Application of Powder Charges in the Emergency System of an Aircraft Landing Gear

Full Text

Введение

Шасси – это одна из основных частей воздушного судна, предназначенная для восприятия и передачи на конструкцию самолета статических и динамических нагрузок, возникающих при взлете, посадке, движении по земле, буксировке, а также для обеспечения управляемости самолета при рулении [Житомирский, 2005; Киселев и др., 2014; Currey, 1988].

Современные летательные аппараты с убирающимися шасси в полете оборудованы соответствующей системой уборки и выпуска^1,2 [Кузьмин, 2021]. Это сложное механическое устройство [Как устроена…, 2021; Шасси летательного…, 2022], для работы которого используется, в большинстве случаев, энергия гидравлических или пневматических систем [Гидравлическая система…, 2015; Пенно, 2021], которые в свою очередь имеют определенный набор узлов и агрегатов для своего функционирования. Неисправность одного из элементов может привести к отказу системы выпуска шасси на этапе посадки самолета [Ань и др., 2021; Бекишев, 2019; Пенно и др., 2022; Zhang et al., 2014] и, как следствие, к его значительным повреждениям, разрушению и человеческим жертвам.

Для исключения подобных отказов и повышения надежности воздушного судна в целом в настоящее время применяются различные способы дублирования выпуска шасси. К ним относятся механический выпуск, применение нескольких гидравлических систем, использование аварийной пневматической системы и т.п.³ [Кондратьева и др., 2022; Патент № 2780009 C1..., 2022; Фролов и др., 2023]. Это значительно улучшило ситуацию, но не привело к полному исключению отказов выпуска шасси. В связи с этим актуальным направлением решения проблемной ситуации представляется применение нескольких дублирующих систем. Но использование общепринятых аварийных систем выпуска шасси из-за усложнения конструкции и увеличения массы самолета становится крайне затруднительным.

Такое положение особенно критично в отношении летательных аппаратов военного назначения (истребительная, штурмовая, бомбардировочная авиация), где к требованиям по надежности, в связи со спецификой использования, дополняются требования по «живучести» воздушного судна. Основные и аварийные системы выпуска шасси могут отказать в результате получения боевого повреждения.

Логично предположить, что использование нескольких дублирующих систем также способно существенно повысить «живучесть» боевого самолета. Однако, учитывая, что одним из основных показателей летательного аппарата является его тяговооруженность, то увеличение массы воздушного судна, в результате размещения дополнительного оборудования, неминуемо приведет к уменьшению ее значения, что напрямую влияет на качество летных характеристик, и снижению полезной нагрузки.

Кроме того, такой подход требует дополнительного внутрифюзеляжного пространства для оборудования, что не всегда возможно, учитывая компоновку современной боевой техники (например, истребителя). К тому же большое количество агрегатов дополнительных систем только увеличивают риск их боевого поражения и возникновения аварийной ситуации.

Для решения обозначенной проблемы предложен способ аварийного выпуска шасси с применением порохового заряда, удовлетворяющий требованиям по надежности и «живучести» авиационной техники при минимально возможном увеличении веса воздушного судна и компактности оборудования.

Материалы и методы

Материалом исследования являются применяемые на современных летательных аппаратах боевой авиации основные и аварийные системы выпуска шасси, принцип их устройства и работы.

В процессе изучения материала прослеживаются некоторые противоречия между требованиями к надежности и «живучести» авиационной техники в виде необходимости применения дублирующей аварийной системы выпуска шасси и неприемлемым увеличением массы и габаритов самолета, что отрицательно сказывается на тактико-технических характеристиках воздушного судна.

Целью нашего исследования является обоснование возможности применения порохового заряда в системе аварийного выпуска шасси.

Для достижения поставленной цели в проводимом нами исследовании необходимо было решить некоторые задачи, а именно:

• провести анализ конструкции и принципа работы основной и аварийной систем выпуска шасси современных боевых летательных аппаратов;
• определить воздушное судно как объект для возможного внедрения предлагаемого авторами способа аварийного выпуска шасси;
• раскрыть принцип использования порохового заряда при аварийном выпуске шасси;
• обосновать изменение массы воздушного судна и возможные изменения конструкции самолета при размещении дублирующего оборудования;
• сформулировать итоги проведенного исследования, обосновать возможность применения порохового заряда в системе аварийного выпуска шасси.

Для решения поставленных задач использовались теоретический (анализ, обобщение, моделирование), а также математический методы исследования.

Практическая значимость заключается в возможности применения дублирующей системы аварийного выпуска шасси без существенных изменений массы и габаритов воздушного судна.

Дискуссия

Проведенный анализ конструкции и работы систем выпуска и уборки шасси современных летательных аппаратов военного назначения (Су-25, Су-27, МиГ-29, Як-130 и т. п.) позволил сделать вывод, что устройство данных систем выполнено по схожему принципу, как в штатном функционировании, так и в применении аварийных систем выпуска шасси. Это позволило остановить наш выбор на самолете Як-130, как объекте для обоснования возможности применения пороховых зарядов в системе аварийного выпуска шасси. На данном летательном аппарате применена схема, где выпуск шасси производится от общей гидравлической системы, а при ее отказе – от аварийной пневматической системы.

На рисунке 1 показана принципиальная схема системы уборки и выпуска шасси самолета Як-130.

 

Рисунок 1 – Система уборки-выпуска шасси. Схема принципиальная гидропневматическая

 

Гидравлическая система основного выпуска и пневматическая система аварийного выпуска шасси данного воздушного судна включают большое количество агрегатов, таких как баки, баллоны, насосы, различные клапаны и трубопроводы. Повреждение одного из них способно привести к отказу выпуска шасси. Это предъявляет дополнительные требования к дублирующей аварийной системе выпуска в плане сокращения количества применяемых в конструкции компонентов.

Открытие створок и замков убранного положения шасси, а также выпуск самих шасси осуществляется гидроцилиндрами, которые используются как при основном, так и при аварийном выпуске. Принцип устройства и работы всех гидроцилиндров аналогичен, это позволило для проведения исследования остановиться на цилиндре уборки-выпуска основных опор шасси (ООШ).

Рассмотрим работу данного цилиндра при основном и аварийном выпуске шасси (рис. 2).

 

Рисунок 2 – Цилиндр уборки-выпуска основных опор шасси⁴:

1. Крышка; 2. Поршень с цангой; 3. Клапан аварийный; 4. Упор; 5. Поршень запирающий; 6. Втулка упорная; 7. Корпус; 8. Шток; 9. Поршень плавающий; 10. Болт ушковый; 11. Букса; 12. Цанга; 13. Выключатель концевой; 14. Рычаг; 15. Толкатель; 16. Штуцер уборки; 17. Переходник

 

На выпуск ООШ давление нагнетания подводится через аварийный клапан 3 (штуцер основного выпуска шасси) в полость выпуска штока. На уборку основных опор давление нагнетания поступает в полость уборки штока через штуцер уборки 16.

При постановке рукоятки ШАССИ на выпуск основных опор давление нагнетания поступает в полость выпуска штока. Под действием давления рабочей жидкости шток 8 вместе с элементами механического замка перемещаются на выпуск. Дойдя до цанги, упорная втулка 6 своей конической поверхностью разжимает лепестки цанги 12. По мере дальнейшего движения штока лепестки цанги встают за упорную втулку. Одновременно запирающий поршень 5 перемещает плавающий поршень 9 до упора в торец цанги и внутренней поверхностью находит на цангу. Замок заперт. Шток выпущен, основные опоры выпущены. Одновременно с закрытием замка плавающий поршень поворачивает рычаг 14 механизма сигнализации, который перемещает толкатель 15 от штока выключателя 13. Происходит переключение контактов, и выключатель выдает сигнал выпущенного положения основных опор.

При постановке рукоятки ШАССИ на уборку основных опор давление нагнетания поступает в полость уборки штока. Под действием давления рабочей жидкости запирающий поршень 5 отходит влево, освобождая лепестки цанги. Замок отпирается. При начавшемся движении штока упорная втулка 6, разжимая лепестки цанги, выходит из-под цанги. Шток убирается, основные опоры убираются. Одновременно с открытием механического замка под давлением рабочей жидкости плавающий поршень 9, перемещаясь влево, поворачивает рычаг 14 и перемещает толкатель 15 к штоку выключателя 13, переключая его контакты.

При аварийном выпуске основных опор давление азота подается в штуцер аварийного выпуска аварийного клапана 3. По каналу в корпусе аварийного клапана азот подается в полость поршня с цангой 2. Под действием давления азота поршень перемещается вправо, лепестки цанги сжимаются. В конце хода поршня 2 лепестки цанги под действием упругих сил разжимаются и встают за упор 4. Аварийный клапан 3 фиксируется в положении аварийного выпуска основных опор. Канал штуцера основного выпуска перекрывается, а полость выпуска штока цилиндра соединяется через отверстия в поршне с каналом аварийного выпуска.

Обратное переключение аварийного клапана происходит при подаче давления рабочей жидкости в штуцер основного выпуска. Под действием давления лепестки цанги выходят из-за упора 4, поршень 2 перемещается влево и соединяет через отверстия полость выпуска штока с каналом основного выпуска.

Изучив конструкцию и работу системы выпуска шасси летательного аппарата, а также учитывая требования по надежности и «живучести», предлагается рассмотреть вариант применения пороховых зарядов, где энергия газов, выделяющаяся при горении, аналогично давлению азота может быть использована для выпуска шасси как дублирующая аварийная система.

Примером успешного применения пороховых зарядов является конструкция катапультного кресла К-36Л-3,5Я самолета Як-130⁵. На данном кресле энергия газов используется для работы механизмов системы аварийного притяга летчика, системы стабилизации и пневмоприводов, системы ввода парашюта и отделения летчика от кресла. Надежность данной конструкции подтверждается тем фактом, что на кресле не предусмотрено дублирование указанных систем, участвующих в спасении летчика.

Предлагается доработать конструкцию цилиндра уборки-выпуска шасси пиропереключателем, благодаря которому к двум существующим вариантам работы добавляется возможность выдвижения штока за счет энергии пороховых газов (рис. 3в).

Для демонстрации авторской разработки на рисунке 3а показана схема работы цилиндра выпуска основной опоры от гидросистемы, 3б – от аварийной пневмосистемы, 3в – от дублирующей аварийной пиросистемы. 

Пороховой газогенератор предлагается установить непосредственно на корпус цилиндра уборки-выпуска основных опор шасси и направлять пороховые газы по короткому трубопроводу на пиропереключатель 2 через штуцер 1 (рис. 3в). После воспламенения пирозаряда газы перемещают поршень пиропереключателя, который перекрывает каналы подвода гидравлической жидкости и азота и одновременно открывает канал для поступления газов в полость выпуска штока цилиндра.

 

Рисунок 3 – Цилиндр уборки-выпуска основных опор шасси с пиропереключателем:

1. Штуцер подвода пороховых газов; 2. Пиропереключатель

 

Стоит обратить внимание, что предлагаемые конструктивные изменения цилиндра выпуска шасси минимальны, и его работа при их внедрении принципиально не изменилась.

В исследовании проведено моделирование динамики выпуска ООШ от двух существующих систем – гидравлической и пневматической, и предложенной пиромеханической системы.

Принятая расчетная схема (рис. 4) рассматривается при следующих допущениях:

• другие потребители общей гидросистемы в период выпуска шасси не потребляют гидравлическую энергию;
• внешние нагрузки не учитываем, поскольку при любом способе выпуска шасси они одинаковы.

 

Рисунок 4 – Расчетная схема выпуска основной опоры шасси:

1. Гидронасос; 2. Гидроаккумулятор; 3. Двухпозиционный электрогидрораспределитель; 4. Трехпозиционный электрогидрораспределитель; 5. Цилиндр замка убранного положения шасси; 6. Цилиндр уборки и выпуска шасси; 8, 10. Обратный клапан; 7. Гидроцилиндр уборки-выпуска шасси; 9. Гидробак

 

Распределение гидравлической мощности на выпуск:

• передней опоры – 40% (опора выпускается против потока воздуха);
• каждой из основных опор – 30%;
• рабочая жидкость – масло АМГ-10 ГОСТ 6794-75;
• подача насоса НП-96 – 1,25∙10^-3 м³/с;
• давление за насосом при нулевой подаче P₀ – 21 МПа;
• давление за насосом при максимальной подаче P_p – 18 МПа;
• давление в гидробаке P_гб – 0,4 МПа.

Параметры гидроцилиндра:

• наружный диаметр корпуса D_нк – 96,4 мм;
• диаметр поршня D – 88,6 мм;
• диаметр штока d – 38 мм;
• ход штока h – 261 мм;
• объем полости выпуска $V_{вып}=\frac{\pi D^{2}h}{4}=\mathrm{1,608}\cdot {10}^{-3}{м}^3$;
• объем полости уборки $V_{вып}=\frac{\pi (D^2-d^2)h}{4}=\mathrm{1,312}\cdot {10}^{-3}{м}^3$;
• диаметр каналов подвода жидкости d_T – 8 мм.

Параметры гидравлической трубопроводной сети:

• суммарная длина магистрали выпуска – 2,6 м;
• суммарная длина магистрали уборки – 2,6 м;
• диаметр живого сечения – 8 мм;
• абсолютная шероховатость поверхности трубопровода Δ_э – 0,05 мм;
• сумма коэффициентов местных гидравлических сопротивлений в магистрали выпуска основной опоры 1,32∙12+2∙1+0,5+0,4 = 18,74;
• сумма местных коэффициентов гидравлических сопротивлений в магистрали уборки основной опоры 1,32∙6+0,5+0,4 = 8,82;
• время выпуска шасси – 4 с.

Исходя из объема полости выпуска цилиндра ООШ и времени выпуска опоры определена подача жидкости в магистрали нагнетания $Q_{н}=\frac{\pi D^{2}h}{4t}=\mathrm{4,021}\cdot {10}^{-4}{м}^3/с$, что составляет 32,168 % от подачи насоса, как было принято в допущениях.

Потери энергии как в магистрали выпуска ООШ⁶, так и в магистрали уборки  представляют собой сумму потерь энергии на трение по длине  и местных гидравлических сопротивлений :

$h_{н-к}=h_{дл}+\sum h_{м}=\lambda \cdot \frac{\mathcal{l}}{d_{Т}}\cdot \frac{v^2}{2\cdot g}+\sum \xi \cdot \frac{v^2}{2\cdot g}=\frac{v^2}{2\cdot g}\cdot \left(\lambda \cdot \frac{\mathcal{l}}{d_{Т}}+\sum \xi \right)$, (1)

где $\mathcal{l}$ – длина трубопровода;

v – средняя скорость в сечении потока;

d_T – диаметр трубопровода;

ξ – коэффициенты местных сопротивлений, определяются по справочным данным;

λ – коэффициент гидравлического трения. Этот коэффициент зависит от режима движения жидкости (числа Рейнольдса Re) и состояния поверхности трубопровода.

Результат решения уравнения 1 для выпуска ООШ от гидросистемы представлен на рисунке 5.

 

Рисунок 5 – Динамика изменения давлений в полостях цилиндра ООШ при выпуске опоры от гидросистемы

 

Анализ результатов моделирования позволяет сделать вывод о том, что усилие гидроцилиндра плавно нарастает до страгивания опоры. Затем остается примерно постоянным и при фиксации опоры замком выпущенного положения возрастает до максимального для надежного удержания опоры в выпущенном положении.

Исходными данными для моделирования аварийного выпуска ООШ от пневмосистемы приняты:

• объем двух баллонов в аварийной пневмосистеме – 6∙10^-3 м³;
• давление азота в баллонах – 21 МПа;
• объем полостей выпуска всех трех гидроцилиндров – 1,608∙2+1,312 = = 4,526 л или 4,526∙10^-3 м³;
• время аварийного выпуска принимаем таким же, как и основного;
• объемом трубопроводов пренебрегаем.

На рисунке 6 показана динамика изменения давлений в полостях цилиндра ООШ при аварийном выпуске опоры от пневмосистемы.

 

Рисунок 6 – Динамика изменения давлений в полостях цилиндра ООШ при аварийном выпуске опоры от пневмосистемы

 

Из анализа результатов моделирования видно, что усилие гидроцилиндра резко нарастает в начале страгивания опоры, затем постепенно снижается и при фиксации опоры замком выпущенного положения остается на уровне 55 – 60% от начального давления. Удержание опоры в выпущенном положении обеспечивается только механическим (цанговым) замком без участия гидрозамка.

В предлагаемой пиромеханической системе дублирующего аварийного выпуска шасси, путем подбора пирозаряда газогенератора, можно обеспечить любой желаемый закон изменения давления газа в полости выпуска гидроцилиндра ООШ.

Вопросы по методике подбора пороховых зарядов заслуживают отдельного изучения и не рассматриваются в данном исследовании.

Один из возможных вариантов изменения давления пороховых газов дублирующего аварийного выпуска шасси от пиросистемы и динамики изменения давлений в полостях цилиндра ООШ показан на рисунке 7.

 

Рисунок 7 – Динамика изменения давлений в полостях цилиндра ООШ при аварийном выпуске опоры от пиросистемы

 

Анализ результатов моделирования позволяет сделать вывод о том, что усилие гидроцилиндра плавно нарастает в начале страгивания опоры, развивая при этом усилие на штоке гидроцилиндра на 20 – 25% больше по сравнению с выпуском от гидравлической системы и 40 – 45% выше по сравнению с аварийным выпуском от пневмосистемы. Заметим, что давление газа в газогенераторе и в полости выпуска гидроцилиндра ООШ не превышает рабочее давление в гидросистеме, поэтому нагрузки на стенки гидроцилиндра по сравнению с выпуском от гидросистемы не изменяются, усиление корпуса и штока гидроцилиндра не требуется.

В конце выпуска ООШ давление газа в пиромеханизме достигает величины, равной рабочему давлению в гидросистеме, что повышает надежность закрытия механического замка в гидроцилиндре и фиксации опоры в выпущенном положении.

Таким же образом предложенные конструктивные изменения могут быть применены и на других цилиндрах системы выпуска шасси самолета Як-130, так как их принципиальное устройство аналогично.

Для функционирования представленной модели необходимо обеспечение системы аварийного выпуска шасси дополнительным электрооборудованием, органами управления в кабине самолета, а также должны быть внесены изменения в программу, отвечающую за алгоритм ее работы.

Основной упор в исследовании сделан на исполнительные механизмы, а задача комплектации сопутствующим оборудованием рассматривается в общем контексте. Однако для окончательных выводов по итогам работы необходимо произвести анализ возможного увеличения массы самолета.

Для примера рассмотрим показатели веса основных компонентов, добавленных в конструкцию предложенной системы, взяв за основу схожие по назначению агрегаты:

• пиромеханизм с пиропатроном ПК-21М-2 (9 шт.) – общий вес не более 10 кг;
• авиационный кабель БПВЛ сечением жилы 0,5 мм² – вес 8,9 кг за 1 км длины;
• арматура в кабине представляется в виде переключателя или кнопки выпуска шасси и существенных весовых значений не имеет;
• в системе управления не предполагается использование дополнительных агрегатов, таких как блоки управления, концевые выключатели сигнализации положения узлов шасси и т. д. С изменением программного обеспечения данные изделия будут работать и в предлагаемой к внедрению системе по аналогичному алгоритму.

Анализируя полученный результат, можно предположить, что использование пороховых зарядов, дополнительной электрической проводки и установки арматуры в кабине не способно значительно увеличить массу воздушного судна, а значит повлиять на летные характеристики самолета.

К тому же, электрическая проводка, в отличие от трубопроводов, имеет эластичную структуру, и ее прокладка не требует существенных изменений в конструкции летательного аппарата. Данное обстоятельство и незначительный вес дают возможность применения дублирования каналов коммуникации. Такой подход значительно повышает надежность и «живучесть» воздушного судна в вопросе его безопасной посадки.

Результаты

Основными результатами исследования предложенной системы аварийного выпуска шасси с использованием пороховых зарядов являются:

• источник энергии в виде порохового заряда может быть расположен непосредственно на цилиндрах, входящих в систему выпуска шасси без значительных конструктивных изменений самих цилиндров;
• на примере разработанной авторской модели цилиндра выпуска шасси наглядно продемонстрирован принцип работы дублирующей аварийной системы, не влияющий на функционирование уже существующих систем;
• необходимый набор оборудования для внедрения предложенного способа аварийного выпуска шасси не ведет к существенному увеличению веса самолета и не требует заметных изменений в конструкции летательного аппарата;
• предлагаемая модель выпуска шасси предполагает использование уже установленных на воздушном судне агрегатов;
• незначительный вес электрической проводки дает возможность дублирования каналов коммуникации;
• учитывая электро-дистанционный принцип управления различными системами современных летательных аппаратов, алгоритм работы выпуска шасси может быть скорректирован путем внесения изменений в программу управления.

В качестве недостатка можно отметить необходимость замены пирозарядов после использования системы аварийного выпуска шасси по назначению.

Заключение

На основании полученных результатов по исследованию можно сделать заключение, что применение пороховых зарядов в системе аварийного выпуска шасси способно улучшить показатели по повышению надежности и «живучести» авиационной техники. Ее конструктивные особенности позволяют использовать данную систему как дублирующую при отказах основной и аварийной систем выпуска шасси.

Кроме того, следует отметить, что работа дублирующей аварийной системы обеспечивается значительно меньшим количеством агрегатов, а размещение источников энергии непосредственно на исполнительных механизмах системы позволяет исключить применение трубопроводов и заменить их электрической проводкой с функцией дублирования. Это в свою очередь уменьшает возможность отказа при боевом поражении воздушного судна, не приводит к заметному увеличению массы самолета и изменениям его конструкции.

Дополнительные материальные затраты по оборудованию летательного аппарата аварийной системой, замене пороховых зарядов после их применения не сопоставимы с возможными последствиями при полном отказе выпуска шасси, ведущими к поломке воздушного судна или его потере.

Таким образом, можно сделать вывод, что предложенная модель с использованием пороховых газов для обеспечения работы цилиндров может быть рекомендована как один из вариантов дублирующей аварийной системы выпуска шасси.

¹ Житомирский Г. И. Конструкция самолетов: учебник для студентов вузов. 6-е изд., испр. М.: Инновационное машиностроение, 2021. 416 с.

² Подружин Е. Г. Конструкция и проектирование летательных аппаратов. Шасси: учеб. пособие / Е. Г. Подружин, В. М. Степанов. 2-е изд. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. 68 с.

³ Пенно А. Ф. Конструкция и летная эксплуатация воздушного судна. Самолет Як-130: Учебное пособие / А. Ф. Пенно, Ю. П. Беловодский, А. М. Клименко. Краснодар: КВВАУЛ, 2023. 284 c.

⁴ Самолет Як-130. Руководство по технической эксплуатации. Шасси. М.: ОАО «Корпорация «Иркут», 2013. 700 с.

⁵ Катапультное кресло К-36Л-3,5Я. Руководство по технической эксплуатации (в двух томах). Том 2 – Описание систем и агрегатов. М.: ОАО «Научно-производственное предприятие «Звезда»», 2009. С. 411.

⁶ Раинкина Л. Н. Гидромеханика: Учебное пособие. Ухта: УГТУ, 2001. 113 с.

About the authors

Anatoly F. Penno

Krasnodar Air Force Institute for Pilots named after Hero of the Soviet Union A.K. Serov of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: anpenno@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-4514-2848

Candidate of Pedagogic Sciences

Russian Federation, Krasnodar

References

Supplementary files