Основні тактико-технічні вимоги до електрообладнання ЛА

Важливість і складність функцій, що виконуються електрообладнанням літального апарату, зумовлює основну вимога до нього – надійність і безвідмовність дії. З умов його забезпечення витікає і ряд інших вимог, відмінних від тих, що пред'являються до аналогічних видів наземного електрообладнання, наприклад, до автомобільних або стаціонарних наземних установок промислового типу.

Для виконання основної вимоги у ряді випадків необхідно застосовувати спеціальні конструкції та матеріали, використовувати особливі принципи при конструюванні окремих елементів і установок та керуватися іншими міркуваннями при проектуванні всієї системи в цілому. Крім того, необхідно мати на увазі, що термін служби електрообладнання літальних апаратів встановлюється коротшим, ніж аналогічних видів звичайного наземного обладнання, і що вимога невисокої вартості в деяких окремих випадках не є вирішальною.

У цілому окремі вимоги можуть виявитися суперечливими (наприклад, мати мінімальні масу і габарити та максимальну міцність), і тоді завданням конструктора є знайти компромісне рішення, що забезпечує основні вимоги, які є вирішальними для даного конкретного випадку.

Нижче викладаються тактико-технічні вимоги, що пропонуються для літакового обладнання, розроблені з урахуванням умов роботи електрообладнання і його призначення.

Надійність та безвідмовність роботи. Під надійністю і безвідмовністю роботи розуміються:

– захист окремих об'єктів (джерел електричної енергії, споживачів і мережі) у разі аварій і коротких замикань;

– блокування для запобігання можливих помилок при керуванні, які можуть призвести до аварій;

– автоматична підтримка роботи обладнання в умовах надзвичайних режимів за можливості тривалий час (знижена напруга спрацювання для електромагнітів, дублювання ланцюга живлення відповідальних споживачів і т. п.).

Надійність обладнання набуває все більший економічний сенс. Простої літака великої вартості приносять великі збитки. Вартість нових пасажирських літаків незмінно зростає.

Мінімальні маси і габарити. Маса обладнання сучасного літака становить значну величину, приблизно рівну корисному навантаженню літака. Економія в масі обладнання дозволяє збільшити запас пального, тобто збільшити тривалість польоту, стелю та швидкість набору висоти, корисне навантаження, а також зменшити посадочну швидкість і розбіг при зльоті.

Необхідно враховувати, що крім маси самого обладнання зазвичай доводиться враховувати масу додаткових опорних конструкцій і матеріалу кріплень для встановлення їх на літаку.

При проектуванні літакового електрообладнання доводиться рахуватися не зі звичайною масою («мертвою» масою) даного об'єкта, а ще й з так званою аеродинамічною, або польотною, масою.

Польотна маса електроагрегату на відміну від тієї, що встановлюється, або «мертвої», маси враховує всі додаткові маси, які неминуче пов'язані з установкою даного агрегату, і дозволяє оцінити його дійсну «вагу» для літального апарату. Так наприклад, польотна маса генератора складається з маси самого генератора; додаткової маси конструкції літального апарату, що викликана установкою генератора; додаткової маси авіадвигуна, палива та мастила, зумовлених відбором потужності від авіадвигуна на привід генератора, а також маси системи охолодження генератора. З перерахованого видно, що окремі складові маси залежать від швидкості, висоти і тривалості польоту.

Польотна маса генератора залежить від потужності, що він споживає, і терміну роботи. Споживана потужність в свою чергу залежить від корисної потужності та коефіцієнта корисної дії (ККД). При заданій корисній потужності зменшення ККД веде до збільшення додаткової маси і тим більшого, чим більший час роботи генератора.

Для об'єктів з короткочасним режимом роботи, як правило, домагаються меншої «мертвої» маси, поступаючись величиною ККД. Щоб знизити «мертву» масу, необхідно збільшити навантаження на активні матеріали. Це веде до підвищених перегрівів і вимагає застосування або особливої ізоляції, або кращого охолодження, або спеціальних високоякісних матеріалів для окремих деталей конструкції.

Економія маси літака має також і важливе економічне значення. За даними російських вчених скорочення маси обладнання пасажирського літака на 1 кг дає за весь термін служби літака (30000 годин) економію в 6000 руб. У США вважають, що економія маси в 1 кг виправдана, якщо це приносить додатковий дохід за термін служби одного літака в 445,5 $.

Вимога мінімальної ваги і його здійснення перевіряються так ретельно, що обладнання літаків виконується практично без запасів по будь-якому технічному параметру – по потужності або комутованому струму, по висотності або теплостійкості, по крутному моменту або точності регулювання.

Мінімальні габарити елементів обладнання необхідні головним чином для звільнення простору всередині літака, який і без того малий. Крім того, збільшення габаритів обладнання потребує збільшення окремих частин літака, що призводить до збільшення маси конструкції літака, а іноді й до погіршення аеродинамічних властивостей із-за зростання лобового опору.

Вимоги меншої маси і габаритів елементів обладнання зазвичай не суперечать один одному, але забезпечення їх часто призводить до збільшення вартості літального апарата. Слід, однак, відзначити, що в більшості випадків збільшення вартості цілком виправдовується важливістю функцій літака, а також забезпеченням безпеки польоту.

Міцність (механічна, електрична і термічна) і хімічна стійкість.

Механічна міцність. Крім звичайних вимог, що пред'являються до обладнання літальних апаратів щодо міцності, до нього пред'являються додаткові вимоги по стійкості проти вібрацій. У польоті на літаку з'являються вібрації з різними частотами й амплітудами, результатом яких є змінні за напрямом прискорення, що діють на різні елементи обладнання.

Крім змінних у напряму прискорень на обладнання можуть діяти значні прискорення одного напряму, що виникають при пікіруванні, різкій зміні швидкості польоту, розворотах літака і т. д. Тому всі елементи електрообладнання проходять спеціальні випробування на вібраційну міцність на спеціальних стендах. Деякі об'єкти, що встановлюються на двигуні (наприклад, генератори), піддаються випробовуванням безпосередньо на двигуні. Комутаційна апаратура випробовується на багаторазові увімкнення.

Теоретичними дослідженнями встановлено, що елементи обладнання повинні витримувати динамічні навантаження, що створюються прискореннями до 10g (g – прискорення сили тяжіння).

При випробовуваннях на вібраційну міцність не повинні спостерігатися злами проводів в місцях пайок, розтріскування мастики, вискакування пробок, випадіння активної маси в акумуляторах, всякого роду механічні пошкодження і поломки, жорстких та інших контактних з'єднань, значні зміни перехідного опору (більше 10 %) тощо.

Специфічними вимогами до механічної міцності елементів обладнання бойових літаків, є наступні. Матеріали, що йдуть на виготовлення різних елементів обладнання, не повинні давати дрібних гострих осколків при ураженні снарядами, які можуть поранити членів екіпажу; електропроводка на літаку має вигинатися, щоб при прострілі одного або декількох проводів джгута не було розриву інших.

Електрична міцність. Ця міцність визначається в основному вимогами, що пред'являються до ізоляції (товщині та якості) і до допустимих відстаней між струмоведучими частинами та металевою масою, як по поверхні ізоляції, так і по повітрю.

Критерієм електричної міцності є забезпечення наступних величин напруг: для проводів – 300 В, генераторів – 1000 В, для електродвигунів, реле, комутаційної апаратури, установок обігріву і т. п. – 500 В. Ще одним критерієм електричної міцності є забезпечення опорів ізоляції: для окремих частин і елементів обладнання, а також для бортової мережі воно не повинно бути менше 1 МОм, а для ланцюгів з живленням високою напругою від перетворювачів – не менше 5 МОм.

Термічна міцність. Вимоги до термічної міцності передбачають можливість перевантажень окремих елементів обладнання та встановлюють допустимі перевищення перегрівів над температурою навколишнього середовища при нормальному атмосферному тиску і температурі +50 °С. Значення перевантажень встановлюються залежно від роду, призначення і характеру роботи обладнання:

– проводи і комутаційна апаратура, які тривалий час (2 години) працюють під струмом, повинні витримувати 200 відсоткове перевантаження протягом 5 хв.;

– електродвигуни та апаратура, що працюють в повторно-короткочасному режимі, – 100 відсоткове навантаження при подовженому вдвічі робочому періоді;

– лампи та фари – напруга 115 відсотків від номінального значення протягом 5 хвилин (лампи) і 1 хвилина (фари).

Всі випробовування на нагрів проводяться спочатку при номінальному навантаженні в номінальному режимі до сталого теплового стану, після чого дається перевантажувальний режим.

Хімічна стійкість. Вимоги, що пред'являються до обладнання з приводу хімічної стійкості, передбачають в основному зменшення корозії металевих частин під впливом вологи, солі (для морської авіації), пари гасу, мастил і т.п. При цьому слід застосовувати матеріали, стійкі проти корозії (кадмоване залізо), а алюмінієві деталі покривати спеціальними антикорозійними фарбами, лаками і т.п.

Оскільки пари гасу і мастила шкідливо впливають на ізоляцію, то її потрібно виготовляти з матеріалів, стійких до них, і перешкоджати потраплянню крапель гасу і мастил всередину обладнання (герметичні конструкції і мастилозахисні пристрої, як, наприклад, у генераторах).

Зручність і безпека в користуванні, безпека щодо пожежі та вибуху. Елементи обладнання, контрольна, вимірювальна та сигнальна апаратура повинні бути розташовані таким чином, щоб забезпечувалося зручне спостереження за ними і керування апаратурою, для чого рукоятки (тумблери і т. д.) повинні мати відповідну форму.

З точки зору безпеки у поводженні з обладнанням потрібно уникати гострих виступаючих країв і кутів, усувати можливість дотику із дротами та деталями, що перебувають під високою напругою або мають температуру вище +70°С, запобігати можливість опіку електричною дугою при розмиканні або нещільному приляганні контактів і т.п.

Вимоги пожежної безпеки крім звичайних заходів, що попереджають виникнення пожежі, передбачають широке застосування спеціальних вогнестійких матеріалів (зокрема, ізоляції) або матеріалів, швидкість горіння яких в горизонтальному напряму не перевищує 100 мм/хв.

Безпека щодо вибуху (вибухобезпечність) є однією з важливих вимог, що пред'являються до обладнання. Однак повне задоволення цієї вимоги важке з конструктивних міркувань. Зазвичай під вибухонебезпечністю розуміється локалізація вибуху всередині об'єкта без будь-яких шкідливих наслідків для сполученої роботи з об'єктом системи.

Незалежність роботи електрообладнання від положення літака в просторі, швидкості польоту і прискорень. Конструкції всіх об'єктів і елементів обладнання повинні забезпечувати нормальну роботу при будь-якому положенні в просторі. Зокрема, не повинні спрацьовувати окремі елементи або мимовільно включатися і виключатися контакти під дією власної ваги або сил інерції, що виникають внаслідок всілякого роду прискорень при вібрації, пікіруванні, віражах і т. п.; не повинен виливатися електроліт з акумуляторних батарей; не повинні вискакувати пробки і т. п.

Незалежність роботи електрообладнання від тиску, температури і вологості середовища. Літакове електрообладнання за технічними умовами повинно забезпечувати нормальну роботу при змінах температури від +60 до –60 °С, при змінах тиску від 790 до 150 мм рт. ст. і при 100 % вологості.

При підйомі на висоту знижується тиск, зменшуються густина повітря і потенціал іонізації та знижується температура. Зменшення густини повітря погіршує відведення тепла, що певною мірою компенсується зниженням температури. Однак в остаточному підсумку охолодження об'єктів електрообладнання погіршується, тим більше що багато з них стоять у кабінах і на двигунах, де навіть на великих висотах температура може досягати +30 °С і вище.

Низька температура знижує ємність акумуляторних батарей, тому вони повинні встановлюватися в спеціальних утеплених ящиках (контейнерах), іноді з підігрівом. Крім того, в зимових умовах повинна бути збільшена густина електроліту.

З метою запобігання зміни пружних властивостей пружин застосовується обігрів деяких приладів і механізмів.

Можливість загустіння мастила і обмерзання механізмів літака вимагають підвищених пускових моментів електродвигунів для ряду пристроїв при низьких температурах.

При широкому діапазоні змін температур ізоляція повинна бути, з одного боку, досить теплостійкістю, а з іншого боку, морозостійка, тобто при температурах від +60 до –60 °С не повинна втрачати своїх механічних та електричних властивостей.

Вода, що потрапила при експлуатації літака в елемент електрообладнання (із-за конденсації вологи при різких переходах від високих температур до низьких, під час дощу, при потраплянні снігу на літак і подальшому його таненні), викликає погіршення його роботи, а в деяких випадках – відмову в роботі. Тому елементи електрообладнання повинні конструювати так, щоб в них не потрапляла вода в умовах експлуатації або у всякому випадку могла бути негайно вилучена з елементів.

Відсутність перешкод для роботи радіостанцій та магнітних компасів. У деяких проводах електрообладнання проходить струм великої величини, що призводить до утворення місцевих сильних магнітних полів, які можуть впливати на показники приладів і магнітних компасів. Такі проводі слід віддаляти від приладів і магнітних компасів на якомога більшу відстань, відповідним чином розташовувати їх, щоб знизити результуюче поле або ставити магнітні екрани.

Пульсації напруги на колекторі, вібрація контактів регуляторів, різного роду нестаціонарні процеси в електричних колах, а головне робота системи запалювання викликають появу струмів високої частоти і випромінювання електромагнітних хвиль, які можуть сприйматися антеною приймальної радіостанції та заважати радіотрансляції. Ці струми також можуть проникати в приймач по проводах через ланцюги каналу. Для усунення зазначених перешкод застосовується екранування їх джерел і цілих ділянок ліній, а також спеціальні фільтри, що перешкоджають проникненню струмів високої частоти по проводах в приймальні пристрої.

Швидка готовність до дії. У цьому відношенні електрообладнання є найбільш ефективним в порівнянні з іншим обладнанням літаків.

Простота догляду і експлуатації. За своєю конструкцією елементи електрообладнання повинні бути досить простими, щоб у короткий час інженерно-технічний склад міг освоїти їх. Літакове обладнання повинне бути взаємозамінним, окремі вузли і елементи його уніфіковані, що дає можливість мати мінімум запасних частин і об'єктів. Частота заміни та капітального ремонту зводиться до мінімуму.

Низька вартість. Ця вимога особливо істотна для елементів електрообладнання масової продукції, наприклад авіаційних свічок. Однак для цілого ряду відповідальних об'єктів вимога більш низької вартості стає другорядною, якщо за рахунок збільшення вартості можна отримати більш досконалі пристрої, а отже, і більш надійні.