элемента;
место или места данной составной части или элемента, где повреждение может привести к нарушению целостности конструкции;
рекомендуемые для рассматриваемой зоны методы контроля и обнаруживаемый размер повреждения;
для допускающих повреждение конструкций - максимальный размер повреждения, при котором может быть показана требуемая остаточная прочность и критический для нее расчетный случай нагружения;
для допускающих повреждение конструкций по каждому месту повреждения - срок начала контроля и период развития повреждения от обнаруживаемого до критического его размера, включая любые возможные случаи взаимовлияния с другими местами повреждений; и
информацию о любых признанных необходимыми изменениях ранее установленного безопасного ресурса составных частей и элементов.
Программа сохранения целостности конструкции ВС в соответствии с рекомендациями ИКАО, содержащимися в «Руководстве по летной годности» [5], должна как минимум включать:
дополнительные проверки и осмотры;
меры предупреждения и контроля уровня коррозии;
модификации конструкции планера и связанные с ними проверки и осмотры;
оценку ремонтов.
Программа дополнительных проверок и осмотров должна содержать рекомендации относительно технологий контроля и замены или модификации составных частей или элементов, необходимых для поддержания безопасной эксплуатации рассматриваемого ВС. Эта программа основывается на следующих сведениях:
а) описание данной составной части или элемента и прилегающей конструкции (способ обеспечения доступа также должен быть приведен);
б) вид рассматриваемого повреждения (например, усталость, износ, коррозия, случайное повреждение);
в) любой опыт эксплуатации и эксплуатационные бюллетени, относящиеся к рассматриваемому вопросу;
г) вероятное место (места) повреждения;
д) рекомендуемые метод и технология контроля и альтернативы им;
е) минимальный размер повреждения, считающийся обнаруживаемым при данном методе контроля;
ж) указания эксплуатанту относительно того, какие результаты проверок и осмотров должны доводиться до организации, ответственной за типовую конструкцию;
з) рекомендуемый срок начала проведения контроля;
и) рекомендуемая периодичность повторного контроля;
к) ссылка на любую не обязательную модификацию или замену составной части или элемента, выполнение которых исключит необходимость проведения осмотра;
л) ссылка на обязательную модификацию или замену составной части или элемента в установленный срок, если обеспечение безопасности разрушения
путем проверок и осмотров практически нецелесообразно;
м) информация о любых признанных необходимыми изменениях ранее установленного безопасного ресурса.
Программа предупреждения и контроля уровня коррозии должна содержать рекомендации по определению уровней коррозии, способам контроля, восстановления защитных покрытий, а также регистрации и отчетности по результатам контроля.
Следует отметить, что в отношении коррозии пока не разработаны аналитические расчетные методы установления сроков начала и периодичности выполнения проверок, поэтому необходимо руководствоваться результатами анализа общемирового опыта эксплуатации.
В Руководстве по летной годности ВС [5] указан простой и надежный способ определения уровня (степени) коррозии, например:
Уровень1. Коррозионное повреждение, возникающее в период между последовательными проверками, которое:
имеет местный характер и может быть устранено в рамках ограничений, предусмотренных руководством по ремонту конструкции;
может быть связано с событием, не типичным для практики использования эксплуатантом других ВС того же парка (например, пролив ртути), или
было зачищено несколько раз и по результатам последней проверки теперь выходит за допустимые ограничения, требуя ремонта или частичной замены основного силового элемента конструкции.
Уровень 2. Коррозионное повреждение, возникающее в период между
последовательными проверками, которое требует работ по его устранению, выходящих за рамки ограничений, предусмотренных руководством по ремонту конструкции; либо требует ремонта или частичной замены основного силового элемента конструкции, но непосредственно не угрожает летной годности,
Уровень3. Коррозионное повреждение, представляющее непосредственную угрозу летной годности и требующее принятия срочных мер.
При обнаружении коррозии уровня 3 следует рассмотреть действия, которые необходимо предпринять в отношении других ВС эксплуатанта данного парка. Государство регистрации должно обеспечить срочную передачу государству разработчика подробных сведений об очагах коррозии и предложенных действиях.
В программе для каждого критического места конструкции ВС оговариваются:
конкретные действия, предпринимаемые в случае обнаружения очагов коррозии разного уровня;
обстоятельства, требующие применение методов контроля, отличных от визуальных;
требования в отношении доступности к критическим местам конструкции для их контроля;
технологические процессы восстановления защитного покрытия;
процедуры регистрации и отчетности.
Регистрация результатов осмотров особенно важна в случае борьбы с коррозией, поскольку она позволяет при последующих осмотрах оценивать действенность противокоррозионных мероприятий. В некоторых случаях может оказаться целесообразным включить программу управления коррозией непосредственно в программу проверок и осмотров данного ВС, например, в форме ведения для каждого экземпляра ВС «Паспорта коррозионного состояния».
В программе по модификациям конструкции и связанных с ними проверками и осмотрами содержится подробная информация о модификациях или заменах изделий и сроках их выполнения, которые снизят или исключат необходимость проведения повторных проверок и осмотров, направленных на сохранение целостности конструкции.
В зонах, труднодоступных для осмотров, занимающих большую площадь или часто контролируемых, выполнение модификации или замены изделий с большой долей вероятности будет признано обязательным. Одним из способов борьбы с коррозией является использование водовытесняющих жидкостей - ингибиторов коррозии.
Включение ингибитора коррозии способствует образованию на поверхности металла пассивной пленки, что является основной мерой для предупреждения коррозии.
Программа оценки ремонтов авиационных изделий содержит предложения по оценке уже выполненных ремонтов на эксплуатируемых ВС.
Оценка ремонтов в отношении сохранения целостности конструкции является сложной задачей, требующей участия как эксплуатанта, так и организаций, ответственных за типовую конструкцию.
Программа должна содержать указания в отношении документирования всех выполненных ремонтов изделий в три этапа, которые, как правило, предусматривают [5]:
|
