«ПМТУКТ-2018» / под ред. И.Л. Батаронова, А.П. Жабко, В.В. Провоторова; Воронеж. гос. техн. ун-т., Моск. гос. ун-т., С.- Петербург. гос. ун-т., Военно-возд. академия (Воронеж) Воронеж. гос. ун-т., Пермск. гос. нац. исслед. ун-т, Пермск. нац. исслед. политех. ун- т. – Воронеж: Изд-во «Научная книга», 2018. – 358 с., с. 297-300
Voronezh State Technical University
PROSPECTS OF HYDROGEN ENERGY IN AVIATION
Yu.N. Shalimov; V. I. Korolkov;
A. P. Budnik; A.V. Russu
The paper discusses the main aspects of the development of hydrogen energy in relation to aviation. It is shown that the main reason hindering the development of hydrogen energy is the lack of reliable systems for the safe storage of hydrogen. Some aspects of solving this problem are discussed in the materials of this article.
Key words: hydrogen power engineering in aviation, aluminum hydrides, electrode processes, hydrogen storage.
УДК 533.695
К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ДИНАМИКИ НАГРЕВА ТОРМОЗОВ ПРИ ПРОБЕГЕ САМОЛЕТА ПОСЛЕ ПОСАДКИ
В.С. Безуглов, Р.Ж. Исламгазиев, В.Н. Макаренко Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия»
В статье рассмотрен подход к оценке темпа нарастания температуры тормоза основного колеса при рассеивании кинетической энергии на пробеге самолета после посадки.
Пробег самолета после посадки представляет собой процесс управляемого рассеяния кинетической энергии. Рассеяние энергии на пробеге летательного аппарата (ЛА), происходит вследствие действия силы аэродинамического сопротивления, силы торможения колес, силы сопротивления тормозного парашюта или реверса тяги.
Кинетическая энергия, поглощенная тормозами колес, обуславливает их нагрев. Превышение допустимой температуры
16
тормозов свыше 400-6000С приводит к резкому уменьшению коэффициента трения между фрикционными элементами и к уменьшению тормозного момента. Высокие температуры нагрева тормозов нежелательны и с точки зрения готовности самолета к повторному вылету [1].
Штатная эксплуатация ЛА, как правило, не предполагает чрезмерного перегрева тормозов. Однако ряд случаев могут создать к этому серьезные предпосылки. Это, прежде всего, отказ одного из устройств, снижающих дистанцию пробега, таких как тормозной парашют или реверс тяги. Кроме того, перелет самолета полосы точного приземления или другие случаи, когда требуется осуществить пробег с минимальной дистанцией, приводят к тому, что доля рассеянной тормозами кинетической энергии возрастает, что приводит к большему нагреву тормозов.
Для оценки степени нагрева тормозов была разработана математическая модель пробега самолета, учитывающая баланс рассеивающих кинетическую энергию сил. Моделирование пробега осуществлено с помощью приложения Matlab@Simulink. Модель позволяет оценить степень влияния каждого фактора на снижение скорости при пробеге, а также спрогнозировать пробег самолета в аварийных ситуациях или отказах используемых на пробеге систем.
С помощью разработанной модели можно определить величину поглощенной тормозом энергии, которая будет затрачена на увеличение температуры тормоза. Данная величина будет являться одним из исходных данных для оценки динамики нагрева тормоза.
С точки зрения физики протекаемых в тормозе процессов, имеет место явление нестационарной теплопроводности в изотропных средах. Данный процесс описывается следующим уравнением:
div(λgrad T )+ q |
= c |
|
ρ |
∂T |
, |
(1) |
|
∂t |
|||||
V |
|
p |
|
|
|
где λ – коэффициент теплопроводности материала тормоза, cp – удельная теплоемкость при постоянном давлении, ρ – плотность материала тормоза, qV – плотность внутренних источников тепла [2].
17
Для решения уравнения (1) и оценки темпа нарастания температуры тормоза приняты следующие допущения.
Во-первых, реальный тормоз схематизирован в удобный для анализа вид, предусматривающий одномерное температурное поле, замену имеющихся фрикционных пар подвижных и неподвижных дисков тормоза одной с толщинами δ , мгновенный подвод теплоты по контакту фрикционной пары. Материал подвижных и неподвижных дисков принимается одинаковым, с усредненными относительно реальных физическими свойствами. Расчетная схема представлена на рисунке 1.
Во вторых, не учитывался сток теплоты, связанный с протеканием конвективных процессов, а также контактное тепловое сопротивление из-за неровностей соприкасающихся поверхностей.
С учетом принятых допущений, уравнение (1) преобразуется к виду:
∂T |
=α |
∂2T |
+ |
Q |
+T , |
(2) |
|
∂t |
∂x2 |
cp m |
|||||
|
|
0 |
|
где α – коэффициент температуропроводности материала тормоза, m – масса тормоза, T0 – начальная температура тормоза, Q – кинетическая энергия, поглощаемая тормозом.
Рисунок 1 - Расчетная схема
18
Решение уравнения (2), с учетом начальных и краевых условий, представляет собой следующую функцию:
|
2Q |
e− |
π2αt |
∞ sin(kπ x) |
|
Q |
|
||||||
T = − |
|
δ2 |
∑ |
|
|
δ |
|
+T0 + |
|
||||
cp mδ |
|
|
k |
|
|
cp m |
|||||||
|
|
|
|
k =1 |
|
|
|
||||||
Подставляя в полученное |
решение |
значение |
x =δ , а также |
||||||||||
|
|
∞ |
|
sin(kπ x) |
= δ |
|
|
|
|
|
|||
принимая во внимание, что |
∑ |
|
δ |
, можно сделать вывод о |
|||||||||
|
k |
||||||||||||
|
|
k =1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
том, что нагрев тормоза в результате рассеяния кинетической энергии ЛА при пробеге представляет собой апериодический процесс. Постоянная времени при этом определяется из соотношения:
τ = |
δ 2 |
|
(3) |
|
απ |
2 |
|||
|
|
Анализ формулы (3) показывает, что постоянная времени зависит от физических свойств материала тормоза и его геометрических характеристик.
Так, например, при штатной посадке самолета с массой 22,5 тонны, с массой тормоза 65 килограмм, изготовленного из материала с
cp =1674 |
Дж |
и |
α =1.172 |
10−5 |
м2 |
, с толщиной 0.2 метра, |
|
кг К |
с |
||||||
|
|
|
|
|
постоянная времени равна 346 секунд.
С учетом величины рассеивания энергии тормозами 41.9 МДж и начальной температуры тормоза 150С, процесс нагрева тормоза будет иметь вид, представленный на рисунке 2.
19
T ,0 C
t,c
Рисунок 2 - График зависимости температуры тормоза от времени
Таким образом, с момента торможения до достижения тормозом своей максимальной температуры проходит около 25 минут. Данный результат согласуется с нормативной технической документацией в части контроля состояния и степени нагрева колес ЛА после посадки. Для самолетов оперативно-тактической авиации контроль состояния термосвидетелей на внутренней реборде основного колеса следует производить не ранее, чем через 20 минут после заруливания и выключения двигателей.
Литература
1.Зайцев В.Н., Рудаков В.Л. Конструкция и прочность самолетов.
–Киев: изд. "Вища школа", 1978. – 488 с.
2.Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие -М.:Энергоатомиздат,1990.–367с.
Air Force Academy, Voronezh
TO THE QUESTION ON THE DETERMINATION OF THE DYNAMICS OF HEATING BRAKES DURING THE LANDING
V.S. Bezuglov, R.Zh. Islamgaziyev, V.N. Makarenko
The article describes an approach to assessing the rate of rise of the temperature of the main wheel brake when dissipating kinetic energy on the landing distance.
Key words: landing, temperature of the brakes, dissipating kinetic energy.
20