Основные критерии выбора и требования, предъявляемые к проектируемым электротехническим устройствам летательного аппарата

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тульский Государственный Университет

Кафедра «ПРИБОРЫ УПРАВЛЕНИЯ»

Основные критерии выбора и требования, предъявляемые к проектируемым электротехническим устройствам летательного аппарата

Выполнил:

студент группы 130421

Мальцев А.А.

Проверил:

В.В. Кулешов

Тула 2011

Содержание

Введение

Основные требования предъявляемые к ЭТУ ЛА

Список литературы

Введение

В настоящее время электрическая энергия широко применяется на летательных аппаратах: самолетах, вертолетах, крылатых ракетах, управляемых и неуправляемых снарядах. Она выполняет самые разнообразные функции, облегчая тем самым работу экипажей. Создание современных летательных аппаратов, работающих в любых условиях на больших и малых высотах со скоростью, которая достигает нескольких тысяч километров в час, и выполняющих очень сложные задачи, было бы невозможно без широкого использования электрических автоматизированных систем управления. Естественно, что полная или хотя бы частичная автоматизация некоторых процессов по управлению самолетом, отдельными агрегатами и установками значительно облегчает работу экипажа самолета (вертолета), позволяет ему сосредоточить свое внимание на выполнении наиболее ответственных задач, исключает возможность ошибочных операций при управлении, увеличивает надежность и безопасность полета.

Автоматизация процессов выполнения боевых операций, управление полетом самолетов, вертолетов и ракет всех классов немыслимы без использования электрической энергии. Повышение скорости, высоты, дальности и безопасности полета современного летательного аппарата в значительной мере зависит от уровня и качества его электрификации.

Боевая эффективность летательных аппаратов значительно увеличивается благодаря автоматизации процессов управления летательным аппаратом, силовой установкой, его оборудованием и вооружением, т. е. благодаря применению автоматизированных, автоматических и комплексных систем управления..

Источниками энергии на летательном аппарате могут являться различные установки: гидравлические, механические, пневматические, химические, пиротехнические и электротехнические.

Если на заре развития авиации мускульной энергии летчика вполне хватало для выполнения всех операций, необходимых для обеспечения полета, то очень скоро оказалось, что ею одной обойтись нельзя. Пришлось использовать другие виды энергии и тем в большей степени, чем быстрее росли размеры и техническая оснащенность самолетов. На современных самолетах целый ряд операций вообще не может быть выполнен, если использовать только мускульную энергию членов экипажа.

Вопрос о применении того или иного вида энергии в каждом конкретном случае решается с учетом всех требований эксплуатации и возможности наиболее рационального использования того или иного вида энергии в этих условиях. Обычно в каждом отдельном случае возможно использование только некоторых из перечисленных видов энергии, причем электрическая энергия является наиболее универсальным видом, т. е. может быть использована почти в любом случае. Это обстоятельство является одним из основных преимуществ применения ее на самолете, так как дает возможность уменьшить число употребляемых видов энергии.

Другими не менее важными преимуществами применения электрической энергии являются:

а)возможность легкой передачи и распределения ее между
потребителями, легкой трансформации в другие виды энергии;
б)удобство автоматизации отдельных операций;

в)возможность получения меньшей массы элементов системы
электроснабжения по сравнению с элементами других источников
энергии; отсутствие тросов, валов, трубопроводов и т. п.;
г)несколько меньшая уязвимость элементов энергосистем при
поражении самолета пулями и осколками снарядов по сравнению с
элементами других источников питания;
д) возможность простоты резервирования, что значительно повышает надежность системы.
Уже во время первой мировой войны электрическая энергия стала использоваться на самолетах для радиосвязи и тогда же по
мере внедрения в практику ночных полетов появились установки электрического освещения (сначала внутреннего, затем наружного), а к концу войны и специальные посадочные средства.

Увеличение высоты полетов и полеты в зимнее время вызвали необходимость обогрева экипажа, ряда приборов, а в последнее время и отдельных частей самолета для предохранения от обледенения. Нагревательные элементы в виде проволочных сопротивлений размещались в одежде летчика (перчатки, наколенники).

Первые генераторы самолетного типа работали на переменном токе, что являлось большим удобством для работы радиоустановок. Затем пришлось перейти на генераторы постоянного тока, поскольку они создавали благоприятные условия для работы электрооборудования новых видов и для совместной работы их с аккумуляторной батареей. Уровень напряжения бортовой сети сначала был принят 6 В, что механически было заимствовано из автомобильной практики, но очень скоро в связи с увеличением мощности пришлось перейти на 12 В, а затем на 27 В. Повышение напряжения бортовой сети позволило уменьшить массу и сечение проводов сети и упростило их монтаж на летательных аппаратах.

В последние годы в связи с возможностью перевода многих потребителей на питание переменным током и необходимостью значительного уменьшения массы всего комплекса электрооборудования летательного аппарата многие самолеты переведены на систему электроснабжения переменным током более высокого напряжения.

ОСНОВНЫЕ ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРОЕКТИРУЕМОМУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЮ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

летательный аппарат самолет управление

Важность и сложность функций, выполняемых электрооборудованием летательного аппарата, предопределяют основное требование, предъявляемое к нему - надежность и безотказность действия. Из условий обеспечения его вытекает и ряд других требований, отличных от требований, предъявляемых к аналогичным видам наземного электрооборудования, например к автомобильным или стационарным наземным установкам промышленного типа.

Для выполнения основного требования в ряде случаев необходимо применять специальные конструкции и материалы, использовать особенные принципы при конструировании отдельных элементов и установок и руководствоваться иными соображениями при проектировании всей системы в целом. Кроме того, необходимо иметь в виду, что сроки службы электрооборудования летательных аппаратов устанавливаются более короткие, чем аналогичных видов обычного наземного оборудования, и что требование дешевизны в некоторых отдельных случаях не является решающим.

В целом отдельные требования могут оказаться противоречивыми (например, иметь минимальные массы и габариты и максимальную прочность), и тогда задачей конструктора является найти компромиссное решение, обеспечивающее основные требования, которые являются решающими для данного конкретного случая.

Ниже излагаются тактико-технические требования, предъявляемые к самолетному оборудованию, разработанные с учетом условий работы электрооборудования и его назначения.

Надежность и безотказность работы. Под надежностью и безотказностью работы понимается защита отдельных объектов (источников электрической энергии потребителей и сети) в случае аварий и коротких замыканий; блокировка для предотвращения возможных ошибок при управлении, которые могут привести к авариям; автоматическое поддержание работы оборудования в условиях чрезвычайных режимов по возможности длительное время (пониженное напряжение срабатывания для электромагнитов, дублирование цепи питания ответственных потребителей и т. п.).

Надежность оборудования приобретает все больший экономический смысл. Простои дорогого самолета приносят большие убытки. Стоимость новых пассажирских самолетов неизменно возрастает. Такой самолет, как «Боинг-747», стоит в настоящее время 24 млн.долл.

Минимальные массы и габариты. Масса оборудования современного самолета составляет значительную величину, примерно равную полезной нагрузке самолета. Экономия в массе оборудования позволяет увеличить запас горючего, т. е. увеличить длительность полета, потолок и скорость набора высоты, полезную нагрузку, броню самолета или боезапас, а также уменьшить посадочную скорость и разбег при взлете.

Необходимо учитывать, что кроме массы самого оборудования обычно приходится учитывать массу дополнительных опорных конструкций и крепежного материала для установки их на самолете.

При проектировании самолетного электрооборудования приходится считаться не с обычной массой («мертвой» массой) данного объекта, а с так называемой аэродинамической, или полетной, массой.

Полетная масса электроагрегата в отличие от устанавливаемой, или «мертвой», массы учитывает все дополнительные массы, которые неизбежно связаны с установкой данного агрегата, и позволяет оценить его действительную «тяжесть» для летательного аппарата. Так, например, полетная масса генератора слагается из массы самого генератора, дополнительной массы конструкции летательного аппарата; вызванной установкой генератора, дополнительной массы авиадвигателя, топлива и смазки, обусловленных отбором мощности от авиадвигателя на привод генератора, а также массы системы охлаждения генератора. Из перечисленного видно, что отдельные слагающие массы зависят от скорости, высоты и продолжительности полета.

Полетная масса генератора зависит от потребляемой им мощности и времени его работы. Потребляемая мощность в свою очередь зависит от полезной мощности и к. п. д. При заданной полезной мощности уменьшение к. п. д. ведет к увеличению добавочной массы и тем большему, чем больше время работы генератора. Для объектов с кратковременным режимом работы, как правило, добиваются меньшей «мертвой» массы, поступаясь величиной п. д. Чтобы снизить «мертвую» массу, необходимо увеличить нагрузки на активные материалы. Это ведет к повышенным перегревам и требует применения либо особой изоляции, либо лучшего охлаждения, либо специальных высококачественных материалов для отдельных деталей конструкции.

Экономия массы самолета имеет также и важное экономическое значение. По отечественным данным сокращение массы оборудования пассажирского самолета на 1 кг дает за весь срок службы самолета (30 000 ч) экономию в 6000 руб. В США считают, что экономия массы в 1 кг оправдана, если это приносит дополнительный доход за срок службы одного самолета в 445,5 долл.

Требование минимального веса и его осуществление проверяются так тщательно, что оборудование самолетов выполняется практически без запасов по любому техническому параметру - будь то мощность или коммутируемый ток, высотность или теплостойкость, крутящий момент или точность регулирования.

Минимальные габариты элементов оборудования необходимы главным образом для освобождения пространства внутри самолета, которое и без того мало. Кроме того, увеличение габаритов оборудования требует увеличения отдельных частей самолета, что приводит к увеличению массы конструкции самолета, а иногда и к. ухудшению аэродинамических свойств из-за возрастания лобового сопротивления.

Требования меньшей массы и габаритов элементов оборудования обычно не противоречат друг другу, но обеспечение их часто приводит к увеличению стоимости летательного аппарата. Следует, однако, отметить, что в большинстве случаев увеличение стоимости вполне оправдывается важностью выполняемых самолетом функций, а также обеспечением безопасности полета.

Прочность (механическая, электрическая и термическая) и химическая стойкость.

Механическая прочность. Кроме обычных требований, предъявляемых к оборудованию летательных аппаратов в отношении прочности, к нему предъявляются дополнительные требования по устойчивости против вибраций. В полете на самолете появляются вибрации с различными частотами и амплитудами, результатом которых являются переменные по направлению ускорения, действующие на различные элементы оборудования. Максимальная величина вибраций, если считать их примерно синусоидальными,

где а - амплитуда вибраций.

Помимо переменных по направлению ускорений на оборудование могут действовать значительные ускорения одного направления, возникающие при пикировании, резком изменении скорости полета, разворотах самолета и т. д. Поэтому все элементы электрооборудования проходят специальные испытания на вибрационную прочность на специальных стендах. Некоторые объекты, устанавливаемые на двигателе (например, генераторы), подвергаются испытаниям непосредственно на двигателе. Коммутационная аппаратура испытывается на многократные включения.

Теоретическими исследованиями установлено, что элементы оборудования должны выдерживать динамические нагрузки, создаваемые ускорениями до 10g (g- ускорение силы тяжести).

При испытаниях на вибрационную прочность не должно наблюдаться излома проводов в местах паек, растрескивания мастики, выскакивания пробок, выпадения активной массы в аккумуляторах, всякого рода механических повреждений и поломок, значительных изменений переходного сопротивления (более 10%), жестких и других контактных соединений и т. п.

Специфическими требованиями, предъявляемыми к механической прочности элементов оборудования боевых самолетов, являются следующие. Материалы, идущие на изготовление различных элементов оборудования, не должны давать мелких острых осколков при поражении снарядами, могущих поранить членов экипажа; электропроводка на самолете должна несколько выгибаться, чтобы при простреле одного или нескольких проводов жгута не было разрыва остальных.

Электрическая прочность. Эта прочность определяется в основном требованиями, предъявляемыми к изоляции (толщине и качеству) и к допустимым расстояниям между токоведущими частями и металлической массой как по поверхности изоляции, так и по воздуху.

Критерием электрической прочности является обеспечение следующих величин напряжений: для проводов - 300 В, генераторов- 1000 В, радиоумформеров-В, для электродвигателей, реле, коммутационной аппаратуры, электрифицированного вооружения, установок обогрева и т. п. - 500 В. Еще одним критерием электрической прочности является обеспечение сопротивлений изоляции: для отдельных частей и элементов оборудования, а также для бортовой сети оно не должно быть меньше 1 МОм, а для цепей с питанием высоким напряжением от преобразователей- не менее 5 МОм.

Термическая прочность. Требования к термической прочности предусматривают возможность перегрузок отдельных , 'Элементов оборудования и устанавливают допустимые превышения перегревов над температурой окружающей среды при нормальном атмосферном давлении и температуре +50° С. Значения перегрузок устанавливаются в зависимости от рода, назначения и характера работы оборудования.

Провода и коммутационная аппаратура, длительно (2 ч) работающие под током, должны выдерживать 200% перегрузки в течение 5 мин; электродвигатели и аппаратура, работающие в повторно-кратковременном режиме,-100%-ную нагрузку при удлиненном вдвое рабочем периоде; лампы и фары - напряжение 115% От номинального в течение 5 мин (лампы) и 1 мин (фары).

Все испытания на нагрев производятся сначала при номинальной нагрузке в номинальном режиме до установившегося теплового состояния, после чего дается перегрузочный режим.

Химическая стойкость. Требования, предъявляемые к оборудованию в отношении химической стойкости, предусматривают в основном уменьшение коррозии металлических частей под влиянием влаги, соли (для морской авиации), паров керосина, масла и т. п. При этом следует применять материалы, устойчивые против коррозии (кадмированное железо), а алюминиевые детали покрывать специальными антикоррозионными красками, лаками и т. п.

Поскольку пары керосина и масла вредно влияют на изоляцию, ее нужно изготовлять из материалов, устойчивых к ним, и препятствовать попаданию капель керосина и масла внутрь оборудования (герметические конструкции и маслозащитные устройства, как, например, в генераторах).

Удобство и безопасность в обращении, безопасность в отношении пожара и взрыва. Элементы оборудования, контрольная, измерительная и сигнальная аппаратура должны быть расположены таким; образом, чтобы обеспечивалось удобное наблюдение за ними и управление аппаратурой, для чего рукоятки (тумблеры и т. д.) должны иметь соответствующую форму.

С точки зрения безопасности в обращении с оборудованием следует избегать острых выступающих краев и углов, устранять возможность соприкосновения с проводами и деталями, находящимися под высоким напряжением или имеющими температуру выше 70° С, предотвращать возможность ожога электрической дугой при размыкании или неплотном прилегании контактов и т. п.

Требования пожарной безопасности кроме обычных мер, предупреждающих возникновение пожара, предусматривают широкое применение специальных огнестойких материалов (в частности, изоляции) или материалов, скорость горения которых в горизонтальном направлении не превышает 100 мм/мин.

Безопасность в отношении взрыва (взрывобезопасность) является одним из важных требований, предъявляемых к оборудованию. Однако полное удовлетворение этого требования затруднено по конструктивным соображениям. Обычно под взрывоопасностью понимается локализация взрыва внутри объекта без каких-либо вредных последствий для сопряженной работы с объектом системы.

Независимость работы электрооборудования от положения самолета в пространстве, скорости полета и ускорений. Конструкции всех объектов и элементов оборудования должны обеспечивать нормальную работу при любом положении в пространстве. В частности, не должны срабатывать отдельные элементы или самопроизвольно включаться и выключаться контакты под действием собственного веса или сил инерции, возникающих вследствие всякого рода ускорений при вибрациях, пикировании, виражах и т. п.; не должен выливаться электролит из аккумуляторных батарей; не должны выскакивать пробки и т. п.

Независимость работы электрооборудования от давления, температуры и влажности среды. Самолетное электрооборудование по техническим условиям должно обеспечивать нормальную работу при изменениях температуры от +60 до -60°_С, при изменениях давления от 790 до 150 мм рт. ст. и при 100% влажности.

При подъеме на высоту снижается давление, уменьшаются плотность воздуха и потенциал ионизации и понижается температура. Уменьшение плотности воздуха ухудшает отвод тепла, что в известной мере компенсируется понижением температуры. Однако в конечном итоге охлаждение объектов электрооборудования ухудшается, тем более что многие из них стоят в кабинах и на двигателях где даже на больших высотах температура может достигать +30° и выше.

Снижение потенциала ионизации ухудшает условия коммутации создает возможность пробоя изоляции, появления короны, поверхностных разрядов и дуги при более низких напряжениях.

Наличие сухого трения на больших высотах вследствие малого количества кислорода и паров воды очень сильно увеличивает износ щеток, поэтому щетки для высотных полетов нужно изготовлять из специальных материалов. Низкая температура снижает емкость аккумуляторных батарей, поэтому они должны устанавливаться в специальных утепленных ящиках (контейнерах), иногда с подогревом. Кроме того, в зимних условиях должна быть увеличена плотность электролита.

. В целях предотвращения изменения упругих свойств пружин применяется обогрев некоторых приборов и механизмов.

Возможность загустевания смазки и обледенения механизмов самолета требуют повышенных пусковых моментов электродвигателей для ряда устройств при низких температурах.

При широком изменении температур изоляция должна быть, с одной стороны, достаточно теплоустойчивой, а с другой стороны,. морозоустойчивой, т. е. при температурах от +60 до -60° не должна терять своих механических и электрических свойств.

Вода, попавшая при эксплуатации самолета в элемент электрооборудования (из-за конденсации влаги при резких переходах от высоких температур к низким, во время дождя, при попадании снега на самолет и последующем его таянии), вызывает ухудшение его работы, а в некоторых случаях - отказ в работе. Поэтому элементы электрооборудования должны конструироваться так, чтобы в них не попадала вода в условиях эксплуатации или во всяком случае могла быть немедленно удалена из элементов.

Отсутствие помех для работы радиостанций и магнитных компасов. В некоторых проводах электрооборудования проходит ток большой величины, приводящий к образованию сильных местных магнитных полей, которые могут влиять на показания приборов и магнитных компасов. Такие провода следует удалять от приборов и магнитных компасов на возможно большее расстояние, соответствующем образом располагать их, чтобы снизить результирующее поле, или ставить магнитные экраны.

Пульсации напряжения на коллекторе, вибрирование контактов Регуляторов, всякого рода нестационарные процессы в электрических цепях, а главное работа системы зажигания вызывают появление токов высокой частоты и излучение электромагнитных волн, которые могут восприниматься антенной приемной радиостанции и мешать радиоприему. Эти токи также могут проникать в приемник по проводам через цепи канала. Для устранения указанных помех применяются экранировка их источников и целых участков линий, а также специальные фильтры, препятствующие проникновению токов высокой частоты по проводам в приемные устройства.

Быстрая готовность к действию. В этом отношении электрооборудование является наиболее эффективным по сравнению с другим оборудованием самолетов.

Простота ухода и эксплуатации. По своей конструкции элементы электрооборудования должны быть достаточно простыми, чтобы в короткое время инженерно-технический состав строевых частей ВВС мог освоить их.

Самолетное оборудование должно быть взаимозаменяемым, отдельные узлы и элементы его унифицированы, что дает возможность иметь минимум запасных частей и объектов.

Конструкция, крепление и расположение элементов оборудования должны обеспечивать легкость и быстроту замены, контроля и проверки в полевых условиях.

Частота замены и капитального ремонта сводится до минимума.

Низкая стоимость. Это требование особенно существенно для элементов электрооборудования массовой продукции, например авиационных свеч. Однако для целого ряда ответственных объектов требование более низкой стоимости становится второстепенным, если за счет увеличения стоимости можно получить более совершенные устройства, а следовательно, и более надежные.

Список литературы

1.Брускин Д.Э. и др «Основы электрооборудования летательных аппаратов»Ч.I М.-1978

Больше работ по теме: