Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych

POLITECHNIKA RZESZOWSKA
im. Ignacego Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Awioniki i Sterowania
BADANIA ŚRODOWISKOWE POKŁADOWYCH PRZYRZĄDÓW
LOTNICZYCH
Bartłomiej PAŁUCHA
Seminarium Dyplomowe 2001/2002
LOTNICTWO-PILOTAŻ
Streszczenie
Referat ten ma przybliżyć czytelnikowi na czym polegają badania środowiskowe oraz warunki i metody
ich przeprowadzania. Praca ta zawiera także przegląd aktualnie stosowanych procedur dotyczących badań
środowiskowych wg normy DO-160 C. Omawia ona cel poszczególnych procedur jak i ogólną metodykę wraz z
reprezentatywnymi zakresami ich stosowania.
1. Wstęp
1.1. Cel badań
Badania środowiskowe mają na celu symulowanie w laboratorium rzeczywistych warunków pracy w
jakich przyjdzie danemu urządzeniu pracować, oraz umożliwić określenie ich wpływu na dokładność wskazań.
1.2. Zasady opracowania dokumentu WYMAGANIA TECHNICZNE zawierającego szczegółowy
program badań w zakładach PZL II
Konstruktor projektujący wyposażenie pokładowe wraz z Głównym Inspektoratem Lotnictwa Cywilnego
określa warunki jakie musi dany przyrząd spełniać. Następnie dobiera on odpowiednie normy i stopień ich
szczegółowości na zasadzie kompromisu pomiędzy tym co chce otrzymać odbiorca a tym co w stanie jest
zaoferować producent. Na podstawie zaakceptowanych obustronnie norm (jest to przeważnie norma BS 3 G100,
powiązana z przepisami BCAR lub norma D0-160C) powstaje dokument: WYMAGANIA TECHNICZNE.
Zawiera on szczegółowy program badań (rys.1) podzielony na część I wymagań szczegółowych (są tu podane
punkty wymagań wg WT opracowane na podstawie powyższych norm) z bezpośrednio przytoczonymi
zakresami, tolerancjami lub odwołaniem do konkretnej normy. Część II odnosi się do metodyki badań czyli
bezpośredniego określenia warunków zewnętrznych czy wewnętrznych w jakich dany przyrząd będzie badany
np. wielkości, czasu trwania, zmienności obciążeń, wielkości i prędkości zmian temperatury i ciśnienia, sposobie
zamocowania i usytuowania przyrządu na stanowisku badawczym, oraz określeniem chwili w której nastąpi
pomiar wskazań przyrządu.
Karta pomiarowa (rys.2) związana jest z II częścią programu badań. Zawiera nie tylko uzyskane wyniki ale
także wartości dopuszczalne które pozwalają stwierdzić czy wyrób przeszedł próbę [4].
1.3. Przykład programu prób wraz z kartą pomiarową i schematem stanowiska do badań środowiskowych
Rys.1 przedstawia program prób wariometrów membranowych opracowany w Wytwórni Sprzętu
Komunikacyjnego PZL II. Karta pomiarowa przedstawiona na rys. 2 dotyczy podpunktu 16-ego programu badań
(Sprawdzenie odporności na wibrację i cykliczną zmianę ciśnienia) powstaje ona na podstawie metodyki danej
procedury. Schemat stanowiska rys. 3 również odnosi się do podpunktu 16-ego programu badań. Przedstawia on
schemat połączeń pomiędzy poszczególnymi podzespołami mającymi w końcowym efekcie symulować dość
złożone warunki rzeczywistej eksploatacji jak również umożliwić dokonanie pomiarów i ich odczyt w sposób
przemyślany. Na ogół stanowiska są gotowymi produktami innych firm. Są to chłodziarko-podgrzewarki z
możliwością zmiany wilgotności i ciśnienia. Produkowane one są przez firmy: KARL WEISS GRUNBACH,
BRABENDER czy VOTSCH. W budowie urządzeń do badania wpływu środowiska morskiego specjalizuje się
B. Pałucha
Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych
BP - 1
firma KARL WEISS. Wstrząsarki z możliwością komputerowego projektowania przebiegu wstrząsów w całym
zakresie częstotliwości jednocześnie buduje Firma TIRA [4].
Rys.1. Przykładowy program prób badań wariometrów membranowych.
Example of examination plan
1 -manometr alkoholowy z podziałką w m/s
(wariometr wzorcowy)
2 -zbiorniczek 9.3~9.5[l]
3 -rurki włoskowate
4 -barometr
5 -termometr
6 -barokomora
7 -badany przyrząd
8 -wstrząsarka
9 -zawory
10 -zbiornik o pojemności 15~20[l]
11 -wakuometr
12 -powietrzna popmpa próżniowa
1
2
3
5
4
6
7
8
12
Rys.2. Karta pomiarowa
Examination chart
B. Pałucha
9
11
10
9
Rys.3. Schemat stanowiska do badań
środowiskowych
Shematic diagram of environmental
test device
Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych
BP - 2
2. Warunki przeprowadzania testów
Podłączenia i usytuowania przyrządów muszą być zgodne z zaleceniami producenta co do standardowego
montowania ich w miejscu pracy. Połączenia których długość nie jest sprecyzowana przez producenta powinny
mieć długość1,5 m lub tworzyć wiązkę o długości 1,2 m.
Pomiar temperatury powietrza w pomieszczeniu testowym powinien być dokonywany w miejscu, gdzie
warunki są reprezentatywne dla powietrza otaczającego przyrząd. Mierzenie temperatury przy ściance
pomieszczenia jest niedopuszczalne ze względu na wymianę ciepła pomiędzy ścianką a otoczeniem .
Jeśli nie jest to sprecyzowane przez konkretną normę wszystkie próby powinny przebiegać w
następujących warunkach:
- T=+15°~35°C ±3°C,
- Wilgotność względna nie większa niż 85%,
- Ciśnienie 840~1070 hPa (-1500 ft ~5000 ft) ±5% hPa,
Podczas większości przeprowadzanych testów temperatura badanego przyrządu powinna być
ustabilizowana.
Za stabilizację temperatury urządzenia które podczas testu nie działa w pełnym zakresie swoich
możliwości uważa się, gdy temperatura największej wewnętrznej masy przyrządu jest w granicach 3°C od
wyspecjalizowanej temperatury testu. Jeśli pomiar wewnętrznej temperatury przyrządu jest trudny lub
niemożliwy do zrealizowania to minimalny czas stabilizacji temperatury przyrządu wynosi 3h.
Za stabilizację temperatury urządzenia które podczas testu działa w pełnym zakresie swoich możliwości
uważa się, gdy temperatura największej wewnętrznej masy przyrządu nie zmienia się więcej niż 2°C/h. Jeśli
pomiar wewnętrznej temperatury przyrządu jest trudny lub niemożliwy do zrealizowania to minimalny czas
stabilizacji temperatury przyrządu wynosi 2h [3].
3. Kolejność prób
Gdy kolejność nie jest ściśle określona w dokumencie WT lub gdy nie jest możliwa w jednym teście
realizacja większej liczby niekorzystnych czynników tak, aby jak najwierniej reprezentowały one warunki
naturalne ze względu na niedostatki posiadanej aparatury badawczej, testy mogą być przeprowadzane w
dowolnej kolejności jednak pewne wytyczne powinny być zachowane.
a) Test odporności na wilgotność i wodę jeśli nie jest przeprowadzany łącznie z testem temperatury
wysokości i wibracji w barokomorze, nie powinien być przeprowadzany jako pierwszy. Powodem
jest to, że zabezpieczenia przed wilgocią i wodą tracą swe właściwości pod wpływem wibracji i
zmian temperatury [3].
b) Test rozpylonej wody, wody morskiej, pyłu i kurzu powinien być przeprowadzany po testach na
grzyby ze względu na ich zdolność do rozkładania substancji organicznych z których wykonane są
uszczelnienia [3].
c) Test odporności na eksplozję powinien być wykonywany jako ostatni [3].
d) Test kurzu i pyłu nie powinien być wykonany przed testem wilgotności czy testem środowiska
morskiego. Kurz i pył lepiej osiada na zawilgoconych powierzchniach, w ten sposób dobrana
kolejność testów stwarza trudniejsze warunki którym dane urządzenie ma sprostać [3].
4. Procedury dotyczące
badań środowiskowych według normy: DO 160 C
Norma DO-160 C zawiera standardowe procedury oraz kryteria ich doboru. Procedury te dokładnie
opisują metodykę przeprowadzania testów środowiskowych do sprawdzania wyposażenia pokładowego
szerokiego spektrum statków powietrznych od samolotów lotnictwa ogólnego, helikopterów do ciężkich
samolotów transportowych. Normą DO-160 C posługuje się International Organization for Standardization
(ISO) i jest ona traktowana de facto jako standard ISO 7137. Norma zawiera 21 wyszczególnionych procedur,
jednak niektóre z nich tak jak „Bezpośrednie uderzenie pioruna w statek powietrzny i jego wpływ na
wyposażenie” są w trakcie rozwoju. Przegląd procedur zawartych w tym opracowaniu został zawężony do
procedur odnoszących się do samolotów lekkich, najbardziej reprezentatywnych i w pełni opisanych w wyżej
wymienionej normie.
B. Pałucha
Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych
BP - 3
4.1. Temperatura
Norma dokonuje podziału na kategorie: A1, A2, A3, B1 ... (rys.4.przedstawia przykładowy fragment
tabeli) w zależności od maksymalnej wysokości, na jakiej będzie latał przyrząd, rodzaju przestrzeni w której
będzie umieszczony: czy jest ona hermetyzowana, czy znajduje się w niej system stabilizujący temperaturę.
Rodzaj kategorii określa warunki przeprowadzania testu przy utracie chłodzenia, maksymalną i
minimalną temperaturę przy jakiej dany przyrząd ma w pełni funkcjonować, krótkookresowe przeciążenie
termiczne, oraz tzw. minimalną i maksymalną temperaturę przetrwania. Jest to ekstremalna temperatura w jakiej
przyrząd ma przetrwać okres magazynowania lub czas w którym statek powietrzny jest hangarowany w
ekstremalnie ostrym klimacie, gdy jego urządzenia grzewcze lub klimatyzacyjne są wyłączone.
Wahania temperatury. W zależności od kategorii dobierane są zmiany dynamiczne temperatury, którym
musi sprostać urządzenie ±10°/1min , ±5°/1min , ±3°/1min. Dla przyrządów samolotów lekkich latających do
wysokości 15000 ft., instalowanych w przestrzeniach nie hermetyzowanych ale z możliwością kontroli
temperatury obowiązuje kategoria A1 [3].
RODZAJ TESTU
ŚRODOWISKOWEGO
Minimalna temp. pracy
[°C]
Maksymalna temp. pracy [°C]
Krótkotrwałe dynamiczne przeciążęnie
termiczne [°C]
Utrata chłodzenia [°C]
Minimalna temp. przetrwania [°C]
Maksymalna temp. przetrwania [°C]
Maksymalna wysokość operacyjna [ft]
A1
KATEGORIE
A2
A3
B1
-15
-15
-15
-20
+55
+70
+70
+55
+70
+70
+85
+70
+30
-55
+85
15000
+40
-55
+85
15000
+45
-55
+85
15000
+30
-55
+85
25000
...
...
...
...
...
...
...
...
Rys.4.Kryteria doboru temperatury i wysokości w zależności od kategorii
Temperature and altitude criteria
Procedura przedstawiona na rys. 5 stanowi przykład metodyki testu pracy w minimalnej temperaturze i
testu przetrwania przyrządu kategorii A1. Odpowiednie wartości wg normy DO-160 C dla poniższego schematu
stanowią: AMB – są to warunki zewnętrzne określone w podpunkcie 2 niniejszego opracowania, T0~T1-prędkość
zmian temperatury jest nieokreślona, T1~T2-czas stabilizacji temp. przyrządu plus minimum trzy godziny,
T3~T4-czas stabilizacji temp. przyrządu, T4~T5-wynosi minimum pół godziny [3].
Czas
2
AMB
Temperatura
Minimalna temp.
pracy
Czas testu urządzenia
Minimalna temp.
przetrwania
Badany przyrząd
wyłączony
Badany przyrząd włączony
Rys.5.Procedura testu pracy w minimalnej temperaturze i testu przetrwania
Ground survival low temperature and operating low temperature test
4.2. Wysokość
Rys. 6 przedstawia przykładową procedurę testu wysokości. Rozpoczyna się on w warunkach określonych
w podpunkcie 2 niniejszego opracowania. Norma określa tylko wysokość przeprowadzenia testu oraz czas
potrzebny do stabilizacji temperatury. Dla przyrządu kategorii A1: maksymalna wysokość operacyjna 15000
[ft], T0~T1-prędkość zmian ciśnienia jest nieokreślona, T1~T2-czas stabilizacji temp. urządzenia pracującego,
T2~T3- wynosi minimum dwie godziny.
B. Pałucha
Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych
BP - 4
Test nadciśnienia przeprowadzany jest przy depresji –15000 ft przez 10 min.
Dekompresja. Procedura polega na ustawieniu wysokość 8000 ft, stabilizacji temperatury a następnie
dokonuje się dekompresji do maksymalnej wysokości operacyjnej samolotu w ciągu tmax=15 s [3].
AMB
Czas
Ciśnienie atmosferyczne
2
Maksymalna wysokość
Czas testu urządzenia
Badany przyrząd włączony
Rys.6. Procedura testu wysokości
Altitude test
4.3. Wilgotność
Test ma określić zdolność do działania wyposażenia w naturalnych warunkach atmosfery. Główne efekty
które powoduje to: korozja, zmiana charakterystyk mechanicznych (metale), zmiana charakterystyk
elektrycznych (zmiana w przewodzeniu oraz zdolnościach izolacyjnych), zmiana charakterystyk chemicznych
(elementy higroskopijne) [3]. Rys.7 przedstawia urządzenia do przeprowadzania badań wg punktów: 4.1, 4.2,
4.3. Mają one następujące możliwości: zakres zmian temperatur –80°C ~ +200°C,
maksymalna prędkość zmiany temperatury 30°C/min,
zmiany wilgotności względnej w zakresie 0~95%,
minimalne ciśnienie 120.000 ft. (0.46 Pa),
możliwość przeprowadzania badań w skażonej atmosferze SO2. [5]
Rys.7. Barokomory
Climate test chambers
4.4. Odporność na wodę i środowisko morskie
Podczas tej procedury wyposażenie bada się pod kątem jego zdolności do działania w środowisku
wykraplającej się wody z atmosfery lub bezpośredniego kontaktu z wodą słodką lub morską. Standardowy test
polega na poddaniu badanego przyrządu działaniu wody wylewanej z wysokości 1m przez 15 min o wydatku
280 l /m2h przez sita z ustandardowionymi średnicami oczek φ i odległością między nimi l. Przykładowo:
(φ=0.33mm, l=25mm) [3]. Stanowisko przedstawione na rys. 8. służy do wyżej opisanych badań. Ma ono
możliwość regulacji temperatury cieczy w zakresie +8°C ~ +55°C [5].
B. Pałucha
Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych
BP - 5
Rys.8.Stanowisko do badań wpływu środowiska wodnego
Condensation and waterproofness test cabinet
4.5. Odporność na płyny używane w eksploatacji lotniczej
Przeprowadza się na wyposażeniu, które znajduje się w pobliżu płynów takich jak: paliwo, oleje
hydrauliczne, smarne, substancje konserwująco-czyszczące, odladzające, gaśnicze. Badanie to pozwala głównie
stwierdzić, czy nie rozpuszczają się elementy uszczelniające. Ważne jest również określenie ich toksyczności dla
ludzi oraz możliwości powstawania trujących związków podczas kontaktu z innymi materiałami
konstrukcyjnymi. Procedury określają temperaturę płynu do próby (największe znaczenie ma tu temp.
samozapłonu danej substancji) oraz sposób jego rozpylania (na sposób rozpylania wpływa możliwość zapłonu
płynu od zjawisk wyładowań elektrycznych naelektryzowanych powierzchni na skutek tarcia) [3].
4.6. Odporność na piasek i kurz
Przeprowadza się na przyrządach zawierających części mechaniczne i elektroniczne narażone na
zanieczyszczenie przez układy doprowadzające lub odprowadzające powietrze. Gęstość piasku i kurzu w
urządzeniu testowym utrzymuje się na poziomie 3,5~8,8g/m3 oraz wilgotność 30% i temperaturę 25°C. Badanie
trwa około jednej godziny podczas której wszystkie główne płaszczyzny powinny być poddane opylaniu z
kierunków prostopadłych [3].
4.7. Odporność na pleśń
Mikroorganizmy rozpuszczają materiały organiczne w normalnym procesie przemiany materii,
degradując w ten sposób podłoże. Swoją obecnością redukują napięcie powierzchniowe i zwiększają tym
penetrację wilgoci. Enzymy i kwasy organiczne, wytwarzane przez nie podczas przemiany materii dyfundują z
komórek na podłoże i powodują korozję metali, trawienie szkła, twardnienie smarów oraz inne fizykochemiczne
zmiany podłoża. Fizyczna obecność mikroorganizmów wytwarza żywe mostki między częściami składowymi w
zespołach elektrycznych. Stwarza to ryzyko powstania uszkodzeń elektrycznych. Badanie polega na naniesieniu
odpowiednich szczepów bakterii i umieszczeniu ich w inkubatorze w temp. +30°C i wilgotności 97% na okres
28 dni [3].
4.8. Zasilanie
Test ten definiuje warunki elektrycznego zasilania badanego wyposażenia. Podział na kategorie dokonany
jest ze względu na: specyfikę (główny lub awaryjny system zasilania), właściwości: (prąd stały lub zmienny),
źródło zasilania (alternator lub akumulator). Określone w tym podpunkcie są warunki dopuszczalnych zmian
zasilania elektrycznego dla poszczególnych rodzajów odbiorników (zakresy zmian częstotliwości, wartości
napięcia i natężenia które mogą pojawić się w momencie awarii któregoś z podzespołów) przy których badane
urządzenia muszą dalej poprawnie funkcjonować. Przykładowo dla wyposażenia montowanego na samolocie,
gdzie głównym zasilaniem jest prąd zmienny o stałej częstotliwości, a gdzie systemy działające na prąd stały
wymagają układów prostowników, to urządzenie zasilane nominalnie prądem stałym 27.5 V musi poprawnie
funkcjonować przy spadku napięcia do 24.8 V lub jego wzroście do 30.3 V [3].
4.9. Skoki napięcia
Test określa próbę urządzenia poddawanego efektom nagłych nie ustabilizowanych stanów,
pojawiających się w momencie uruchamiania urządzenia do pracy. Mogą one prowadzić do uszkodzenia
podzespołów, zniszczenia powłok izolacyjnych czy zmian w zasadzie działania samego urządzenia.
4.10. Sygnały indukowane i odporność na zakłócenia częstotliwości radiowych
Bada się wpływ wszystkich pozostałych urządzeń będących w sąsiedztwie i mogących powodować
zakłócenia produkowanymi przez nie sygnałami. Bardzo ważna jest możliwość określenia nakładania się na
siebie poszczególnych fal produkowanych przez różne stacje oraz możliwość zakłócenia ich przez agregaty
B. Pałucha
Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych
BP - 6
zasilające indukowaniem się fali elektromagnetycznej w przewodach zasilania. Do badań zakłócania
częstotliwości radiowych dodatkowo wprowadza się podział ze względu na rodzaj pokrycia samolotu co ma
wpływ przy powstawaniu zakłóceń snopiących [3]. Samolot w pobliżu izotermy 0 może natrafić na naładowane
cząstki wody. Cząstki te trąc o samolot podczas lotu powodują jego silne naładowanie. Ładunki spływające z
samolotu powodują wyładowania elektryczne, efektem czego może być szum w słuchawkach lub brak
jednoznacznych wskazań ADF [1]. Podczas tego testu wszystkie urządzenia współdziałające muszą być
podłączone zgodnie z metodą seryjnego montowania przez producenta [3].
4.11. Oblodzenie
W przyrządach samolotów narażonych na gwałtowne zmiany wysokości temperatury i wilgotności może
powstać szron lub nawet oblodzenie. Test ten głównie dotyczy przyrządów w których zapewniona jest
intensywna wentylacja lub wymiana powietrza. Jeden cykl testu polega na obniżeniu temperatury przyrządu do
minimalnej temp. przetrwania i ustabilizowaniu jej a następnie zwiększeniu temperatury otoczenia do +30°C i
wilgotności 95%. Te warunki są utrzymywane do momentu osiągnięcia przez przyrząd badany temperatury
+5°C. Wykonuje się przeciętnie około 3 takich cykli [3].
4.12. Odporność na wstrząsy i wibracje
Dokonuje się testów biorących pod uwagę wstrząsy występujące podczas normalnego okresu eksploatacji
(kołowanie, lądowanie, turbulencja w trakcie lotu). Podczas testu aplikowana jest seria wstrząsów o kształcie
połowy fali sinusoidalnej o wartości A=6 [g] i czasie trwania D=11 [ms] ±2 [ms]. Czas monitorowania impulsu
powinien trwać T=3×D [3] (rys.9.).
0 .1 5 A
1 .1 5 A
A
0 .8 5 A
0 .2 A
0
- 0 .2 A
D
D
D
3D
-----——
D
A
wartość nominalna
granica tolerancji
czas trwania impulsu
amplituda
Rys.9.Standardowy wstrząs sinusoidalny i jego tolerancje
Half sine shock pulse configuration and its tolerance limits
Wibracje w locie powodowane są przez działanie silników, agregatów, własności aerodynamiczne
samolotu, itp. Norma zaleca przeprowadzanie testów w dwóch różnych zakresach częstotliwości 10~500Hz i
500~2000Hz w zależności od masy wyposażenia i kategorii statku powietrznego [3]. Rys.10 przedstawia
stanowisko do badań odporności na wstrząsy i długotrwałe wibracje. W zależności od masy badanego
wyposażenia można osiągać następujące przyspieszenia dla wstrząsarki Tira: 0.5[kg] —90[g]; 3.5[kg]—45[g];
24[kg]—10[g] [5].
Rys.10. Stanowisko do badań odporności na wstrząsy i długotrwałe wibracje
Shaker equipment for vibration and shock tests
B. Pałucha
Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych
BP - 7
4.13. Odporność na eksplozję
Przeprowadza się na wyposażeniu które: ma styczności z łatwopalnymi czynnikami, może wygenerować
iskrę na skutek właściwości materiałów użytych do jego budowy. Podział badań i ich realizacja oparta jest na
zewnętrznym stopniu zagrożenia zależącym od otaczającego środowiska (oleje, smary, paliwo, gazy) i stopniu
ryzyka wynikającym z zasady działania samego urządzenia (np. bezpieczniki) [3].
5. Podsumowanie
Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych jest to obszerna dziedzina korzystająca z
wielu osiągnięć nauki i techniki by zapewnić szerokiej gamie produkowanych urządzeń lotniczych wysoki
stopień niezawodności działania w warunkach rzeczywistej eksploatacji. W celu umożliwienia porównania
własności i charakterystyk poszczególnych przyrządów produkowanych przez różne firmy dokonuje się
standaryzacji procedur badań. Ze względu na różnorodność osprzętu lotniczego zamieszczenie w niniejszej
pracy bardziej uszczegółowionego przeglądu wykraczałoby poza ramy opracowania.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
Jaszczyński R. „Nawigacja lotnicza”, skrypt PRz, 1988,
Kazana J., Lipski J. „Budowa i eksploatacja pokładowych przyrządów lotniczych”, wyd. 1,
Warszawa 1983,
Norma DO-160C, 1990,
Informacje źródłowe „Warunki Techniczne” Zakłady Lotnicze PZL-2 Warszawa, 1970,
www.nlr.nl/public/facilities/avionics.html 14.04.2002.
ENVIRONMENTAL CONDITIONS AND TEST PROCEDURES
FOR AIRBORNE EQUIPMENT
Bartłomiej Pałucha
This paper is intended to present the reader for what environmental condition tests are. It informs about
generall conditins of test, its purpose and applicability. This paper also contains survey of actual applaying
procedures according to DO-160 C. This review schows overall order and its generall methodology with its
representative ranges.
B. Pałucha
Badania środowiskowe pokładowych przyrządów lotniczych
BP - 8