Транспортная авария самолета Ил-76ТД. Оценка нагруженности перевозимых грузов

При перевозке грузов к месту назначения мо­жет использоваться самолет Ил-76ТД. При этом не исключено возникновение аварийной ситуации, следствие которой - столкновение самолета с преградой. Если транспортиру­емый груз является опасным (далее - ОГ), т. е. содержит токсичные, взрывчатые или ра­диоактивные вещества, то вопрос о его состо­янии в условиях интенсивных ударных воз­действий важен с точки зрения безопасности окружающей среды. Характерной особенно­стью авиационных аварий является высокая скорость подлета к преграде. Так, в случае па­дения с крейсерского полета она может дости­гать 240 м/с. При этом материал поверхностей (преград), с которыми сталкивается самолет, может быть различным: глина, бетон, гранит, гравий и др. [1].

Аналитическое решение задачи столкновения самолета с преградой

Впервые задачу удара самолета о преграду решил американский ученый Дж. Риера при­менительно к оценке состояния сооружений в случае падения на них самолета. Метод рас­чета заключался в том, что самолет схемати­зировался в виде жесткопластического стерж­ня и в каждый момент времени разделялся на примыкающую к преграде смятую часть, скорость которой равна нулю, и часть, насе­дающую на преграду. Нагрузка, действующая на преграду при ударе самолета, определялась из выражения

где Ρ[ξ(t)] - предельная нагрузка разрушения самолета;

ξ(t) - длина самолета, отсчитываемая от его носовой части;

μ[ξ(t)] - погонная масса самолета.

Верификация метода проводилась на основе результатов испытаний самолета Phantom II (подробнее испытания описаны в работе [2] и разделе «Влияние материала пре­грады на нагруженность транспортируемых самолетом грузов» настоящей статьи).

Метод расчета, разработанный Дж. Риерой, получил продолжение в работах отечествен­ных ученых - А. Н. Бирбраера, А. Ю. Роледера и других, которые провели расчеты падений различных самолетов [2]. Самолет Boeing 707, для которого существует аналитический расчет, имеет наиболее близкие самолету Ил-76ТД мас­со-габаритные параметры. Так, длины самолетов Boeing 707 и Ил-76ТД (рис. 1) соответственно равны 44,6 и 46,6 м, высоты - 12,8 и 14,8 м, мак­симальные взлетные массы - 200 и 210 т.

Результаты аналитических расчетов са­молета Boeing 707 приведены в работе [2] в виде графиков распределения погонной массы по длине самолета, а также реакции преграды для различных скоростей подлета самолета к преграде. По данным графикам проводилась верификация расчетной модели рассматрива­емого в докладе самолета Ил-76ТД.

Расчетная модель самолета Ил-76ТД

Расчетная модель самолета Ил-76ТД строилась на основе данных, имеющихся в открытых источниках. При разработке модели ставилась цель максимального соблюдения ее массо-га­баритных характеристик соответствующим па­раметрам самолета Ил-76ТД с максимальной загрузкой топливом.

Моделирование ОГ и элементов их креп­ления в самолете проводилось следующим образом. В носовой части грузового отсека са­молета на длине около 4 м обычно устанавливаются деревянные ящики с документацией и дополнительными деталями. Указанные ящики моделируются одной коробчатой конструкци­ей со свойствами, соответствующими дереву. Далее через 2 м расположены три груза, задан­ные массо-габаритными макетами в виде ку­бов с размером стороны 1,5 м по 2 т каждый. В расчетах не учитывается возможность пластического деформирования ОГ и их разрушения, что позволяет получать более высокие расчетные перегрузки, чем ожи­даются в аналогичной реальной ситуации. Предварительный анализ прочности эле­ментов крепления типовых упаковок, ко­торые имитируются при расчетах грузами, показал, что наиболее слабым элементом являются проушины. Разрушающая нагруз­ка для проушин оценивается около 100 кН. При этом высвобождение упаковок (грузов) из элементов крепления прогнозируется при перегрузке около 10 ед.

Конечно-элементная модель (КЭМ) са­молета (рис. 2) состоит из элементов оболо­чек с возможностью разрушения и удаления по достижении предельной деформации мате­риала (высокопрочного алюминиевого сплава В95 [3]).

Тонкостенные подкрепления корпуса фюзеляжа с преимущественно открытыми профилями (стрингеры, шпангоуты), способ­ные воспринимать относительно малые на­грузку и крутящие моменты при продольном смятии самолета, в расчетной модели не опи­сывались, их влияние учитывалось эквива­лентной толщиной оболочки фюзеляжа, при которой предельная нагрузка разрушения са­молета (величина P[ξ(t)] в формуле (1)) соот­ветствовала аналитической, полученной для аналогичного самолета.

Грузы моделировались твердотельными элементами. Узлы крепления - элементами стержня, работающего только на растяжение, с удалением при достижении разрушающего усилия. Преграда на первом этапе расчетов моделировалась абсолютно жесткой плоской поверхностью, расположенной со стороны но­совой части самолета. На последующих этапах преграда представляла собой массивное тело (масса преграды более чем в 20 раз превышала массу самолета) со свойствами, соответствую­щими материалам возможных препятствий - гранит, глина, бетон, гравийно-галечник.

В связи с симметричностью расчетной схемы относительно плоскости XY рассмат­ривалась половина самолета, отсеченная плос­костью симметрии. Нагружение - всем узлам модели задавалась начальная скорость v.

Верификация расчетной модели самоле­та Ил-76ТД проводилась путем сопоставле­ния с аналитическим решением задачи столк­новения самолета Boeing 707 с преградой, а именно с реакцией преграды на фронтальный удар самолета, летящего со скоростью v = 100, 150, 200 м/с. На рис. 3 приведены графики ре­акции преграды на удар самолета Boeing 707 (аналитическое решение) и самолета Ил-76ТД (численное решение) для случая v = 200 м/с. Сопоставление графиков позволило сделать следующие выводы:

• на всех графиках можно выделить 4 участка: начальный участок с нарастающей силой, обусловленный смятием конической носовой части фюзеляжа; второй участок с силой, близкой к постоянной, обусловленный смятием передней цилиндрической части фю­зеляжа; третий участок переменной силы, ха­рактеризующийся подключением крыльев, ударами двигателей о преграду; четвертый участок с убывающей силой, обусловленный окончанием процесса торможения самолета;
• отличия наиболее динамичных третьих участков графиков связаны с тем, что численный расчет позволяет более точно описать сценарий нагружения, в то время как аналитическая оцен­ка определяет реакцию преграды интегрально;
• максимальные значения реакции пре­грады отличаются не более чем на 15 %.

По результатам верификации сделан вы­вод о том, что процесс нагружения преграды и торможения самолета описывается разра­ботанной КЭМ корректно. Таким образом, данная КЭМ самолета Ил-76ТД (см. рис. 2) отражает его массо-габаритные параметры и силовую характеристику при ударе о прегра­ду [2], она может быть использована для оцен­ки нагруженности перевозимого ОГ в случае аварийного падения самолета.

Результаты расчетов столкновения самолета с абсолютно жесткой преградой

На основе разработанной модели рассмотре­ны задачи столкновения самолета с абсолютно жесткой преградой на скорости от 90 до 240 м/с с углами подлета к преграде - от 0 до 90°. Под­робнее результаты расчетов проанализированы в статье [4]. По результатам анализа был сделан следующий вывод: наиболее интенсивное воз­действие на груз реализуется при фронтальном ударе самолета об абсолютно жесткую преграду со скоростью v = 240 м/с, в этом случае макси­мальная перегрузка на грузе достигает 3 · 10⁴ ед.

Влияние материала преграды на нагруженность транспортируемых самолетом грузов

Следующий этап расчетных исследований посвящен оценке влияния на нагруженность транспортируемых самолетом грузов мате­риала преграды. Рассматривался фронталь­ный удар самолета о преграду со скоростью v = 240 м/с. Характеристики материалов пре­грады (средние значения из работ [5-7]) при­ведены в табл. 1.

Для оценки правильности результатов численных расчетов предварительно были выполнены аналитические расчеты глубин проникания самолета в преграды (Δ ). Этот параметр, наряду с деформированием самоле­та, может существенным образом повлиять на длительность ударного импульса, действую­щего на грузы в самолете. Также рассмотрены результаты имеющихся ударных испытаний самолета и реальных аварийных ситуаций.

1. Глубину проникания упругого сталь­ного ударника с конической формой нако­нечника в немерзлый ( Δ _нм ) и мерзлый грунт ( Δ _м ) можно оценить по эмпирическим формулам из статьи [8].

Для самолета массой m = 2,1 · 10⁵ кг с дли­ной конической части L_N = 3,5 м и v = 240 м/с получаем: Δ_м = 13,4 м, Δ_нм ~ 80 м.

Глубина растрескивания бетона, опреде­ленная по выражениям из работы [2], оцени­вается как Δ₆ ~ 5 м.

Проведенные аналитические расчеты не учитывают деформирование ударника (само­лета), поэтому полученные результаты можно считать верхней оценкой глубин внедрения самолета в преграды.

2. В 1988 г. в Сандийской национальной лаборатории (США) был проведен натурный эксперимент. Самолет Phantom II(масса 20 т) подвергался испытанию на фронтальное столк­новение с преградой на скорости v = 215 м/с [2].

Преграда представляла собой железобетон­ную плиту массой 470 т, установленную на аэростатических подшипниках. В результате удара самолета преграда сдвинулась на 1,83 м. Практически на всей передней поверхно­сти преграды зафиксированы трещины с мак­симальной глубиной выкрашивания около 60 мм. По результатам эксперимента был сделан вывод, что 94 % кинетической энергии самолета Phantom II затрачено на его собственное разру­шение, и только 6 % - на разрушение преграды.

3. Результаты аварийных падений раз­личных самолетов (глубины воронок или бо­розд в грунте) по некоторым данным из от­крытых источников [9] приведены в табл. 2. В последнем столбце указана кинетическая энергия самолета при подлете к преграде, рас­считанная по формуле K = mv² / 2

Анализ данных расчетов, эксперимента и аварий позволяет сделать вывод, что при столк­новении самолета с грунтом без последующего взрыва глубина внедрения может превышать 4 м, при ударе самолета о бетонную преграду ожидается ее растрескивание без значитель­ных внедрений.

Далее проводится численный расчет фронтального столкновения самолета с пре­градой из различных материалов на скорости 240 м/с (без учета возможного взрыва).

Первый расчетный случай - фронталь­ное столкновение самолета с преградой из бе­тона со скоростью 240 м/с. На рис. 4 показано деформированное состояние КЭМ самолета с грузами на борту на различные моменты вре­мени.

В процессе столкновения прежде все­го происходит смятие и разрушение носовой части самолета, затем деформирование ци­линдрической части фюзеляжа и грузового отсека, далее к процессу контакта с преградой подключаются крылья. В результате удара о преграду самолет полностью разрушается. В грузовом отсеке первой сминается дере­вянная коробка. Далее происходит обрыв эле­ментов крепления грузов и их взаимодействие между собой и с элементами самолета. Макси­мальное ускорение грузов (центра масс) дости­гает 150 мм/мс² (1,5 · 10⁴ ед.) (рис. 5).

Аналогичные расчеты были проведены для случаев, когда материалом преграды яв­ляются глина, гранит или гравий. Результаты расчетов представлены в табл. 3.

По результатам расчетов фронтального столкновения самолета с преградами из раз­личных материалов со скоростью 240 м/с сде­ланы следующие выводы:

• минимальные перегрузки на грузах, транспортируемых в самолете (от 5600 до 8800 ед.), максимальные глубины внедрений в преграду (от 6 до 8,5 м) и длительности импульсов ( τ = 4 мс) реализуются при ударе са­молета о преграду из глины или гравия;

• максимальные перегрузки на грузах, до­стигающие 1,5 · 10⁴ ед., ожидаются при столк­новении самолета с преградой из бетона или гранита. При этом реализуется минимальная длительность импульса (τ = 3 мс) и глубина внедрения в преграду (2 м).

Анализ результатов расчетов

Результаты численных расчетов представле­ны в виде маркеров на графике зависимости максимальной перегрузки на грузах в самоле­те от глубины внедрения самолета в преграду n^max (∆) (рис. 6). График представляет собой убывающую функцию, которую на участке Δ от 0,0002 до 8,5 м можно представить в виде логарифмической зависимости:

Графики зависимостей максимальной перегрузки на грузах от времени n^max(t), полу­ченные по результатам настоящих расчетов и из работы [4] для случая столкновения самоле­та с абсолютно жесткой преградой, приведен­ные к одному моменту достижения максимума, показаны на рис. 7. С целью сравнения с дан­ными испытаний и расчетов по оценке состо­яния ОГ при автономном столкновении с пре­градой на скорости 90 м/с (согласно правилам безопасности при транспортировании радио­активных материалов [10], сохранение герме­тичности при указанном испытании являет­ся критерием обеспечения безопасности при воздушной перевозке груза) на рис. 7 также приводятся соответствующие графики n^max(t).

Площади под кривыми n^max(t) при пере­ходе к зависимости силы от времени F(t) пред­ставляют собой значения импульсов силы (N ), действующих на грузы в процессе аварийного столкновения самолета с преградой:

Значения действующих на грузы импуль­сов, полученные по формуле (3), составили:

• при столкновении самолета со скорос­тью 240 м/с с абсолютно жесткой преградой N_с.ж = 4,33-10⁵ Н·с;
• при столкновении самолета со ско­ростью 240 м/с с преградой из бетона N_{с. б} = 4,20-10⁵ H·с;
• при столкновении самолета со скорос­тью 240 м/с с преградой из глины, гравия N_{c. г} = 3,8-10⁵H-с , N_c.гp = 3,5 10⁵Н·с соответ­ственно;
• при столкновении автономного груза с бетонной преградой N_{a. 6} = 3,3 · 10⁵ H · с.

Анализ результатов расчетов позволяет сделать следующие выводы:

• максимальное значение перегрузки, действующей на грузы в самолете, достигает 1,5 10⁴ ед. в случае столкновения самолета с бетонной или гранитной преградой. Если пре­града представляет собой гравий или глину, перегрузка не превышает 9 · 10³ ед.;
• значения импульсов, действующих на грузы в самолете, при фронтальном столкно­вении с преградой на скорости 240 м/с в слу­чае абсолютно жесткой преграды и бетонной преграды отличаются незначительно (на 4 %). Но увеличение длительности импульса спо­собствует снижению амплитуды ускорения в 2 раза (в случае преграды из бетона) и более (в случае преграды из гравия или глины);
• максимальное значение перегрузки, действующей на груз при его ударе со скоро­стью v= 90 м/с о бетонную преграду (1,4 10⁴ ед.), близко соответствующему значению пе­регрузки на грузе в самолете при v = 240 м/с (1,5 · 10⁴ ед.). При этом величина импульса силы, действующего на груз, в последнем случае за счет большей длительности выше на 20 %.

Заключение

На основании разработанной и верифициро­ванной КЭМ самолета Ил-76ТД рассмотрены задачи фронтального столкновения самолета с грузами на борту на скорости 240 м/с с прегра­дой из различных материалов. По результатам расчетов сделаны следующие выводы:

• учет реальных свойств преграды су­щественно влияет на уровень нагруженности перевозимого в самолете груза, зависимость максимальной перегрузки на грузах от глу­бины внедрения самолета в преграду удов­летворительно описывается зависимостью n^max =-2 · 10³ln(Δ) + 1,3 ⋅ 10⁴;
• максимальное значение перегрузки на грузах достигает n^max = 1,5 ⋅10⁴ ед. в случае фронтального столкновения самолета с мас­сивной преградой из бетона или гранита; если преграда представляет собой гравий или глину, величина перегрузки не превышает 9 · 10³ ед.;
• максимальное значение перегрузки, действующей на автономный груз при его уда­ре со скоростью v= 90 м/с в бетонную пре­граду (1,4 · 10⁴ ед.), близко соответствующему значению перегрузки на грузе в самолете при v = 240 м/с (1,5 · 10⁴ ед.);
• полученные параметры нагрузки явля­ются базой для разработки упаковок, конструк­ции которых должны обеспечивать выполне­ние нормативных требований безопасности при транспортировании опасных грузов.