Анализ функциональных возможностей технических средств измерения механических параметров летательных аппаратов

Целью исследования является анализ функциональных возможностей классических и перспективных датчиков контроля механических параметров летательных аппаратов на примере датчиков деформации и вибрации для выявления их актуальных направлений развития.

Методы исследования основаны на понятиях теории сенсорных систем, теории диагностики и прогностики технического состояния летательных аппаратов. Использованы методы многокритериального анализа, параметрического и структурного синтеза. Проанализированы принципы работы, а также функциональные возможности основных классических датчиков, используемых в летательных аппаратах для контроля параметров деформации и вибрации. Произведена критическая оценка возможностей применения анализируемых сенсоров применительно для реализации в различных задачах авиационной диагностики механических параметров.

Результаты. Установлено, что воздействие полетных нагрузок на планер и ответственные узлы летательных аппаратов сопровождается появлением скрытых деформаций в виде механических напряжений, которые разделяются на две составляющие – нормальную и тангенциальную. Получены аналитические зависимости для расчета названных величин при использовании оптоволоконных датчиков с распределенными ячейками Брэгга, преобразующими изменение собственных линейных размеров в изменение длины отраженной волны. Необходимым условием получения корректных результатов измерений является температурная компенсация ячеек, что позволяет локализовать места деформаций с точностью до расположения конкретной ячейки. Представлены практические результаты использования альтернативных датчиков обнаружения скрытых деформаций (трещин) на основе методов радиочастотной идентификации в различных частотных диапазонах.

Заключение. Развитием метода диагностики напряженно-деформируемых состояний узлов авиационного комплекса является использование частотно-доплеровских волоконно-оптических датчиков, имеющих высокое отношение сигнал/шум и сферическую диаграмму направленности, что позволит разработать технические средства мониторинга динамики внутренних деформаций контролируемых агрегатов в режиме реального времени. В качестве перспективных направлений исследований в области создания новых датчиков с новыми физическими свойствами следует рассматривать оптоволоконные брэгговские датчики с наклонной решеткой. Ключевые слова: летательный аппарат; авиационный комплекс; пьезоэлектрический тензодатчик; система радиочастотной идентификации; датчики на основе оптоволокна; ячейки Брэгга; диагностика технического состояния; планер; виброизмерения; деформация механических элементов

1. Методологические основы синтеза систем диагностики технического состояния космических и летательных аппаратов / И. Е. Мухин, А. И. Мухин, С. Н. Михайлов, Д. С. Коптев / Юго-Западный государственный университет. Курск, 2018. 211 с.

2. Мухин И. Е., Селезнев С. Л., Коптев Д. С. Направления и практические результаты создания методов и средств диагностики, и прогностики состояния авиационного комплекса «человек – машина» // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2017. Т. 7, № 3 (24). С. 46–57.

3. Коптев Д. С., Мухин И. Е. Стратегия разработки систем диагностики и прогностики технического состояния перспективных летательных аппаратов // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2019. Т. 17, № 2. С. 65–70.

4. Датчики для измерения, контроля, диагностики и управления физических и технологических процессов: справочник: в 2 т. / под общ. ред. А. В. Гориша. М.: Московский государственный университет леса, 2012. Т. 1, кн. 1. 576 с.

5. Янчич В. В., Панич А. Е. Двухпараметровый пьезоэлектрический датчик поступательного и углового ускорения // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2016. № 2. С. 191–199.

6. Induced superconductivity in the quantum spin Hall edge / S. Hart, H. Ren, T. Wagner, P. Leubner, M. Mühlbauer, C. Brüne, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, A. Yacoby // Nature Physics. 2014. Vol. 10. P. 638–643. https://doi.org/10.1038/nphys3036.

7. Temperature-dependent optical properties of plasmonic titanium nitride thin films / H. Reddy, U. Guler, Zh. Kudyshev, A.V. Kildishev, V. M. Shalaev, A. Boltasseva // ACS Photonics. 2017. Vol. 4, N 6. P. 1413–1420. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00127.

8. Хаханов В. И., Филиппенко И. В. Особенности построения систем радиочастотной идентификации // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2008. № 6/3 (36). С. 9–12.

9. Выбор варианта системы радиочастотной идентификации на основе модифицированного метода анализа иерархий / В. В. Бутенко, С. А. Багдасарян, А. Г. Кащенко, Г. А. Кащенко, Р. В. Семенов // Труды Научно-исследовательского института радио. 2012. № 4. С. 4–9.

10. Радиочастотная идентификация – перспективное направление развития радиоэлектронных систем / B. В. Бутенко, C. А. Багдасарян, Г. А. Кащенко, О. В. Николаев, Р. В. Семенов // Труды научно-исследовательского института радио. 2010. № 3. С. 80–84.

11. Comparison Of Protocols For Ubiquitous Wireless Sensor Network / A. Muthanna, А. Paramonov, А. Koucheryavy, А. Prokopiev // 6th Intern. Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops, ICUMT 2014. St. Petersburg: IEEE Computer Society, 2015. P. 334–337.

12. Identification of the Internet of Things Devices with Augmented Reality Technologies / V. Teltevskaya, V. Zelenov, N. Shustov, V. Kulik, R. Kirichek, M. Makolkina // Telecom IT. 2017. Vol. 5, is. 4. P. 64–70.

13. Wu Hao-Ping. Intelligent Parking Management System Utilizing RFID // The ACM MobiSys 2019 on Rising Stars Forum – RisingStarsForum’19. New York: ACM Press, 2019. P. 37–41.

14. Zhai Yue, Guo Qiang, Min Hao. An Effective Velocity Detection Method for Moving UHF-RFID Tags // 2018 IEEE International Conference on RFID Technology & Application (RFID-TA). Macao: IEEE, 2018. P. 1–5.

15. RFID-Based Navigation of Subway Trains / A. M. Kostrominov, O. N. Tyulyandin, A. B. Nikitin, M. N. Vasilenko, A. T. Osminin // 2020 IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS). Varna: IEEE, 2020. P. 1–6.

16. Unterhuber A. R., Iliev Stoyan, Biebl Erwin. Influence of the Vehicle Velocity on the Number of Reads in UHF RFID Scenarios // 2019 IEEE International Conference on RFID Technology and Applications (RFID-TA). Pisa: IEEE, 2019. P. 421–426.

17. Vehicle identification system through the interoperability of an ultra high frequency radio frequency identification system and its database / Jessie R. Balbin, Ramon G. Garcia, Flordeliza L. Valiente, Brian Christopher F. Aaron, Christopher John D. Celimen, Juan Carlos K. De Peralta, Joshua P. Despabiladeras // 2017 IEEE 9th International Conference on Humanoid, Nanotechnology, Information Technology, Communication and Control, Environment and Management (HNICEM). Manila: IEEE, 2017. P. 1–5.

18. Ерасов В. С., Яковлев Н. О., Нужный Г. А. Квалификационные испытания и исследования прочности авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 440–448.

19. Fiber Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Air Platforms / H. Guo, G. Xiao, N. Mrad, J. Yao // Sensors. 2011. Vol. 11. P. 3687–3705.

20. Волоконно-оптические датчики для мониторинга коррозионных процессов в узлах авиационной техники (обзор) / Е. Н. Каблов, О. В. Старцев, И. М. Медведев, И. С. Шелемба // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 3 (48). С. 26–34. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-3-26-34.