Молниестойкость ПКМ, используемых в самолетостроении

Под молниестойкостью конструкций в данной работе понимается их способность выдерживать воздействия электрических разрядов, имитирующих импульс тока молнии, без разрушений, деформаций, функциональных отказов и других последствий, приводящих к аварийным ситуациям.

Под поражаемостью молнией элемента (части) самолета понимается вероятность удара молнии в поверхность этого элемента. В случае частых поражений молнией и необходимости зашиты рассматриваемого элемента ЛА целесообразна разработка для него молниезащитного устройства или системы молниезащиты.

Поскольку до настоящего времени основным материалом для изготовления планера самолета являлись алюминиевые и титановые сплавы, являющиеся прекрасными проводниками, вопрос стойкости к воздействию разряда молнии конструкции решался, в основном, расчетом толщины обшивки изделия и коэффициентом запаса прочности. При поражении молнией повреждения металлических конструкций носят, как правило, локальный характер и имеют вид кратеров или сквозных отверстий, образующихся в результате плавления или сублимации алюминиевых сплавов в результате воздействия высоких температур [11,17]. Расчетные оценки показывают, что за сотые доли секунды металл может нагреваться до нескольких сотен градусов.

Ввиду сложности проведения летных испытаний проводятся наземные эксперименты в специально оборудованных лабораториях. Несмотря на условность этих испытаний, они являются основным способом исследований стойкости различных элементов самолета к воздействию электрического разряда молнии. Оценку молниестойкости элементов конструкций проводят на основании проведенных лабораторных испытаний электрическими разрядами, имитирующими импульс тока молнии. Так, например, дюралевая обшивка толщиной 1-2 мм при прямом попадании молнии с параметрами тока I=200 кА, Q = 200 Кл получает повреждения в виде сквозного отверстия (пробоя) диаметром 3-6 мм, а при воздействии молнии с параметрами токов I=200 кА, Q=20 Кл происходит частичный унос по толщине образца на глубину 0,4 мм [18].

Сам состав ПКМ, где в качестве наполнителей используются углеродные, стеклянные или арамидные волокна и в качестве связующего – полимеры, лишили эти перспективные и активно внедряемые материалы металлической проводимости. В отличие от металлов незащищенные конструкции из ПКМ при воздействии разрядов молнии получают повреждения в виде сквозного пробоя, расщепления и растрескивания на десятки сантиметров от эпицентра поражения, эрозии связующего и расслоения материала и, как следствие, отрыв отдельных слоев в потоке воздуха при полете. Такой характер разрушения объясняется термической природой процесса, обусловливающей взрыв материала продуктами деструкции связующего [19]. Так, расчетные оценки показывают, что за доли секунды пластик должен нагреваться до нескольких сотен градусов, и избыточное давление в нем может увеличиваться на несколько порядков. Повреждения, получаемые ПКМ при воздействии молниевого разряда, недопустимы по ресурсным и эксплуатационным требованиям Авиационных Правил.

При суммарном воздействии трех составляющих молниевого разряда (двух электротермических и электродинамической) разрушения ПКМ носят характер сквозных пробоев при полном послойном расслоении и разрушении образцов на несколько фрагментов в случае применения стекло- и органопластиков [18].

Особое место среди ПКМ занимают углепластики, которые являются полупроводниками за счет применения проводящих углеродных армирующих наполнителей, и занимают промежуточное положение между ПКМ типа стекло-и органопластиков и металлами. Электропроводность углепластиков на 3-4 порядка ниже электропроводности алюминиевых сплавов, и на 5-8 порядков выше электропроводности стекло- и органопластиков [17].

Исследования показали, что уже импульсная стадия разряда молнии не только представляет собой сильной электромагнитное возмущение, вызывающее помехи в работе навигационных приборов, но и существенно разрушает ПКМ небольшой толщины. Длительная стадия протекания сопровождающего тока, обладающая сильным термическим действием на материал, разрушает его более интенсивно.

При воздействии молнии на обшивку из углепластика ток растекается от места воздействия как вдоль волокон, так и поперек слоев, кроме того распределение тока по слоям и радиусу резко неоднородно [20].

Разрушение углепластика после воздействия токов молнии с параметрами I=200 кА, Q=20 Кл составляет порядка (80х85) мм в диаметре и сопровождается расщеплением и уносом верхних слоев конструкции, что при последующем воздействии набегающих турбулентных потоков воздуха может привести к катастрофическим последствиям [19].

Рабочей гипотезой о причинах разрушения углепластика является предположение о том, что при протекании сильных импульсных токов происходит быстрый нагрев углепластика и интенсивное газообразование за счет деструкции связующего. При быстром образовании газа он не успевает диффундировать сквозь слои и выйти из материала за время действия тока, создавая высокое внутреннее давление. Это давление и является причиной расслоения, а при больших токах это давление ведет к разрыву волокон. Потеря массы материала при протекании через него импульсов тока, соизмеримых с разрушающими, достигает 5-10 %. Это соизмеримо с процентным содержанием связующего. Расчёты показывают, что температуры при этом достигают нескольких сотен градусов, а давление газов достигают 108 Па (103 атм.), что вполне достаточно для механического разрушения углепластика [21].

По сравнению с результатами испытаний стекло- и органопластиков, разрушенных на несколько фрагментов непосредственно при воздействии токов молнии, очевидно преимущество углепластиковых конструкций

 
Оригинал текста доступен для загрузки на странице содержания
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >