Badania zużycia w cyklu życia, czyli na straży bezpieczeństwa [ANALIZA]

Kwestia bezpieczeństwa to temat w lotnictwie traktowany bardzo poważnie, ale nadal pewnym wyzwaniem pozostaje kontrola stanu technicznego struktury płatowca. Jej zużycie czy przekroczenia dopuszczanych obciążeń, na przykład w wyniku twardych lądowań lub wykonywania ewolucji trudniej jest stwierdzić niż w przypadku elementów takich jak silniki i czy elementy ruchome. Nic, mówiąc kolokwialnie „nie dymi" i nie hałasuje, ale zagrożenie może narastać aż do tragicznego skutku. Parametry takie jak deformacja czy nawet zerwanie ciągłości struktur nośnych są też trudno mierzalne. W przeszłości wymagało to de facto remontu głównego, przy okazji którego elementy takie jak kadłub czy skrzydła czyszczono „do gołego metalu" i badano np. poprzez prześwietlanie, poszukiwanie pęknięć, czy śladów korozji.

Oczywiście tego typu remont jest bardzo kosztowny, wymagając rozebrania maszyny na części i ponownej „odbudowania", nałożenia wszelkich powłok oraz instalacji systemów. Jest to długotrwałe i pracochłonne, dlatego obecnie coraz większą popularność zyskują badania nieniszczące oraz systemy diagnozujące stan struktury w sposób ciągły. Nie tylko rejestrują one nieprawidłowości w obciążeniach struktury i jej spójności, ale w połączeniu z danymi rejestratora lotu pozwalają określić w jakich okolicznościach powstały uszkodzenia i być może je wyeliminować.

Najbardziej typowe przykłady, to dynamiczne manewry obciążające struktury skrzydła czy twarde przyziemienia powodujące znaczne obciążenia kadłuba czy skrzydeł. Szczególnie w rejonie mocowania goleni podwozia. Podobne znaczne obciążenia dotyczą śmigłowców, szczególnie w warunkach bojowych, gdy często wykonuje się dynamiczne manewry na niewielkiej wysokości, w tym lądowania. Stad szczególne zainteresowanie właśnie śmigłowcami.

Stan śmigłowca badany w trybie ciągłym

W celu badania parametrów obciążenia i odkształcenia oraz przeciążenia struktur śmigłowcowych ITWL nie tylko opracował odpowiedni system, który może być stosowany na różnych śmigłowcach niezależnie od ich typu. Prototyp Systemu Monitorowania Stanu Technicznego (SMST) został zabudowany na polskim śmigłowcu Mi-8 i był wykorzystywany przez 24 miesiące. Efektem było nie tylko potwierdzenie jego działania, ale zebranie danych, które posłużyły do jego modyfikacji i ulepszenia skuteczności. Było to możliwe, ponieważ system SMST jest modułowy i niezależny od systemów pokładowych śmigłowca. Jego instalacja nie powoduje też ingerencji w strukturę maszyny, co pozwala na jego zastosowanie na różnych typach maszyn.

Jako pierwszy wybrano właśnie Mi-8 ze względu na wiek i wielokrotnie wydłużany czas eksploatacji, co szczególnie wymaga ciągłej realizacji tego typu diagnostyki. Jednak system SMST można też zastosować na maszynach wprowadzanych dopiero do służby. Jest to nie tylko polskie rozwiązanie, ale też mające przewagę nad powszechnie stosowanymi systemami typu HUMS (ang. Health and Usage Management Systems). Rozwiązanie opracowane przez ITWL monitoruje bowiem nie tylko obciążenia eksploatacyjne struktury, ale też stanu technicznego elementów układu transmisji (przekazania mocy) śmigłowca na podstawie poziomu wibracji. Prócz tego opracowano też unikalne oprogramowanie, służące analizie danych.

Przed wdrożeniem na użytkowej maszynie, w ramach odrębnego projektu badawczego o kryptonimie „Astyanax" przeprowadzono weryfikacje systemów monitorowania stanu technicznego SMST przeprowadzając test zmęczeniowy belki ogonowej oraz „twardego lądowania" śmigłowca Mi-8/17. De facto polegał on na pięciokrotnym „zrzuceniu" niezdatnego do lotu śmigłowca z różnych wysokości i pomiarze odkształceń oraz obciążeń kluczowych elementów. Dotyczyło to szczególnie odkształceń i obciążeń najciężej pracujących podzespołów i struktur, a więc podwozia i elementów struktury nośnej do których jest ono mocowane jak również belki ogonowej, która ze względu na znaczne wydłużenie przenosi znaczne obciążenia, szczególnie gnące i rozciągające. W tych warunkach nie tylko uzyskano dane porównawcze i sprawdzono obciążenie struktur w dość częstym dla śmigłowców zdarzeniu, ale potwierdzono też właściwe funkcjonowanie czujników.

Modułowy system, nowoczesne rozwiązania

SMST, ale też inne systemy opracowane przez ITWL korzystają z unikalnego oprogramowania i oprzyrządowania, służącego do analizy i przetwarzania danych. Opierają się one na wielu doświadczalnie sprawdzonych funkcjonalnościach. Również zastosowane sensory łączą w interesujący sposób nowoczesne technologie oraz zjawiska i metody badawcze powszechnie i od dawna stosowane w diagnostyce. Są to m. in. dobrze znane w lotnictwie tensometry, czyli mierniki naprężenia materiału czy akcelerometry, pozwalające określić przyspieszenia liniowe i kątowe, czyli m. in. drgania elementów systemu przeniesienia mocy i wirnika oraz śmigła ogonowego.

Znacznie ciekawsze są jednak opracowane i przetestowane sensory mierzące odkształcenie elementów struktury płatowca. Część z nich wykorzystuje pozornie proste rozwiązania, dostarczając bardzo precyzyjne dane. Takim przykładem są np. czujniki „drabinkowe", które powstają gdy wzór w postaci równolegle połączonych odcinków elektroprzewodzących jest nanoszony na strukturę w miejscu, w którym prawdopodobne jest wystąpienie pęknięcia zmęczeniowego, czyli szczególnie obciążone elementy. Wzór wykonuje się z farb elektroprzewodzących i podłącza pod aparaturę pomiarową zapewniającą zasilanie i umożliwiającym pomiar napięcia w tak powstałym obwodzie. Gdy pojawią pęknięcia pod czujnikiem, będą one sukcesywnie przerywać ścieżki pomiarowe, powodując zmianę mierzonego napięcia wyjściowego, co precyzyjnie wskazuje zakres uszkodzeń.

Zastosowano również węzły pomiarowe z użyciem przetworników piezoelektrycznych (przetworniki PZT). Wykorzystują one wtórne i pierwotne zjawisko piezoelektryczne, dzięki czemu każdy element sieci może generować jak i odbierać sygnał. Generator pod wpływem przyłożonego zmiennego pola elektrycznego o odpowiedniej charakterystyce (tzn paczka falowa) wzbudza w badanym elemencie mechaniczne fale sprężyste. Taka fala po dotarciu do odbiornika może zostać zamieniona na sygnał elektryczny i zapisana. Znając parametry fal dla struktury nieuszkodzonej, korzystając z odpowiednich algorytmów można wykrywać zmiany w sygnale i dzięki temu określić umiejscowienie i zakres zmian zmęczeniowych.

Dla wszystkich tych rozwiązań opracowano też interfejsy graficznego zobrazowania wyników pomiarów, oraz system agregujący całość danych w celu ich analizy i obróbki. Co istotne, system jest całkowicie niezależny od innych systemów pokładowych, co zapewnia jego wysoką odporność a jednocześnie pozwala na porównanie danych o obciążeniu z parametrami zapisanymi w rejestratorach parametrów lotu. Pozwala to na określenie okoliczności powstawania uszkodzeń, ich zakres i ryzyko pogłębienia w toku eksploatacji. System tego typu umożliwia bezpieczną eksploatację, ale też określa w trybie ciągłym zużycia struktury, co jest szczególnie istotne w przypadku płatowców których resurs został wydłużony. Ale modułowa i otwarta budowa pozwala też na zastosowanie systemu w nowych maszynach dowolnego typu, zapewniając analizę ich zużycia w cyklu życia.

System monitorowania struktur bezzałogowców i nie tylko

W ramach prac związanych z systemami monitorowania struktur lotniczych ITWL współpracuje z licznymi kluczowymi europejskimi ośrodkami badawczymi i przemysłowymi. Jednym z tego typu projektów był realizowany w latach 2017-2020 SAMAS – „SHM Application to reMotely piloted Aircraft Systems". Był to projekt zrealizowany w międzynarodowym konsorcjum z inicjatywy Europejskiej Agencji Obrony (EDA).

Realizacją SAMAS zajmowała się Politechnika w Mediolanie jako lider konsorcjum, którego uczestnikami był też Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Wojskowe Zakłady Lotnicze Nr 1 oraz koncern Leonardo. Celem było opracowanie demonstratora technologii systemu pozwalającego na monitorowanie stanu oraz obciążeń kompozytowych struktur lotniczych, co pozwala na precyzyjne szacowanie zużycia konstrukcji statków powietrznych. Jest to projekt perspektywiczny, gdyż kompozyty są coraz szerzej stosowane w budowie statków powietrznych, przede wszystkim bezzałogowców.

Specyfiką systemów bezzałogowych jest jak sama nazwa wskazuje, brak załogi na pokładzie. Pilot czy operator nie jest więc w stanie, jak w maszynach załogowych, odczuć zmian w zachowaniu maszyny, wibracji związanych ze zużyciem czy zmian w obciążeniu układu sterowania. Wszystkie parametry trzeba więc śledzić maszynowo, aby zapewnić bezpieczeństwo coraz szerzej stosowanych maszyn, które operują również w miastach, na obszarach gęsto zabudowanych i zamieszkanych.

Sieć czujników została zintegrowana w projekcie SAMAS ze strukturą celu powietrznego „Szerszeń" w celu zademonstrowania możliwości systemu monitorowania obciążeń w trakcie badań w locie. Zastosowano sieć tensometrów, akcelerometrów mikro-elektromechanicznych (MEMS) oraz światłowodowowych czujników naprężeń typu FBG. Zasada działania takiego czujnika bazuje na liniowej zmianie długości fali. Siatka dyfrakcyjna, umieszczona na strukturze włókna, rejestruje zmiany współczynnika załamania światła wzdłuż rdzenia. Wahania długości fali świetlnej są wprost proporcjonalne do naprężenia. Na pojedynczym światłowodzie może zostać umieszczona bardzo duża liczba czujników, których pomiar można odczytywać dzięki precyzyjnemu odbiornikowi i oprogramowaniu, które zostało opracowane do tego celu przez ITWL. Czujniki światłowodowe FBG umieszcza się wzdłuż obciążonych elementów.

Do końca 2020 roku zrealizowano w pełni cele projekt SAMAS. System może zostać z powodzeniem zastosowany do monitorowania konstrukcji statków powietrznych różnych typów, nie tylko bezzałogowców. Pozwala to na efektywne zarządzanie zdatnością do lotu na podstawie dokładnych danych dotyczących zużycia zmęczeniowego konstrukcji, ale też ich uszkodzeń, zwiększając bezpieczeństwo i obniżając koszty eksploatacji. Co istotne, system rejestruje i określa zakres zarówno uszkodzeń eksploatacyjnych jak też np. balistycznych (będących skutkami ostrzału), co może być istotne nie tylko dla bsl, ale również dla samolotów i śmigłowców biorących bezpośredni udział w działaniach bojowych.

Przedstawione tu rozwiązania to jedynie wycinek prac realizowany przez ITWL i możliwości jakie oferują w zakresie podnoszenia poziomu bezpieczeństwa eksploatacji statków powietrznych. Co istotne, stanowią one element szerszych, również międzynarodowych prac w tym zakresie. Jest to istotny element działalności, która ma zastosowanie nie tylko w lotnictwie wojskowym ale również cywilnym.

Artykuł przygotowany we współpracy z ITWL