Продолжение. Начало в части 1
Для того, чтобы понять содержание данной части необходимо прочитать часть 1!
«Что такое хорошо и что такое плохо»
За столетие полётов набрался существенный опыт того, как нужно выполнять защиту от атмосферного электричества и как не нужно делать. Например, есть информация по этому поводу в боинговском «Durability» 1972 года, нескольких FAA AC и CS AMC, в 22-м DOT’е 1989 года, в нескольких SAE ARP и немного в DO-160G, хендбуках 810 и 310-м (документы, кроме Durability и 22-го DOT’а - это уже, в общем и целом, настольные книги испытателей). На mil-810 очень любят ссылаться продавцы/производители всяких модных гаджетов и прочие производители «тактической» туалетной бумаги техники, даже не понимая, что они пишут. Что касается российской/советской литературы, то она «сверхсекретная» Одну книгу, на которой изображён Ту-204, мне показывали «тайно» и даже почитать толком не дали. Этих книг, в отличие от многих американских и европейских, нет в общем доступе. Исходя из моего общения с соавторами таких книг, вещающих «с лицом, внушающим доверие», – правильно, что их не показывали, дабы не позориться. Один из соавторов, как только увидел 22-й DOT, сразу же почувствовал, что на него смотрят как на обезьяну, талдычащую на всё «MUST BE» без аргументирования принятого им решения против законов физики и здравой логики (это весьма уважаемый человек в "узких кругах" "ограниченных людей"). В иностранных же документах написано - что и откуда взято и в результате каких исследований были получены данные. Потому к отечественным руководствам, НТД и специалистам я отношусь с очень большой долей скептицизма. Ниже по тексту будут приведены некоторые примеры реальных конструкций, и Вы сами осознаете степень компетентности специалистов по защите от атмосферного электричества, проектировавших эти конструкции.
Начнём с «анатомии». Для упрощения восприятия подходов к защите от атмосферного электричества, конструкцию (structure) можно разделить на некоторое количество типовых мест, которые требуют анализа и испытаний:
(1) Зоны силовых конструкций;
(2) Зоны топливных баков;
(3) Зоны шарниров навесных агрегатов;
(4) Зоны установки систем самолёта.
Некоторые рассматриваемые места могут включать в себя не только одну вышеуказанную зону. В этом случае к одной и той же рассматриваемой зоне применяются критерии безопасности, соответствующие нескольким зонам. В каждой зоне обычно конструкция разнообразна и включает в себя много элементов, которые в каждом конкретном сочетании работают по-разному, потому всегда требуется проведение инженерного анализа конструкции в процессе выбора того и или иного технического решения. В молниезащите практически отсутствуют типовые решения, универсальные для всех конструкций (пламенный привет апологетам проектирования воздушных судов с помощью программы нажатием одной кнопки, а, попросту говоря, разработчикам детсадовско-пионерского уровня с дипломами о высшем образовании, а местами даже и с учёными степенями. Карцев не врал. И доцент бывает тупой…).
Общие правила для организации металлизации
(1) защита от статического электричества:
(1.1) ПКМ
- Для стекания статики с наружных элементов конструкции вдали от статразрядников достаточно удельного сопротивления на поверхности конструкции не более 10 в плюс 6 степени Ом (углепластик или токопроводящий грунт на стеклопластике);
- Для стекания статики с наружных элементов конструкции вблизи статразрядников, если к статразрядникам нет отдельной шины, то организуются пути протекания под ток не менее 2А (слои толстой перфорированной медной фольги/сетки) по силовой конструкции.
(1.2) Металл
- выполняется металлизация по ОСТ 1 01025-82, за исключением соединений с планером подвижных навесных агрегатов на рельсах с большими ходами и ПКМ агрегатов.
- в магистралях подачи топлива металлизация также должна быть рассчитана на протекание токов не менее 2А.
(2) Молниезащита
Для молниезащиты простых (тупых) правил и однозначных типовых решений не существует, поскольку пути протекания токов по конструкции весьма разнообразны, но, тем не менее, попробую сформулировать несколько подходов для самых распространённых случаев:
- в зоне топливных баков конструкция должна быть или соединена в электрическую цепь таким образом, чтобы не возникало искр/дуги, или изолирована таким образом, чтобы не возникало искр/дуги («…подоконник должен выступать или быть заподлицо…»)
- силовые конструкции не должны получать повреждение, влияющее на безопасное завершение полёта и на ремонтопригодность самолёта в целом (конструкция должна быть спроектирована максимально эффективно с учётом стоимости лётного часа и ремонтопригодности).
- шарниры навесных агрегатов, механической системы управления и рельсы навесных агрегатов не должны заклинивать после попадания молнии.
- системы самолёта, установленные под ПКМ панелями, люками, зашивками, обязаны быть защищены, если оно требуется по соображениям отказобезопасности. В данном случае, используется молниезащитное покрытие на стеклопластиковых ПКМ изделиях, а не токопроводящий грунт.
Дела каркасные
(а) Регулярная зона обшивок
Прежде всего, стоит остановиться на толщине обшивок для разных молниеопасных зон. Особенно критична толщина обшивок для зоны топливного бака, когда обшивка может как получить сквозное повреждение, так и получить горячие пятна на обратной стороне конструкции в точке приложения. Для более лёгких самолётов (нижняя по весу часть категории 25, а также 23-я и ОЛС), у которых в принципе обшивки тонкие и у которых отсутствует система нейтрального газа, такое повреждение будет катастрофическим (пламенный привет апологетам «доктрины» безопасности более маленьких самолётов, особенно АОН и СЛА). Если для отсутствия сквозного прогара в молниеопасной зоне "3" достаточно толщины дюралюминия около 2-2,5мм, то потребная толщина ПКМ будет 3, а то и в 4мм (конечная толщина определяется с конечными материалами и для конкретной конструкции путём испытаний). Притом в суммарной толщине 3-4мм: 2-2,5мм несущие слои; около 1мм будет молниезащитная фольга/сетка со связующим/клеем для избегания сквозного прогара и горячего пятна на обратной стороне для молниепасных зон 1А, 1В, 1С, 2А, 2В (для зоны "3" толщина сетки будет несколько меньше, но, тем не менее – сетка не несёт никакой силовой нагрузки, в отличие от цельнодюралевой обшивки). Отсюда очень большой вопрос в части выигрыша в весе и ремонтопригодности подобных конструкций с тонкими обшивками (вышеуказанная информация будет особенно полезна для беспринципных апологетов ПКМ, стремящихся по скудоумию, а потому без надлежащей оценки эффективности и безопасности, применять ПКМ везде без разбора). ПКМ следует применять там, где он даёт конечный финансовый выигрыш с учётом соблюдения Норм лётной годности, т.е. обеспечивает надлежащий уровень безопасности.
Как не следует делать молниезащиту регулярной зоны ПКМ обшивок на примере ВИАМа.
Для понимания работы молниезащиты регулярной зоны ПКМ рассмотрим молниезащитные покрытия на примере продукции ВИАМа. ВИАМ «яростно» продвигает свою продукцию (http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=2045) – вплётеные в углеткань нити лужёной меди:
Цитата из научно-рекламной работы: «В НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ также разработана металлоуглеродная ткань марки ВТкУ-2.280М с поверхностной плотностью 280 г/м2 (рис. 4), в которой переплетены углеродные волокна типа Т-300 3К и медная луженая проволока диаметром 0,10–0,15 мм, что позволяет избегать коррозии при контакте с углеродным волокном. Препрег на ее основе может применяться как МЗП, которое входит в состав конструкции и воспринимает силовые нагрузки. Ткань ВТкУ-2.280М можно также использовать для вакуумной инфузии обшивок деталей и агрегатов из ПКМ, выходящих на внешний контур планера самолета [14]».
Отступление. Однажды, году эдак в 2011-м, ГСС была закуплена у ВИАМа краска «огнестойкая» с сертификатом ВИАМа, с рабочей температурой 220°С (АКРИЛОВАЯ!!! Те люди, кто в вопросах ЛКП компетентен, уже меня поняли) для защиты ПКМ на нижней части обтекателя пилона двигателя в районе сопла. Естественно, что при испытаниях в ангаре с помощью пром.фена и пирометра чудо-краска начала пузыриться уже при 110°С-130°С. Это к вопросу ВИАМовских кидал «с лицом, внушающим доверие». В душе у меня теплится надежда, что в ВИАМе остались грамотные специалисты, но на многолетней практике мне приходилось общаться только с людьми, работающими «наотшибись» или «бендерами». Повторюсь, что это исключительно мой личный опыт и моя личная оценка. И это я ещё про нач.лаба гальванических покрытий не вспоминал...
Вопреки утверждению ВИАМа в своей статье (http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=2045), так называемых «лёгких сеток» в природе не бывает и быть не может, поскольку физику не обмануть. Про гальваническую пару между лужением и углём типа "батарейка" ВИАМу также не известно. Или скорее пунктирное мышление позволяет ВИАМу выполнять работу "наотшибись", не взирая даже на школьную физику и химию.
Физика процесса. Для растекания заряда по поверхности ПКМ изделия (с металлом проще - там вся толща материала - достаточно хороший проводник) от места приложения канала молнии по всей поверхности изделия нужно проводящее ток сечение изделия с как можно меньшим удельным электрическим сопротивлением. Говоря другими словами – чем раньше по пути растекания заряда по поверхности снизится плотность тока, проходящего по конструкции, тем меньшими будут повреждения несущих конструкций из ПКМ (с металлом аналогично). Закономерность простая – чем толще и с меньшим удельным электрическим сопротивлением будет поверхностный проводящий слой на ПКМ - токопроводящая сетка/перфорированная фольга, тем меньше будут повреждения. Потому для наиболее критичных в плане допустимости повреждений мест укладывают более толстое молниезащитное покрытие. Это подтверждено результатами многих испытаний конструктивно-подобных образцов (лет 40-50 уже как известны в мире все нюансы, но смотря кому). Толстую сетку/фольгу также используют, когда требуется защитить оборудование под поверхностью тонких панелей, в местах установки крепежа по силовым стыкам или для металлизации поверхности, где установлена антенна (обеспечение надлежащей «земли» на ВЧ). Но все в мире идиоты, кроме ВИАМа, и результаты испытаний – тоже по боку. ВИАМ'овское покрытие фактически отправляет вглубь конструкции токопроводящие нити, что увеличивает повреждение из-за увеличения времени приложения канала молнии (растёт время воздействия высоких токов и высоких температур. Посмотрите на картинку выше со вспоротым композитом. Помимо этого, если вспомнить, что происходит с тонкими проводами при прохождении тока молнии – они буквально взрываются, да ещё наличие углеткани в слое ухудшает драпируемость молниезащитного покрытия относительно довольно легко драпируемой медной сетки (перфорированная фольга хуже драпируется, её проще подрезать по месту и класть внахлёст). Это уже будет беда для технологов-композитчиков. Кроме того, «гениальная идея» создать хорошо проводящий материал обречена на провал, т.к. медные нити разрознены и не соединены между собой, чтобы создать надлежащий электрический контакт, например, между двумя точками крепежа, как это по обыкновению выполняется в металлических конструкциях.
Таким образом, в принципе, идея создания такого чудо-материала, т.е. «идеального сферического коня в вакууме» обязана была быть отметена ещё на стадии идеи его разработки. Казалось бы, простые и очевидные вещи для грамотного профильного специалиста, но… гранты и распил бабла в сочетании со скудоумием высших чиновников, которые не могут спросить за результат. Ну, в общем: «два чукотских генетика скрестили две редких палочки и получили редкий крестик», который народ оплатил налогами из своего кармана.
Или, например, видение ВИАМа слоёв наружного пакета ПКМ:
Замена SynSkin’ом эмали и грунта – это сильно! Теория, чистая теория, незамутнённая ни каплей практического мышления! Т.е. мозг создателя статьи - чистый, как у студента! Представьте себе магистральный самолёт, да хоть и военный без окраски снаружи в ливрею авиакомпании или камуфляж. На практике в схеме ЛКП магистрального ВС присутствует лак+эмаль несколько слоёв+грунт выравниватель+грунт поразаполнитель. Одно дело - восстановление ЛКП в эксплуатации, а другое верхние слои, которые содержат молниезащитное покрытие. Эксплуатант сожжёт на костре разработчика ВС за такие процедуры.
Слой стеклопластика на угле и кремнезёмная ткань с другой стороны пакета – научный «шедевр» (отраслевой институт не знает, откуда берутся поводки в ПКМ и как самый дорогой конструкционный материал - углепластик в виде кривых изделий массово выкидывается на помойку тоннами)!
Примечание. Когда фольга медная перфорированная/сетка оказывается под слоем вполне себе диэлектрика - эмали и грунта, а самое страшное - стеклоткани, о хорошем растекании заряда от молнии с минимизацией повреждений говорить не приходится. На недиэлектрических обшивках, таких, как металл или углепластик, ЛКП значительно увеличивает величину повреждения, т.к. возрастает время воздействия (время приложения возрастает). Т.е. пока значительная часть заряда не перетечёт на окружающую конструкцию и не понизится плотность тока, будет происходить нагрев конструкции. А когда ко всему этому добавляется стеклопластик…
Закончим про уродов от авиации и вернёмся к нормальному проектированию молниезащиты ПКМ.
В результате при практической реализации молниезащиты всегда отправляются на испытания конструктивно-подобные образцы (КПО) с обшивками, содержащие весь пакет материалов, включающий в себя окончательную схему ЛКП (толщина ЛКП, если без шпатлёвки, может достигать четверти миллиметра, а со шпатлёвкой – тут уж как завод постарается). На практике наличие такого слоя ЛКП даёт увеличение глубины повреждения силового пластика примерно на 1,5мм с параметрами удара в молниеопасной зоне 2B (пиковый ток 100кА).
Отступление. На одном из наших нацпроектов на ПКМ конструкции поверх молниезащитной сетки укладывали слой стеклоткани, что обеспечивает весьма внушительное повреждение от удара молнии и тем самым значительно снижает ремонтопригодность конструкции. Ко всему этому прибавляется внушительный паразитный вес углепластикового агрегата, учитывая значительную площадь агрегата, а также паразитный вес от самого стеклопластика, не участвующего в восприятии нагрузок. Говоря проще, на ремонт повреждения приходится закладывать дополнительную толщину «мяса». На мой вопрос к идеологам такого технического решения они сослались на лучшую технологичность при выемке из оснастки такой конструкции. На предложение просто, согласно обычному технологическому процессу, применяемому для любых ПКМ, чистить и готовить оснастку надлежащим образом был дан ответ, что они по-другому работать не могут. Можно было, в конце концов, положить слой угля, что снизило бы повреждения, но никак не стекла. Отсюда простой вывод - весь мир может нормально работать, а у нас место проклятое или руки из ж@пы. Нужное подчеркнуть. Вот из вороха таких «мелочей», которые на данном проекте везде, где только можно и нельзя встречаются, в целом рождается дорогущий для российского налогоплательщика «гадюшник с колёсиками» по характеристикам и безопасности, а не самолёт.
Получив представление о том, как работает молниезащитное покрытие в регулярной зоне, можем перейти к зонам стыков и к крепежу.
(b) Зона стыков
Физика процесса. Крепёж.
Начнём с металлических конструкций. На практике условие, упомянутое выше, по обеспечению гарантированной изоляции либо гарантированного контакта не всегда можно обеспечить в обычном соединении с механическим крепежом (болты, заклёпки и пр.). Потому в таких соединениях без дополнительных мер защиты с внутренней стороны стыка возникает электрическая дуга/искры, что в полостях с ВЖ (например, топливные баки) будет фатальным для самолёта.
Если с размером крепежа можно более или менее предугадать последствия в точке приложения, например, при воздействии пикового тока в 50 кА для болтового соединения со стальным болтом диаметром более ø10мм прослабление крепежа ожидать не стоит, а болт в ø 6мм выгорит почти до гайки, то в части электрической дуги и искр не всё так просто.
Даже если при испытаниях КПО болтового соединения без покрытия герметиком с обратной стороны было всё в порядке, то отклонения в пределах допуска толщины ЛКП по теор.контуру или допустимые повреждения ЛКП на производстве с обратной стороны стыка сведут всю эту идеалистическую картину на нет. Кроме того, если рассматривать обратную сторону конструкции именно напротив точки приложения, ввиду очень большой разницы потенциалов между элементами конструкции такого диэлектрика, как исключительно ЛКП между деталями не хватает. Потому для ликвидации небольших искр используется герметик.
Стоит обратить внимание, что чем тоньше стягиваемый пакет, тем сильнее будет дуго/искрообразование. В таких конструкция образуется очень сильная дуга, которая фактически устраивает взрыв под герметиком, делая защиту герметиком бесполезной. Для таких случаев следует принимать другие конструктивные решения. Например, на некоторых лёгких самолётах используются вкладные резиновые топливные баки.
Физика процесса. Зона стыков.
Клеёные стыки ПКМ между собой. Малые толщины силовых элементов.
Для таких силовых конструкций, а именно ООСЭ (особо ответственных силовых элементов) лёгких (CS-23) и сверхлёгких (ULA) самолётов удар молнии в обшивку в зоне приклеенного (приформованного) к ней стрингера с большой долей вероятности будет фатальным. Равно, как и для тонюсенькой полки лонжерона. Помимо выгорания связующего, вторая причина – ударная волна в точке приложения и малая масса конструкции даже при наличии очень толстой молниезащитной сетки/фольги сделают своё дело. Основная проблема таких конструкций – невозможность остановить отслоение стрингера/полки лонжерона ничем и даже местно установленным крепежом, поскольку изначально клеевое соединение держит больше, чем крепёж и «прихватывание» крепежом на концах ни к чему не приводит. В результате переход на техническое решение - клёпаную конструкцию (потеря смысла использования ПКМ). Но тем не менее есть некоторые конструктивные решения проблемы в части обеспечения безопасности именно при локальном воздействии удара молнии (это тема уже платной консультации и анализа конкретных конструктивных решений). «В лоб» эта проблема не решается от слова совсем. Потому, если не предусмотреть и не спроектировать изначально надлежащим образом конструкцию, то выйдя на сертификацию, или придётся переделывать всё полностью, или ввиду отсутствия времени и денег на глобальное изменение конструкции, отправлять весь проект на помойку. Что происходит очень часто по причине отсутствия компетентности конструктора или действий идиота-руководителя, который отказал конструктору в проведении дополнительных изыскательских работ.
Сотовые силовые конструкции
Сотовые тонкостенные силовые конструкции (а толстых обшивок и не делают на сотах по как причине прочности, так и по технологическим соображениям) в регулярной зоне также будут иметь сквозное повреждение, как минимум, наружной обшивки. Потому на сверхлегких и легких самолётах, как и на более крупных машинах, следует учитывать допустимость повреждений от удара молнии, а также думать, где располагать топливный бак на сверхлёгких и легких самолётах.
Вернёмся к стрингерной конструкции. С более толстыми обшивками и соизмеримыми стрингерами (толщина обшивки более 4-5 мм и приклеенной полкой стрингера/лонжерона более 4-5 мм), ввиду их массы, а также значительно более малого процента повреждённого материала от удара молнии при применении достаточно толстой молниезащитной сетки, ничего подобного, скорее всего, не произойдёт (все конструкции для подтверждения безопасности обязаны пройти испытания в виде КПО).
Примечание. Под фатальными последствиями для стрингерной панели кессона крыла подразумевается отслоение приформованного/приклеенного к обшивке стрингера. Удар молнии - это примерно, как ударить с небольшим импульсом молотком по обшивке в районе стрингера. Учитывая работу подобных соединений, особенно тонкостенных, происходит отслоение стрингера по всей длине с последующим разрушением верхней панели кессона крыла по «критике» (обшивка становится неподкреплённой между стрингерами). И никаким крепежом (прихватыванием в начале и в конце) клеевое соединение удержать не получится. Нагрузки, которые воспринимает клеевое соединение, несоизмеримо больше прочности стыка с механическим крепежом плюс работа краевого эффекта по клею/связующему.
Механические стыки ПКМ.
Механические стыки ПКМ в зоне топливного бака и герметизация.
Следует максимально избегать выполнения механических стыков в топливном баке. Если это невозможно, то выполняется герметизация крепёжных элементов определённым образом. Также выполняется покрытие герметиком стыков деталей (перекрытие стыков, зазоров, например, полка стрингера-обшивка, полка лонжерона-обшивка, накладка-обшивка и пр.). Всё это делается с целью исключения образования электрической дуги в полости топливного бака. Для проверки молниезащиты герметизацией выполняются испытания КПО (конструктивно-подобных образцов). В определённых случаях, особенно при тонких обшивках и малом диаметре крепежа, когда происходит образование дуги под крепежом (напоминает небольшой взрыв), может произойти отрыв герметика с попаданием продуктов дуги в полость топливного бака – это незачёт при испытаниях, влекущий серьёзную переделку конструкции (а если невозможно устранить несоответствие – закрытие проекта).
Аналогично выполняется герметизация и в металлических баках, но там опасный уровень разности потенциалов между собранными вместе элементами конструкции будет при гораздо меньших толщинах элементов конструкции относительно бака-кессона из ПКМ, ввиду на 6-7 порядков лучшей проводимости материала.
Нанесение герметика выполняется слоем определённой толщины и с конкретными размерами галтелей и переходов для цели молниезащиты. Во всех конструкциях происходит деградация свойств герметика со временем, да и брак в работе тоже, к сожалению, встречается. Потому и обязали на самолётах 25-й категории использовать систему нейтрального газа (приложение N к CS 25), которая помогает снизить вероятность вспышки в баке, если где-то местно герметизация не выдержала (на большом временном интервале между «тяжёлыми чеками»). Таким образом, между «тяжёлыми чеками», где как минимум выполняется осмотр полости топливного бака, магистральный самолёт безопасно летает. А на совсем «тяжёлом чеке» старый герметик удаляют и восстанавливают герметизацию новым, свежим герметиком, поскольку старый деградировал. Внешне «пожилая» герметизация может выглядеть ещё нормальной, но способность выдержать электрический пробой у неё уже значительно снижена (как и сама основная функция герметизации). Таким образом, на первый взгляд избыточность в применении одновременно системы нейтрального газа и герметизации вовсе не избыточность, а та мера, которая обеспечивает безопасность на надлежащем уровне.
(c) Весовые затраты на молниезащиту в конструкциях из ПКМ
Примечание. «Design principles» одного из иностранных ВС показывались мне «по большому секрету» не особо сведущими людьми. Они смотрели на этот документ как папуасы на зеркало (при прочтении информации по люкам-лазам, приведённой ниже, читатель поймёт почему), хотя "папуасы" являлись конструкторами с «большим опытом». На самом деле, такие документы пишутся не то, чтобы совсем студентами, но что-то около того. Информация, полученная из такого документа, обязана проходить через призму здравой технической логики, опыта проектирования, эксплуатации, испытаний, физики, электротехники, прочности и технологии изготовления ПКМ. Но иногда к специалистам возраст приходит один… А хотя нет. Очень часто с опытом работы «наотшибись».
Для большинства углепластиковых обшивок среднемагистрального ВС, т.е., по сути, кроме небольших зон конструкции с толщиной обшивок выше 10-15мм, повреждение от удара молнии даёт ощутимое местное снижение прочности конструкции, что требует в рамках допустимости повреждений по CS 25.571 закладывать дополнительное «мясо», поскольку «приформовкой» восстановительной ремонтной накладки «в ноль» с поверхностью теоретического контура изделия в условиях авиакомпании можно вернуть максимум, в идеальном случае, 70%-80% прочности у повреждённой толщины углепластика. Обычно – это честные 50% прочности у накладки приформованной при температуре 60°С и одним лишь вакуумом. Автоклавов, да ещё и таких размеров, куда может поместиться хотя бы крупный агрегат в авиакомпаниях нет, в отличие от завода-изготовителя. А повреждённый кессон придётся ремонтировать гарантированно без автоклава. Особенно повреждения ударом молнии наносят финансовый ущерб при попадании в крепёж, поскольку это сопряжено с куда более дорогим и сложным ремонтом, чем ремонт регулярной зоны обшивок. Потому, если посмотреть на картинку выше, то на примере топливного бака-кессона показано, как должна быть выполнена молниезащита (толщины сеток/фольги должны быть подобраны индивидуально. На цифры на картинке выше ориентироваться нецелесообразно, как и на не показанную на картинке металлизацию зон конструкции вне топливного бака.)
Для подбора толщин молниезащитного покрытия (сетка/фольга) проектирутся КПО для зон с разными толщинами обшивок и разными мониеопасными зонами (разные токи). Но и это ещё не всё. Помимо вышеуказанных КПО, по молниезащите должны быть проведены изыскательские работы в части подбора оптимальной толщины молниезащитной сетки/фольги в сочетании с запасом прочности углепластика. Т.е. должно быть определено точно, сколько закладывать «мяса» в конструкцию для какой молниеопасной зоны при определённой толщине молниезащитной сетки/фольги для обоснования допустимости повреждений по CS 25.571. Я такую программу готовил, но ни на одном нашем распиаренном нацпроекте её не реализовали («…Кемска волость – да забирай, Россия не обеднеет…»). Цель реализации программы испытаний КПО – получение зависимостей глубины повреждения от толщины применяемой молниезащиты и типа молниеопасной зоны (разные токи) для конкретных крепёжных стыков и конкретных материалов. Далее по зависимостям определяется оптимум (минимум) по весу молниезащитного покрытия и весу «мяса», закладываемого на компенсацию прочности конструкции в зоне повреждения (даю «лайвхак» НА ХАЛЯВУ. Если не уловили мысль, как написать программу и методику испытаний – платная консультация поможет).
Например, для размерности самолёта B787 или CR929 разница в весе фюзеляжа с максимальной и минимальной защитой составляет 800кг (с разными зонами покрытия фольгой и фольгой разной толщины)! А это один ряд пассажиров вместе с багажом. И это только один фюзеляж, а не весь планер! В наших помоечных госконторах, к сожалению, многие конструктивные решение не обоснованы ни расчётами, ни испытаниями, ни здравой логикой, в отличие от «загнивающего запада», хотя деньги на это выделяет государство. Про безопасность вообще речь не идёт. Поэтому, когда наш очередной распиаренный ВС выходит на сертификацию, от наших разработчиков ВС, реализующих десятками лет «нацпроекты» на госхарчах, начинаются жалобы, что душат, душат их полёт недоконструкторской фантазии. То санкции виноваты, то чебаркульский метеорит прилетел.
(d) Зона люков топливного бака
Начнём с нашей техники. Ту-204 появился несколько позже А320 и куда позже, чем DC-9, В727. Примерно на четверть века. И примерно в то же самое время в начале 1990-х, когда был издан 22-й DOT по молнии. Любой адекватный человек предположит, что мировой опыт и компетентность технических решений на Ту-204 должна быть на более высоком уровне, чем у «предков». Но это не совсем так. А точнее совсем не так. Рассмотрим люки лазы этого самолёта (чудесные пилон и шасси уже рассматривали здесь, здесь и здесь.
Обратите внимание на сечение А-А и на то, как выполнено соединение крышки перемычкой металлизации. Как было указано выше: «…подоконник должен или выступать или быть заподлицо». А именно внутри топливного бака внутренняя крышка должна быть или изолирована от кессона полностью, или соединена так (вспоминаем, что даже металлические стрингеры по боковым частям полок обязаны быть обработаны герметиком), чтобы не возникало дуги и искр. Перемычка металлизации спасает только от накопления статического электричества. При ударе молнии перемычка – мёртвому припарка.
Ту-204 спасает от попадания в катастрофическую ситуацию только мизерный налёт парка в сравнении с Bоeing и Airbus.
А вот, как должно быть сделано.
Вариант заправочной горловины (к сожалению, но качество исходного изображения очень плохое)
Далее пример с крышкой люка лаза топливного бака-кессона.
Тут всё на пальцах показано. Естественно, что любая конструкция обязана пройти испытания на удар молнии в виде КПО всех типов применяемых конструкций.
Вот ещё один пример реализации конструкции люка-лаза. Но этот вариант весьма спорный, хотя и приведён в рекомендательном документе (Handbook). Потому всегда и везде необходимо проверять и перепроверять информацию. Особенно, когда эта информация идёт от людей «с лицом, внушающим доверие» безапелляционно (must be), без объяснения физической сути процесса. Т.е. от тех, которые где-то чего-то услышали, но ничего сами не поняли и свалили всё в кучу.
В целом, вариант жизнеспособен, поскольку есть контакт через крепёж между крышкой и окантовкой, но на практике «O-Ring» может оказаться недостаточно, поскольку процесс удара молнии очень быстрый и разницы потенциалов между крышкой (которая соединена только через крепёж не по посадке, а с зазором, т.е. с некоторым повышенным сопротивлением, относительно соединения по посадке) и окантовкой (которая обычно выполнена зацело с панелью кессона) может вполне хватить для пробоя воздушного зазора внутри бака. Для того, чтобы гарантировано решить проблему в полости с ВЖ, необходимо укладывать прокладку так, чтобы гарантировано изолировать крышку от окантовки, включая смежную зону, где воздушный зазор может быть пробит. Следовательно, на испытания можно выходить спокойным за зачётность результата. На картинке выше с DC-9 можно увидеть, как это правильно реализовано (к сожалению, но качество исходной картинки оставляет желать лучшего).
Эта конструкция ну совсем уж непригодна для использования. Т.е. как делать не нужно.
Вернёмся к нашим родным помоечкам с колёсиками и крыльями. Ранее я упоминал про иностранные Design Principles, которые писали почти студенты (теоретики) и которые наши помойкостроители, как папуасы с зеркалом стали воспринимать как истину в последней инстанции (DP на практике на иностранном ВС были реализованы, мягко говоря, в другом виде).
Тут даже чисто теоретически не всё так гладко. Помимо «электрических» проблем с ударом молнии и статическим электричеством, есть вопросы:
- взаимных перемещений крышки и деформируемой под полётной нагрузкой окантовки люка;
- устойчивости бака к наземному топливному пожару (угольная крышка тоньше панели кессона).
Теперь про технические решения на картинке.
- Укладка изолятора – это нужен не один слой «стекла», а миллиметра 3-4 для обеспечения устойчивости к электрическому пробою. Кроме того, поверхность с прокладкой обязана быть очень гладкой – самый минимум Ra 1.6, чтобы не лазить в бак для замены прокладки регулярно. Технологически это обеспечить можно несколькими способами, но для этого не должно быть «уникального строения тела» не только у конструктора, а самое главное - у завода-изготовителя.
- Контакт наружной крышки с окантовкой, да, крышка имеет электрический контакт для стекания статики, но контактная поверхность силовой окантовки абсолютно не защищена от абразивного износа, которая ко всему прочему по открытым слоям угля будет как не в себя сосать воду и разрушаться.
Что сделали наши папуасы с этим зеркалом? Да списали, ещё и с ошибками! Нанесли краску на окантовку люка по контакту с крышкой (написано было NO PAINT). Сделали наружные крышки из металла с рёбрами, без дренажа, чтобы там ВЖ гарантированно застаивалась. Прямо как раз, чтобы там рвануло топливо при подтекающем уплотнителе от накопившейся на наружной крышке статики или при наружном топливном пожаре. Многие пацаны в детстве составляли конструкцию из двух болтов, гайки и серы от спичек. Результат тоже видели, какой при этом бывает. Некоторых калечило до летального исхода. Тут физика та же самая.
А что же дальше, спросит читатель?
А дальше папуасам головного разработчика ВС кто-то передал новое зеркало «новые» Design Principles с уже знакомыми мне техническими решениями (см. рисунок выше с четырьмя вариантами а-d) конструкции фюзеляжного топливного бака F-16 из того же 22-го DOT’а. Мне было уже совсем весело, а папуасы приуныли, но всё также продолжали стоять насмерть на использовании своей опасной конструкции.
Те решения, которые я предложил в рамках решения этой проблемы по контакту наружной крышки с окантовкой (2 варианта решения) и по контакту с внутренней крышки (3 варианта решения, один из которых был приведён выше по тексту), папуасов (головного разработчика ВС) не устроили, хотя все варианты были реализуемы на практике, не противоречили ни физике, ни технологии, ни финансовой эффективности и позволяли со спокойной душой за зачётность результата выйти на испытания. Обоснование длительной и безопасной эксплуатации также не вызывало вопросов. Ни одного решения я не патентовал. Всё равно все патенты там будут работать на руководство (подробности см. здесь - кто разработчик конструкции и кто владелец патентов). Потому те, кто сам дойдёт до вменяемого решения – смело патентуйте.
На другом нашем ВС под наружную крышку была установлена виниловая плёнка. Хочу предостеречь от такого решения, поскольку такая прокладка не позволяет надлежащим образом стекать статике. Но подчеркну, что проблема технически решаема (в рамках платной консультации).
И, как водится, все мои усилия по тому, чтобы конструкция была безопасна, ни к чему не привели. Я в душе надеюсь, но не верю, что после моего ухода из фирмы моими наработками кто-то воспользовался и их внедрил. В противном случае – жди беды, а именно, неминуемой катастрофы.
В общем, как работали Туполяля «наотшибись», так продолжают работать, ещё и втягивая в свою психиатрическую игру и заражая психической заразой других людей (изучите труды Бехтерева), работая уже в другой фирме. Кто не согласен – бегут оттуда. А кому-то и в жёлтом доме живётся вполне неплохо. Там думать вредно. И чем дурнее техническая дурь, особенно сказанная «по секрету», тем быстрее она разносится по умам (вспомните песню о слухах Высоцкого), да ещё и принимается за истину в последней инстанции. Жаль, что в жёлтом доме справок о нездоровье не выдают. А если и выдадут, то ведь это – желтый дом. Там положено быть тем, кто со справкой! Всё это прожирание гос. бюджета длится десятилетиями…
Осилив данную статью, читатель, скорее всего, подумал, зачем с этим композитом дерьмом связались? Ведь с ним столько проблем! Да, так думают многие, кто до этого занимался исключительно металлом и только начал познавать особенности ПКМ. Но ведь картошка не виновата в том, что повар не умеет её жарить? То же самое и здесь – ПКМ нужно правильно использовать, тогда будет и выгодно, и безопасно. Это чисто вопрос квалификации конструктора, как и качество любого созданного конструктором технического изделия.
Примечание для начинающих конструкторов. Наконец-то, получив такие вожделенные знания по защите от атмосферного электричества, не пытайтесь самостоятельно «завязать» конструкцию или выполнять полостные операции другим людям, научившись по YOUTUBу (себе смело можете такое делать). Поскольку, «завязав» её неправильно, «развязать» уже не получится! Композитной конструкции это касается особенно. В этом случае такого конструктора разъярённое Руководство фирмы, как минимум, заставит родить ананас вперёд кочерыжкой. Вышеуказанный материал – это всего лишь очень малая часть информации, которую нужно учитывать при проектировании защиты конструкций от атмосферного электричества. И, кроме того, продуктивный опыт тоже играет первостепенную роль.