Способ испытаний летательных аппаратов на избирательность ударов молнии Российский патент 2023 года по МПК G01R31/00 G01R29/12 

Изобретение относится к области электромагнитных испытаний для оценки зон наиболее вероятного поражения летательного аппарата молнией.

Известен способ многократного воспроизведения искровых разрядов воздушного промежутка между проводящей заземленной поверхностью и заостренным потенциальным электродом, в котором размещается модель летательного аппарата, при этом максимальный линейный размер модели равен одному метру или более и должен иметь заданное соотношение с длиной искрового промежутка [1]. В нормативно-технической документации определено, что необходимая минимальная длина искрового промежутка складывается из минимальной высоты размещения модели над проводящей поверхностью, равной 1 метру, и минимальной высоты размещения потенциального электрода над моделью h:

Расстояние от верхней точки модели до потенциального электрода равно:

где - максимальный линейный размер модели,

- максимальный линейный размер летательного аппарата.

Например, для самолетов, имеющих максимальные размеры 20 м, длина искрового промежутка должна быть не менее 3,5 м (при минимальных размерах моделей). Точки попадания искры в модель фиксируются фото- или видеоаппаратурой. Для надежной статистической обработки результатов испытаний требуется воспроизводить до тысячи пробоев искрового промежутка.

Для таких испытаний требуется обеспечить высокое напряжение, что достигается использованием различных генераторов импульсного напряжения (ГИН).

Современные ГИНы позволяют обеспечить выходное напряжение до 9 мегавольт, то есть длина пробиваемого ими искрового промежутка может достигать 10 м. В качестве примера можно привести ГИН из состава экспериментальной базы ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Истра) [2].

Наиболее близким для достижения указанного ниже технического результата является способ формирования высокого напряжения, достаточного для пробоев искровых промежутков длиной в несколько метров [3], в котором используется генератор импульсных напряжений (ГИН), собранный по схеме Аркадьева-Маркса и имеющий от 10 ступеней высоковольтных конденсаторов различной номинальной емкости. Указанный способ принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе ГИН, состоящий из 10 ступеней по одному конденсатору емкостью 17 нФ в каждой, обеспечивает выходное напряжение до 1,2 MB, достаточное для пробоя искрового промежутка длиной около 1,5 м. С учетом необходимости обеспечения равномерного заряда всех ступеней его время составляет около 3-4 минут [4]. Кроме того, ГИНы на 2-3 MB выходного напряжения и выше размещаются, как правило, на открытой местности [5], что делает испытания зависимыми от погодных условий - при высокой влажности их работа небезопасна, а при ярком солнечном свете затруднена фото- и видеофиксация точек попадания искры в модель. Также важной особенностью таких испытаний является низкая надежность конденсаторов ГИНа, работающих для обеспечения наибольших выходных напряжений на 80-100% от номинального напряжения. При такой работе в практически непрерывном режиме вероятность внутреннего пробоя конденсаторов резко возрастает, а их диагностика и замена, как правило весьма трудоемки.

Таким образом, решение задачи обеспечения испытаний моделей летательных аппаратов на избирательность ударов молнии должно идти по следующим направлениям:

1. Обоснование уменьшения длины искрового промежутка для уменьшения требований к выходному напряжению испытательного оборудования.

2. Определение технических решений, уменьшающих зарядные емкость и напряжение испытательного оборудования и, как следствие, время заряда накопителей энергии испытательного оборудования.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем:

1. Точки входа и выхода искры в летательный аппарат определяются в ходе испытаний раздельно. При этом в первом случае его модель заземлена в нижней части, а во втором - электрически соединена с высоковольтным электродом испытательного оборудования. Это позволяет уменьшить длину искрового промежутка, который необходимо пробить, или, соответственно, обеспечить испытания моделей летательных аппаратов меньшего размера при неизменном выходном напряжении. Указанное решение, однако, приводит к увеличению числа необходимых пробоев искрового промежутка в два раза.

2. Для воспроизведения пробоев искровых промежутков используется резонансный трансформатор (трансформатор Тесла), обеспечивающий необходимое напряжение на вторичной обмотке при использовании в первичной одного-двух высоковольтных (напряжение заряда до 60 кВ) конденсаторов. Это позволяет уменьшить емкость и, следовательно, время заряда накопителей энергии испытательного оборудования до 10 и более раз, а также уменьшить его габариты. Указанное решение, однако, не позволяет оценить полярность напряжения, на котором произошел пробой. Кроме того, в первичной обмотке может использоваться малоступенчатый (2-3 ступени) ГИН, что позволяет снизить напряжение заряда конденсаторов (до 30 или 20 кВ) при незначительном увеличении заряжаемой емкости (соответственно в 2-3 раза) и увеличить надежность их работы.

3. Для определения полярности напряжения вторичной обмотки резонансного импульсного трансформатора, на котором произошел пробой, используется датчик импульсного электрического поля, размещаемый на малом (5-10 м) удалении от резонансного трансформатора. Временная форма электрического поля, создаваемого напряжением на вторичной обмотке резонансного трансформатора, выводимая на осциллограф, дает в режиме реального времени необходимую информацию.

Технический результат заключается в уменьшении требований к выходному напряжению испытательного оборудования и уменьшении его габаритов при испытаниях летательных аппаратов на избирательность ударов молнии, а также в уменьшении времени, необходимого на их проведение.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе испытаний воздействию электрического пробоя подвергают уменьшенную модель летательного аппарата, новым является то, что токи входа и выхода молнии в нее определяются поочередно, при этом модель в первом случае заземляется в нижней части, а во втором - соединяется с высоковольтным выходом испытательного оборудования, которым является резонансный трансформатор с накопителем энергии - высоковольтным конденсатором или малоступенчатым ГИНом в первичной обмотке, полярность напряжения пробоя определяется с помощью датчика импульсного электрического поля. Таким образом, требуемая длина пробиваемого искрового промежутка уменьшается за счет отсутствия ее участка под (при определении точек входа) и над (при определении точек выхода) моделью, а габариты и время заряда испытательного оборудования уменьшаются за счет использования в качестве накопителя энергии одного конденсатора. Поскольку в известном способе испытаний используемые ГИНы имеют от 10 ступеней, увеличение числа воспроизводимых пробоев в два раза в предлагаемом не приводит к увеличению времени испытаний, поскольку емкость и время ее заряда уменьшаются от 10 раз. На практике в каждой ступени ГИН используется до 16 конденсаторов, что обуславливает уменьшение времени заряда до 160 раз, а в случае использования в первичной обмотке малоступенчатого ГИНа 13 - до 50-80 раз.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

исключение какой-либо части (элемента, действия) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и пр.);

увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;

выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Перечень фигур

На фиг. 1 представлен внешний вид испытательного оборудования и объекта испытаний.

1 - Установка "Тесла"

2 - Высоковольтный электрод

3 - Датчик импульсного электрического поля

4 - Заземленная плоскость

5 - Изолирующая подставка

6 - Макет летательного аппарата

На фиг. 2 представлена электрическая принципиальная схема испытательного оборудования - резонансного трансформатора.

7 - Резистор

8 - Конденсатор ИК-100-0,1

9 - Разрядник

10 - Импульсный трансформатор

11 - Тороидная емкость

12 - Искровой промежуток

13 - Малоступенчатый ГИН

На фиг. 3 представлены осциллограммы импульсных электрических полей, зарегистрированные вблизи резонансного трансформатора.

14 - Пробой отсутствует

15 - Пробой на отрицательной полуволне

16 - Пробой на положительной полуволне

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата:

Для воспроизведения искровых промежутков предлагается использовать резонансный трансформатор, в качестве импульсного источника питания (ИИП) которого используется импульсный конденсатор ИК-100-0,1 или двух-трехступенчатый ГИН, собранный на таких конденсаторах. ИИП размещен на диэлектрической подставке.

Первичная обмотка представляет собой два плоских изолированных между собой кольцевых витка медной фольги наружным диаметром 1,2 м.

Вторичная обмотка представляет собой 2000 витков одножильного изолированного провода, намотанных на текстолитовый столб высотой 3,2 м.

Зарядное устройство состоит из лабораторного автотрансформатора, питающего высоковольтный трансформатор, на выходе которого стоит диодный выпрямитель.

Система управления позволяет дистанционно с помощью электрического двигателя менять число витков вторичной обмотки автотрансформатора. Принципиальная электрическая схема резонансного трансформатора (при использовании в качестве ИИП трехступенчатого ГИНа) приведена на фиг. 2.

Принцип работы высоковольтного резонансного трансформатора заключается в следующем [6]. Конденсатор, заряженный до напряжения 60-90 кВ, разряжается на первичную обмотку. Режим разряда - колебательный. Напряжение на вторичной обмотке достигает уровня пробоя искрового промежутка.

Для оценки полярности полуволны выходного напряжения в момент пробоя используется датчик импульсного электрического поля. Он размещается на расстоянии в 5-10 м от резонансного трансформатора. В ходе проведения испытаний было установлено, что пробои с равной вероятностью происходят на различных полярностях напряжения, т.е. число воспроизводимых пробоев при испытаниях является оптимальным. Типовые осциллограммы напряженностей электрического поля при пробоях, возникающих на положительной и отрицательной полуволнах напряжения, а также при отсутствии пробоя приведены на фиг. 3.

Преимущества предложенного способа испытаний состоят в следующем.

1. Практически неограниченное количество воспроизводимых импульсов за малое время (время заряда ГИН не превышает 30 секунд).

2. Высокая ремонтопригодность установки. Так, на замену конденсатора 8 ГИН требуется 5-10 минут, на устранение обрыва соединительных проводов - 15-20 минут, устранение межвиткового пробоя первичной или вторичной обмоток импульсного трансформатора - 1 час.

3. Простота конструкции, мобильность в пределах высоковольтного зала и испытательной площадки, дешевизна.

Предложенный способ имеет недостаток - ограниченные размеры испытываемой модели - не более 0,74 м (при заданном в [1] 1 м). Такие размеры обусловлены максимальной длиной обеспечиваемого искрового промежутка, равной 2,84 м. Дело в том, что согласно требованиям НТД, расстояние под моделью должно быть не менее 1 м.

Данный недостаток решается путем раздельного исследования точек входа и выхода молнии в летательный аппарат.

При определении точек «входа» модель в нижней части электрически соединяют с заземленной плоскостью, за счет чего потенциальный электрод поднимают над моделью на предельную высоту (нет необходимости обеспечивать пробой искрового промежутка под моделью длиной не менее 1 м). При определении точек «выхода» модель размещают на максимальной высоте подвеса потенциального электрода и электрически соединяют с ним. Таким образом, обеспечиваемой установкой длины искрового промежутка (2,84 м) достаточно для испытаний моделей с размерами 1/17 реального летательного аппарата и более. При этом необходимо увеличить количество пробоев в два раза относительно требований документа, что в предлагаемом способе не создает трудностей.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения (способа) следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в авиастроении;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Источники информации

1. RTCA/DO-160G, Environmental Conditions Initiated by: AIR-100 and Test Procedures for Airborne Equipmen.06.22.2011.

2. Высоковольтный научно-исследовательский центр [электронный ресурс], http://www.vei-istra.ru/ 29.05.2023.

3. Федоров А.А. Генератор импульсных напряжений. Патент РФ на изобретение №488557/21 от 08.10.1990.

4. Авруцкий В.А, Киселев В.Я., Кужекин И.П. Генераторы импульсных напряжений, Москва. 1980.

5. Пичугина М.Т. Мощная импульсная техника, издательство Томского политехнического университета. 2013.

6. Хвитько К.В. Актуальные проблемы энергетики - 2016. Устройство и принцип действия трансформатора Тесла. Стр. 516-520.

Изобретение относится к области электромагнитных испытаний для оценки зон наиболее вероятного поражения летательного аппарата молнией. Сущность: испытание летательных аппаратов на избирательность молниевых разрядов заключается в воспроизведении искровых разрядов в воздушном промежутке, в котором размещается модель летательного аппарата, наибольший линейный размер которой в 2,5-3 раза меньше длины воздушного промежутка. Для обеспечения пробоя воздушного искрового промежутка используется резонансный трансформатор. Точки входа и выхода лидера молнии определяются раздельно. При определении точек входа молнии модель летательного аппарата заземляется в нижней части. При определении точек выхода модель соединяется с высоковольтным выходом резонансного трансформатора. Полярность напряжения, на котором произошел пробой воздушного промежутка, определяется по показаниям размещенного на малом удалении от резонансного трансформатора датчика напряженности импульсного электрического поля. Технический результат: уменьшение требований к выходному напряжению испытательного оборудования и уменьшение его габаритов, уменьшение времени, необходимого на проведение испытаний. 3 ил.

Способ испытаний летательных аппаратов на избирательность ударов молнии, заключающийся в воспроизведении искровых разрядов в воздушном промежутке, в котором размещается модель летательного аппарата, наибольший линейный размер которой в 2,5-3 раза меньше длины воздушного промежутка, в количестве, достаточном для статистической обработки, и определении с помощью фото- и видеофиксации местоположения на летательном аппарате областей попадания и выхода молний, отличающийся тем, что для обеспечения пробоя воздушного искрового промежутка используется резонансный трансформатор, а точки входа и выхода лидера молнии определяются раздельно, при этом при определении точек входа молнии модель летательного аппарата заземляется в нижней части, а при определении точек выхода модель соединяется с высоковольтным выходом резонансного трансформатора, при этом полярность напряжения, на котором произошел пробой воздушного промежутка, определяется по показаниям размещенного на малом удалении от резонансного трансформатора датчика напряженности импульсного электрического поля.