Исследования нагрева хвостовой балки вертолета Ми-38 выхлопными газами двигателей с помощью тепловизионных устройств

Тепловизоры в авиации

В работе описывается применение тепловизионных устройств (тепловизор FLIR Sc7700, тепловизор FLIR SC655, российский тепловизор ИРТИС) для лётных испытаний вертолётов. Изначально задачей исследования являлось визуализация потоков выхлопных газов двигателей вертолёта Ми-38. Мы увлеклись и нетривиальная задача превратилась в исследование, в котором приняли участие специалисты компаний: ОАО «Московский вертолетный завод им. М.Л. Миля», Московский Авиационный Институт (Государственный Технический Университет), АО «Пергам-Инжиниринг». Исследования проводились в 2011 году.

Этапы тепловизионного обследования вертолётов

Смоделировали струю газа вертолёта

На первом этапе на стенде НИГ ОГ, факультет № 2 МАИ была смоделирована струя газа подобная выхлопной струе двигателей вертолёта Ми-38. Из представленных тепловизоров опытным путём был выбран Тепловизор FLIR Sc7700, так как его характеристики (длинна волны регистрируемая матрицей) позволяют визуализировать струю горячего газа, остальные тепловизоры регистрируют нагрев только твёрдых предметов.

Наземные испытания вертолётов

На втором этапе проведены наземные испытания вертолётов. В процессе опробования двигателей проверяют их работу на крейсерском, номинальном, взлетном режимах. Провели общее тепловизионное обследование вертолёта Ми-28Н – он же «Ночной охотник». Тщательно обследовали Ми-38 – российский средний многоцелевой вертолёт. На данном этапе было получено заключение о том, что применяемая аппаратура способна качественно визуализировать потоки выхлопных газов двигателей вертолёта Ми-38.

Лётные испытания вертолёта Ми-38

На следующем этапе были лётные испытания, в небо поднялись два вертолёта Ми-38. В один из вертолётов мы погрузили оборудование и сели сами. Поднялись на высоту около 500 метров, наш вертолёт сопровождения летел немного выше, чтобы удобно было снимать из кабины. Мы периодически приближались, снижали высоту и меняли траекторию полёта. Снимали на разных скоростях от 60 до 280 км/час. В результате наших манёвров мы получили более целостную картину и отчётливые тепловизионные изображения потоков выхлопных газов двигателей на различных режимах полёта. Исследовали нагрев хвостовой балки вертолёта Ми-38 выхлопными газами двигателей.

Результаты испытаний

Сведения об объекте испытаний

Вертолет Ми-38 ОП-2 № RA38012 в транспортном варианте, оборудованный интегрированным бортовым комплексом оборудования ИБКО-38. Полет выполнялся по программе летно-доводочных испытаний опытного образца вертолёта Ми-38. Необходимо было исследовать картины обтекания хвостового оперения для определения причин колебаний вертолета по крену, тангажу и курсу на больших скоростях полета.

Место и время проведения работ

Работы проводились 12 июля 2011 года на базе ЛИК ОАО «МВЗ», г. Люберцы, полет от 12.07.11г.

Цель проводимых проверок

Найти причины колебаний вертолета по крену, тангажу и курсу на больших скоростях полета. Кроме фотографирования картин обтекания хвостовой части вертолёта Ми-38 ОП-2 с вертолёта сопровождения производилась видеосъемка в инфракрасных лучах. Целью съемки являлось определение следов прохождения горячих выхлопных газов двигателей вдоль хвостовой балки относительно стабилизатора и рулевого винта.

Результаты тепловизионного обследования вертолёта

Полет вертолета Ми-38 ОП-2 выполнялся при М_взл=14600кг и средней центровке на Н_б=500…1000м при tнв =+20…+22 ºС. На этой высоте выполнены площадки по скоростям V_пр=60, 100, 150, 200, 240, 260, 280 км/ч, без скольжения. Регистрация обтекания хвостовой балки и замер поля температур на этих режимах выполнялся с вертолета сопровождения.

По указанию Генерального конструктора выполнена замеры поля температур нагрева различных частей хвостовой балки от выхлопных газов двигателей с помощью тепловизионной аппаратуры. Резульаты тепловизионного обследования показали, что во всем диапазоне скоростей от выхлопных газов двигателей наблюдается нагрев хвостовой балки и хвостового оперения, в том числе и нагрев концевой части лопастей рулевого винта (R≈0.5…1).

Термограммы вертолёта Ми-38 в полёте на скорости от 60 до 280 км/ч

Рис. 1 – V_пр=60 км/ч

На рисунке 1 представлены данные с тепловизора, при скорости V_пр=60км/ч, на котором видно, что нагрев хвостовой балки происходит до 74,4 ºС. Самая горячая точка на линии замера температуры находится в районе 5-6 шпангоута хвостовой балки справа по полету (обозначена красным треугольником).

Рис. 2 – V_пр=100 км/ч

На рисунке 2 представлены данные при скорости V_пр=100км/ч, хвостовая балка вертолёта нагревается до 75,9 ºС.

Рис. 3 – V_пр=150 км/ч

На рисунке 3 представлены данные при скорости вертолёта V_пр=150км/ч, хвостовая балка разогрелась до 100 ºС.

Рис. 4 – V_пр=200 км/ч

На рисунке 4 представлены данные при скорости V_пр=200км/ч, нагрев хвостовой балки при увеличении скорости снизился со 100 до 79,9 ºС, температура в месте соединения хвостовой и килевой балок от 54 ºС до 64 ºС.

Рис. 5 – V_пр=240 км/ч

На рисунке 5 представлены данные при скорости V_пр=240км/ч, нагрев хвостовой балки снизился до 65 ºС.

Рис. 6 – V_пр=260 км/ч

На рисунке 6 представлены данные при скорости V_пр=260км/ч, нагрев хвостовой балки ещё немного снизился до 52 ºС, температура стабилизатора 34…38 ºС, температура в месте соединения хвостовой и килевой балок до 54 ºС, нагрев концевой части лопастей рулевого винта (R≈0.5…1) до 46 ºС.

Рис. 7 – V_пр=280 км/ч

На рисунке 7 представлены данные, полученные при тепловизионной съёмке вертолёта на скорости V_пр=280км/ч.  На термограмме видно, что при увеличении скорости вертолёта, нагрев хвостовой балки снижается. Когда стрелка спидометра на фюзеляже сопровождаемого вертолёта дошла до отметки 280, мы снова направили тепловизор на исследуемый вертолёт. Температура нагрева хвостовой части от выхлопных газов снизилась до 52 ºС, нагрев антенны радиостанции «ПРИМА-КВ» до 91 ºС.

Рис. 8 – Термограмма с тепловизора ИРТИС

Интегрированная зависимость распределения температур обшивки по длине хвостовой балки вертолета Ми-38 ОП-2 по скорости горизонтального полета представлена на рисунке 8.

При этом максимальные температуры корпусов опор подшипников трансмиссии хвостового вала, зарегистрированные термопарами на систему бортовых измерений, составили:

• 1-я опора- 44.7 ºС
• 2-я опора- 46.3 ºС
• 3-я опора- 51.6 ºС
• 4-я опора- 56.6 ºС
• 5-я опора- 57.4 ºС.

Следует отметить, что достоверно определить температуру обшивки хвостовой балки с помощью инфракрасной видео съемки не всегда возможно, поскольку хвостовая балка находится в струе выхлопных газов и в некоторых случаях на ИК изображении регистрируется не температура обшивки, а температура выхлопных газов. Поэтому для уточнения поля температур на хвостовой балке целесообразно установить несколько термопар.

Замер поля температур хвостовой балки вертолета Ми-38 ОП-2 выполнялся на гонке при М_взл=14200кг на Н_б=0м при tнв =+23 ºС. Регистрация температур выполнялась из грузовой кабины вертолета с помощью тепловизора ИРТИС.

Рис. 9 – Термограмма обшивки вертолёта

В полученных результатах лабораторных исследований видно, что обшивка хвостовой балки слева по полету с внутренней стороны нагревается до 80 ºС (рисунок 9), справа по полету до 67 ºС(рисунок 8), что согласуется с результатами полученными в полете от 12.07.11г по полетному листу № 6П/06-2011,1П/дополнение 32-2009.

Выводы

1. Удачно выбран тепловизор, способный визуализировать потоки выхлопных газов двигателей вертолёта Ми-38.
2. Получены данные о температурах нагрева хвостовой части вертолёта, качественные термограммы визуализации потоков выхлопных газов двигателей на различных режимах полёта.
3. Исследовали нагрев хвостовой балки вертолёта Ми-38 выхлопными газами двигателей (как качественное, так и количественное).
4. Одновременно исследован нагрев корпусов опор подшипников трансмиссии хвостового вала.
5. С помощью Тепловизора FLIR SC7700 обнаружено попадание струй выхлопных газов двигателя на киль, стабилизатор и рулевой винт вертолёта, что может быть причиной колебаний вертолёта по крену, тангажу и курсу на больших скоростях полета.