ИСПЫТАНИЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
В статье подробно рассмотрены наиболее важные с точки зрения обеспечения безопасности полетов и оценки эффективности применения летательных аппаратов по их прямому назначению виды испытаний авиационной техники.
С целью оценки соответствия разработанной авиационной техники (АТ) требованиям, заданным заказчиком, в качестве которого выступают ее потенциальные потребители (авиакомпании, эксплуатирующие организации силовых и иных ведомств) проводятся различные ее испытания. Испытания подразделяются на заводские (лабораторные, стендовые и летные) и государственные (стендовые и летные). Заводские испытания нацелены на отработку АТ и ее доводку до уровня, заданного в технических требованиях заказчиком, а государственные - на подтверждение соответствия полученных характеристик АТ заданным. При этом для сокращения сроков принятия АТ на эксплуатацию (на вооружение) в последнем случае могут проводиться межведомственные сертификационные и совместные с промышленностью государственные испытания.
Все виды испытаний АТ проводятся по единым методикам, изложенным в Руководстве по испытанию авиационной техники (РИАТ). Причем на каждый тип летательного аппарата (ЛА) и его комплектующие изделия, имеющие самостоятельное функциональное назначение (авиационные двигатели, системы автоматического управления, радиолокационные станции, прицельные и навигационные системы и т.д.), издается свой выпуск РИАТ. По мере развития АТ этот выпуск периодически корректируется и является нормативным документом, обязательным для исполнения, определяющим не только цели и задачи испытаний, но и регламентирующим методику их проведения и потребные для проведения испытаний ресурсы.
В первую очередь при летных испытаниях исследуются устойчивость и управляемость ЛА, определяются его высотно-скоростные и маневренные характеристики, оцениваются дальность, продолжительность полета, прочность и ресурс авиационных конструкций. Затем оценивается возможность эксплуатации ЛА при полетах с различных типов аэродромов, уровень шума и вибраций при взлете и посадке, комфортность для пассажиров и экипажа и т.д.
Как правило, оценка летно-технических характеристик ЛА осуществляется не только по результатам летных испытаний, но и по результатам математического моделирования различных этапов и режимов полета, когда речь идет о предельных возможностях ЛА, проверка которых в процессе летных испытаний может быть связана с неоправданным риском потери ЛА и экипажа.
Несмотря на большой объем летных испытаний, связанных с оценкой летно-технических характеристик ЛА, их доля в общем объеме испытаний всего авиационного комплекса составляет не более 20%. Остальные испытания связаны с оценкой пригодности ЛА к использованию их по своему прямому назначению (гражданского или военного применения). Так, применительно к пассажирским ЛА много времени отводится на стендовые испытания авиационных двигателей (АД), на медико-биологическую и эргономическую оценки средств жизнеобеспечения, кондиционирования воздуха, защиты и спасения экипажа и пассажиров в аварийных условиях, на стендовые и летные испытания бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО), радиолокационных станций (РЛС), систем автоматического управления (САУ), навигационных систем и средств связи.
При испытании самолетов военно-транспортной авиации (ВТА), кроме перечисленных видов испытаний пассажирских ЛА, много времени отводится на испытания, связанные с оценкой возможности воздушной перевозки различной крупногабаритной техники и оценкой безопасности парашютного десантирования личного состава, предметов его тылового обеспечения и вооружения.
Применительно к ЛА военного назначения (истребителей, бомбардировщиков, штурмовиков) много времени отводится на испытание прицельных систем, различных видов бортового вооружения (стрелково-пушечного, ракетного, бомбардировочного, специального) и оценку его боевой эффективности, на оценку эффективности средств помехозащиты и постановки помех, защиты экипажа и его спасения.
Существует множество специальных испытаний, связанных со спецификой применения ЛА. Например, ЛА противолодочной авиации военно-морского флота подвергаются летно-морским испытаниям, которые приобретают особую сложность в условиях корабельного базирования ЛА. Истребители противовоздушной обороны испытываются на скороподъемность и оценку их боевых возможностей по борьбе с маловысотными и высокоманевренными сверхвысотными целями вероятного противника. Противопожарные ЛА подвергаются испытаниям, в процессе которых осуществляется оценка их противопожарной эффективности на различных объектах пожара (лес, газо и нефтехранилища, крупные химические производства и др.). В процессе испытаний воздухоплавательной техники осуществляется оценка эффективности ее боевого применения, оценка ограничений на запуск автоматических аэростатов по метеорологическим условиям, определение условий устойчивого их старта, оценка эффективности и безопасности эксплуатации наземной техники, обеспечивающей наполнение оболочек аэростатов и дирижаблей водородом и гелием.
При испытаниях парашютных систем, как специфических ЛА, оценивается безопасность десантируемых людей и грузов, а также тех ЛА, с которых осуществляется десантирование. Таким испытаниям предшествует огромный объем различного вида экспериментальных работ.
Экспериментальные методы исследования аэрогидродинамики парашютов являются основными при оценке структуры обтекающего их потока и определении его количественных характеристик. Без проведения физических экспериментов невозможно получить контрольные значения параметров, необходимых для уточнения степени адекватности результатов численного эксперимента реальному физическому процессу.
Существует большое количество различных методов экспериментальных исследований парашютных систем. Наибольшее распространение получили на практике методы продувки мягких и жестких парашютов в аэродинамических трубах, методы экспериментальных исследований моделей парашютов в гидролотках и в наполненных водой больших корабельных баках или гидротрубах с применением разнообразной регистрационной техники, методы испытания парашютных систем на аэробаллистических и буксировочных стендах, на ракетных дорожках. На последней стадии отработки парашютных систем проводятся их летные испытания в натурных условиях полета вначале с манекенами и макетами парашютируемых объектов, а затем с парашютистами-испытателями и реальными грузами.
При любых летных испытаниях всех видов АТ основное внимание уделяется первичному получению информации от объекта испытаний и ее последующей обработке с целью объективной его оценки. Штатные бортовые средства объективной регистрации параметров полета, как правило, используются параллельно со специальной измерительной системой, устанавливаемой на ЛА только на период проведения летных испытаний. Для оценки поведения в процессе летных испытаний бортового оборудования ЛА нередко используется телеметрическая аппаратура. Для оценки летно-технических характеристик ЛА основополагающими являются внешнетраекторные измерения. Такие измерения осуществляются на основе радиодальномерного метода, реализуемого с помощью комплекса РЛС и средств обработки получаемой от них информации в реальном масштабе времени. По возможности при внешнетраекторных измерениях используется и информация, получаемая от приемников спутниковой навигации.
При испытании всех видов АТ она подвергается эксплуатационной оценке, в процессе которой устанавливаются объективные характеристики ее надежности, ремонтопригодности и технологичности. Однако эти характеристики на начальном этапе испытаний определяются как сугубо предварительные. Затем они обязательно уточняются в условиях опытной эксплуатации (для пассажирских и грузопассажирских ЛА гражданской авиации) и в ходе войсковых испытаний (для ЛА военного назначения). При массовой эксплуатации эти характеристики нередко претерпевают существенные изменения, и, как правило, в худшую сторону. Последнее связано, в основном, с тем, что эксплуатационная оценка АТ проводится на одиночных ее образцах и при этом весьма трудно объективно учесть особенности технического обслуживания ЛА при их групповых полетах или обслуживания АТ на промежуточных и запасных аэродромах. На результаты эксплуатационной оценки АТ оказывает влияние и то обстоятельство, что по мере усложнения АТ расширяется и номенклатура наземного оборудования, необходимого для ее технического обслуживания и подготовки к полетам. Причем это оборудование также усложняется и требует для своего использования по назначению соответствующей подготовки инженерно-технического персонала. В частности, в авиакомпаниях и войсковых частях всех видов и родов авиации военного назначения по мере появления новых ЛА существенно возрастает типаж и сложность наземных средств кондиционирования воздуха и средств электроснабжения. Поэтому при эксплуатационной оценке АТ приходится учитывать не только ее надежность, ремонтопригодность и технологичность, но и соответствующие характеристики наземного оборудования, используемого при техническом обслуживании АТ.
Остановимся более подробно на некоторых, упомянутых выше, видах испытаний наиболее важных с точки зрения обеспечения безопасности полетов и оценки эффективности применения ЛА по их прямому назначению.
К такому виду испытаний можно отнести, например, летные испытания, направленные на оценку характеристик устойчивости и управляемости ЛА во всем диапазоне допустимых условий эксплуатации (по скорости, по углам атаки, по перегрузкам и т.п.).
В период, предшествующий проведению таких испытаний, осуществляется математическое моделирование основных наиболее опасных режимов и этапов полета и по его результатам проводится корректировка существующей методики испытаний или разрабатывается новая методика. На этом же этапе уточняются нормативные требования к устойчивости и управляемости поступившего на испытания ЛА.
На этапе летных испытаний выявляются особенности поведения ЛА на всех режимах полета, а затем по результатам испытаний разрабатываются рекомендации по технике его пилотирования, выявляется физическая сущность новых явлений в аэродинамических характеристиках ЛА, и формулируются предложения по их улучшению.
Например, при летных испытаниях реактивных самолетов Як-15, МиГ-15, Ла-15, МиГ-19, Як-23, Ту-14 и Ил-28 по оценке их устойчивости и управляемости были выявлены такие явления как уменьшение эффективности рулей и увеличение усилий в управлении с ростом числа М и индикаторной скорости полета, снижение эффективности элеронов, обратная реакция на отклонение руля направления, резкое уменьшение с числом М запаса устойчивости по перегрузке, различные виды колебаний ЛА и др.
В дальнейшем при испытаниях сверхзвуковых ЛА были выявлены особенности возмущающего движения ЛА, при этом определены опасные зоны, в пределах которых происходит потеря его устойчивости. По результатам испытаний были разработаны требования по обеспечению безопасности полета ЛА на режимах с большими углами атаки, которые были введены в ОТТ ВВС и в Нормы летной годности пассажирских самолетов. Были также разработаны методические указания по проверке поведения самолетов на больших углах атаки.
Выполнение отработанных рекомендаций позволило исключить опасные ситуации при реализации указанных режимов полета на всех типах неманевренных самолетов, в том числе и на всех новых пассажирских широкофюзеляжных лайнерах.
По результатам испытаний высокоманевренных самолетов-истребителей при полетах в спутном следе была создана математическая модель вихревых потоков в спутном следе и разработаны рекомендации по пилотированию таких самолетов в этих условиях.
Весьма важными с точки зрения обеспечения безопасности полетов и оценки эффективности применения ЛА по их прямому назначению являются летные испытания ЛА по определению таких летных характеристик как максимальная скорость, скороподъемность, режимы разгона и маневренность. По результатам этих испытаний были разработаны основы теории подобия режимов турбореактивных двигателей (ТРД) для анализа условий полета реактивного самолета. Решена также задача приведения летно-технических характеристик к условиям стандартной атмосферы и разработаны методы определения поправок к измеренным значениям скорости и высоты полета (волновые поправки, поправки на сжимаемость набегающего потока воздуха и на искажение статического давления при околозвуковой скорости). Благодаря введению данных поправок удалось обеспечить безопасность полетов на эшелонах по высоте в соответствии с международными требованиями для грузопассажирских полетов гражданской авиации и перелетов авиации военного назначения на международных трассах в мирное время.
На основе теории подобия режимов ТРД была разработана теория определения дальности и продолжительности полетов реактивных ЛА. С учетом полученных результатов летных испытаний были введены обобщенные зависимости расхода топлива и потребной частоты вращения ротора ТРД, а также отработаны методы приведения результатов измерений данных параметров к стандартным условиям атмосферы.
По результатам летных испытаний вертолетов была разработана методика определения дальности и продолжительности полета винтокрылых ЛА.
Испытаниям по оценке маневренности современных ЛА всегда предшествует сложная работа по математическому моделированию их полета на предельных режимах и определению условий потери устойчивости, которые могут привести к штопору, появлению сильных вибраций и разрушению ЛА, либо повреждению отдельных его конструктивных элементов. С учетом результатов моделирования летные испытания при допустимом для экипажа уровне риска позволяют определить допустимую верхнюю границу нормальной перегрузки в зависимости от высоты и скорости полета, запас коэффициента подъемной силы Су при выполнении маневров и характеристики торможений с использованием воздушных тормозов. При оценке маневренности ЛА в процессе испытаний учитываются значительные продольные ускорения, качественные изменения свойств ЛА на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета.
По результатам летных испытаний были отработаны рекомендации, в соответствии с которыми на высокоманевренных ЛА стали применяться приборы, сигнализирующие об опасных режимах полета, и автоматические устройства, которые помогают летчику пилотировать ЛА на предельных режимах полета.
По мере увеличения скоростей, высот полета и перегрузок возросла роль летных испытаний по оценке характеристик прочности и ресурса авиационных конструкций. Успешным результатам испытаний способствовало появление малогабаритной тензометрической аппаратуры. Применительно к летным испытаниям ЛА на прочность была разработана методика оценки нагрузок, действующих на конструкцию ЛА с применением электротензометрии при выборе рациональной схемы размещения тензометрических датчиков на силовых элементах конструкции.
Для оценки прочности и ресурса ЛА при летных испытаниях в последние годы была создана методика, основанная на использовании математических моделей аэроупругих конструкций. Результаты моделирования совместно с результатами летных испытаний позволили существенно повысить достоверность оценки прочности и ресурса самолетов типа Ту-16, Ту-22, Ил-76, АН-124 и др.
Новым и весьма эффективным направлением в развитии методов летных испытаний вертолетов было создание методики определения их летных характеристик на основе использования нестационарных численных моделей. Эта методика позволяет более полно исследовать летные характеристики вертолетов при существенном сокращении количества испытательных полетов, оценить поведение вертолетов при отказах отдельных элементов их функциональных систем и дать рекомендации по безопасному завершению полета в случае появления таких отказов в процессе летных испытаний.
Основной объем испытаний авиационных двигателей падает на их заводскую доводку в условиях экспериментальных лабораторий и испытательных стендов, а затем и совместных с заказчиком государственных стендовых испытаний. При этом большое внимание уделяется экспериментальным исследованиям, связанным с оценкой горючесмазочных материалов.
При испытании авиационных двигателей первостепенное внимание уделяется отработке важнейших положений методологии испытаний, базирующейся на основополагающем принципе, заключающемся в том, что процесс испытаний авиадвигателя является натурной (физической) моделью процесса его будущей эксплуатации. В связи с этим испытательные стенды не только оснащаются сложной измерительной аппаратурой, но и средствами создания высотно-скоростных условий, имитирующих повышение значения давления и температуры воздуха на входе, характерные для сверхзвукового полета или возмущений воздушного потока, возникающих при пуске авиационных управляемых ракет (АУР). Такие стенды обеспечивают существенное расширение объема специальных стендовых и летных испытаний, проводимых ОКБ при доводке двигателя до предъявления его на официальные государственные стендовые испытания.
Статистика говорит о том, что на начальном этапе освоения газотурбинных двигателей (ГТД) количество специальных испытаний ограничивалось 5...6. В последующие годы (двигатели самолетов с большой сверхзвуковой скоростью) оно возросло до 60 и более. По мере возрастания напряженности термодинамического цикла работы двигателя, связанного с повышением температуры газа перед турбиной и увеличением степени повышения давления воздуха в компрессоре, существенно возрастали нагрузки на важнейшие детали компрессора, турбины, основной и форсажной камер сгорания. В этих условиях на первый план были выдвинуты проблемы оценки надежности работы наиболее нагруженных элементов, таких как лопатки компрессоров (особенно со сверхзвуковыми скоростями обтекания) и турбин, жаровых труб камер сгорания, трущихся пар турбокомпрессора и др. Не менее важными и трудными с точки зрения их практического решения при испытаниях ГТД явились проблемы оценки их противопомпажных свойств и характеристик, т.е. оценки степени защищенности газовоздушного тракта от возможности возникновения в нем пульсаций, неравномерностей полей давления и температуры под воздействием некоторых неблагоприятных факторов. К таким факторам, например, относятся срывы входного потока воздуха при резком маневрировании ЛА, возмущения входного потока под воздействием стрельбы из бортовых пушек и пуска АУР. При воздействии этих факторов создаются неблагоприятные условия для работы силовых установок: наблюдается повышенная неравномерность поля температуры воздуха на входе, повышение пульсаций потока, разбалансирование качественного состава смеси газов в камере сгорания. Сказанное, как правило, ведет к появлению помпажа и, в конечном счете, к самовыключению (заглоханию) двигателя.
Результаты испытаний многих ГТД по оценке их возможного самовыключения под воздействием упомянутых выше факторов привели к обоснованию принципа совместимости испытаний, заключающегося в необходимости последовательного и комплексного проведения совместных испытаний по ЛА, вооружению и двигателю.
В современных условиях особую значимость приобретают испытания двигателей на установление их ресурса. Первоначальный ресурс определяется по результатам длительного испытания в ходе государственных стендовых испытаний по программе, режимная наработка в которой устанавливается специальными исследованиями характера летной эксплуатации ЛА и его предназначения. Для уточнения величины первоначального ресурса и возможности его увеличения при ремонте используются результаты специального испытания по проверке работоспособности основных деталей двигателя на два ресурса.
Особая значимость величины ресурса определяется экономическими интересами и возможностью при обучении летного состава обоснованно сокращать использование наиболее напряженных максимального и форсажного режимов, которые решающим образом влияют на сокращение ресурса конкретного экземпляра двигателя.
В процессе испытаний авиационных двигателей параллельно проводятся испытания по оценке высотности топливных систем ЛА, по поиску путей обеспечения чистоты топлив в процессе транспортировки, хранения и заправки; предотвращения забивки топливных фильтров кристаллами льда и снижения коррозионной активности топлив.
Специфика испытаний авиационного вооружения (АВ) состоит в том, что их основу составляют испытания, связанные с оценкой боевой эффективности АВ в условиях максимально приближенных к боевым, а по возможности и непосредственно в боевых условиях, как это было, например, во второй половине ХХ-го века в Корее, Вьетнаме, Сирии, Афганистане. Сложность испытаний всех видов АВ состоит не только в этом, но и в том, что каждый из них требует разработки своей методики испытаний в условиях непрерывного расширения номенклатуры АВ и усложнения входящих в нее конкретных образцов.
Если, например, на самолетах фронтовой авиации и боевых вертолетах второго поколения использовались лишь стрелково-пушечное, бомбардировочное и неуправляемое ракетное вооружение с блоками типа УБ-16, УБ-32 и простейшими авиационными оптическими прицелами типа АСП-3 , АСП-5, а в бомбардировочной авиации прицелы типа ОПБ-6, ОПБ-6ср, то на самолетах и вертолетах третьего поколения появилось управляемое ракетное вооружение типа “Фаланга”, “Штурм”, Х-23 с кнюппельной системой управления типа “Дельта” и целая серия АУР класса “воздух-воздух” с соответствующими системами подвески, пуска и наведения на цель.
В бомбардировочной авиации стали использоваться многозамковые балочные держатели, управляемые и корректируемые авиабомбы крупных калибров, в том числе и с ядерным зарядом, кассетные авиабомбы и несколько типов АУР класса “воздух-поверхность” с соответствующими всепогодными системами прицеливания и наведения. В конце прошлого века появились различного типа электроннооптические визиры, радиолокационные, тепловизионные прицелы, в том числе и многоканальные, работающие в различных диапазонах длин волн. Значительно расширился ассортимент АУР, появилось лазерное и другие виды специального вооружения.
Все сказанное привело к тому, что к концу ХХ-го столетия испытания АВ без соответствующего научного сопровождения стали практически невозможными. В начале ХХI-го века значительная доля испытаний АВ стала проводиться на моделирующих стендах и летные испытания во все большем объеме стали дополняться математическим моделированием процессов боевого применения.
Это же характерно и для испытаний БРЭО, РЛС, САУ, тренажеров, навигационных и аэрофотосистем, средств помехозащиты и постановки помех. Все эти системы, как и системы, относящиеся к авиационному вооружению, отличаются исключительной сложностью и учитывая большую их номенклатуру требуют колоссального количества летных испытаний. Поэтому в последнее время для сокращения объема летных испытаний создаются математические модели таких систем, которые аттестуются в летных испытаниях по нескольким точкам, а далее при подтверждении их адекватности реальным объектам летные испытания заменяются модельными испытаниями.
Обособленную группу авиационных бортовых систем (с точки зрения проведения их испытаний) составляют средства обеспечения жизнедеятельности и спасения (СОЖ и С) экипажей ЛА. Основной объем испытаний СОЖ реализуется на наземных термобарокамерных комплексах, а средств спасения экипажей на вертикальных катапультах и ракетных дорожках при максимально возможном использовании манекенов.
По результатам каждого вида испытаний отрабатываются акты с указанием перечня выявленных в процессе испытаний недостатков АТ. В соответствии с этими актами промышленностью (разработчиками ЛА и его комплектующих изделий) отмеченные в актах недостатки устраняются, и после соответствующей доработки АТ она представляется на повторные (контрольные) испытания. В случае успешных результатов испытаний готовится проект постановления Правительства РФ о принятии прошедшего государственные испытания ЛА на эксплуатацию (на вооружение).
