Физики-теоретики из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) помогают авиаинженерам не только разобраться в причинах выхода из строя двигателей во время их тестирования, но и разработать методику предотвращения развития критических явлений. Если предложенные в ФИАНе методы будут реализованы в «железе», то многих авиакатастроф удастся избежать.

В основе разработанных в ФИАНе методов регистрации критических явлений и их классификации лежит вейвлет-анализ – математический метод, позволяющий анализировать частотные компоненты сигналов с привязкой их особенностей ко времени. В данном случае вейвлеты помогают предупредить опасные явления в такой временной интервал, когда еще можно успеть что-то предпринять и не допустить их тотального развития.

В одной из первых работ, результаты которой были опубликованы в журнале Control Engineering Practice, по данным, снятым с датчика давления в компрессоре газотурбинного двигателя, мы определили причину, по которой этот самый двигатель был разрушен. Виной тому стал помпаж – срывной режим работы двигателя вследствие нарушения потока воздуха внутри турбины вплоть до изменения направления потока на обратное. По нашим расчетам, предсказать подобное явление можно было за 1–2 секунды до того, как оно произошло, – комментирует один из разработчиков вейвлет-методики предсказания опасных «авиа-явлений» кандидат физ.-мат.наук Владимир Нечитайло.

Для двигателя – это очень большое время, – продолжает он. – Характерные времена, за которые можно что-то «предсказать» с помощью спектрального Фурье-анализа, вообще составляют десятки долей секунды – понятно, что за такое время успеть отреагировать просто невозможно.

Фиановцы, а точнее, Владимир Нечитайло, кандидат физ.-мат.наук Олег Иванов и доктор физ.-мат.наук Игорь Дремин (руководитель группы), уже около десяти лет занимаются решением целого ряда фундаментальных и прикладных задач с помощью вейвлет-анализа. В частности, вейвлеты используются на комплексе ПАВИКОМ для анализа распределения вторичных заряженных частиц в фазовом пространстве (подробнее о ПАВИКОМе). К предупреждению же неисправностей, возникающих в газотурбинных двигателях, их подтолкнуло многостадийное сотрудничество с Центральным институтом авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ), активная стадия которого началась около трех лет назад.

Когда проводятся испытания опытного двигателя, где он исследуется на всевозможные критические режимы для определения запаса по прочности, устойчивости и т.п., то совсем уж этот двигатель ломать никому не хочется. Одно дело – довести его до критических параметров, и совсем другое – довести до того, что все разлетится в разные стороны. И задачей, которую поставили перед нами коллеги из ЦИАМа, было как раз определить насколько это возможно раньше, когда мы в такой режим сваливаемся, то есть предупредить неустойчивость работы до того, как она развилась до максимальной амплитуды, – рассказывает Владимир Нечитайло.

Эту задачу можно отнести к классу эксплуатационно-инженерных. Если реализовать принцип предупреждения критических явлений в некую контрольную систему, которая автоматически, по определенным характерным признакам, будет регистрировать фазу отклонения от стабильной работы двигателя в самом ее зачатке и предпринимать «уравновешивающие» действия, например, сбрасывать обороты двигателя, то избежать авиакатастрофы будет вполне реально. Такой была первостепенная задача, определенная на начальном этапе сотрудничества. Позже, уже совместно, был определен второй класс задач – классификация возникающих в работе двигателя неустойчивостей.

Второй класс задач можно условно назвать так – определение причины нестабильной работы двигателя или вовсе выхода его из строя по показаниям стандартных датчиков. Задача четкой классификации возникающих неустойчивостей в работе двигателя очень важна для авиаинженеров, потому что по внешним признакам критические явления могут быть очень схожи, но причины, их вызывающие, будут радикально различаться, а, следовательно, и способы борьбы с ними с инженерной точки зрения будут тоже разными, – объясняет Нечитайло.

Пока принципы решения упомянутых задач реализованы в виде относительно универсальной компьютерной программы, а физики из ФИАНа работают над реализацией возможности ее полной адаптации под конкретного заказчика. Тогда она сможет стать и «куском» испытательного стенда и важной частью информационно-управляющей системы авиаконструкций.

Детектирование пика конкретного импульса в многочастотном сигнале сравнимой амплитуды (видно, что вейвлет-анализ определяет положение и ширину пика, в то время как Фурье-анализ его не «замечает»)

По материалам АНИ ФИАН-информ