ANALIZA I IMPLEMENTACJA PROCEDUR KWALIFIKACYJNYCH LOTNICZYCH REJESTRATORÓW POKŁADOWYCH DO BADAŃ MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH

Transkrypt

1 Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2012 ANALIZA I IMPLEMENTACJA PROCEDUR KWALIFIKACYJNYCH LOTNICZYCH REJESTRATORÓW POKŁADOWYCH DO BADAŃ MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH Paweł Przybyłek, Andrzej Komorek, Magdalena Świercz Pierwszy rejestrator parametrów lotu skonstruowany przez braci Wright umożliwiał rejestrację prędkości lotu oraz prędkości obrotowej śmigła. Był zainstalowany na pokładzie samolotu Flyer już podczas jego pierwszego lotu, w dniu r. Kolejne historyczne loty również zostały potwierdzone zapisami z urządzeń, nazwanych później rejestratorami pokładowymi, jak np. barograf samolotu Spirit of St. Louis zapisujący wartość ciśnienia barometrycznego na obracającym się papierowym bębnie (rys. 1). Wymagania dotyczące zabezpieczenia rejestratorów pokładowych W 1957 r., po serii katastrof, wprowadzono w USA przepisy nakazujące instalo wanie pokładowych rejestratorów parametrów lotu na wszystkich statkach powietrznych. Przepisy odwoływały się do dokumentu Technical Standards Order (TSO C51), określającego jakość i rodzaj zapisywanych parametrów oraz wymagania dotyczące zdolności rejestratora do przetrwa nia, w przypadku wystąpienia obciążeń udarowych i wysokotemperaturowych. Na początku lat sześćdziesiątych zmodyfikowano kryteria dotyczące dodatkowej ochrony rejestratorów przed skutkami uderzenia i zniszczeniem w wyniku oddzia ływania intensywnego strumienia cieplnego. Zalecono także montaż rejestratora w tylnej części kadłuba, co zwiększało szanse na skuteczną ochronę nośnika danych. Rys. 1. Barograf samolotu Lindbergha Spirit of St. Louis Intensywny rozwój lotnictwa podczas drugiej wojny światowej był impulsem do rozwoju rejestratorów pokładowych, które zaczęto wykorzystywać do odtwarzania przebiegu zdarzeń lotniczych. W 1940 r. rozpoczęto prace nad budową rejestratora odpornego na działanie obciążeń dynamicznych i termicznych, będących skutkiem katastrofy lotniczej. Do zapisu informacji w pierwszym rejestratorze katastroficznym (1954 r.) wykorzystano igłę, znaczącą linię zapisu na metalowej folii. Czas trwania zapisu określano na podstawie jego długości i prędkości przesuwania folii (~ 6 cali/godz.). W Anglii opracowano rejestrator, w którym wykorzystano zapis danych na cienkim drucie z materiału ferromagnety cznego. Drut, jako nośnik informacji, był odporny na wysoką temperaturę, jednak łatwo ulegał znisz czeniu pod wpływem przeciążeń. Równolegle we Francji używano rejestratorów z optycz nym systemem zapisu danych na papierze światłoczułym, jednak taki nośnik był łatwopalny i wraż liwy na prześwietlenie w przypadku pęknięcia obudowy. Przez kolejne lata udoskonalano metody zapisu i ochrony zarejestrowanych informacji, tak że obecnie cechy konstrukcyjne rejestratorów umożliwiają zachowanie, a także odtworzenie informacji, nawet w przypadku zniszczenia konstrukcji statku powietrznego. Procedury kwalifikacyjne lotniczych rejestratorów pokładowych Obudowy ochronne rejestratorów lotniczych muszą zabezpieczać moduły archiwizujące informacje rejestrowane podczas lotu statku powietrznego. W celu oceny jakości ochrony danych po zdarzeniu lotniczym (szczególnie wypadku lub katastrofie), konieczne jest przeprowadzenie testów rejestratorów, określających: dopuszczalne, bezpieczne obciążenie udarowe podczas katastrofy, wytrzymałość na obciążenie statyczne, odporność na oddziaływanie cieczy agresywnych, odporność na przebicie, odporność na ciśnienie hydrostatyczne, odporność na oddziaływanie wysokotemperaturowego strumienia cieplnego, wpływ długotrwałego oddziaływania ognia o niskiej intensywności. Szczegółowe wymagania dotyczące zabezpieczenia zapisanych danych ustanowione przez FAA (Federal Aviation Administration) obowiązujące obecnie zostały zapisane w dokumentach TSO C123a i C124a. Normy wojsko we MIL-STD-2124A w tym zakresie pokrywają się z cywilnymi. 19

2 4/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu Dopuszczalne bezpieczne obciążenie udarowe podczas katastrofy Rejestrator jest poddawany obciążeniu udarowemu działającemu w kierunku największej podatności obudowy ochronnej na zniszczenie. Wartość energii obciążenia powinna być równa uderzeniu rejestratora w aluminiową tarczę wykonaną z elementów typu plaster miodu z przyspieszeniem m/s 2 trwającym 6,5 ms. Sposób przyłożenia obciążenia symuluje obciążenie, jakiemu może być poddany rejestrator podczas katastrofy lotniczej. Wytrzymałość na obciążenie statyczne Metodyka przeprowadzania testu uzależniona jest od kształtu obudowy ochronnej. Liczba testów koniecznych do realizacji wynosi cztery dla kształtu sferycznego oraz co najmniej siedem dla wieloboku. Badanie polega na sprawdzeniu wytrzymałości obudowy ochronnej poddanej obciążeniu 22,25 kn przez 5 minut wzdłuż określonych dla danego kształtu kierunków. Odporność na oddziaływanie cieczy agresywnych Sprawdzenie może być realizowane przez poddanie badaniu testowemu samej obudowy lub całego rejestratora lotniczego. Rejestrator zanurzany jest na 48 godzin w płynach eksploatacyjnych stosowanych w lotnictwie (paliwo lotnicze, benzyna lotnicza, alkohol metylowy, olej silnikowy, płyn hydrauliczny). W przypadku obudowy ochronnej, badanie powinno być poprzedzone sprawdzeniem jej wytrzymałości na obciążenie statyczne oraz udarowe. Ponadto zalecane jest sprawdzenie odporności rejestratora wraz z obudową na oddziaływanie najbardziej destrukcyjnego ze środków gaśniczych. Badanie polega na zanurzeniu rejestratora w wyselekcjonowanej cieczy na 8 godzin. Po upływie tego czasu sprawdza się możliwość odzyskania zarchiwizowanych informacji. Odporność na przebicie Procedura sprawdzenia odporności rejestratora (obudowy) na przebicie jest uzależniona od rodzaju rejestratora (odrzucane, nieodrzucane). Najczęściej, w celu jej realizacji, obciążnik o masie 227 kilogramów, zakończony odpowiednio ukształtowaną końcówką o szerokości 6,5 mm zrzucany jest z wysokości 3 m (10 stóp), aby zbadać odporność obudowy rejestratora na obciążenie oddziałujące w najbardziej podatnym na uszkodzenia kierunku. Rejestrator umieszczany jest na podłożu z piasku (zgodnie z normą MIL-S-17526A). Odporność na ciśnienie hydrostatyczne Badanie jest zwykle przeprowadzane w połączeniu ze sprawdzeniem odporności obudowy ochronnej na korozyjne oddziaływanie wody morskiej. Informacje zarchiwizowane w rejestratorze powinny przetrwać 30 dni przebywania w wodzie morskiej na głębokości 6000 m, gdzie obudowa poddawana jest oddziaływaniu ciśnienia 30 MPa. Sama procedura badania odporności rejestratora na oddziaływanie ciśnienia hydrostatycznego polega na umieszczeniu urządzenia w zbiorniku hiperbarycznym wypełnionym odpowiednio dobranym płynem na okres 24 godzin. Oddziaływanie wysokotemperaturowego strumienia cieplnego (rys. 2) Obudowa zabezpieczająca rejestrator lub element rejestratora zawierający pamięć, w której zapisano informacje, jest poddawana oddziaływaniu płomienia o temperaturze 1100 C przez 60 minut (płomień powinien wytwarzać strumień ciepła o wartości 158 kw/m 2 ). Liczba, wydajność i rozmieszczenie palników oraz parametry czynnika roboczego, dostarczanego do palników, muszą zapewnić właściwy stopień przykrycia testowanego obiektu oraz średnią temperaturę na właściwym poziomie, tak aby zapewnić strumień ciepła określony zależnością: Q dt F SH A C = (1.1) gdzie: dt przyrost temperatury czynnika chłodzącego (wody) [ C]; F natężenie przepływu czynnika chłodzącego (wody) [kg/s]; SH ciepło właściwe czynnika chłodzącego (wody) [J/ C]; Rys. 2. Stanowisko do badania odporności rejestratora na oddziaływanie wysokich temperatur 20

3 Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2012 A powierzchnia kalorymetru [m 2 ]; C współczynnik absorpcji (najczęściej 0,5). Przed testem dokonywana jest kalibracja zestawu palnika za pomocą wodnego kalorymetru, który później, podczas przeprowadzania badań zastępuje właściwy rejestrator wewnątrz testowanej obudowy. Długotrwałe oddziaływanie ognia o niskiej intensywności Od 1990 r. wszystkie rejestratory pokładowe muszą spełnić dodatkowy warunek, określający odporność osłon termicznych podczas oddziaływania strumienia cieplnego o temperaturze t = 260 C i gęstości q(t) = 134 kw/m 2 przez 10 godzin. Sumaryczna ilość ciepła, jaka może być pochłonięta przez powierzchnię zewnętrzną obudowy rejestratora, według norm C124 i Ed112, jest o rząd wielkości większa od ciepła Qw, jakie dopuszczały normy: C51, C84 i C51a (rys. 3). Rys. 3. Ciepło przejmowane przez jednostkową powierzchnię obudowy rejestratora dla kolejnych norm TSO (wartości względne) [1] Implementacja procedur kwalifikacyjnych rejestratorów do badań materiałów kompozytowych Przedstawione metody stosuje się podczas badań obudów ochronnych rejestratorów parametrów lotu. Jednakże należy zaznaczyć, że nadrzędnym warunkiem dla wszystkich badań rejestratorów jest możliwość odczytania po testach zapisanej w pamięci informacji, zatem należy przyjąć, że zaprezentowane procedury zaliczają się do procedur kontrolnych, a nie badawczych. Wykorzystując ww. metodę kontrolną rejestratorów parametrów lotu, opracowano procedurę badawczą umożliwiającą określenie wybranych właściwości i cech eksploatacyjnych polimerowych kompozytów włóknistych. W konstrukcji statków powietrznych wykorzystuje się różne, m.in. kompozytowe, materiały do zabezpieczania różnych elementów przed wpływem wysokotemperaturowego strumienia cieplnego i często korzysta się z materiałów o właściwościach ablacyjnych [4]. Ablacja jest samoregulującym się procesem wymiany ciepła i masy, w wyniku którego, na skutek przemian fizycznych oraz reakcji chemicznych, dochodzi do nieodwracalnych zmian strukturalnych i chemicznych materiału z równoczesnym pochłanianiem ciepła. Proces ten jest inicjowany i podtrzymywany z zewnętrznych źródeł energii cieplnej. Termiczna destrukcja tworzywa jest procesem endotermicznym. Gdy powłoka ablacyjna wejdzie w kontakt z strumieniem ciepła o wysokiej temperaturze, zainicjowany zostaje proces ablacyjny. Wówczas warstwa ablacyjna pod wpływem temperatury ulega wewnętrznym zmianom strukturalnym, które chronią głębsze warstwy i wpływają na właściwości termoochronne materiału. Jeśli powłoka ablacyjna zbudowana jest warstwowo, proces odbywa się cyklicznie: wierzchnia warstwa z czasem przepala się, odpada od całości, a następnie kolejna warstwa ulega przemianom ablacyjnym. Mimo wieloletniego stosowania materiałów ablacyjnych, nadal niepełne jest określenie jakościowych i ilościowych zależności między składem rodzajowo-fazowym a właściwościami ablacyjnymi w kontekście innych cech eksploatacyjnych kompozytów używanych na osłony termochronne [1 3]. W literaturze można odnaleźć dwie metody badawcze do określania właściwości ablacyjnych kompozytów, w których do wytworzenia strumienia ciepła wykorzystuje się: palnik acetylenowo-tlenowy [6 9], palnik plazmowy [5, 11]. Kształtowanie ablacyjnych właściwości termochronnych polega na poszukiwaniu materiałów o dużym cieple właściwym c p (t) i dużej gęstości r (dużej pojemności cieplnej) oraz o niskim współczynniku przewodzenia ciepła l(t) (czyli małej dyfuzyjności cieplnej a(t)) [2]. W celu oceny właściwości ablacyjnych autorzy przedstawiają ocenę dyfuzyjności materiału na podstawie badania przewodności cieplnej [5, 10] oraz określają parametry termochronne: średnią szybkość ablacji v a [6, 8 11], ablacyjny ubytek masy U a [8 10] oraz temperaturę tylnej powierzchni ścianki izolującej t s [5, 6, 11]. Ponadto w pracy [5] mierzono współczynnik izolacji cieplnej jako czas do osiągnięcia określonej temperatury tylnej ścianki. Badania W stosunku do metody testowej, na której wzorowano procedurę, zostały wprowadzone następujące modyfikacje: ze względu na małe rozmiary próbki, liczba palników została ograniczona do jednego, o strumieniu skierowanym prostopadle do powierzchni próbki, jako gazu zasilającego palnik użyto mieszaniny propan-butan, łatwiejszej do pozyskania i aplikacji, zdecydowano zastosować strumień cieplny działający na próbkę o temperaturze nie wyższej niż 800 C, założono doświadczalne ustalenie czasu oddziaływania strumienia cieplnego, na podstawie badań próbek testowych. 21

4 4/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu Uwzględniając przyjęte założenia, opracowano projekt i zbudowano stanowisko (rys. 4), w którym do wytworzenia strumienia cieplnego wykorzystano tzw. działo ablacyjne. Do badań właściwych przygotowano 16 próbek o wymiarach 30 x 30 mm, wykonanych z 8 rodzajów warstwowych materiałów kompozytowych, zróżnicowanych pod względem składu fazowego oraz liczby warstw (rys. 5, rys. 6). Osnowę wszystkich kompozytów stanowiła żywica epoksydowa Epidian 52 (tabl. 1). W trakcie badań zdecydowano się zmniejszyć czas oddziaływania strumienia cieplnego na próbki o mniejszej grubości do 30 sekund. Rys. 4. Projekt stanowiska do badań próbek kompozytowych Pomiar temperatury powierzchni kompozytu wystawionej na działanie strumienia cieplnego realizowano za pomocą pirometru, a temperaturę tylnej ścianki mierzono za pomocą termometru termoelektrycznego. W trakcie badań wstępnych: ustalono parametry płomienia działającego na próbkę, dobrano czas oddziaływania wysokotemperaturowego, który w literaturze przyjmuje się od 8 do 100 s [5, 7 11]. Czas wyznaczono z wykorzystaniem próbek o grubości 6,8 mm. Założono czas próby t = 90 s. Jednak intensywność ubytku masy kompozytu spowodowała, że zmniejszono czas oddziaływania strumienia do 60 s, aby uniknąć przepalenia próbek o mniejszej grubości. Rys. 6. Próbka z wyraźnie zaznaczoną warstwą ablacyjną Termochronne właściwości badanego materiału można zaobserwować m.in. dla próbki wykonanej z 14 warstw tkaniny wzmacniającej z 3% dodatkiem montmorylonitu (rys. 7). Niektóre kompozyty wzmocnione siedmioma warstwami tkaniny uległy całkowitemu zniszczeniu, pomimo zmniejszenia czasu trwania próby (rys. 8), a w innych zbudowanych również z siedmiu warstw tylna ścianka nie uległa przepaleniu (rys. 9). Rys. 5. Zestaw próbek przed i po badaniach 22

5 Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2012 Tabela 1. Parametry próbek wykorzystywanych w badaniach Oznaczenie Próbka testowa Grubość [mm] 6,8 6,8 6,4 2,6 2,7 11,2 8,9 4,0 3,5 Liczba warstw tkaniny aramidowej 300 g/m Liczba warstw ciętego włókna aramidowego 2 Liczba warstw tkaniny szklanej 300 g/m Liczba warstw tkaniny węglowej 160 g/m 2 2 Utwardzacz Z 1 X X X Utwardzacz PAC X X Wypełniacz MMT 3% 3% 3% 15% 15% Symbol (X) oznacza, że dany materiał występuje w kompozycie, natomiast symbol ( ) oznacza brak obecności materiału w składzie fazowym. Rys. 7. Rozkład temperatur przedniej i tylnej ścianki próbka 1.1 Rys. 8. Rozkład temperatur przedniej i tylnej ścianki próbka

6 4/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu Rys. 9. Rozkład temperatur przedniej i tylnej ścianki próbka 7.1 Wnioski 1. Zaproponowana procedura umożliwia określanie właściwości termochronnych materiałów kompozytowych (rys. 9). 2. Zbudowano urządzenie, które może być modernizowane, a jego możliwości zwiększane w celu realizacji dalszych badań. 3. Dobrano parametry badań, które umożliwiły określenie podstawowych właściwości ablacyjnych: temperatury tylnej ścianki oraz szybkości ablacji. Wydaje się, że do badań kompozytów na osnowie polimerowej wystarczające jest zastosowanie strumienia cieplnego o temperaturze do 800ºC. 4. Można stwierdzić, że dla przyjętych parametrów badania właściwości ablacyjnych istnieje graniczna wartość grubości próbek (ok. 4 mm), ponieważ, jak można zaobserwować na rys. 8, próbka o takiej grubości pozwoliła we właściwy sposób określić temperaturę tylnej ścianki podczas całego badania, nie ulegając zniszczeniu. Mimo zredukowania czasu oddziaływania strumienia cieplnego na próbki o mniejszej grubości (siedmiowarstwowe), trzy z nich uległy przepaleniu przed upływem 30 s (rys. 7). 5. Zastosowanie jednego palnika, przy przyjętych rozmiarach próbek, pozwala uzyskać zadowalający, równomierny rozkład temperatury na całej powierzchni próbki. 6. Zastosowanie zautomatyzowanego układu gromadzenia i archiwizacji danych z większą częstotliwością (1 2 s) i większą dokładnością oraz pomiar masy próbek przed i po badaniach, pozwoli zrealizować badania eksperymentalne w celu analizy wpływu poszczególnych komponentów kompozytu na właściwości termochronne laminatów. LITERATURA 1. Opara T., Przybyłek P.: Obudowy ochronne rejestratorów parametrów lotu. Journal of Aeronautica Integra 1/2010 (7). 2. Kucharczyk W.: Rozprawa doktorska Kształtowanie ablacyjnych właściwości termochronnych kompozytów polimerowych z napełniaczami proszkowymi, Politechnika Radomska Wojtkun F., Sołncew J. P.: Materiały specjalnego przeznaczenia. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom Park Jong Kyoo, Cho Donghwan, Kang Tae Jin: A comparison of the interfacial, thermal, and ablative properties between spun and filament yarn type carbon fabric/phenolic composites. Carbon 42 (2004). 5. Zhao-ke Chen, Xiang Xiong, Guo-dong Li, Ya-lei Wang: Ablation behaviors of carbon/carbon composites with C-SiC-TaC multi-interlayers. Applied Surface Science 255 (2009). 6. Chen Zhaofeng, Fang Dan, Miao Yunliang, Yan Bo: Comparison of morphology and microstructure of ablation centre of C/SiCcomposites by oxy-acetylene torch at 2900 and 3550 C. Corrosion Science 50 (2008). 7. Shu-Ping Li, Ke-zhi Li, He-Jun Li, Yu-Long Li, Qin-Lu Yuan: Effect of HfC on the ablative and mechanical properties of C/C composites. Materials Science and Engineering A 517 (2009). 8. Xuetao Shen, Kezhi Li, Hejun Li, Hongying Du, Weifeng Cao, Fengtao Lan: Microstructure and ablation properties of zirconium carbide doped carbon/carbon composites. Carbon 48 (2010). 9. Vaia R. A., Price G., Ruth P. N., Nguyen H. T., Lichtenhan J.: Polymerrlayered silicate nanocomposites as high performance ablative materials. Applied Clay Science 15/ Park Jong Kyoo, Kang Tae Jin: Thermal and ablative properties of low temperature carbonfiber phenol formaldehyde resin composites. Carbon 40 (2002). 11. MIL-HBK Dr inż. Andrzej Komorek oraz mgr inż. Paweł Przybylek i Magdalena Świercz są pracownikami Wyższej Szkoły Oficerskiej Sił Powietrznych w Dęblinie. 24