Исследование проблем создания авариестойкой топливной системы вертолёта

После аварийного падения вертолётов нередки случаи возникновения пожара на борту вследствие деформации конструкции топливных баков, короткого замыкания или контакта разлитого топлива с нагретыми предметами. В этом случае процент травматизма и смертности значительно возрастает. Между тем, раздел «Топливная система», пункт 29.952 авиационных правил АП-29 гласит, что конструкция топливных баков не должна иметь таких разрушений, которые могли бы вызвать течь топлива на источник возгорания, в пределах указанных нагрузок [3]. Например, расчётные перегрузки для топливных баков, расположенных сверху или позади отсеков экипажа или пассажиров, которые при отделении могут травмировать людей при аварийной посадке: (I) Вверх – 1,5 g, (II) Вперед – 8 g, (III) Вбок – 2 g, (IV) Вниз – 4 g [3].

Успешные разработки иностранными инженерами и опыт эксплуатации зарубежными авиакомпаниями ударостойких топливных систем [1, 2] для винтокрылых аппаратов подтвердили наличие технологий, практически исключающих смертность от пожаров при происшествиях с вертолетами, когда нет других угроз жизни. К настоящему моменту в России не ведётся никаких разработок, удовлетворяющих современным требованиям и нормам по мягким и ударостойким топливным бакам. Производства и технологии, соответственно, так же находятся на прежнем уровне ещё с советских времён. С учётом постоянно ужесточающихся норм и авиационных правил в нашей стране назрела необходимость скорейшего включения в работу по проектированию и освоению современного

производства ударостойких топливных баков. В виду наращивания темпов экспорта военной техники, а также по заявлениям руководства ОАК и экспорта гражданской авиации, наличие ударостойких топливных баков, исключающих возникновения пожара, просто обязательное условие.

Решение задачи. Для решения поставленной задачи необходимо принять ряд конструктивных мер, а также использовать современные материалы и программные продукты. Ниже перечислены конструктивные особенности с кратким описанием и иллюстрациями ударостойкой топливной системы.

В современных винтокрылых аппаратах применяются различные типы топливных баков и разной степени ударостойкости. Часть из них – это отсеки внутри фюзеляжа ЛА, загерметизированные покрытием (например: ячеистый пенополиуретан), предотвращающим расплескивание. Некоторые баки – это металлические канистры или контейнеры, которые отливаются из различных синтетических материалов, а также – большие пластиковые бутыли. Отечественные мягкие топливные баки выполняются путём склейки слоя эластомера (какая-либо керосиностойкая резина), слоёв клея и специальной прорезиненной ткани. Инженеры и ученые английской фирмы GKN Aerospace разработали новый композитный материал для топливных баков. Он обладает высокой надёжностью в случае ударного воздействия и плохо восприимчив к проколам и прочим точечным повреждениям. Для изготовления мягких топливных баков в аэрокосмической отрасли традиционно используются технологии многослойного склеивания композитных материалов и текстильных защитных слоёв. Это значительно усложняет производственный процесс. Разработанный материал производится на основе термопластичного полимера и содержит внутри текстильный слой, повышающий ударостойкость материала при аварии. При наличии такого материала многократно снижается использование растворителей, содержащие летучие органические вещества. На рис. 1 показана схема уложения слоёв.

В результате аварии происходят значительные смещения и деформации конструкции вертолета, что приводит к разрыву трубопроводных соединений и разливу топлива. Подобные утечки можно сократить за счёт использования самоуплотняющихся отсечных клапанов. Их разделяют на две основные группы: разрушаемые и быстроразъединяемые.

Рис. 1. Однослойный ударостойкий топливный материал

В первой группе отсечные клапаны, в процессе крушения, получают нагрузку от трубопроводов или шлангов, и, имея в своей конструкции самую “слабую точку” топливной системы разрушаются и останавливают отток топлива. Быстроразъединяемые отсечные клапаны не разрушаются, а разъединяются и также останавливают отток топлива, например, в случае превышения максимально допустимой нагрузки на клапан или вследствие аварии. На рис. 2 и 3 показаны оба типа отсечных клапанов.

Рис. 2. Разрушаемый тип самоуплотняющегося отсечного клапана

Рис. 3. Быстрорассоединяемый клапан самоуплотняющегося отсечного клапана

При крушении металлические трубопроводы перерезаются окружающей конструкцией, разрываются вследствие смещения планера и перетираются другими металлическими элементами системы, что ведёт к разливу топлива. В таких зонах настоятельно рекомендуется применять гибкие неметаллические шланги, бронированные стальной оплёткой. В топливных системах, где не установлены отсечные клапаны, необходимо применять гибкие шланги на 20-30% длиннее, чем минимально необходимые конструкцией длины шлангов.

Компания Eaton совместно с холдингом «Вертолёты России» открыла производство гибких тефлоновых шлангов на территории России. Преимущество тефлоновых шлангов в сравнении с резиновыми заключается в длительном сроке службы, несмотря на высокую себестоимость изготовления. На рис. 4 показаны тефлоновые гибкие шланги.

Рис. 4. Тефлоновые шланги

Дренажные краны слива топлива вследствие своей конструкции и назначения расположены в самой нижней точке бака. При крушении вертолёта выступающие части дренажных отстойников разрушаются, и происходит утечка топлива. На рис. 5 показан пример крана слива остатков топлива, утопленный в бак. Чтобы открыть кран, необходимо провернуть поворотную канавку. В момент крушения не происходит разрушения конструкции крана и не возникает течи.

Рис. 5. Дренажный клапан, защищённый от открытия или повреждения при ударе

Использование современной технологии компьютерного моделирования – программных средств STAR-CCM+ фирмы CD-adapco, позволяет с высокой точностью и степенью детализации численно проанализировать сложные физические процессы, происходящие в топливной системе при крушении вертолета. Результаты и методика моделирования процессов в гидравлической системе позволяют разработчикам на стадии проектирования наблюдать поведение жидкости в баке и устранять недочёты, повышая надёжность топливной системы и вертолета в целом. На рис. 6, 7 показан современный графический интерфейс программы.

Рис. 6. Интерфейс Star-CCM+

Рис. 7. Интерфейс Star-CCM+

Выводы: описаны конструктивные меры по созданию отечественных ударостойких топливных баков с использованием современных композиционных материалов. Предложен программный продукт, позволяющий с высокой точностью и степенью детализации численно проанализировать сложные физические процессы, происходящие в топливной системе и при крушении вертолета. Результаты и методика моделирования позволяют разработчикам на стадии проектирования наблюдать поведение жидкости в баке и устранять недочёты, повышая надёжность топливной системы и ЛА в целом.