POMIARY POJEMNOŚCI MIARĄ ROZWARSTWIENIA ŁOPAT NOŚNYCH ŚMIGŁOWCA

Transkrypt

1 POMIARY POJEMNOŚCI MIARĄ ROZWARSTWIENIA ŁOPAT NOŚNYCH ŚMIGŁOWCA Abstract: Artykuł jest kontynuacją ciągu publikacji autorów o oddziaływaniu warunków atmosferycznych na statki latające [5-6, 11]. W niniejszym artykule autorzy pragną zwrócić uwagę na przeciwdziałanie groźnym dla bezpieczeństwa lotu skutkom oblodzenia łopat śmigłowców. Podczas oblodzenia występują trudności w utrzymaniu kierunku lotu, następuje wzrost wibracji płatowca oraz spadek siły nośnej. Oblodzenie jest bardziej prawdopodobne nad akwenami morskimi niż nad lądem. Niestabilność położenia przestrzennego jaka towarzyszy oblodzeniu stanowi istotne niebezpieczeństwo w czasie podejmowania rozbitków przez śmigłowiec ze statku, platformy wiertniczej lub morskiej elektrowni wiatrowej. Skrajny efekt intensywnego oblodzenia tj. gwałtowna utrata siły nośnej to z kolei może stanowić dodatkowe zagrożenie dla ratowanych i ratujących. Aby do tego nie dopuścić morskie śmigłowce ratownicze działające w systemie SAR na terenie Rzeczpospolitej Polskiej mają łopaty wyposażone w rezystancyjne elementy grzejne zasilane z pokładowej sieci elektroenergetycznej. Elementy grzejne niekiedy odklejają się od dźwigarów, przez co tworzy się między nimi izolacyjna warstwa powietrza. Zmniejsza to lokalnie intensywność odprowadzania ciepła z elementu grzejnego i powoduje miejscowe przegrzania [6]. Jest to szczególnie niebezpieczne dla łopat kompozytowych, gdzie takie przegrzanie zmniejsza sprężystość warstw kompozytowych i może doprowadzić do lokalnych pęknięć. Takie pęknięcie może być przyczyną katastrofy śmigłowca. Aby monitorować wspomniane odklejenia we wczesnym stadium powstawania, autorzy zaproponowali systematyczne pomiary pojemności elektrycznej pomiędzy elementem grzejnym, a dźwigarem. Wykonane przez autorów pomiary pojemności na łopatach śmigłowców, wykazały jej praktyczną przydatność do oceny wielkości rozwarstwienia oraz w lokalizowaniu odklejeń elementów grzejnych od dźwigara. Keywords: rozwarstwienie powierzchni nośnych, sekcje grzejne łopat nośnych, elektryczne ogrzewanie przeciwoblodzeniowe, pojemność elektryczna, przestrzeń powietrzno-izolacyjna, wpływ temperatury na materiały kompozytowe, wpływ wilgotności na materiały kompozytowe. WPROWADZENIE Czynniki atmosferyczne występujące nad akwenami wodnymi takimi jak morza i oceany, znacząco utrudniają eksploatację statków powietrznych co przekłada się na zwiększenie poziomu trudności wykonania zadania. Skutkuje to zmniejszeniem bezpieczeństwa podczas realizacji lotów nad takimi obszarami. Działania nad, jak i w pobliżu mórz i oceanów wymagają aby konstruktorzy oraz piloci uwzględniali warunki atmosferyczne przede wszystkim takie jak [5, 9, 14, 21]: - znacząco wyższa wilgotność powietrza aniżeli nad lądem, - niższa temperatura powietrza aniżeli nad lądem, - większa prędkość wiatru aniżeli nad lądem (brak naturalnych przeszkód terenowych), - zasolenie powietrza. Jest to szczególnie istotna kwestia dla polskiego lotnictwa wojskowego, które jest odpowiedzialne za prowadzenie akcji poszukiwawczo ratowniczych nad rejonem morza Bałtyckiego obejmującego przestrzeń powietrzną FIR Warszawa. Konstrukcje statków powietrznych pełniące dyżury 1

2 ratownicze jak i inne wykonujące zadania nad akwenami wodnymi zasadniczo różnią się od innych statków powietrznych. Różnice te wynikają z: - możliwości lądowania na wodzie, - wykonywania zadań w warunkach wysokiej wilgotności sprzyjającej powstawaniu oblodzenia na elementach płatowca i silników. Zasadniczo do zadań ratowniczych prowadzonych nad akwenami wodnymi wykorzystuje się częściej śmigłowce niż samoloty lub statki nawodne ze względu na ich szczególne właściwości lotne, które umożliwiają szybkie zlokalizowanie i dotarcie do celu, a następnie bezpieczne podjęcie poszkodowanego/rozbitka z zawisu [7, 10, 23, 26]. Zadania nad akwenami wodnymi w Polsce zasadniczo są wykonywane przez śmigłowce poszukiwawczo ratownicze Marynarki Wojennej. Wykonywane przez nie zadania wymagają pełnej sprawności statku powietrznego, w tym odporności na oblodzenie, ponieważ działają w deficycie czasu (ratowanie rozbitków) w trudnych warunkach atmosferycznych. 1. WSTĘP Tak jak w każdym wiropłacie elementem śmigłowca odpowiedzialnym za wytwarzanie siły nośnej są powierzchnie nośne łopat wirnika nośnego [18, 27]. Początkowo dla lekkich śmigłowców (np. SM-1) śmigła nośne wykonywano z drewna [2] by następnie przejść na wiele dziesiątków lat do łopat o konstrukcji metalowej. Aktualnie coraz chętniej konstruktorzy sięgają po łopaty kompozytowe zwłaszcza dla śmigłowców lekkich i średnich. Odznaczają się one dużo mniejszą masą, a przy utrzymaniu określonych reżimów eksploatacyjnych są równie wytrzymałe jak metalowe. Jednakże są one mniej odporne na zawilgocenia, rozwarstwienia i zmiany temperatury [1, 5-6, 17, 24]. W polskim lotnictwie morskim zastosowanie łopat do śmigłowców wygląda następująco: - Mi 14 (łopaty metalowe), - W 3RM Anakonda (łopaty kompozytowe), - SH-2G Kaman (łopaty metalowe). Niedopuszczalnym jest wystąpienie oblodzenia łopat w przypadku wykonywania przez taki śmigłowiec zawisu nad statkiem morskim lub okrętem w celu podjęcia poszkodowanego gdyż podczas oblodzenia występują trudności w utrzymaniu kierunku lotu, następuje wzrost wibracji płatowca oraz spadek siły nośnej. Skrajny efekt intensywnego oblodzenia tj. gwałtowna utrata siły nośnej to z kolei katastrofa dla ratowanych i ratujących [8, 10, 22]. Aby do tego nie dopuścić śmigłowce ratownicze morskie działające w systemie SAR na terenie Rzeczpospolitej Polskiej mają łopaty wyposażone w rezystancyjne elementy grzejne zasilane z pokładowej sieci 2

3 elektroenergetycznej [3-6, 15-16]. Ten sposób zapobiegania oblodzeniu wprowadziły rosyjskie wytwórnie śmigłowców praktycznie biorąc od początku ich produkcji w tym kraju konstrukcje zachodnie preferowały w tym czasie tylko zwiększoną elastyczność łopat (naturalne łamanie mechaniczne warstwy lodu skuteczne przy niskich i średnich gradientach przyrostu jej grubości) i organizacyjne ograniczenia lotów w strefie oblodzenia. Elektryczne ogrzewanie jest metodą wysoce energochłonną (podczas działania instalacji ogrzewania łopat nośnych zużywane jest ponad 50 % nominalnej mocy pokładowych źródeł energii elektrycznej jednakże odpowiednio stosowana jest niezwykle skuteczna. O jej skuteczności świadczy fakt [13], że w lotnictwie cywilnym krajów Wspólnoty Niepodległych Państw, gdzie powszechnie stosuje się elektryczne ogrzewanie łopat wirnika, w latach nie odnotowano wypadków lotniczych spowodowanych oblodzeniem. Jednocześnie w krajach zachodnich rozwijają się ciekawe propozycje stosowania do odladzania łopat ultradźwięków [19], energii mikrofal, promieniowania podczerwonego itp. Niestety brak informacji o ich powszechnym praktycznym zastosowaniu. Natomiast są udokumentowane informacje [5-7] o instalowaniu łopat ogrzewanych elektrycznie (i ich przyłączeniu do struktury sieci elektrycznej śmigłowca) na specjalne zamówienie w wytwórniach zachodnich co jest dodatkowym dowodem pośrednim na skuteczność tego typu instalacji odladzania łopat. Łopaty o konstrukcji metalowej różnią się od łopat o konstrukcji kompozytowej wieloma właściwościami. Przewagą łopat kompozytowych jest ich znacznie mniejsza masa i większa odporność na korozję, aczkolwiek charakteryzują się większą wrażliwością na uszkodzenia mechaniczne. Ewentualne odkształcenie powierzchni spowodowane np.: rozwarstwieniem łopaty, zwłaszcza powierzchni w pobliżu krawędzi natarcia, może mieć katastrofalne wręcz skutki w warunkach intensywnego oblodzenia [4, 11, 18-22]. Każde takie zniekształcenie powoduje zmianę (zwykle zmniejszenie) wartości współczynnika siły nośnej i zwiększenie oporu aerodynamicznego. Zmiany te wpływają na pogorszenie stateczności i sterowności śmigłowca. Ponadto rozwarstwienie pomiędzy elementem grzejnym łopaty, a dźwigarem izoluje cieplnie dany odcinek sekcji grzejnej od masy dźwigara. Utworzona w ten sposób poduszka powietrzna jest izolatorem w obwodzie przepływu ciepła. Tworzą się więc odcinki narażone na przegrzanie. W łopatach o strukturze kompozytowej lokalne przegrzania powodują utwardzenie warstw kompozytowych powodując zmniejszenie elastyczności i sprężystości [1, 6, 21, 24]. Takie miejsca są potencjalnym węzłem pęknięć [1, 24]. Lokalne przegrzania mogą być miejscem progresywnie rozprzestrzeniającego się rozwarstwienia prowadzącego do ciężkiego wypadku lotniczego fot. 1. 3

4 Fot. 1. Rozwarstwienie wykonanej z laminatu łopaty wirnika nośnego śmigłowca będąca przyczyną ciężkiego wypadku lotniczego. Łopaty o strukturze kompozytowej wymagają dokładniejszych sprawdzeń niż łopaty metalowe. Wpływa to na koszty eksploatacji, a przede wszystkim na bezpieczeństwo. Lotnictwo śmigłowcowe morskie w Polsce jest ograniczone tylko do lotnictwa wojskowego (inne śmigłowce nie spełniają w pełni wymagań dotyczących poszukiwania i ratownictwa nad akwenami wodnymi) [23]. Muszą to być statki powietrzne specjalnie przygotowane do bezpiecznego wykonywania zadań ratowniczych w trudnych warunkach atmosferycznych. W akcji ratowniczej najważniejszy jest czas [26]. Wykorzystanie śmigłowców do takich zadań zapewnia najkrótszy czas wykonania takiego zadania lokalizacji rozbitka i jego ewakuację. Dlatego śmigłowce biorące udział w takich akcjach, powinny mieć możliwość operowania w każdych warunkach pogodowych. W związku z tym możliwe jest, że śmigłowiec podczas wykonywania zadań nad morzem, oceanem znajdzie się kilkakrotnie w warunkach oblodzenia. Z tego powodu zasadnym byłoby wyposażyć takie statki powietrzne w możliwość bieżącej diagnostyki stanu technicznego łopat wirnika nośnego jak i śmigła ogonowego. 2. MOŻLIWOŚĆ ZASTOSOWANIA POMIARÓW POJEMNOŚCI SEKCJI GRZEJNYCH DO OCENY ROZWARSTWIENIA KOMPOZYTOWYCH ŁOPAT NOŚNYCH ŚMIGŁOWCA Dotychczasowa podstawowa metoda diagnozowania łopat kompozytowych polegała na zdemontowaniu łopaty ze śmigłowca ułożeniu na stojaku i opukiwaniu odpowiednim młotkiem [3a]. Metoda ta jest czasochłonna i pracochłonna, nie gwarantuje jednoznacznych wyników i jest w pewnym sensie ingerencyjna (oddziaływanie siłowe na strukturę mechaniczną łopaty). Zamiast niej autorzy proponują metodę nieingerencyjną wystarczy tylko odkręcić złącza kabli (obwodu elektrycznego łączącego sekcje grzejne z pokładową siecią elektryczną) od łopaty i w jej miejsce podłączyć układ do pomiaru pojemności (metoda techniczną). W przyszłości zdaniem autorów 4

5 możliwe jest, po częściowej, stosunkowo niewielkiej, przeróbce systemu zasilania elektrycznego zainstalowanie takiego układu na pokładzie i prowadzenia monitorowania w czasie lotu. W czasie badań nad strukturą i właściwościami elementów grzejnych łopat nośnych w ITWL, wykonano m.in. pomiary pojemności elektrycznej 9 sztuk łopat Mi 8/17 i 12 sztuk łopat W 3 [5-6]. Dokonano także kontrolowanego rozwarstwienia tworząc pomiędzy segmentem grzejnym, a dźwigarem łopaty Mi-17 warstwę izolacyjną w postaci przestrzeni powietrznej. Stwierdzono przy tym znaczne zmniejszenie wartości mierzonej pojemności wprost proporcjonalne do powierzchni rozwarstwienia zgodnie ze wzorem: gdzie: współczynnik przenikalności próżni. współczynnik przenikalności dielektrycznej charakterystyczny dla danego materiału izolacyjnego umieszczonego pomiędzy okładzinami kondensatora. S pole powierzchni jednej czynnej okładziny kondensatora (dwie taśmy grzejne 1 sekcja) [m 2 ]. d odległość między dwoma powierzchniami kondensatora (czyli odległość między taśmami elementów grzejnych, a dźwigarem) [m]. Doświadczalne badania na jednej łopacie Mi 14/8/17 w celu określenia przydatności pomiarów pojemności elektrycznej między masą elektryczną, a elementami sekcji grzejnej. Na rys. 1. została przedstawiona łopata wraz z miejscami specjalnie wprowadzonych rozwarstwień. 5

6 Rys. 1. Poglądowy rysunek uciętej łopaty Mi 8/17. (Źródło: opr. wł. na podst. demontaży) Rys. 2. Wykres wartości pojemności pomiędzy sekcją grzejną a dźwigarem łopaty nośnej śmigłowca Mi-17: 1. (kol. niebieski) bez rozwarstwienia, 2. - (kol. brązowy) małe rozwarstwienie o długości 38 cm, 3. (kol. zielony) znaczne rozwarstwienie o długości 120 cm Zdaniem autorów proponowana metoda badania wielkości rozwarstwienia łopat może oddać nieocenione usługi w dziedzinie eksploatacji i diagnostyki śmigłowców co z pewnością wpłynie na poprawę bezpieczeństwa eksploatacji. Rozwarstwienie pomiędzy konstrukcją nośną łopaty, a elementem grzejnym jest często spotykane w praktyce eksploatacyjnej i w początkowym okresie jest trudne do wykrycia tradycyjnymi metodami. Proponowana metoda pomiaru reaktancji pojemnościowej metodą techniczną umożliwia badanie bez demontażu łopaty wystarczy tylko odkręcić przewód elektryczny z łopaty i przykręcić w jego miejsce układu pomiarowego rys. 3. 6

7 Możliwe jest teoretycznie, jakkolwiek nie zastosowane w praktyce, badanie pojemności elektrycznej łopat podczas eksploatacji śmigłowca nawet w czasie lotu. Rys. 3. Układ pomiarowy kapacytancji schemat poglądowy. (Źródło: opr. wł.) Fig. 3. Measuring system capacitance-scheme. 7

8 Z uwagi na specyficzną geometrię sekcji grzejnych proponowana metoda szczególnie precyzyjnie umożliwiłaby lokalizacje rozwarstwień na łopatach śmigłowców W-3 Sokół. Krótkie geometrycznie sekcje grzejne rys. 4. umożliwiają lokalizację rozwarstwień do określonych powierzchni danych sekcji grzejnych, a więc i stosunkowo niewielkich powierzchni kompozytowych co umożliwia dobranie środków naprawy. 8

9 Rys. 4. Segmenty grzejne łopaty śmigłowca W-3 Sokół rysunek poglądowy rozwinięcie górnej i dolnej powierzchni łopaty. 9

10 Oznaczenia 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 są numerami przewodów i pinów w gnieździe łopaty zasilającymi sekcje grzejne i lampkę umieszczoną na końcu łopaty. Odpowiednio: 1-2 sekcja grzejna nr I, 3 metalowa siatka poprowadzona wzdłuż całej łopaty (elektryczna masa łopaty), 4-2 sekcja grzejna nr II, 5-6 sekcja grzejna nr III, 8-6 sekcja grzejna nr IV, 7-9 lampka umieszczona na końcu łopaty. 10

11 Fig. 4. Heating segments of W-3 "Falcon" helicopter s blade Overview expansion of the upper and lower surface of the blade. 11

12 Marks 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 are numbers of wires and the pins in the blade s socket power which provide electricity for heating sections and a lamp on the end of a blade. Appropriately: 1-2 heating section no. I, 3-metal mesh routed along the entire blade (electric protective ground), 4-2 heating section no. II, 5-6 heating section no. III, 8-6 heating section no. IV, 7-9 lamp placed at the end of a blade. Wartość pojemności elektrycznej izolacji pakietów grzejnych łopat WN otrzymywano w procesie przekształcenia wzoru reaktancji na pojemność: gdzie: Xc reaktancja (kapacytancja) [Ω]; C pojemność elektryczna [F]; I natężenie prądu pomiarowego [A]; π liczba pi wynosząca π 3,14159; f częstotliwość prądu [Hz]; U spadek napięcia prądu [V]. Wszystkie pomiary były wykonane metodą techniczną przy wykorzystaniu jako źródła energii elektrycznej generatora akustycznego. Generator w trakcie pomiarów pracował na zakresie 320 [V] i 0,32 [A]. W pomiarach najczęściej był wykorzystywany zakres prądu 0,05 [A] do 0,2 [A]. Dla lepszych właściwości penetracyjnych starano się wykorzystywać zawsze największą wartość natężenia prądu jaka była możliwa do uzyskania z generatora. Wykorzystywane spektrum częstotliwości w zakresie 8 do 12 [khz]. Ograniczenie się do tego zakresu było ocenione jako najbardziej korzystne, ponieważ charakterystyka w tym obszarze nabierała liniową zależność. 3. MOŻLIWOŚĆ ZASTOSOWANIA POMIARÓW POJEMNOŚCI SEKCJI GRZEJNYCH DO OCENY ROZWARSTWIENIA METALOWYCH ŁOPAT NOŚNYCH ŚMIGŁOWCA - Łopaty śmigłowca Mi-14 (Mi 14/8/17) Pojemność elektryczna izolacji znajdującej się między dźwigarem, a taśmami sekcji grzejnych dokonano na 9 łopatach od śmigłowca Mi (14/8/17). W statystyce porównawczej zamieszczono 5 łopat znajdujących się na terenie ITWL. Jedna z nich została dla potrzeb wcześniejszych badań skrócona o ok. 1 [m]. Mimo to dokonano na niej pomiarów w celu zaobserwowania proporcjonalnej różnicy pojemności w porównaniu do całych łopat. Na potrzeby badań łopata ta została oznaczona jako nr V. Oprócz łopat znajdujących się na terenie ITWL zostały przebadane 2 łopaty (VIII i IX) znajdujące się aktualnie w eksploatacji. Analizując wyniki 12

13 zamieszczone w tabeli 1 i rys. 5 można określić zakres wartości średniej. Jednakże do określenia poprawnej wartości średniej należałoby dokonać większej ilości badań na łopatach będących w eksploatacji. Wyniki otrzymane w procesie pomiarów łopat VIII i IX są zdecydowanie mniejsze w porównaniu do wyników otrzymanych po pomiarach pozostałych łopat. Taka różnica może być spowodowana różnicą w metodzie przechowywania łopat. Łopaty na trenie ITWL, są przechowywane w tzw. stacji korozyjnej na niezadaszonym stojaku. Nieprzerwanie leżąc na krawędzi natarcia przez kilka lat. Mogło to doprowadzić do przygniecenia krawędzi natarcia w której to znajduje się pakiet grzejny. Skutkiem takiej zmiany jest wzrost wartości pojemności elektrycznej. Ze względu na zmniejszenie się odległości między powierzchnią dźwigara, a powierzchnią pakietów grzejnych. Odległość ta odnosząc się do pojemności elektrycznej, w kondensatorze jest odległością między dwoma okładzinami. W dokonywanych pomiarach pojemności elektrycznej odpowiednikami okładzin, były powierzchnia dźwigara i powierzchnia taśm grzejnych. Tabela 1. Wartości kapacytancji i pojemności elektrycznej dla poszczególnych łopat Mi -8/17/14. Nr pomiarowy łopaty wraz z nr fabr. Pomiary - Wartości średnie mierzone z zakresu 8-12 [khz] pomiędzy pinem (taśma powrotna/dźwigar) Xc [Ω] - Reaktancja pojemnościowa (kapacytancja) C [F] ze wzoru po przekształceniu reaktancji pojemnościowej Łopata II N ,430 7,332E-08 Łopata III N ,560 5,866E-08 Łopata IV N ,370 6,381E-08 Łopata V N ,580 3,236E-08 Łopata VI N ,870 6,341E-08 Łopata VIII N ,180 1,468E-08 Łopata IX N ,000 1,439E-08 (Źródło: opr. wł.) 13

14 Rys. 5. Wykres pojemności elektrycznej poszczególnych łopat Mi 8/17/14. (Źródło: opr. wł.) 14

15 Fig. 5. Electrical capacitance graph of the helicopter s Mi (8/17/14) individual blades. 4. POMIARY POJEMNOŚCIOWE ROZWARSTWIEŃ ŁOPATY ŚMIGŁOWCA W 3 SOKÓŁ Pojemność elektryczna została zmierzona między dźwigarem (metalową siatką), a zwartymi taśmami sekcji grzejnych nr II i III oraz izolacji między sekcjami nr II i III. Pomiarów dokonano na 12 łopatach i jednym uciętym kawałku łopaty. 6 łopat oraz ucięty kawałek (I - VI + XIII) znajdują się na terenie ITWL, pozostałe 6 łopat (VII - XII) zostały przebadane na śmigłowcach będących w eksploatacji. Wyniki zostały zamieszczone w tabeli 2 oraz na rys. 6. Tabela 2. Wartości kapacytancji i pojemności elektrycznej dla poszczególnych łopat W 3. Pomiary - Wartości średnie mierzone z zakresu 8-12 [khz] Nr pomiarowy łopaty wraz z nr fabr. i datą produkcji. Xc [Ω] - Reaktancja pojemnościowa (kapacytancja) 15 C [F] ze wzoru po przekształceniu reaktancji pojemnościowej Łopata I 7-5 (sekcja II/III) 3211,440 5,047E-09 K89/ (7 + 5) ,910 4,093E-08 Łopata II 7-5 (sekcja II/III) 3651,347 4,429E-09

16 K89/ (7 + 5) ,147 4,274E-08 Łopata III 7-5 (sekcja II/III) 2847,853 5,684E-09 K193/ (7 + 5) ,960 3,657E-08 Łopata IV 7-5 (sekcja II/III) 2885,827 5,612E-09 K193/ (7 + 5) ,767 3,770E-08 Łopata V 7-5 (sekcja II/III) 2777,720 5,834E-09 K193/ (7 + 5) ,027 3,795E-08 Łopata VI 7-5 (sekcja II/III) 2985,987 5,422E-09 K193/ (7 + 5) ,367 3,566E-08 Łopata VII 7-5 (sekcja II/III) 4800,600 3,360E /1 A (7 + 5) ,847 3,051E-08 Łopata VIII 7-5 (sekcja II/III) 3947,760 3,082E /2 A (7 + 5) ,360 3,107E-08 Łopata IX 7-5 (sekcja II/III) 4454,950 3,661E /3 A (7 + 5) ,657 3,153E-08 Łopata X 7-5 (sekcja II/III) 4836,500 3,415E /4 A (7 + 5) ,110 3,233E-08 Łopata XI 7-5 (sekcja II/III) 6287,363 2,641E /1 A (7 + 5) ,081 2,993E-08 Łopata XII 7-5 (sekcja II/III) 3754,840 4,305E /2 A (7 + 5) ,710 3,023E-08 Łopata XIII 7-5 (sekcja II/III) 5887,560 2,749E-09 Ucięta (7 + 5) ,440 2,528E-09 (Źródło: opr. wł.) Z uwagi na specyficzną geometrię sekcji grzejnych w łopatach śmigłowca W 3 Sokół metoda pomiarowa precyzyjnie umożliwiłaby lokalizacje rozwarstwień z uwagi na stosunkowo niewielkie powierzchnie obejmowane przez poszczególne sekcje grzewcze rys. 4. W przypadku gdy producent lub ITWL określił poziom dopuszczalnego rozwarstwienia w czasie eksploatacji, to metoda ta mogłaby być użyteczna do szybkiej oceny przydatności danej łopaty do dalszej eksploatacji. Pojemność mierzona pomiędzy stykiem 7 5 jest znacznie niższa od pojemności mierzonej między zwartymi zaciskami 7 5, a zaciskiem 1 (metalowa siatka ekran). Tak znaczne różnice pojawiają się, ponieważ występują wprost proporcjonalne relacje pomiędzy polami powierzchni tych sekcji grzewczych taśmy sekcji grzejnych są ułożone obok siebie, tak więc pojemność między nimi jest niewielka [6]; taśmy ułożone są płasko na siatce. 16

17 Rys. 6. Wykres pojemności elektrycznej dla poszczególnych łopat W - 3. (Źródło: opr. wł.) 17

18 Fig. 6. Electrical capacity chart for each blade of W-3 Falcon helicopter. 5. TYPOWE CECHY STRUKTURY KOMPOZYTOWEJ MAJĄCE ZNACZENIE W EKSPLOATACJI ŁOPAT NOŚNYCH W zależności od właściwości włókien i żywicy, kompozyt uzyskuje różne właściwości mechaniczne i termodynamiczne. Właściwości kompozytu nie są średnią arytmetyczną ani sumą właściwości jego składników [12, 23]. Przy bardzo dynamicznej eksploatacji kompozytów skomplikowany kształt przyczynia się również do deformacji włókien (załamania włókien, zmarszczenia) i zmiany kierunku ich ułożenia. Rozwarstwienia pomiędzy włóknami a spoiwem często powstaje na skutek zmęczenia materiału. Objawia się to jako nieznaczna utrata sztywności, jednak propagują bardzo szybko i prowadzą do pęknięć lub rozwarstwień między-warstwowych. Uszkodzenie tego typu jest bardzo trudne do wykrycia dotychczas stosowanymi klasycznymi metodami [17, 24-25]. Rozwarstwienie między 18

19 warstwowe, jest typowym uszkodzeniem zmęczeniowym kompozytu, powstaje również w wyniku uderzeń. Może być to wykryte i zlokalizowane przy pomocy klasycznych metod, jednakże w celu takich diagnoz aktualnie jest konieczność demontażu łopat i sprawdzanie ich w warunkach laboratoryjnych [17]. Kolejnym rozwojem takich diagnoz powinna być możliwość bieżącej diagnozy struktury kompozyty w trakcie ekploatacji, czyli np. podczas lotu proponowana przez autorów metoda pomiaru pojemności może to zapewnić. Szybkość procesu starzenia się kompozytów jest zależny od wielu czynników [1, 23, 25] jednym z istotnych czynników sprzyjających przyśpieszaniu tego procesu jest promieniowanie ultrafioletowe (UV). Od niedawna na rynku dostępne są żywice epoksydowe odporne na działanie promieniowania UV, jednak większość konstrukcji lotniczych wykonana jest z żywic wrażliwych na promieniowanie UV, ochronę stanowi powłoka lakiernicza. W przypadku otarć lakieru podczas eksploatacji może dojść do destruktywnego wpływu promieniowania UV na kompozyt. Objawem starzenia się kompozytu jest zwykle zmiana jej zabarwienia i wzrost sztywności i kruchości. Dodatkowo duża wilgotność oraz szybkie zmiany temperatury (od -70 o C do 35 o C) oraz duża prędkość omywającego płynu, powodują erozję, czyli wypłukiwanie kompozytu. Nadmierne ogrzanie kompozytu może doprowadzić do przekroczenia punktu temperatury granicznej (T g ). Badania prowadzone przez naukowców [12], opierające się na doświadczeniach zebranych podczas produkcji, doprowadziły do kryteriów, które są zawarte w poniższej tablicy. 19

20 Rodzaj uszkodzenia Lp. 1 Rozwarstwienie 2 Odklejenie 3 Wtrącenia ciał obcych 4 Porowatość Kryteria akceptacji Obszar mniejszy od 80 mm 2 i nie znajdujący się w pobliżu podobnego wskazania Dopuszczalne w miejscach gdzie poszycie jest dodatkowo przykręcone do struktury wewnętrznej( nie większe niż obszar 12 cm 2 ), w innych miejscach niedopuszczalne Obszary mniejsze od 60 mm 2 i sumarycznie nie zajmujące powierzchni większej niż 5 % powierzchni Obszar porowatości nie może być większy niż 10 % powierzchni poszycia Typowe wady strukturalne kompozytów przedstawiono na poniższych rysunkach. Wszystkie one mogą być wykrywane i częściowo lokalizowane poprzez wykorzystanie proponowanej metody technicznego pomiaru pojemności. Pęcherz - niedoklejenie Porowatość Wtrącenie ciała obcego 6. PODSUMOWANIE Rozwój konstrukcji i materiałów konstrukcyjnych wymaga nowych metod eksploatacyjnych i diagnostycznych. Metoda badania wielkości rozwarstwienia łopat szczególnie w przypadku łopat kompozytowych, które są coraz częściej wykorzystywane, może oddać nieocenione usługi w dziedzinie bezpieczeństwa wykonywania lotów. Proponowana metoda pomiaru reaktancji 20

21 pojemnościowej metodą techniczną umożliwia badanie stanu łopat bez ich demontażu. W niedalekiej przyszłości możliwa będzie również diagnostyka łopat w trakcie lotu. Miejsca rozwarstwień pomiędzy dźwigarem a elementem grzejnym łopaty stanowi otoczkę powietrznoizolacyjną wokół taśmy grzewczej, powodując lokalne zmniejszenie intensywności odprowadzenia ciepła z taśmy grzejnej do dźwigara. Skutkuje to lokalnym zwiększeniem temperatury elementu grzejnego podczas zasilania prądem elektrycznym oraz znacznym opóźnieniem procesu chłodzenia po rozłączeniu obwodu prądowego [6]. Miejsca te stwierdzone podczas badań są potencjalnym rejonem przepaleń powierzchni oraz zarodkiem progresywnego procesu rozwarstwiania się wewnętrznych warstw łopaty. Zjawisko lokalnego przegrzewania się rejonu łopaty wokół grzejnika jest szczególnie niebezpieczne dla struktur kompozytowych. Przegrzane struktury bowiem po wystygnięciu odznaczają się mniejszą elastycznością, a więc większą podatnością na mikropęknięcia. Tym bardziej dla łopat kompozytowych należałoby zastosować proponowaną metodę diagnozowania rozwarstwień poprzez pomiar pojemności pomiędzy taśmą grzejną a masą łopaty. Powyższe rozwiązania podwyższają znacząco poziom bezpieczeństwa eksploatacji statków powietrznych w których zastosowano przede wszystkim łopaty kompozytowe. Ponadto takie rozwiązania mogą również znacznie podwyższyć sprawność bojową statków powietrznych wykorzystywanych w armii do celów bojowych, gdzie przeważnie wykorzystuje się łopaty o konstrukcji metalowej z uwagi na ich większą odporność na przestrzelenia. W realnych warunkach bojowych jak w przypadku Amerykańskich UH-60 operujących w Afganistanie nastąpiła potrzeba wymiany łopat na metalowe, co skutkowało opóźnieniami operacyjnymi. Bibliografia 1. Bansemir H., Emmeling S.: Fatigue Substantion And Damage Tolerance Evaluation Of Fiber Composite Helicopter Componets, Eurocopter Deutschland GmbH 81663, ECD PUB, Munchen, Germany, 2000; 2. Barszewski W.: Śmigłowiec w locie, Wyd MON, Warszawa Będkowski L., Kruś J.: Elektryczność w samolocie, wyd. MON, Warszawa 1965r. 4. Dragan K., Kłysz S., Lisiecki J.: Wykrywanie uszkodzeń od uderzeń o niewielkich energiach w materiałach kompozytowych i z wypełniaczem ulowym, Warszawa sierpnia 2007 r., [w] Kubik J., Kurnik W., Nowacki W. K.: Materiały Konferencyjne I kongres Mechaniki Polskiej. Warszawa sierpnia 2007 r. 5. Gębura A., Janusiak K., Poradowski M.: Oblodzenie statku powietrznego przyczyny, skutki, przeciwdziałanie, Journal of KONBiN No 4(32)2014 Wyd. ITWL, ISSN , Warszawa Gębura A., Poradowski M.: Pomiary termowizyjnych i pomiary pojemności miarą rozwarstwienia łopat nośnych śmigłowca, Journal of KONBiN No 4(36)2015 Wyd. ITWL, ISSN , Warszawa

22 _helicopters Hurricane_Katrina_A_comparison. 10. Jacobsen J. S., Gudmestad P. T.: Long-range rescure capability for operations in the Barents Sea, 32 nd International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering OMAE2013, June 9-14, 2013, Nantes, France. 11. Janusiak K.: Latać bezpiecznie, Przegląd Sił Powietrznych Nr 2 (020), luty 2009, ISSN Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S.: Kompozyty, podstawy projektowania i wytwarzania, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa a.Kowaleczko G.: Oblodzenie statków powietrznych, Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa Kożuchowski K.: Meterologia i klimatologia, PWN, Warszawa Kulebakin W., Sindejew I., Fiedorow B.: Lotnicze elektryczne urządzenia zapłonowe, ogrzewcze I oświetleniowe, eyd. MON, Kulebakin W., Sindiejew J., Dawidow P., Tiedorow B.: Lotnicze elektryczne urządzenia zapłonowe, ogrzewcze i oświetleniowe, wyd. MON, Mackiewicz S., Góra G.: Ultradźwiękowe badania konstrukcji kompozytowych w przemyśle lotniczym, Jedenaste Seminarium Nieniszczące Badania Materiałów, Zakopane, 8-11 marca Padfield G., D.: Dynamika lotu śmigłowców. Teoria i wykorzystanie właściwości lotnych i modeli symulacyjnych (org. ang. Helicopter Flight Dynamic. The theory and Application of Flying Qualities and Simulation Modeling), WKiŁ, Warszawa a.Palocios J., Smith E.C., Rose J.L.: Investigation of an ultrasonic ice protection system for helicopter rotor blades, 64-th Annual Forum of American Helicopter Society, Montreal, Canada, April 29 May, Panas A.J., Nowakowski M., Terpiłowski W., Białecki M., Jakielaszek Z., Michalczewski M.: Analiza wyników pomiaru temperatury z badań samolotu TS-11 Iskra w locie, ML- XIV Konferencja Mechanika w Lotnictwie, Kazimierz Dolny Panas A.J., Pracht M., Swidrski W.: Possibility of defects detection by ir thermography in multi-layered polyaramide materials used for military applications, Journal of KONES 21(2): May Poradowski M.: Oblodzenie i jego wpływ na lot śmigłowca. Sposoby zabezpieczenia śmigłowca przed oblodzeniem na podstawie analizy istniejących i możliwych do zastosowania instalacji przeciwoblodzeniowych, praca inżynierska prowadzona pod kierunkiem ppłk inż. Kołodziejski A., Dęblin Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia r. w sprawie służby poszukiwania i ratownictwa lotniczego Na podstawie art. 140d ust. 2 ustawy z dnia 3 lipca 2002 r. Prawo lotnicze (Dz. U. z 2013 r. poz. 1393, z późn. zm. 2) )]. 22

23 24. Sałaciński M., Synaszko P., Zabłocka M.: Monitorowanie stanu między warstwowych sklein lotniczych struktur kompozytowych w trakcie eksploatacji i po naprawie zgodnie z filozofią damagetolerance, 40 Krajowa Konferencja Badań Nieniszczących, Warszawa Stafiej W., Rodzewicz M.: Obliczenia stosowane przy projektowaniu szybowców, Politechnika Warszawska, Stuhr M., Dethleff D., Weinrich N., Jurgens L., Ch.: Medical emergency preparadness in offshore wind farms new challenges in the german north and baltic seas (in germ.), Der Anaesthesist 65(5), April Żurek J.: Praca zbiorowa: Żywotność śmigłowców, Warszawa 2006 r., ISBN dr inż. Andrzej Gębura absolwent (1978) Wojskowej Akademii Technicznej na kierunku elektromechanika, specjalność: osprzęt lotniczy. W 1998 r. obronił rozprawę doktorską w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych. Specjalizuje się w elektrenergetyce lotniczej. Jest autorem ponad 100 publikacji w tym dwóch samodzielnych monografii. mgr inż. Michał Poradowski absolwent Wyższej Szkoły Oficerskiej Sił Powietrznych w Dęblinie na wydziale Lotnictwo i Kosmonautyka, specjalność: Pilot śmigłowca. W 2013 r. obronił pracę inżynierską dotyczącą problematyki zjawiskom powstawania oblodzenia i jego wpływu na lot śmigłowca, zaś w 2014 magisterską dotyczącą środków przeciwdziałania tym zjawiskom. Jest autorem dwóch publikacji naukowych. 23