Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

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

Полный текст:

Аннотация

Исследовано аварийное столкновение самолета Ил-76ТД, летящего со скоростью до 240 м/с, с преградой и состояние при этом перевозимых опасных грузов. По результатам расчетов, сопоставлений с имеющимися аналитическими решениями и данными по реальным авариям разработана расчетная модель самолета Ил-76ТД, отражающая его массо-габаритные и силовые характеристики, выполнены оценки параметров действующей на перевозимые грузы ударной нагрузки (импульса) и влияние на них материала преграды. Полученные параметры нагрузки являются базой для разработки упаковок, конструкции которых должны обеспечивать выполнение нормативных требований безопасности при транспортировании опасных грузов

Для цитирования:


Жабунина О.Ю., Никульшин М.В., Путилин О.С. Транспортная авария самолета Ил-76ТД. Оценка нагруженности перевозимых грузов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):73-81.

For citation:


Zhabunina O.Y., Nikulshin M.V., Putilin O.S. Il-76TD air crash. Aircraft loading evaluation. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(4):73-81. (In Russ.)

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.

 

Рис. 1. Изображения самолетов Boeing 707 (а) и Ил-76ТД (б)

 

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]).

 

Рис. 2. КЭМ самолета Ил-76ТД с ОГ:

1 - груз 1; 2 - груз 2; 3 - груз 3; 4 - элементы швартовки

 

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.

 

Таблица 1

Характеристики материалов преград

Параметр

Бетон

Глина

Гравий

Гранит

Плотность, кг/м3

2200

1900

2150

2700

Модуль упругости, МПа

60 000

170

50

75 000

Модуль сдвига, МПа

24 000

64

19

30 000

Коэффициент Пуассона

0,18

0,4

0,3

0,2

Статический предел текучести, МПа

-

2,9

-

-

Статический предел прочности на растяжение, МПа

8

-

-

8

Статический предел прочности на сжатие, МПа

70

10

-

100

Статический предел прочности на сдвиг, МПа

10

-

-

10

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 LN = 3,5 м и v = 240 м/с получаем: Δм = 13,4 м, Δнм ~ 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.

  1. 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.

  1. 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

 

Таблица 2

Данные по аварийным падениям различных самолетов

Самолет (масса)

Условия аварии

Глубины воронок (борозд) в грунте Δ , м

Кинетическая энергия самолета при ударе, Дж

Истребитель МиГ-15 - самолет Ю. Гагарина (6 т)

Московская область, г. Щелково, 1968 г. Самолет упал с высоты около 5 км, под углом 40° врезался в землю на скорости около 190 м/с

2,5

(диаметр воронки 6 м)

2,2 · 108

Ту-154 (104 т)

Иран, 2009 г. Самолет в результате отказа двигателя упал с высоты около 10 км и в момент удара о землю взорвался

10

3,0 · 109

Ан-22 (200 т)

Тула, 2010 г. Самолет в результате отказа рулевого управления упал в лес. Скорость при ударе - около 104 м/с

Около 4 (диаметр воронки 22 м)

1,1 · 109

Истребитель МиГ-29 (29,7 т)

Московская область, Воскресенский район, 2014 г. Самолет упал в песчаный грунт, скорость в момент столкновения около 300 м/с

4(длина борозды 12 м)

1,3 · 109

Су-24 (33,5 т)

Хабаровск, 2015 г. Самолет на этапе взлета врезался в землю на скорости около 200 м/с и взорвался

Около 20

6,7 · 108

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.

 

Рис. 4. Фронтальное столкновение самолета с бетонной преградой при v = 240 м/с: а - t = 14 мс; б - t = 44 мс; в - t = 60 мс; г - t = 140 мс

 

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.

 

Таблица 3

Результаты расчетов фронтального удара самолета Ил-76ТД о преграды из различных материалов

Расчетный параметр

Бетон

Глина

Гравий

Гранит

Перегрузка на грузе 1, ед.

12 000

5600

5800

6200

Перегрузка на грузе 2, ед.

15 000

8300

7300

9200

Перегрузка на грузе 3, ед.

12 000

8800

6000

14 000

Длительность импульса, мс

3

4

4

3

Глубина внедрения в преграду, м

2

8,5

6

1,5

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 nmax (∆) (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 nmax(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 nmax(t).

 

 

Площади под кривыми nmax(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 Nс.ж = 4,33-105 Н·с;
  • при столкновении самолета со ско­ростью 240 м/с с преградой из бетона Nс. б = 4,20-105 H·с;
  • при столкновении самолета со скорос­тью 240 м/с с преградой из глины, гравия Nc. г = 3,8-105H-с , Nc.гp = 3,5 105Н·с соответ­ственно;
  • при столкновении автономного груза с бетонной преградой Na. 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 10ед.), 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 nmax =-2 · 103ln(Δ) + 1,3 ⋅ 104;
  • максимальное значение перегрузки на грузах достигает nmax = 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.

Об авторах

О. Ю. Жабунина
Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина»
Россия


М. В. Никульшин
Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина»
Россия


О. С. Путилин
Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина»
Россия


Для цитирования:


Жабунина О.Ю., Никульшин М.В., Путилин О.С. Транспортная авария самолета Ил-76ТД. Оценка нагруженности перевозимых грузов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):73-81.

For citation:


Zhabunina O.Y., Nikulshin M.V., Putilin O.S. Il-76TD air crash. Aircraft loading evaluation. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(4):73-81. (In Russ.)

Просмотров: 38


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)