Тепловизионная диагностика воды в авиационных сотовых панелях

Тепловизионный контроль

Сотовые конструкции состоят из ячеистых структур, заключенных между двумя обшивками и напоминающих пчелиные соты. Основное преимущество таких конструкций по сравнению с металлическими - удовлетворительная прочность при малом удельном весе, что позволяет применять их для изготовления элементов фюзеляжа, элеронов, закрылков, киля и т.п. Сотовые панели установлены как на зарубежных самолетах (А-310, А-320), так и на новых отечественных самолетах (ИЛ-86, ИЛ-96, ТУ-204 и др.). Для изготовления сотовых панелей применяют разнообразные комбинации металлических и неметаллических материалов.

В авиации наиболее распространены дюралюминиевые и композиционные сотовые панели. Обшивка дюралюминиевых панелей выполнена из дюралюминиевых листов толщиной 0.5-1 мм, а сами ячейки изготовлены из алюминиевой фольги толщиной 0.1 мм. В композиционных сотах обшивка выполнена из угле- или стеклопластика, а в качестве материала ячеек применяют алюминий или бумагу типа Номекс. Разработаны также сотовые панели, полностью изготовленные из нержавеющей стали и титановых сплавов.

В силу конструктивных особенностей, сотовые панели могут содержать внутренние дефекты, которые отличаются от дефектов, характерных для сплошных материалов. Выделяют два типа дефектов сотовых конструкций: 1) дефекты связи обшивки и ячеек; 2) воду, полностью или частично заполняющую ячейки сот. Первый тип дефектов характерен как для стадии изготовления, так и эксплуатации самолетов. Дефекты второго типа возникают в процессе эксплуатации самолетов вследствие проникновения воды через неплотные соединения. Зачастую оба вида дефектов взаимосвязаны, поскольку именно вода в сотах способна вызвать отслоения обшивки от сот и коррозию материала ячеек.

Из вышесказанного ясно, что обнаружение воды в авиационных сотовых панелях является важной научно-технической задачей, связанной с обеспечением надежности самолетов и, в конечном счете, поддержанием безопасности полетов на требуемом уровне.

Российский ГОСТ 18353-79 различает 9 видов неразрушающего контроля (НРК) согласно используемым физическим явлениям: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновый, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами. "Правила аттестации персонала в области неразрушающего контроля (ПБ 03-440-02) Госгортехнадзора вводят уже 11 методов НРК: ультразвуковой, акустико-эмиссионный, радиационный, магнитный, вихретоковый, проникающими веществами (капиллярный и течеисканием), визуальный и измерительный, вибродиагностический, электрический, тепловой, оптический. В целом, классификация методов НРК не успевает за разработкой все новых способов испытаний материалов и изделий, многие из которых используют комбинацию разнообразных физических феноменов.

В нормативных документах (руководящих технических материалах), разработанных в гражданской и военной авиации упоминаются радиационный, ультразвуковой и тепловой методы НРК. Радиационный метод, как правило, используют в двусторонней процедуре, поэтому его реализация вне условий лабораторий затруднительна. Кроме того, авиаперевозчики плохо воспринимают этот метод из-за специфических требований техники безопасности. Фактически, российские авиалинии внедряют ультразвуковой (УЗ) метод НРК воды в сотах, который обеспечивает высокую чувствительность и безопасность испытаний при относительно невысокой стоимости аппаратуры.

Недостатками УЗ метода являются: 1) низкая производительность испытаний; 2) трудность контроля обтекателя, рулей высоты, киля и других вертикальных поверхностей в силу контактного характера измерений; 3) определенные трудности составления карты дефектов, обусловленные дискретным характером измерений. Все указанные недостатки могут быть преодолены при использовании теплового (тепловизионного) метода НРК.

Тепловизионный контроль основан на дистанционном анализе температурных полей на поверхности объектов контроля. Температурные аномалии, трактуемые как отклонения от «бездефектных» температурных значений, могут быть идентифицированы опытным оператором как отпечатки скрытых дефектов. При определенном навыке такое изображение может нести определенную полезную информацию о техническом состоянии самолета и особенностях его эксплуатации. В 2002 г. Томским НИИ интроскопии и компанией ПЕРГАМ при поддержке авиапредприятий «Сибирь» и ИСТ-ЛАЙН выполнены исследования по обнаружению воды с помощью тепловизоров фирмы FLIR Systems (США).

Вода в сотах является «пассивным» дефектом, который не генерирует энергии, поэтому его проявление на контролируемой поверхности возможно при наличии определенной тепловой нестационарности объекта контроля.

Различают пассивный и активный способ диагностики воды в сотовых панелях. Пассивный способ обеспечивает надежные результаты при инспекции композиционных сотовых панелей непосредственно после посадки самолетов. При этом температурный перепад создается разницей между наземной температурой и температурой за бортом в крейсерском режиме полета. В пассивном режиме время полного осмотра самолета не превышает 1 ч. Две характерные термограммы, полученные на композиционных панелях самолета ТУ-204, показаны на Рис. 2. Вода в силу своей высокой теплоемкости сохраняет низкую температуру в течение длительного времени, в то время как несущие конструкции нагреваются окружающей средой. На термограммах вода видна в виде холодных зон, форма и размер которых отражают реальное распределение воды в ячейках сот. В ряде случаев возможен контроль дюралюминиевых сот.

В целом считается, что для контроля дюралюминиевых панелей пассивный способ малоприменим из-за «смазывания» температурных сигналов вследствие высокой теплопроводности алюминия. В частности, в условиях ангара необходимо применять активный способ диагностики, предусматривающий нагрев контролируемых изделий с помощью внешнего нагревателя. В настоящее время применяют оптические нагреватели и воздушные пушки (фены). Для оптического нагрева используют несколько галогенных ламп мощностью 1-2 кВт; при этом основной практической проблемой является наличие бликов отражения от блестящей поверхности, что затрудняет анализ термоизображений.

Воздушный нагрев решает эту проблему, но является менее мощным и, следовательно, применимым для обнаружения достаточно больших количеств воды. В любом случае применение активного контроля означает, что поверхности панелей контролируют от зоны к зоне, причем размер зоны составляет 0.4-0.8 м. На Рис. 4 показаны термограммы дюралюминиевой и стеклопластиковой (с алюминиевыми сотами) панели, полученные при оптическом нагреве. Зоны скопления воды остаются более холодными в процессе нагрева по сравнению с бездефектными участками.

С помощью тепловизоров можно обследовать элементы конструкций, работу приборов, можно предотвратить выход узлов из строя. Существенное различие между термограммами состоит в том, что, в случае стеклопластиковых сот отчетливо прослеживается структура ячеек, тогда как термограмма дюралюминиевых сот имеет более «смазанный» вид. Общий недостаток тепловизионной диагностики — невозможность определить массу воды в сотах, за исключением оценки по площади дефектной зоны в предположении, что вода полностью заполняет ячейки сот.

Ещё необходимо учитывать, что измерительные тепловизоры, с которыми обследуют здания, окна пвх, кровлю, выявляют строительные дефекты, они подходят больше для бытового применения. Для промышленности и авиастроения больше подходят профессиональные высокоточные тепловизоры с большими матрицами и разницой температур.

Таким образом, тепловидение является так называемым скрининговым методом диагностики, хорошо дополняя ультразвуковой метод в части обеспечения сплошного оперативного контроля воды. В настоящее время на повестке дня стоит вопрос разработки и утверждения отраслевых нормативных документов, которые превратят тепловидение в штатный метод диагностики воды в самолетных панелях.