«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.