Борис Воронков
В технике цена незначительной ошибки – колоссальные разрушения и гибель множества людей. Фото Reuters
Техногенные катастрофы объектов на земле и в воздухе – не редкость. Редкостью является принятие адекватных мер во избежание катастрофы. Причиной последней обычно являются интенсивное динамическое воздействие на объекты, запредельно высокий режим эксплуатации. Интенсивный рост напряжения объекта является однозначным признаком развития катастрофической ситуации. А как измеряется напряжение на технических объектах, подверженных интенсивным динамическим воздействиям? Провести расчет конструкции с необходимым запасом прочности можно, а измерение роста напряжения в конструкции в процессе эксплуатации – уже проблема!
Военные заказчики предъявляют жесткие требования к качеству военной продукции, но они не в полной мере отвечают гарантиям безаварийной эксплуатации. Низкое качество контроля технического состояния может приводить к ложной оценке и к развитию катастрофической ситуации. Экстремальное развитие ситуации требует принятия адекватных действий в условиях дефицита времени, при отсутствии достоверной информации о состоянии объекта. В этой обстановке приходится принимать решения, полагаясь на интуицию. В частности, одним из необходимых условий обеспечения безопасности полетов является контроль механического напряжения корпуса самолета. Следовательно, необходимы устройства, оценивающие риск развития катастрофы и автоматически снижающие режим работы, ведущий к риску потери самолета и пилота. Причем планово-предупредительные и регламентные работы не спасают от риска развития катастрофы.
ПРИЗНАК КАТАСТРОФЫ
За истекшие 100 лет аварийные ситуации возникали неоднократно на различных технических объектах. Однако развитие ситуации проходило по одному сценарию.
В начале прошлого века зафиксирован ряд катастроф на железнодорожном транспорте, причиной которых являлось разрушение колесных пар в процессе эксплуатации. Разрушение обычно проходило в месте сопряжения вала с колесом. Ученые изучили это явление и пришли к выводу, что интенсивное динамическое воздействие приводит к росту напряжения в узловых элементах конструкции в результате накопления остаточной деформации, обусловленной незамкнутостью петли гистерезиса в результате циклического нагружения. Разрушение сопровождается пластическим эффектом, образованием шейки и разрывом материала. Для предотвращения аварии заменили чугунные колесные пары на стальные. Ввели изменения в конструкцию колесных пар. Стали использовать рельсовые плети длиной до 800 м. Применять бетонные шпалы вместо деревянных. Количество аварий на время сократилось. Однако выросла нагрузка на перевозки. И вновь пошла череда аварий на железной дороге. Только за 2014 год уже произошло 17 сходов с рельсов поездов.
Известно, что в Германии с 1935 по 1943 год произошло около 150 авиационных аварий и катастроф, причиной которых оказались «флаттер» и «шимми». В США в 1940–1950-е годы было более 100 подобных случаев. Советские авиаторы тоже понесли такого рода потери, но данные об этом засекречены. В работе по предотвращению флаттера активное участие принимал Мстислав Келдыш. Менее чем за год он разработал математическую модель взаимодействия, и авиаконструкторы забыли, что такое «шимми». Барьеры на пути развития скоростной авиации, казалось, были сняты. Однако проблемы контроля общего и локального измерений опасного напряжения корпуса самолета остались. К «флаттеру» крыла добавился еще «бафтинг» – вибрация хвостовой оконечности фюзеляжа.
Не вызывает сомнения необходимость измерения напряжения самолетов в полете. Один из важнейших параметров самолета – мощность или тяга двигателя в полете. На самолетах приборов для получения таких данных нет. Что является причиной отсутствия таких данных? Измерение уровня напряжения могло бы являться одним из основных параметров для обеспечения безаварийной эксплуатации технических средств. Однако за все время развития технической цивилизации этого не случилось.
Сегодня на всех самолетах установлены регистраторы пилотируемой информации. Так, Ту-154 оснащается бортовым магнитным регистратором МСРП-64, обеспечивающим запись 38 параметров, в том числе боковой и вертикальной перегрузки. 3–4-кратные перегрузки – обыденное дело для пилота и корпуса самолета. Но перегрузки проходят, а деформации и напряжение элементов корпуса остаются.
Главной задачей технической диагностики являются «Распознавание состояния технических объектов в условиях ограниченной информации с целью повышения их надежности и ресурса» и «Значительная часть информации, поступающая в лабораторию диагностики из сообщений экипажей и инженерно-технического состава АТБ, получается органолептическими методами в процессе проверки работоспособности систем и агрегатов». Это цитаты из лекций по диагностике авиационной техники.
Хорошо если в процессе диагностики обнаружат трещину в корпусе самолета. Но ее могут и не найти! Тогда это предпосылка к аварии. И вина за аварию, вероятнее всего, ляжет на пилота. А что явилось причиной образования трещины? Естественно, высокое напряжение корпуса самолета. Таким образом, при отсутствии информации о состоянии самолета создаются предпосылки к летным происшествиям.
Сергей Шишкарев, член Экспертного совета при правительстве РФ, подчеркивает: сегодня Россия занимает второе место в мире после США по количеству авиапроисшествий и числу погибших. Человеческий фактор лидирует в списке называемых причин – 50% авиакатастроф происходит из-за ошибок пилотов. Среди мер по обеспечению безопасности полетов предлагается принять технические регламенты оснащенности различных категорий объектов транспортной инфраструктуры системами обеспечения безопасности, включая специальные средства досмотра и контроля. И ни слова о приборном контроле напряжения самолета.
Гидрогенератор на Саяно-Шушенской ГЭС трясло продолжительное время, пока не случилась катастрофа. В СМИ проходила информация, что Владимир Путин распорядился разработать прибор для контроля опасных напряжений. Выполнено его поручение? Скорее всего – нет.
ЗАКОН ГУКА
Причина развития катастрофы известна – это интенсивный рост деформации. Но выявить признак грядущего разрушения даже в лабораторных условиях не удается. Причина застоя – действующая система измерения параметров давления. Выйти из этой тупиковой ситуации необходимо, иначе нам не избежать природных и техногенных катастроф.
Давление является одним из основных факторов, влияющих на работоспособность техники. Единица давления Па (Паскаль) была введена в обиход французской палатой мер и весов в 1961 году, а в 1971 году Па был утвержден в качестве единицы давления в СИ на XIV Генеральной конференции по мерам и весам.
Давление в один Па вызывается силой, равной одному ньютону, воздействующей на поверхность площадью в один квадратный метр. Это абсолютная единица измерения давления. Очевидно, конференция по мерам и весам упустила из виду, что все процессы на Земле идут относительно статического давления один Атм. Один Па составляет 1/100 000 долю от один Атм. Это давление столбика воды в 0,1 мм. По сию пору в метрологической службе нет ни эталона, ни образцового преобразователя на давление один Па. Для измерения один Па необходимо отделить его от статического давления 100 000 Па. При этом мы приходим к необходимости использования разностного измерения давления. А это уже другая система измерения!
Целесообразность использования разностного способа измерения заложена в законе Роберта Гука. Этот закон оговорен Гуком в 1676 году в виде анаграммы ceiiinosssttuu. Лишь тремя годами позже он расшифровал ее латинской фразой Ut tensio sic uis – «Какова деформация, такова и сила».
Деформация является основным фактором, определяющим работоспособность машин и механизмов. Деформация – разностная величина, следовательно, для ее измерения необходимо использовать разностный метод преобразования. Но наука и промышленность предпочитают использовать абсолютный метод измерения. Качество и достоверность преобразования при этом остаются традиционно низкими.
ОГРАНИЧЕНИЯ ВОСПРИЯТИЯ
В основе всех измерений давления лежит преобразование деформаций в электрический сигнал. Весь вопрос в том, насколько качественно это преобразование будет осуществлено.
В известных датчиках реализован абсолютный принцип. Датчики реагируют на амплитуду воздействия. Метод преобразования является косвенным. Почему косвенным? Так измеряется не деформация, а лишь эффекты в результате воздействий. При этом неизбежны как потери, так и искажения информации.
Для измерения динамических параметров обычно применяют пьезоэлектрические датчики. Пьезоэффект открыт в 1880 году французскими учеными, братьями Пьером и Полем Кюри. Пьезодатчик – это датчик колебательных смещений. Воздействие на него приводит к генерации электрического заряда. Эффективность преобразования максимальна в области собственных резонансных частот датчика. Со снижением частот воздействий эффективность преобразования снижается, достигая величины 1-2% в области информативных инфразвуковых частот. Это уже свидетельствует об искажении информации. Погрешности преобразования определяются изменениями статического давления и температуры, старением материала, гистерезисными явлениями. Попытки исключения погрешностей при использовании разностного включения элементов успеха не принесли.
Для измерения статической деформации используются тензопроволочные сопротивления. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием давления был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином. Преобразование является косвенным. Эффективность преобразования около 1%. Датчики для измерения деформации обычно разовые. На качество преобразования существенное влияние оказывают изменение температуры и статического давления, ползучесть материла, гистерезисные явления. Тензодатчики обычно используют для стендовых испытаний изделий. Использование их для измерения деформаций при эксплуатации авиационной техники не отмечается.
Известны попытки использования волоконно-оптических датчиков для измерения деформаций. Для этого случая характерно измерение смещения одного из элементов датчика по отношению к другому. Но во внимание не принимается то, что смещение и деформация – различные понятия.
Область измерения давления находится в состоянии застоя. Известные принципы преобразования давления не обеспечивают качества измерения. Принципы построения первичных преобразователей давления остаются неизменными более 100 лет. Критическому анализу технические решения первичных преобразователей не подвергаются.
30 лет тому назад автору удалось зарегистрировать картину распределения остаточных деформаций в хрупком материале при использовании разностного метода измерения. Локализация остаточных деформаций является однозначным признаком грядущего разрушения образца и позволяет определить место и время грядущего разрушения. Материалы работы были опубликованы в техническом журнале. Откликов не последовало. В последующем оказалось, что легче сделать работу, нежели найти организацию, заинтересованную в ее продолжении. Уже в наше время МЧС РФ отказалось от обеспечения работ по прогнозированию хрупкого разрушения.
Контроль состояния технических средств в условиях эксплуатации является одним из проблемных вопросов. Известный косвенный метод измерения деформации этот контроль не обеспечивает. В технике обработки информации мы ушли далеко вперед, а в области преобразования сигналов застряли на уровне 1900 года. За все время интенсивного технического развития мы не научились контролировать деформации, определять рост остаточных напряжений, ведущих к катастрофе. Сколько было природных и техногенных катастроф за последние 100 лет? Сколько жертв и материальных потерь? Пора бы уже признать, что абсолютный способ преобразования параметров давления не обеспечивает качества преобразования информации. Это тупик! Единственный выход из тупика – использование разностного способа преобразования. Но возьмется ли кто за решение проблемного вопроса?
