Дестабилизирующие факторы, влияющие на работу электрооборудования летательного аппарата
Современные ЛА, в частности авиационные, совершают полеты на различных высотах и в широком диапазоне скоростей независимо от времени года, суток и метеоусловий.
При эксплуатации летательный аппарат и его бортовое электрооборудование подвергаются негативному воздействию многих факторов, которые принято называть дестабилизирующими. Эти факторы делятся на внешние и внутренние. К дестабилизирующим внутренним факторам, связанным с деятельностью человека, относятся:
• нерациональные и ошибочные конструктивные решения при разработке ЭЛА;
• отступления от выверенной технологии изготовления;
• неправильные действия персонала в процессе эксплуатации;
• погрешности при выполнении ремонта.
Примером внутреннего дестабилизирующего фактора является авария, происшедшая на орбитальной станции «Салют» в конце ее полета [1].
Во время беспилотного полета станции персоналом Центра управления полетом по ошибке была подключена аппаратура, внутри которой накануне произошло короткое замыкание. Предусмотренная в СЭС максимальная токовая защита повторно аппаратуру не отключила, в результате чего все секции буферного источника – аккумуляторной батареи (АБ) были разряжены током короткого замыкания до нулевого напряжения. Это привело к выходу из строя АБ и СЭС в целом: электропривод системы ориентации оказался обесточенным и не смог оптимально сориентировать солнечные батареи. Все оборудование станции перестало функционировать, и потребовались героические усилия космонавтов В. А. Джанибекова и В. П. Савиных, чтобы состыковать свой транспортный корабль с неработающим «Салютом», войти внутрь станции и восстановить работоспособность ее СЭС. После этого случая станция в пилотируемом варианте больше не работала.
Человеческий фактор стал причиной нештатной работы системы электроснабжения искусственного спутника Земли (ИСЗ) «Омега» –одного из первых космических аппаратов с ориентированной на Солнце солнечной батареей. После выхода спутника на расчетную орбиту на первом же витке из поступающей телеметрии стало ясно, что батарея не зафиксировалась и КА «хлопает крыльями». При таком состоянии батареи ни о какой управляемой ориентации и, как следствие, эффективной работе СЭС не могло быть и речи. После нескольких витков, в течение которых бортовая аппаратура проработала на аварийном источнике питания, удалось выявить причину неудачи – заклинило фиксатор солнечной батареи. «Прогнав» на макете ход предстартовой подготовки, специалисты выяснили: выбранная технология ее проведения неизбежно приводила к тому, что инженер-испытатель поневоле чуть-чуть гнул фиксатор животом!
Как и конструкторские недоработки, к потере дорогостоящего ЛА может привести и небрежность при монтаже электрооборудования. Такая участь постигла запущенную в 1962 г. автоматическую межпланетную станцию (АМС) «Марс-1» – первую из трех станций аналогичного назначения, которую удалось направить к Марсу с орбиты ИСЗ (остальные попытки закончились неудачей). После выхода АМС на промежуточную орбиту телеметрия принесла тревожную информацию: давление сжатого газа, который использовался в двигателях ориентации станции, медленно, но неуклонно падает. Станция жила, 61-й сеанс связи прошел нормально, но все понимали, что когда весь газ истечет и двигатели ориентации не смогут ориентировать антенны – связь прекратится навсегда. Когда проанализировали причину аварии, пришли к выводу, что во время монтажа проводов сети откусанный монтажником, почти невидимый, тоньше волоса кусочек медной нити попал на крышку запирающего клапана, который не смог закрыться до конца и медленно, почти пять месяцев стравливал газ.
В середине марта 1963 г. АМС, находясь на расстоянии 106 млн км от Земли, в последний раз вышла на связь, а спустя 3 месяца – прошла мимо Марса, только информацию об этом передать было уже невозможно.
Небрежное отношение к электричеству привело к потере дорогостоящего истребителя МиГ-29, который пилотировал будущий штурман «Бурана» Р. Станкявичус. Во время испытаний для вывода истребителя из штопора в критической точке пилот отстрелил специальную противоштопорную ракету. Однако запуск такой ракеты привел к совершенно противоположному результату, еще более усугубившему критическую ситуацию. Летчик был вынужден катапультироваться, а самолет рухнул на землю. Работа комиссии показала, что при монтаже по халатности сборщика в системе запуска была перепутана полярность питания...
Внешние факторы связаны с влиянием окружающей среды и условиями функционирования бортового электрооборудования. Эти факторы зависят от климатических, механических, электромагнитных, радиационных и химических воздействий.
Важнейшие климатические факторы – это атмосферное давление, плотность, температура и влажность воздуха, озон при полете ЛА на большой высоте, а также песок и пыль, морской туман, грибковая плесень, оказывающие влияние на бортовое оборудование при работе авиации в особых условиях.
Воздушная оболочка Земли (атмосфера) представляет собой неоднородную газовую среду, в которой непрерывно происходят сложные физические, электромагнитные и фотохимические взаимодействия. По характеру изменения основных физических свойств и состава воздуха атмосферу подразделяют на несколько слоев (рис. 2.2). В слое атмосферы до высоты 100–110 км происходит сильное перемешивание газов и ее состав меняется незначительно. Этот слой называют гомосферой или турбосферой [1]. Выше расположен слой атмосферы, который называется гетеросферой. Переходной слой между ними носит название турбопаузы.
В общем случае параметры атмосферы зависят от высоты над уровнем моря, времени года и места над земной поверхностью. Поэтому для проведения расчетов и испытаний отдельных агрегатов ЭЛА и всей бортовой аппаратуры ЛА пользуются параметрами международной стандартной атмосферы (МСА), физические параметры которой получены на основе многочисленных статистических данных. В МСА высота отсчитывается от уровня моря, где нормальными условиями для воздуха считаются:
• атмосферное давление 760 мм рт. ст. (0,101 МПа);
• температура 15 оС (288 К); плотность 1,225 кг/м3.
Изменение параметров воздуха, показанное на рис. 3.4, дано применительно к МСА. Так, на высоте 10 км давление воздуха меньше, чем у поверхности Земли, в 3,8 раза, а его плотность – в 3 раза. На высоте 25 км давление составляет только 2,4 %, а плотность воздуха – 3 % от их значений на уровне моря, а на высоте 220 км эти параметры уменьшаются уже в 1 млрд раз. Влажность воздуха, соответствующая у поверхности Земли при температуре 15 °С значению 12 г/м3 и при -20 оС – 1 г/м3, с высотой уменьшается.
Рис. 3.4. Изменение параметров воздуха в зависимости от высоты атмосферы
На высоте 9–10 км водяные пары практически отсутствуют. Изменение температуры воздуха зависит от сложных физических процессов, происходящих в различных слоях атмосферы. В тропосфере на высоте от 0 до 11 км температура воздуха понижается; в стратосфере на высоте 11–50 км температура увеличивается; в мезосфере на высоте 50–85 км температура понижается; в термосфере на высоте 85–800 км снова наблюдается увеличение температуры. Кинетическая температура атмосферы, определяемая тепловым движением молекул воздуха, резко возрастает в термосфере на высоте около 250 км, затем в области изотермии ее рост замедляется. Выше термосферы расположена экзосфера, характеризующаяся высокой степенью разреженности воздуха. Границы слоев (тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза) условны, меняются в зависимости от времени и места и представляют собой переходные слои толщиной от нескольких сотен метров до нескольких километров.
Изменение параметров атмосферы при смене климатических условий и переходе ЛА с одной высоты полета на другую неблагоприятно сказывается на работе его электрооборудования.
Так, уменьшающиеся с увеличением высоты атмосферное давление и плотность воздуха приводят к существенному изменению условий работы ЭЛА, главным образом в связи с уменьшением диэлектрической прочности воздуха и коэффициента теплопередачи тепла от поверхности оборудования в окружающее пространство, а также из-за увеличивающейся ионизации воздуха под действием космических солнечных ультрафиолетовых лучей. Уменьшение электроизоляционных свойств окружающей среды является причиной более интенсивного дугообразования на контактах коммутационной аппаратуры и ухудшения коммутации в скользящих контактах электрических машин. Последнее приводит к образованию электрической дуги, которая при определенных условиях может стать незатухающей.
Круговой огонь на коллекторах генераторов был одной из основных причин аварийных ситуаций на борту высотныхбомбардировщиков Valient (Великобритания). В одной из таких аварий произошел полный отказ основной системы снабжения и разряд аккумуляторных батарей, в результате чего лишенный электроэнергии самолет разбился. Поаналогичной причине погиб и гидросамолет Princess. Хотя на этих самолетах использовалась СЭС постоянноготока повышенного напряжения (соответственно 112и120 В),надежность низковольтных систем с коллекторными электрическими машинами также остается невысокой из-за возможности появления кругового огня с последующим выгоранием щеточно-коллекторного узла. При этом продолжительность горения дуги при напряжении 24В на высоте 15–16 км удваивается по сравнению с тем, что наблюдается у поверхностиземли.
При уменьшении плотности воздуха, несмотря на снижение температуры окружающей среды, уменьшается отдача тепла элементами электрооборудования. Если при этом для генераторов не принять специальных мер для охлаждения, то на высоте 10 км они смогут отдать лишь 20–25 % своей номинальной мощности.
Изменение температуры вызывает изменение электрического сопротивления и линейных размеров проводов, диэлектрических потерь, диэлектрической прочности и сопротивления изоляции, емкости аккумуляторов и конденсаторов, вязкости смазочных веществ, применяемых в исполнительных элементах приборов. Понижение температуры на 60 °С в несколько раз увеличивает трение в механических передачах и шарикоподшипниках. Низкая температура снижает механическую прочность материалов, уменьшает их пластичность и повышает хрупкость, в изоляционных материалах появляются трещины, заливочные материалы претерпевают усадку с образованием воздушных мешков, приводящих к электрическим пробоям.
Повышение температуры вызывает ускоренное старение многих типов пластмасс, приводит к потере вязкости пропиточных материалов, масел и смазок. Трансформаторное масло теряет свою инертность и разрушает эмалевую изоляцию проводов. Большие перепады температуры являются причиной изменения отрегулированных зазоров, влияют на характер посадок в соединениях, что сказывается на их работоспособности и прочности.
Периодическая смена тепла и холода приводит к изменению магнитных свойств материалов, упругих свойств пружин и линейных размеров отдельных частей реле, контакторов, регуляторов и другой аппаратуры, в результате чего меняются их настройка и качество работы. Очень чувствительна к изменению температуры аппаратура систем управления, выполненная на основе полупроводниковых элементов.
При перемещении ЛА в атмосфере происходит нагревание его обшивки, при этом элементы фюзеляжа находятся в разном температурном поле. В зависимости от типа ЛА разница температур может достигать нескольких сотен градусов. Элементы электрооборудования, особенно жгуты проводов, размещаются по всему фюзеляжу, поэтому нагрев обшивки может негативно сказаться на его работоспособности. Если электрические машины располагаются в непосредственной близости от нагретых элементов обшивки, то их температура даже в нерабочем состоянии может резко возрастать за счет конвекционного и теплового излучения.
На самолетах в особенно тяжелых условиях работают основные генераторы, так как они размещены на авиадвигателях, в подкапотном пространстве которых температура окружающих стенок и воздуха достигает 250 °С.
Следует отметить, что скорость полета влияет не только на нагрев наружных поверхностей ЛА, но и на температуру воздуха, который через воздухозаборник подается для охлаждения электрических машин с продувом. Для таких машин и других элементов электрооборудования с подобным способом охлаждения повышенная окружающая температура может увеличить собственную температуру агрегата.
На работоспособность бортового оборудования существенно влияет влага, постоянно содержащаяся в атмосфере. Так, при увеличении высоты полета из-за уменьшения влажности повышается трение в щеточно-коллекторном узле, что приводит к интенсивному износу щеток. На высоте примерно 20 км работа щеточно-коллекторного узла становится невозможной даже при использовании специальных высотных щеток.
При полете на большой высоте воздух, заполняющий внутренние полости негерметизированных отсеков ЛА, охлаждается до температуры ниже точки образования росы. Это приводит к образованию конденсированной влаги, которая собирается в трубах, каналах, соединительных коробках и агрегатах электрической системы. В результате поглощения из атмосферы растворимых газов образуются слабые кислоты, интенсивно корродирующие металлы и формирующие токопроводящие дорожки на электрической изоляции. Пробои изоляции могут сопровождаться появлением электрических дуг, обугливающих изолирующий слой и ведущих к его дальнейшему разрушению и распаду.
О том, что наличие конденсата может привести к непоправимым последствиям, свидетельствует случай, происшедший в 1989 г. с истребителем МиГ-23 группы советских войск в Польше.
В результате длительной эксплуатации самолета с полетами над Балтийским морем влага, накопившаяся в штепсельных разъемах кабельной системы электроавтоматики двигателя, вызвала коррозию припоя и, как следствие, образование ложных электрических цепей. В результате этого произошли самопроизвольное срабатывание электромагнитного клапана сброса давления противопомпажной системы и останов двигателя. При катапультировании пилота в результате динамического удара ложные цепи ликвидировались, двигатель запустился, а система автоматического управления довела пустой самолет до Бельгии, где он и упал после полной выработки топлива.
Песок и пыль влияют на работу бортового оборудования ЛА, эксплуатирующихся в регионах с засушливым климатом. Пыль и песок способствуют быстрому износу движущихся частей, часто являются причиной заклинивания шарикоподшипников, поршней и штоков силовых приводов. Обладая высокой гигроскопичностью, они влияют на режим работы аппаратуры и снижают поверхностное сопротивление изоляции, а адсорбируя влагу, способствуют коррозии деталей механизмов. Негативное воздействие на самолеты и вертолеты морской авиации оказывает морской туман, приводящий к коррозии и последующему разрушению элементов конструкции ЭЛА. При полетах в районах с влажным тропическим климатом возможно образование грибковой плесени, что также отрицательно сказывается на работе оборудования.
На высотах, превышающих 12 км, в результате воздействия на кислород ультрафиолетовых лучей возможно образование озона. Являясь сильным окислителем, он разрушает резиновые покрытия, изготовленные из натуральных каучуков.
В отличие от авиационных ЛА, полет космических аппаратов проходит в зависимости от высоты орбиты в условиях сильно разреженной атмосферы или глубокого вакуума. Космический вакуум окружающего пространства и собственная атмосфера КА (продукты выхлопа ракетных двигателей, сброшенный за борт мусор, отслоившиеся элементы покрытий и т.п.) представляют опасность для оптических и электрически не изолированных элементов систем при разгерметизации и осаждении примесей собственной атмосферы. Последнее обстоятельство приводит к ускорению деградации солнечных батарей.
Вакуум ограничивает отвод тепла только процессами излучения, что определяет массогабаритные параметры как холодильника-излучателя, так и всей энергетической установки. Кроме того, вакуум вреден для материалов, включающих летучие элементы, что существенно изменяет их эксплуатационные характеристики.
Механические воздействия – вибрации, толчки, удары, ускорения, акустический шум – влияют не только на работу, но и на прочность электрооборудования. Вибрация вызвана работой вращающихся частей авиационных двигателей (особенно винтомоторных самолетов), лопастей винтов вертолета, а также вихревым воздушным потоком, омывающим внешние поверхности ЛА. Вибрационные силы периодически меняют свое направление. Источниками вибраций могут быть различные агрегаты, если они попадают в резонанс с собственной частотой колебаний. На ЛА наблюдаются вибрации в диапазоне частот от 0,5 до 500 Гц и выше с амплитудой до 2,5 мм. Вибрации создают дополнительные механические напряжения на всех элементах авиационных электрических машин, нагружают болты крепления корпуса и щита, создают нагрузки на подшипники, ослабляют сварные, паяные и заклепочные соединения, вызывают обрывы монтажных проводов.
Вибрационные нагрузки являются знакопеременными и поэтому самыми опасными для крепежных элементов. Они ослабляют затяжку винтов, болтов и гаек, при этом в процессе эксплуатации при недостаточно надежной контровке возможно их самоотвинчивание. На элементах с малой жесткостью при вибрациях наблюдаются явления резонанса, которые могут привести к механическим разрушениям. Такие вибрации воздействуют на длинные трубопроводы, тонкие валы и пружины щеткодержателей.
Повторяющиеся толчки испытывают детали конструкций, на которых укрепляется огнестрельное оружие. Отдача оружия после каждого выстрела передается на узлы крепления, затем на ближайшие сегменты конструкции ЛА и электрооборудование.
Ударные нагрузки возникают на самолете при посадке и полете в условиях неспокойной и турбулентной атмосферы. Палубные самолеты могут воспринимать дополнительные удары от тормозных тросов при посадке и от катапультирующих механизмов при взлете. Ударные нагрузки появляются при пуске ракети срабатывании пиротехнических устройств. На летательном аппарате могут возникать кратковременные дестабилизирующие воздействия немеханического характера. Например, внезапная разгерметизация на большой высоте является барометрическим ударом, а быстрое изменение температуры – тепловым.
Большую, чем при вибрациях или ударах, пронзительность имеют действующие без перемены знака силы инерции – ускорения. Они проявляются при изменении скорости полета и различных эволюциях самолета при выполнении фигур высшего пилотажа или ведении маневренного воздушного боя.
В результате выполнения истребителем маневра могут возникать ускорения до 13 g,еще большие перегрузки наблюдаются при полете ракет до100 g.
При полете ЛА на элементы электрооборудования действуют нулевые (невесомость) и отрицательные перегрузки. Такие перегрузки неблагоприятно сказываются на элементах ЭЛА с подвижными узлами и деталями – электрических машинах, контактахреле и т.п.
Особое влияние они могут оказать на электрические машины с жидкой циркуляционной смазкой подшипников и на машины с масляным распылительным охлаждением, в которых устранение масловоздушной эмульсии из внутренних объемовпроизводится откачивающими насосами или самотеком.
На самолетах, оборудованных мощными турбореактивными двигателями, и сверхзвуковых ЛА возникают шумы высокой интенсивности. В определенных условиях подобные звуковые воздействия могут привести к механическим разрушениям или отказу оборудования.
Применительно к космическим аппаратам механические воздействия проявляются при наземной транспортировке, выводе КА на опорную орбиту (возникающие при этом перегрузки достигают 100 g), а также как ударные нагрузки при отделении ступеней ракеты-носителя, сбросе обтекателя, коррекции орбиты, стыковке с другими КА и т.п.
Механические воздействия на КА оказывают космический мусор, метеорные тела и межпланетная пыль, которые в условиях сильно разреженной атмосферы или глубокого вакуума не сгорают и обладают огромной кинетической энергией.
В отличие от авиационного бортовое оборудование космического аппарата функционирует в условиях невесомости, которая исключает конвективный теплообмен в элементах оборудования, вызывает определенные сложности в организации процесса подачи жидкостей из емкостей и т.д.
Отсутствие реакции опор в условиях невесомости заставляет решать задачи компенсации инерционных моментов, возникающих при наличии вращающихся масс, течении теплоносителей в трубопроводах, движении отдельных элементов агрегатов и т.п.
Электромагнитные воздействияявляются одним из важных факторов, влияющих на работу ЭЛА. Природа возникновения этих воздействий обусловлена внутренними и внешними причинами. Источниками внутренних межсистемных электромагнитных помех (ЭМП) и импульсных электромагнитных воздействий (ИЭМВ) на ЛА являются: коммутационные процессы в цепях первичного и вторичного электропитания; ключевые режимы работы силовых полупроводниковых и электровакуумных приборов (транзисторов, тиристоров, разрядников и мощных радиоламп), работа нелинейных пассивных элементов (с резким насыщением, релейных и т.п.); непредвиденные пробои изоляции или коронирование проводов; переменные токи в сильноточных цепях питания; процессы заряда и разряда емкостных накопителей энергии; колебательные процессы в контурах передающих антенн или в непреднамеренных (паразитных) контурах; потери устойчивости энергосистем; выгорание плавких предохранителей и др.
Генерируемые при этих процессах ЭМП и ИЭМВ могут быть периодическими, однократными или редко повторяющимися, а формы их проявления и распространения – кондуктивными (гальваническими), электро- и магнитоиндукционными (полевыми), а также электромагнитно-волновыми [1]. Появление кондуктивных ЭМП и ИЭМВ зависит от качества электроэнергии и информационных сигналов.