1. ЗНАНИЯ В ОБЛАСТИ КОНСТРУКЦИИ И ОСНОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОЗДУШНОГО СУДНА
Для полного и всестороннего расследования любого пожара необходимо знать характеристику объекта, где возник пожар, а именно, основные участки, планировку, конструкции, материалы конструкций; условия эксплуатации, пожарную нагрузку объекта; вещества, обращаемые на объекте; электрооборудование и его характеристики, а также возможные аварийные режимы; противопожарную систему.
Ввиду того, что самолеты представляют собой, непохожую на другие объекты, сложную многоуровневую систему, функционирующую в условиях больших нагрузок и разных режимах температуры и давления среды. Поэтому необходимо детально изучить особенности функционирования самолета, по причине повышенной сложности его структурных компонентов. Специалистам пожарного профиля, принимающим участие в расследовании пожаров летательных аппаратов, необходимо владеть терминами из авиатехнических отраслей знаний, знать основные неисправности во время эксплуатации самолета (во время взлета, движения в воздухе, посадки). Это необходимо для того, чтобы во время проведения осмотров пожаров на воздушных судах специалист СЭУ ФПС обладал не только специальными знаниями в области физико-химических процессов горения, основ пожарной безопасности, материаловедения, особенностей возникновения, развития и тушения пожаров, методики исследований, но и иметь первоначальные представления о составных конструкциях, функциональных системах, основных нагрузках, которые воспринимают летательные аппараты, неисправностях систем, которые могут приводить к повреждениям, создавать аварийную ситуацию, приводящую к пожарам.
1.1. Структурная схема самолета
Самолет представляет собой сложный технический комплекс с развитой иерархической структурой, который состоит из множества простых и сложных взаимосвязанных систем, подсистем, конструктивных элементов и агрегатов. На рис. 1.1 представлена упрощенная структурная схема летательного аппарата [8].
Рис. 1.1. Структурная схема летательного аппарата
1.2. Силы, действующие на самолет
Самолет – это летательный аппарат тяжелее воздуха, в котором принцип действия основан на подъемной силе, которая создается крылом, действующим неподвижно относительно других частей, при его поступательном движении в воздухе.
К силам, которые действуют на воздушное судно в полете, относятся: тяга двигателя, сила тяжести, подъемная сила и сила лобового сопротивления (сила сопротивления воздуха). Две последние силы относятся к аэродинамическим [8].
Удобно все силы, действующие на самолет, объединить в две группы – поверхностные и массовые. К поверхностным силам относятся аэродинамические силы и сила тяги, а к массовым – сила тяжести и инерционные силы.
Условие взаимного уравновешивания сил при прямолинейном и горизонтальном полете будет наблюдаться в случае, если сила тяги двигателя будет равна силе сопротивления воздуха, а подъемная сила будет равна лобовому сопротивлению.
На характер полета летательного аппарата влияет любое изменение любой из этих сил. В случае, когда подъемная сила больше силы тяжести, самолет набирает высоту, а когда меньше – снижается. В случае, когда тяга двигателя больше силы сопротивления воздуха, скорость движения самолета увеличивается, а когда меньше – уменьшается [13].
1.3. Основные части планера самолета
1.3.1. Крыло
Создание подъемной силы, требуемой для всех эксплуатационных режимов полета, при наименьших затратах тяги двигательной установки является основным назначением крыла. Так же крыло самолета выполняет функцию обеспечения поперечной устойчивости летательного аппарата и т.д. Крыло также, как и горизонтальное и вертикальное оперение, относится к несущим частям конструкции воздушного судна.
На крыле располагаются средства механизации (предкрылки, закрылки) и рули крена (элероны). К механизации крыла относятся устройства, которые способны изменять аэродинамические характеристики крыла на отдельных этапах полета (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Механизация крыла самолета:
1 – закрылки; 2 – предкрылки; 3 – спойлеры
По выполняемым функциям различают два вида механизации:
• для улучшения взлетно-посадочных характеристик (закрылки и предкрылки);
• для управления в полете (спойлеры в режиме гасителей подъемной силы и в элеронном режиме).
От таких характеристик крыла, как форма, размер, расположение, во многом зависят летно-технические характеристики самолета. Под внешней формой крыла подразумевают его вид в плане и спереди, а также форму его В поперечного сечения (профиль). Для современных самолетов характерно применение крыльев различных внешних форм. Внешние формы крыла оказывают влияние не только на аэродинамические, весовые и прочностные характеристики крыла, но и на характеристики всего самолета в целом [13].
Все многообразие крыльев самолетов по форме в плане может быть сведено к трем основным типам: прямые, стреловидные, треугольные. Выбор типа крыльев зависит от вида самолета и стреловидные от показателей, которые необходимы определенным самолетам. Так, например, стреловидные крылья находят применение на самолетах, летающих на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях, а треугольные применяются на самолетах больших сверхзвуковых скоростей. Как и любой объект материального мира, каждый тип имеет положительные качества, так и недостатки. К недостаткам стреловидных крыльев можно отнести меньшие значения коэффициентов подъемной силы в отличии от прямых крыльев, которое ухудшает взлетно-посадочные характеристики летательного аппарата. Треугольные крылья из-за малого аэродинамического качества имеют плохие взлетно-посадочные качества. Таким образом, можно сделать вывод о том, что от скорости движения самолета зависит взлетно-посадочные характеристики самолетов [8].
На долю крыла приходится значительная часть массы ЛА. К крылу предъявляется ряд аэродинамических, компоновочных, прочностных, эксплуатационных и технологических требований. Например, малое лобовое сопротивление и высокое аэродинамическое качество – это аэродинамические требования; возможность размещения на крыле грузов, агрегатов и средств механизации при незначительном увеличении сопротивления крыла – это компоновочное требование и т.д.
1.3.2. Фюзеляж
Основное назначение фюзеляжа – размещение коммерческой нагрузки (пассажиры, груз, багаж), экипажа и оборудования. Топливо, шасси, двигатели также могут размещаться в фюзеляже. Фюзеляж связывает между собой в силовом отношении основные части: крыло, оперение, шасси.
К фюзеляжу предъявляется ряд требований:
• компоновочные: необходимость рационального использования внутренних объемов, компактного размещения грузов (ближе к центру масс);
• аэродинамические: обеспечение минимального аэродинамического сопротивления;
• по безопасности и комфорту пассажиров и экипажа: обеспечение защиты от внешней среды и нормальных жизненных условий во время полета и на стоянке и др.
В условиях эксплуатации на фюзеляж действуют различные силы, в том числе:
• сила реакции крыла;
• сила реакции горизонтального оперения;
• сила реакции вертикального оперения;
• сила избыточного внутреннего давления воздуха;
• сила тяжести конструкции фюзеляжа и коммерческой загрузки.
По конструкционному строению фюзеляжи современных самолетов представляют тонкостенные пустотелые балки, которые имеют мощную работающую обшивку, а также продольный и поперечный силовые наборы. В зависимости от вида балочного фюзеляжа продольный набор может состоять из лонжеронов или стрингеров. Поперечный набор состоит из шпангоутов [8].
Так как фюзеляж является местом пребывания во время полета пассажиров и экипажа, в целях защиты людей и имущества от воздействия опасных факторов пожара то в этой части предусмотрена следующая противопожарная система: имеются основные, служебные и аварийные выходы и люки, предусмотрены зоны вскрытия обивки в случаи заклинивания дверей, хранятся надувные трапы, матерчатые жалоба, спасательные канаты. Переносной электромегафон предназначен для оповещения пассажиров в аварийных ситуациях бортпроводником. Для обеспечения безопасности людей в аварийных ситуациях, когда самолет может совершить посадку лишь на поверхность водоема, на борту имеются индивидуальные спасательные плавсредствами и плотами с радиомаяками [13].
1.3.3. Оперение самолета
Оперением называются несущие поверхности, которые состоят из неподвижных и подвижных частей. Назначение оперения состоит в создании устойчивости, управляемости и балансировки летательного аппарата. Оперение бывает горизонтальным и вертикальным.
Рис. 1.3. Конструкция оперения
К неподвижным частям относятся:
• стабилизатор 2 (часть горизонтального оперения);
• киль 1 (часть вертикального оперения).
К подвижным частям относятся:
• руль высоты (часть горизонтального оперения);
• руль направления (часть вертикального оперения).
Рули служат для создания управляющих моментов относительно центральных осей самолета [13].
1.4. Шасси
Шасси самолета – конструкция самолета, которая состоит из опорных элементов (колеса, лыжи, поплавки), обеспечивающих самолету соприкосновение с поверхностью места посадки, и соединяющих элементов (стоек и подкосов), закрепляющих опорные элементы шасси с элементами фюзеляжа или крыла. Шасси снабжено следующими конструкциями: амортизационной системой, необходимой для поглощения энергии ударов при посадке и передвижении, для уменьшения действующие нагрузки, и тормозными устройствами, необходимыми для торможения самолета при побеге и рулении. Шасси необходимо для взлета, посадки, передвижения и стоянки самолета на земле, воде и т.п.
Шасси самолета в зависимости от их положения во время полета подразделяются на:
• шасси неубирающиеся во время полета;
• шасси, убирающиеся во время полета [13].
Несомненно, что конструкция, убирающегося шасси существенно сложнее и больше по массе, так как дополнительно имеет механизмы уборки и выпуска шасси и других необходимых приспособлений. К несомненным преимуществом убирающегося в полете шасси можно отнести меньшее по сравнению с другим видом аэродинамическое сопротивлении (примерно на 20-35 %). Шасси могут во время полета убираться в крыло, фюзеляж, гондолы двигателей или в специальные гондолы для уборки основных опор, которые расположены на крыле [8].
Летательному аппарату для устойчивого состояния на земле требуется минимум три опоры. Различают следующие основные схемы в зависимости от расположения опор шасси относительно центра тяжести самолета:
• с передней (носовой) опорой;
• с хвостовой опорой;
• велосипедного типа.
На небольших самолетах устанавливают шасси с хвостовой опорой, при этом опоры часто бывают неубирающиеся. Передние опоры необходимы для совершения взлета и посадки (расположены вблизи центра масс), а хвостовая опора – для устойчивого положения самолета и руления по взлетно-посадочной полосе. Данный тип шасси при сравнительно небольшой массе имеет следующие значительные недостатки:
• склонность к капотированию (опусканию носа), особенно при пробеге после посадки или при рулении на повышенной скорости;
• необходимость точного выдерживания посадочной скорости из-за возможности повторного взмывания при посадке;
• плохой обзор из пилотской кабины и др.
Рис.1.4. Шасси с хвостовой опорой
Конструкция шасси с носовой опорой (рис. 1.5) не имеет перечисленных выше недостатков, по причине того, что центр масс самолета в данном случае находятся впереди основных опор, а передняя опора расположена впереди по отношению к центру масс самолета. К достоинствам данной схемы шасси можно отнести:
• наибольший обзор из кабины пилота;
• меньшее повреждение поверхности взлетно-посадочной полосы под действием струй выхлопных газов двигателей;
• хорошая путевая устойчивость.
Рис. 1.5. Шасси с носовой опорой
Велосипедная схема не нашла широкого применения на магистральных самолетах ввиду того, что данный тип шасси затрудняет технику пилотирования на посадке, усложняет конструкцию и утяжеляет механизм передней опоры. Именно поэтому мы не будем рассматривать эту схему подробно, так как она не применяется в самолетах.
Амортизационные устройства (амортизационные стойки, пневматики колес, гасители колебаний и т.д.) необходимы летательным аппаратам, так как в случае отсутствия данного устройства при посадке самолета вся энергия удара самолета о поверхность взлетно-посадочной полосы передавалась бы на элементы конструкции крыла или фюзеляжа, а это в свою очередь могло бы привести к разрушению самолета. Амортизаторы в зависимости от применяемого в них рабочего тела классифицируются на:
• жидкостные;
• жидкостно-газовые;
• пружинно-фрикционные;
• резиновые.
В современных самолетов чаще всего используют жидкостно-газовые амортизаторы, так как они в наибольшей степени соответствуют предъявляемым требованиям [13].
1.5. Силовые установки
Силовые установки самолета (двигатели) представляют собой единую систему устройств и агрегатов, назначением которых является обеспечение силы тяги и подъемной силы для полета и ускорения воздушного судна. Движение автотранспортных средств осуществляется благодаря трению покоя между колесами и дорожным полотном, а воздушная среда не имеет трение покоя, поэтому сила тяги и подъемная сила самолета определяются изменением количества движения среды, в которой он движется. Авиационный двигатель производит забор потока воздуха, натекающий на летательный аппарат и выбрасывает его с увеличенной скорость назад, тем самым создает реактивные силы, которые имеют векторно-скалярную величину, а именно направлены вперед движению самолета и численно измеряются изменением количеством движения в единицу времени. Самолет поддерживают крылья, которые тоже изменяют количество движения воздуха, отбрасывая его вниз и создавая подъемную силу. При движении самолета в воздушной среде возникает сила сопротивления движению, для преодоления которой нужна сила тяги, создаваемая двигателем.
В современных магистральных самолетах, которые составляют основной парк гражданской авиации России, используются газотурбиновые двигатели (ГТД). Принцип действия ГТД:
1. Воздух поступает в двигатель через диффузор.
2. Непрерывно сжимается в компрессоре и подается в камеру сгорания.
3. В камере сгорания сжатый воздух нагревается путем непрерывного сжигания топлива, вследствие этого газ получает большой запас энергии.
4. Полезно используемая часть полученной энергии используется для создания механической работы в газовой турбине и ускорения газовой струи в реактивном сопле [24].
В целях повышения тяги двигателя и скорости полета летательных аппаратов турбореактивные двигатели снабжаются форсажными камерами, которые предназначены для скорости истечения газа из двигателя, за счет сжигания в них дополнительного количества топлива.
Газотурбиновые двигатели в зависимости от принципа создания тяги бывают:
• турбовинтовые (двигатели непрямой реакции), где основная часть полезно используемой энергии газа с помощью турбины в работу на валу, которая необходима для сжатия воздуха в компрессоре и совершения воздушным винтом вращательных движений, который в свою очередь создает силу тяги в результате отбрасывания больших масс воздуха с относительно невысокой скоростью, превышающей скорость полета;
• турбореактивные (двигатели прямой реакции), где полезная энергия используется для вращения компрессора и увеличения скорости истечения газа из двигателя с помощью реактивного сопла, а сила тяги создается непосредственно двигателем в результате отбрасывания газов со скоростью, превышающей скорость полета.
Термореактивные двигатели бывают следующих типов:
• одноконтурные, в которых весь воздух, сжимаемый компрессором и нагреваемый в камере сгорания, проходит через турбину и ускоряется в реактивном сопле
• двухконтурные, в которых компрессор подает часть сжатого во второй контур – кольцевой канал, расположенный вокруг первого контура двигателя, а из второго контура этот воздух выпускается в окружающую среду через реактивное сопло, увеличивающее скорость истечения или по другой схеме, воздух из второго контура поступает в камеру смешивания, расположенную за турбиной, перемешивается с горячими газами, выходящими из турбины, а затем продукты смешения ускоряются с помощью общего для обоих контуров реактивного сопла.
Выбор места расположения двигателей основывается на целевом назначении самолета и условиями эксплуатации. Реактивные двигатели на современных летательных аппаратах располагаются чаще всего:
• внутри хвостовой части фюзеляжа;
• на крыле или под крылом на пилонах;
• у корня крыла;
• снаружи хвостовой части фюзеляжа.
На пассажирских самолетах «второго поколения» двигатели чаще всего размещаются в хвостовой части фюзеляжа. К достоинствам данного местоположения двигателя можно отнести:
• улучшение аэродинамики крыла;
• более полное использование средств механизации;
• повышает вероятность загорания самолета в аварийных случаях;
• улучшает комфорт пассажиров в результате уменьшения шума и вибраций от работы двигателей [13].
Главным недостатком такого расположения является утяжеление конструкции, из-за отсутствия разгрузки крыла и необходимости усиления хвостовой части фюзеляжа. Именно поэтому на самолетах «третьего поколения» используется установка двигателей на пилонах под крылом.
Размещение двигателей на крыле и под крылом считается выгодным в весовом отношении, так как при таком местоположении двигатели разгружают своим весом крыло при его работе на изгиб в полете, а это в свою очередь улучшает противофлаттерные свойства.
На винтовых самолетах двигатели можно устанавливать только в передней части фюзеляжа и на крыле самолета по причине того, что на данных летательных аппаратах имеются воздушные винты, которые значительно ограничивают количество возможных мест расположений двигателей.
В случаи, если двигатели размещают на внешней части самолета, их необходимо заключить в гондолы, которые обеспечивают плавный переход от двигателя к корпусу самолета и защищают двигатель от загрязнений. Конструкция гондол обязательно должна предусматривать противопожарную перегородку. Обшивка хвостовой части гондол в зоне выхлопных труб выполнена из нержавеющей стали или титана, что предотвращает разрушение обшивки [8].
1.6. Функциональные системы самолетов
Современные летательные аппараты выполняют большой и разнообразный спектр задач. К этим задачам можно отнести следующие:
• транспортировка грузов и пассажиров;
• военные операции;
• разведка полезных ископаемых;
• поиск, спасение, тушение пожаров;
• обработка сельскохозяйственных угодий и т.д.
Для выполнения определенных задач существуют функциональные системы. Функциональная система самолета – это комплекс взаимосвязанных механизмов и устройств, общее действие которых направлено на определенный вид функционального обеспечения эксплуатации самолета. Состав функциональных систем и их возможности зависят от специфики выполняемых задач. Гражданская авиация, которая рассматривается в данной работе в первую очередь предназначена для перевозки пассажиров и грузов и обеспечение безопасности пассажирам и грузам.
Системы самолетов условно можно объединить в группы, выполняющие определенные функции:
• пассажирское или специальное оборудование и системы жизнеобеспечения, назначение которых заключается в обслуживании пассажиров или целевой нагрузки;
• системы защиты в особых условиях (противопожарная, противообледенительная);
• пилотажно-навигационное и радиотехническое оборудование;
• бортовые энергетические системы, предназначение которых заключается в питании энергией систем и агрегатов самолета.
Основными функциональными системами самолетов гражданской авиации являются:
• гидравлическая и воздушная система;
• системы управления шасси (система уборки и выпуска шасси, тормозная система шасси);
• система управления самолетом;
• топливная система;
• система кондиционирования и автоматического регулирования давления в гермокабине;
• противообледенительная система;
• противопожарная система;
• бытовое и сантехническое оборудование [13].
В рамках данного работы будут рассмотрены только некоторые системы из данного списка. Критерием выбора функциональных систем, которые будут отражены в работе является наличие условий работы, которые могут привести к пожарам.
1.6.1. Гидравлическая система
Энергетические системы самолета, предназначенные для приведения в действие подвижных элементов систем и агрегатов, в зависимости от вида используемой энергии, бывают гидравлические, газовые, электрические.
Преимуществами гидравлических приводов являются:
• сравнительно малые габариты и масса по сравнению с электрическими агрегатами такой же мощности;
• более простая фиксации промежуточных положений исполнительных механизмов по сравнению с газовыми приводами;
• использование трубопроводов (вместо валов, тяг, качалок), которые занимают мало места, не оказывают воздействия на опоры, произвольно располагаются относительно приводимых в действие механизмов;
• плавность хода, безударная передача движения;
• возможность реверсирования передачи без реверсирования приводного вала;
• простота управления и т.д.
Недостатками гидравлической передачи являются:
• малый температурный диапазон работы;
• чувствительность исполнительных устройств к загрязнению гидравлической жидкости.
Главным недостатком гидравлической системы является возможное повреждение агрегатов и трубопроводов в результате потери герметичности, которое в свою очередь приводит к выбросу жидкости из гидросистемы, что в свою очередь может привести к отказу гидросистемы и ее потребителей, а также при определенных условиях приводить к пожару, в случаи образования горючей смеси жидкости, обращающейся в данных агрегатах и воздуха, и присутствия источника зажигания с необходимой мощностью зажигания (равна или больше минимальной энергии зажигания) [8].
Газовые энергетические системы нашли свое применение в качестве аварийных силовых систем и в агрегатах дополнительного управления для достаточного обеспечения быстродействия, например, для перекладки створок реверса. Недостатки данной системы связаны с сжимаемостью газов.
Достоинствами электрической системы являются:
• незначительной масса электропроводки и удобство ее монтажа;
• наименьшее запаздыванием в передаче энергии;
• простота формирования и передачи управляющего сигнала.
Повсеместное использование электрические системы получили в дистанционном управлении агрегатами и в автоматических системах при относительно малых мощностях исполнительных устройств, а также используются в рулевых машинках автопилотов, автоматах загрузки рычагов управления самолетом, управлении триммерами и др.
Так как приводная система в самолете в большинстве своем представлена в виде гидравлики, то более детально рассмотрим гидравлическую систему.
Гидравлическая система представляет собой комплекс механизмов и устройств, соединенных трубопроводами, который предназначен для передачи энергии на расстояние с помощью жидкости. Принцип действия гидравлической передачи основан на свойствах текучести и несжимаемости жидкости, которая будучи заключенной в жесткий трубопровод, способна передавать усилия как жесткий стержень. Данная система является одной из наиболее сложных и разветвленных систем на борту самолета и осуществляет работу многих подсистем.