Szolnoki Tudományos Közlemények XIV. Szolnok, 2010. Dr. Szabó László 1 - Dobos Gábor 2 OKTATÓ REPÜLŐGÉP VEZÉRLŐRENDSZER MŰKÖDTETÉS KRITIKUS HELYZETÉNEK VIZSGÁLATA 2008 őszén került a ZMNE Repülő és Légvédelmi Intézet Repülő Sárkány-Hajtómű Tanszékéhez a FESTO cég hidraulikus oktató próbapadja és a hozzá kapott nagy értékű szoftverek. Ezekkel az eszközökkel a repülőgépek hidraulikus és pneumatikus rendszereinek oktatása egy más dimenzióba került. Mielőtt az oktatásban alkalmaztuk volna az eszközöket, kipróbáltuk egyszerű pneumatikus és hidraulikus rendszerek modellezésében. Már az első próbálkozásunk olyan problémát tárt fel, amelyet a repülőgép típusra rendszeresített, sem a légi, sem a földi üzemeltetési leírás nem tartalmazott. A vizsgálat tárgya a Jak-52 repülőgép vezérlési rendszere, ezen belül a féklap vezérlő rendszere. A munkánkkal az volt a célunk, hogy felkeltsük a figyelmet a repülőgép egy konstrukciós problémájára, ami repülésbiztonsági szempontból nem elhanyagolható kritikus helyzetet okozhat. Mivel ezt a repülőgép típust a Magyar Honvédségben a pilóta növendékek alapkiképzésében alkalmazzák, így a problémafelvetést és annak egy, vagy több lehetséges megoldását fontosnak ítéljük. Szükséges elmondani, hogy eddig ebből a konstrukciós problémából hazánkban nem volt rendkívüli esemény, de ha egy probléma fennáll, akkor a véletlenek összejátszása miatt bármikor súlyos események forrása lehet. Ezt konstrukciós problémát vizsgáltuk és modelleztük le FESTO FluidSIM szoftverrel. A program felhasználásával kísérletet tettünk a probléma technikai megoldásaira. AN EDUCATING CRAFT EXAMINATION OF A CONTROL SYSTEM IS TO PRECARIOUS SITUATION OF OPERATION On its 2008 autumn educating hydraulic testing-bench of FESTO arrived at Professorship of the Zrínyi Miklós National Defense University Bolyai János Military Technical Faculty Aviation Training and Air Defence Institute with received the great worth software. Education of the aircraft systems took to different dimension with these set of tools. Before we would have employed the set of tools in education, we had tried at modeling of simple pneumatic and hydraulic systems. Our first attempt has already dug up problem which aircraft had normalized to type neither the aerial nor the operation instruction contained. The examination has an object a craft control system of the Jak-52 brake flap. We had had a goal with our job that we stir up the attention onto one of problem with construction of the aircraft what is not piddling from flying safety viewpoint. Because this the craft type in Hungarian Defence Forces are employing for the pilots at scholars' basic training, so the putting the question to his one or more potential solutions we judge for important one. Necessary to tell, that till now from this problem with construction in our country there was not an unexpected incident, but if a problem exists, then source of heavy events can be because of collusion of the chances any time. We modelled this construction problem with FESTO FluidSIM software besides we deposited a try with exertion of this onto technical solutions of the problem. 1 Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, Bolyai János Hadmérnöki Kar, Repülő és Légvédelmi Intézet, Repülő Sárkány-hajtómű Tanszék, nyugállományú okleveles mérnök alezredes, egyetemi docens H-5008 Szolnok, Pf.1., Email: lacilama@gmail.com 2 imgabris@gmail.com A cikket lektorálta: Dr. Békési László ZMNE főiskolai tanár, PhD.
1. AZ OKTATÓ REPÜLŐGÉP VEZÉRLŐ RENDSZER MŰKÖDTETÉS KRITIKUS HELYZETEI Az oktató, kiképző repülőgépekre jellemzően, úgymint a vizsgált repülőgép -Yakovlev Jak- 52- féklapjának működtetése mindkét fülkéből lehetséges ún. féklap vezérlő karokkal. Normál repülési körülmények alatt a féklap működtetésére sor kerül a repülőgép leszállásakor, azon kívül bármely repülési helyzetben, a korlátozások szerint 170 km/h repülési sebesség alatt, a repülőgép útirányú repülési sebességének csökkentésére. A repülőgép vezető számára kritikus helyzet, amikor a repüléstechnikai előírásoktól eltérő állapot alakul ki ezzel a vezérlés hatékonysága, megbízhatósága veszélyes értéket vesz fel, és a rendszer hatástalan, működésképtelen állapotba jut. A vezérlő rendszer műszaki, konstrukciós kialakítása meghatározza azokat a repüléstechnikai korlátozásokat, amelyek betartása az előbb említett helyzet elkerülését eredményezi. A kritikus helyzetek két tényezőtől függnek alapvetően: az egyik a repülőgép vezérlőrendszer konstrukciós kialakítása, mint technikai tényező és a másik a rendszer vezérlését végző repülőgép vezetője, mint emberi tényező. A kockázatok kialakulását még a repülés térbeli dimenziójában lejátszódó állapotok (pl. időjárás) befolyásolják, így mint zavaró tényezők vesznek részt a vezérlés folyamatában. 1.1. A vezérlő rendszer felépítése, működése A Jak-52 repülőgép a féklapját két darab összekötőrúdon, azokkal összekötött működtető vonórúddal (1.a. ábra) átadott pneumatikus munkahenger erőkifejtése mozdítja a vezérlésnek megfelelően kinti, vagy benti helyzetbe. 1. ábra. a. Féklap működtető mechanizmus vázlata, b. Mozgási síkok A működtető vonórúd mozgása kereszttengely irányú, megegyezik a pneumatikus munkahenger dugattyújának mozgásirányával. Az összekötőrúd a hossz, a kereszt, és a függőleges tengelyek irányában is mozgást végez (1.b. ábra). A léghenger működtetéshez sűrített levegő biztosítja az energiát. A levegő közvetlenül, mechanikusan vezérelt útirányítón kerül a féklap működtető munkahengerbe. A Festo FluidSim programmal készült kapcsolási rajz (2. ábra) a Yak-52 repülőgép féklap vezérlő pneumatikus rendszer elemeit tartalmazza. 2
2. ábra. Kapcsolási rajz (Yakovlev Yak-52) A pneumatikus erőkifejtés mellett, mint az áramlásba helyezett testen légerők is létrejönnek. Ennek a következménye az x, hossztengelyirányú F X ellenállási erő növekedése (3.a. ábra), és a repülőgép mozgási sebességének csökkenése. Emellett bizonyos nagyságú F Y, függőleges tengelyirányú erő (3.b. ábra) is keletkezik a féklap felületen. a. b. 3. ábra. Légerők hatása a vonórúd mozgására a. Légellenállási erő hatása a működtető vonórúd mozgására, b. Felhajtóerő hatása a működtető vonórúd mozgására F vrúd Z =F vrúd ZX +F vrúd ZY (1) F Z =F pneum. + F vrúd Z F S -F a (2) F vrúd Z =f(c X, c Y ) (3) ahol, F vrúd Z a felhajtó és ellenállás erők z tengely irányú eredője a működtető vonórúdon; ΣF Z z tengely irányában ébredő erők eredője a működtető vonórúdon; c x, c y a féklap felhajtó-, és ellenálláserő tényezője. Tehát a féklap α nagyságú szögelfordulását, és a működtető vonórúd l Z [mm] nagyságú elmozdulását a dugattyúrúd bekötésénél átadott F P pneumatikus erő, a dugattyú és a 3
léghengerfal között ébredő F S súrlódási erő, F a tehetetlenségi erő, továbbá a működtető mechanizmuson keresztül légerők Z kereszttengely irányában ébredő F vrúd Z komponense határozzák meg. 1.2. A vezérlő rendszer működtetés konstrukciós kialakításból adódó kockázatai Az oktató repülőgép vezérlőrendszerében a rendszer irányítása, a bemeneti vezérlő jel képzése több helyről, az oktató és a kiképzendő fülkéjéből is lehetséges. A vizsgált oktató repülőgép YAK 52- vezérlő rendszer működés folyamatában a bemeneti és kimeneti jelek felvehető értékeit ún. igazságtáblázat (1. táblázat) foglalja össze. Az alábbi táblázatban négy bemeneti, és kettő kimeneti jel: az első fülke féklap behúzás A, kiengedés B, a második fülke féklap behúzás C, kiengedés vezérlő D jele és a féklap benti F0, a kinti helyzet F1 jele. Féklap bent vezérlése: Féklap kint vezérlése: (4) (5) 1. táblázat Igazságtábla 4. ábra. Vezérlő rendszer logikai ábrája A logikai ábra (4. ábra) a pneumatikus vezérlő rendszer felépítésének megfelel: útváltó szelep, kettős visszacsapó (VAGY) szelep, léghenger. Az első és a hátsó fülkéből működtető karral vezérelt útirányítóinak kapcsolási helyzete (a vagy b) határozza meg a léghenger helyzetét (a 5. ábrán l Z = 0-100 mm), ezáltal a féklap kinti ill. benti állását. A vizsgált oktató repülőgép féklap vezérlés hátsó fülkéből felülbírálásához, a vezérlés bemeneti jel értékének változtatásához semleges helyzetbe kell állítani a működtető kart az első fülkében. 4
féklap kint 5. ábra. Vezérlés funkciódiagramja féklap bent 2. A VEZÉRLŐ RENDSZER MŰKÖDTETÉS TECHNIKAI JELLEGŰ KOCKÁZAT CSÖKKENTÉSÉNEK MEGOLDÁSAI A vezérlőrendszer kialakításakor elsődleges szempont a vezérlési feladat bármely fülkéből végrehajtható legyen, emellett az oktató fülkéből a kiképzendő fülkéből adott vezérlő jel felülbírálhatósága, új rendelkező jel létrehozása. A vezérlő rendszerben az alap irányítási feladatot ellátó elemeken kívül olyan elemeket kell beépíteni, amely a bemeneti jelet megváltoztatja. Sajátosan az oktató repülőgép esetében a tréner fülkéből lehetséges a vezérlés felülbírálása. Technikailag mechanikus, pneumatikus, elektronikus blokkoló egység rendszerbe integrálásával csökkenthető a vezérlés technikai jellegű működtetési kockázata. 6. ábra. Vezérlés mechanikus blokkoló egységgel Az első megoldásban az eredeti elemek kiegészültek egy 2/ 3-as mechanikusan vezérelt, rugós visszatérítésű útváltó szeleppel, egy vezérlő, pneumatikus munkahengerrel és egy kettős visszacsapóval 6. ábra. 5
7. ábra. Vezérlés pneumatikus blokkoló egységgel A második megoldás az előzőtől abban különbözik, hogy a 3/ 2-es útváltó szelep pneumatikusan vezérelt nem pedig mechanikusan 7. ábra, elmaradhat a vezérlő munkahenger. a. b. 8. ábra. Elektronikus vezérlő egység felépítése a. Pneumatikus kapcsolási rajz, b. Elektromos kapcsolási rajz Az elektromosan vezérelt (8. ábra) útirányító szelepek működése a repülőgép első és hátsó- vezetőfülkében lévő féklap vezérlő kapcsolókkal vannak távvezérelve. A féklap kiengedésekor vagy a behúzásakor a megfelelő kapcsoló működtetése zárja az áramkört és ezzel egy időben a hozzá kapcsolt elektromágnes feszültség alá kerül és behúz. Ekkor az útváltó szelep körtolattyúja a vezérlés szerint nyitja vagy zárja a táplevegő illetve a kifújás csőszakaszokat. 6
a. b. 9. ábra. Vezérlés digitális kapcsolási rajza a. Bemeneti és kimeneti egységek kapcsolási rajza, b. Logikai modul kapcsolódása be-, kimenethez A digitális technika (9. ábra) segítségével lehetőségünk van a féklap helyzeteit vezérlő automatikai rendszert alkalmazni. Így a féklap működtető léghengerek táplálását, az első és a hátsó fülke útváltó szelepek működési helyzeteit egy programozható logikai vezérlőegység (10. ábra) határozza meg (Programable Logic Controller). 10. ábra. Logikai modul 3. ÖSSZEFOGLALÁS, INTELLIGENS TECHNIKAI RENDSZEREK A KRITIKUS HELYZETEK MEGELŐZÉSÉBEN A kiképző, gyakorló repülőgépben a vezérlőrendszer irányítására a kiképzendő, gyakorló repülőgép vezető adja a bemeneti vezérlőjeleket az első fülkében: a féklap működtető kar ki vagy benti helyzetbe állításával. Az értékek változtatására a hátsó fülke féklap vezérlő karral képes a tréner a hátsó fülkéből, adott rendelkező jellel. Azonban a vezérlőrendszer konstrukciós kialakítása alapvetően meghatározza a bemeneti jelek megadásának prioritását a fülkék között. A 2. fejezetben bemutatott megoldásokban a hátsó fülke vezérlési jeleinek prioritása minden esetben magasabb, mint a hátsó fülkéből adott bemeneti jeleké. Ez azt jelenti, hogy a tréner beavatkozása, vagyis a kiképzendő által bevitt vezérlő jel felülbírálás során azonnal ill. a rendszer technikai sajátosságától függően a beavatkozó, rendelkező jel szerint változik meg a végrehajtó jel értéke. 7
A korszerű kiképző repülőgépek kormányzása, a fel- és leszálló rendszerek, a hajtómű vezérlési rendszere összehangolt vezérléstechnikai rendszerbe integrált. Ebben a komplex irányítási rendszerben a kritikus helyzetek nem kizártak, de a vezérlő jel megfelelő korrigálása vezérléstechnikailag (11. ábra) megoldott. Szenzorok Bemeneti modul Központi Vezérlő Egység Logikai összefüggés Kimeneti modul Aktuátorok FELHASZNÁLT IRODALOM 11. ábra. Komplex irányítási rendszer [1] Bevezetés a pneumatikába. Festo, Budapest, 2001. [2] BOZÓ-CSANAK, Pneumatikus berendezések üzemeltetése és karbantartása, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1975. [3] The definitive pilots operating handbook for the Yakovlev Yak 52, Bona Sera Investments (Pty) Ltd., 2003. [4] G. PREDE-D. SCHOLZ: Electropneumatics. Festo, Denkendorf, 2002 8