«Идем правее, на солнце, вдоль рядов кукурузы». Эти знаменитые слова произнес в августе 2019-го бортпроводник самолета А-321 после того, как лайнер чудом сумел приземлиться на поле рядом с Жуковским и пассажиры спустились на землю. После столкновения с чайками аэробус потерял оба двигателя. Через год похожая ситуация произошла в Новосибирске. В воздухозаборник самого большого в мире серийного самолета Ан-124 попала птица, лопатка двигателя разлетелась, ее обломок перерубил провода и полностью обесточил транспортник. Без электронного управления, тормозов, реверса, одного двигателя и связи экипажу удалось посадить самолет. Но история знает достаточно случаев, когда столкновение с птицами приводило к авиакатастрофам. Самая крупная произошла в 1960 году в Бостоне, когда из-за столкновения со стаей скворцов рухнул турбовинтовой самолет L-188, погибли 62 человека.

Как говорят эксперты, даже небольшой камешек, угодивший в двигатель, по разрушительной силе равен пулевому выстрелу. Что уж говорить о птице. Поэтому ученые и инженеры пытаются разработать материалы, способные выдержать нагрузку как от случайно попавшего предмета, так и от штатной работы двигателя. С течением времени металл устает, теряя свои главные свойства – прочность и пластичность, то есть снижается его сопротивляемость нагрузке. Как продлить ресурс двигателя, чтобы гарантировать безопасность людей в полете?

Именно на этот вопрос пытаются ответить сотрудники лаборатории физических основ прочности Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук. Их проект «Закономерности критичности в материалах с дефектами, разработка подходов по мониторингу и прогнозированию ресурса при широкодиапазонном силовом и энергетическом воздействии (приложения в авиационном моторостроении)» был поддержан грантом Российского научного фонда по престижному конкурсу «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня».

– Вообще, авиационный двигатель для пассажирского самолета – это одна из самых сложных конструкций, именно поэтому их производят всего несколько компаний в мире, – рассказывает заведующий лабораторией профессор, доктор физико-математических наук Олег Наймарк. – Они используют для этого консолидированный передовой технологический и научный потенциал. Мы являемся академической лабораторией, задача которой – получение знаний в области физики и механики разрушения, которые позволяют производителям обосновать инженерные решения для достижения необходимого ресурса применительно к условиям эксплуатации двигателей. Отмечу, что поведение материалов с дефектами относится к сложнейшим фундаментальным проблемам физики. Оно обусловлено уникальным свойством дефектов как локальных изменений симметрии. Это важнейшее понятие физики для так называемых «критических систем», что и отражено в названии проекта.

– Наука о прочности и надежности деталей и конструкций называется «сопротивление материалов». Во всех технических вузах сопромат всегда считался самым сложным предметом. А мы говорим об усталости материалов. Как эти понятия связаны?
– Мы привыкли использовать слово «усталость» по отношению к живым организмам, в первую очередь к людям. Но, как показывают современные исследования, механизм усталости у живых клеток и, например, у металлов имеет ряд общих признаков. В новой области биофизики механобиологии процесс трансформации здоровой клетки в раковую имеет признаки «охрупчивания», отражающие уменьшение способности клетки адаптироваться к «поврежденности».

С металлами происходит нечто похожее. С течением времени в материале образуется много дефектов, микротрещин. Пока идет накопление дефектов, но еще не пройдена критическая стадия, материал живет, конструкция работает. Потому что естественное состояние функционирующего материала – накопление дефектов. На этом этапе у металла, как и у человека, действует адаптационный механизм, который позволяет ему противостоять стрессам – тем самым микроповреждениям. Но когда концентрация дефектов становится критической, появляется трещина, способная разрушить материал. Таким образом, усталость металлов можно определить как исчерпание «адаптационной» способности вещества выдерживать нагрузку. И в этой ситуации важно понять, в какой момент происходит переход между этими двумя стадиями.

– Какие нагрузки больше всего способствуют усталости металлов?
– Традиционно выделяют два характерных типа усталостного разрушения в зависимости от амплитуды нагрузки: так называемая мало- и многоцикловая усталость. Возьмем квазистатическую нагрузку. Или, простыми словами, начнем растягивать металлический образец. При определенной нагрузке он не выдержит и разрушится. Но если нагрузку немного уменьшить, то какое-то небольшое количество циклов «растяжения – сжатия» (например, тысячу) материал выдержит до разрушения. Этот режим называется малоцикловой усталостью.
Но вот если нагрузку уменьшить существенно, чтобы количество циклов «растяжения – сжатия» дошло до 10 миллионов (это 10 в 7 степени), то это уже будет многоцикловый режим нагружения. А если до 10 в 9-10 степени, то гигацикловый режим.

– И для чего это знание может пригодиться на практике?
– Все ведущие мировые корпорации стремятся к тому, чтобы конструкция двигателя, как и самолета, служила долго, удовлетворяя жестким требованиям безопасности. Прогресс в разработке новых материалов стимулирует корпорации к созданию конструкций, например, лопаток вентилятора двигателя, с усталостным гигацикловым ресурсом до 10 в 9-10 степени, в отличие от многоциклового 10 в 7 степени, на который сейчас ориентируются. Это существенное увеличение времени эксплуатации двигателя и его надежности.

– Вы говорите о лопатках вентилятора двигателя. А почему эта деталь оказалась в центре вашего внимания?

– Лопатка – одна из самых нагруженных деталей газотурбинного двигателя, обеспечивающая его способность, взаимодействуя с воздушным потоком, создавать «тягу» двигателя. Высокие скорости вращения, переменные интенсивные нагрузки на различных этапах полетного цикла предполагают исследование свойств материалов и оценку надежности конструкции во всех перечисленных режимах.

– Вы занимаетесь исследованием стадийности разрушения металлов в двигателе ПД-14. Этот силовой агрегат используется в наших самых современных гражданских самолетах, в том числе в МС-21 и SSJ-100. Разрешение на серийное производство двигателя ПД-14 было выдано еще в 2021 году, но при этом РНФ выделил вам грант на исследования. Чем, на ваш взгляд, заявка так заинтересовала Фонд?
– Во-первых, до получения гранта лаборатория выполнила ряд контрактов с Объединенной двигателестроительной корпорацией, имеющих отношение к данному двигателю. Лаборатория располагает возможностями для проведения современных исследований. БÓльшая часть сотрудников имеет опыт сотрудничества в рамках совместных проектов с ведущими мировыми лабораториями как раз в этой области. Многие пришли к нам студентами, у нас стали докторами и кандидатами наук и работают в нашем институте.

В основу нашего проекта положены результаты фундаментальных исследований лаборатории при изучении поведения материалов с дефектами, понимание связей процессов разрушения со структурой материалов. Мы располагаем уникальной базой, благодаря которой весь спектр широкодиапазонных экспериментов, совмещенных с современными системами регистрации, обработкой данных, структурными исследованиями и моделированием, реализуется одним исследовательским коллективом. Экспериментальные комплексы в значительной степени созданы нашей лабораторией за счет «заработанных» средств (международные проекты, индустриальные контракты). Например, из суммарных 32 миллионов средств ежегодного финансирования РНФ и софинансирования со стороны ОДК до 10 миллионов каждый год направляется на приобретение оборудования.

Ну, и вторая причина актуальности нашего исследования заключается в том, что оценка ресурса двигателя «по состоянию» сейчас очень востребована. В решение фундаментальных задач в этой области во всем мире сейчас вкладываются значительные средства, что и определяет в конечном итоге прогресс в авиационном моторостроении. Аналогичная ситуация складывается в атомной энергетике, когда решение фундаментальных проблем материаловедения позволяет на основе регулярных инспекций и новых подходов прогнозировать продление ресурса.

– Эксперты связывают прогресс в авиастроении с продлением усталостного ресурса материалов до гигациклового значения. В чем сложность этой задачи?
– Проблема заключается вот в чем. При многоцикловом нагружении трещины всегда зарождаются около поверхности. Их можно обнаружить визуально. И прогноз ресурса «по состоянию» основан на анализе кинетики роста этих трещин и предотвращения ситуации их неконтролируемого (закритического) роста и разрушения конструкции.

При гигацикловых режимах нагружения усталостная трещина зарождается и растет изнутри, из объема конструкции, и ее появление на поверхности соответствует уже закритической стадии разрушения. Тут традиционные методы инспекции не работают.

Эта ситуация обозначила целый ряд инженерных проблем диагностики развития усталостной поврежденности, в основе которых лежат фундаментальные проблемы определения стадийности развития разрушения. Именно они стали одними из ключевых для нашей лаборатории. Их решение позволит сформулировать нормы, которые обеспечат эксплуатацию до гигациклового режима. А это, в свою очередь, позволит обоснованно увеличить ресурс двигателя.

– В процессе испытаний вы постоянно фиксируете все параметры материалов. Это же огромный массив данных. А как происходит их осмысление? Искусственный интеллект привлекаете?
– В составе лаборатории имеется квалифицированная группа специалистов по моделированию, анализу и обработке данных, которая принимает участие также в отработке экспериментальной стратегии и стратегии структурных исследований. Искусственный интеллект вряд ли сопоставим с интеллектом квалифицированных сотрудников именно в силу сложности фундаментальных проблем и необходимости их доведения до инженерного решения.

– Вы занимаетесь еще и проблемой соударения лопаток двигателя с посторонними предметами. Другими словами, изучаете, как попадание птиц или любых других предметов в двигатель во время полета может сказаться на его ресурсе. Насколько это серьезная инженерная и фундаментальная проблема?
– Это действительно одна из ключевых проблем надежности двигателя – с катастрофическими последствиями в случае разрушения лопатки в полете. Ведущие мировые авиационные корпорации уделяют очень большое внимание вопросам попадания посторонних предметов в двигатель. В частности, во многом из-за этого в США была принята национальная программа в области усталости. В числе основных ее положений как раз были обозначены фундаментальные проблемы.

Дело в том, что механизмы поврежденности лопатки при ударном воздействии и вследствие усталости материала (в ходе полетного цикла) имеют существенные различия. Вот почему необходимо было создать методики, основанные на результатах фундаментальных исследований. Для этого мы в лабораторных условиях имитировали динамическое и последующее циклическое (усталостное) нагружение.

– Каким образом вы имитируете нагрузки?
– Например, чтобы имитировать удар и зафиксировать, как реагирует на него металл, мы создали уникальные баллистические комплексы. Они позволяют исследовать стадийность развития разрушения за миллионную долю секунды. Таким образом, мы получили количественные характеристики, отражающие «толерантность» – степень «восприимчивости» материала, подвергнутого случайным динамическим нагрузкам различной интенсивности, к последующим усталостным (циклическим) нагружениям. А дальше вступает в дело моделирование. Другими словам, математическое описание процесса развития поврежденности, перехода его в критическую стадию. При этом именно роль моделирования является определяющей, так как лежит в основе стратегии экспериментальных и структурных исследований, а также методов инженерных расчетов при создании конструкций.

– С какими сложностями приходится сталкиваться?
– Мы в течение десятилетий развивались как лаборатория, ориентированная на решение актуальных практических задач. Наш потенциал, созданный за все эти годы, оказался востребованным. Но задачи, которые нужно решить на фундаментальном уровне, настолько сложные и актуальные, что для их решения, на мой взгляд, необходимо разработать и принять соответствующие Национальные программы.

Источник: научно-информационный портал «Поиск».
Автор: Екатерина Булатникова.
Фото предоставлены О. Наймарком.
Фото двигателя: irkut.com.