Автор: Морозов Г. А.

Кандидат технических наук Г.А. МОРОЗОВ, заместитель генерального директора ГНЦ "Всероссийский институт авиационных материалов" (ВИАМ), директор испытательного центра

Материалы, применяемые в авиа- и ракетостроении, должны быть особо прочными, легкими и надежными хотя бы потому, что от этого в конечном счете зависит жизнь людей. Постоянно отслеживать создание "летающих" материалов (металлов, сплавов, различных композитов и т.д.), давать рекомендации изготавливающим их предприятиям поручено нашему институту, который по техническому оснащению и функциональным возможностям является уникальным.

Формирование системы управления качеством авиационных материалов - от их разработки до массового производства - началось сразу после окончания Великой Отечественной войны. В период боевых действий контроль за долговечностью боевых машин был значительно ослаблен, ибо срок их службы исчислялся неделями, а зачастую и днями. И лишь с 1952 г. в стране ввели обязательную паспортизацию всех "летающих" материалов. Не допускались никакие произвольные изменения в их составе, регламентировались любые технологические процессы и производства. Постоянно росло количество проверяемых параметров: если сначала при расчетах воздушных аппаратов учитывали только статические прочностные характеристики, то в дальнейшем стали учитывать данные о малоцикловой усталости и трещиностойкости, позволяющие оценить ресурс и несущую способность конструкции. А для материалов, находящихся в условиях повышенных температур, к числу плановых показателей добавили кратковременную и длительную прочность и пластичность.

Но и этого оказалось мало. Наряду с перечисленными параметрами конструкторы обязаны были помнить об огромном количестве характеристик, определяющих

стр. 24

работоспособность как отдельных узлов и механизмов, так и изделия в целом. Ведь пренебрежение некоторыми из них или недостаточное знание особенностей поведения материала в ходе эксплуатации может привести к непредсказуемым, а иногда и трагическим последствиям. Так, использование нового малопроверенного композита при изготовлении лопаток компрессора поставило фирму "Роллс-Ройс" на грань банкротства после того, как самолет с соответствующим двигателем попал в пыльную бурю над Сахарой, и эти лопатки буквально превратились в "метелку" из углеродных волокон.

Помимо прочностных характеристик, есть еще масса факторов, которые как бы непосредственно не влияют на безопасность полета, но забывать о них просто недопустимо. Приведем лишь один пример. Попытка применить зарубежные эмали и напольный пластик без исследования их совместимости с отечественными грунтовками и ковровыми покрытиями вызвала высокую поляризацию последних. В результате в одном случае авиалайнер практически "ослеп", а в другом - на его борту образовался сильнейший электрический заряд, и людей стало бить током.

Появление летательных аппаратов, отвечающих современным требованиям эксплуатации и комфорта, невозможно без создания невиданных до сих пор материалов, обеспечивающих надежное функционирование деталей и узлов в условиях воздействия сложного комплекса температурных и силовых нагрузок. А это, в свою очередь, требует наличия мощнейшей исследовательской базы, способной обеспечить любые виды испытаний.

Именно с такой целью в ВИАМе и создали комплекс стендов, приборов и устройств, позволяющих измерять весь спектр соответствующих параметров, находить новые методы оценки работоспособности материалов и формировать критерии их надежности и безопасности. Наличие такой базы позволяет нам выпускать до

стр. 25

96% авиационных отечественных материалов с ультратонкой дендритной ^* монокристаллической структурой, алюминиево-литиевые сплавы, комбинированные высокоэффективные покрытия и т.д. Особо нужно отметить не имеющие аналогов в мировой практике жаропрочные никелевые однородные системы - ЖС-32 и-47.

Чем же отличается наш Центр от отечественных и зарубежных "собратьев"? Прежде всего набором новейших технологических стендов и оборудования, изготовленных в США, Германии, Японии и России (до трети от общего числа). В целом их количество уже превышает 700 единиц, и некоторые из них - уникальны.

А теперь перечислим направления работ, которые можно проводить в нашем Центре. Прежде всего, это статические и циклические испытания материалов двигателя и планера; для определения их механических характеристик используем программное нагружение. Здесь подробно изучают физические свойства металлических конструкций, используют электронную микроскопию, рентгеноструктурный, фазовый, микрорентгеноспектральный, фотографический и теплофизические анализы. Не забыты и неметаллические изделия. Все они подвергаются климатическим, пожаробезопасным, тепловым, оптическим и эрозионным проверкам. Кроме того, все материалы подвергают химическому анализу, к ним применяют неразрушающие методы контроля - ультразвуковые, магнитные, вихретоковые, рентгеновские, тепловые, капиллярные и электрические.

В лаборатории по оценке механических характеристик конструкционных материалов им. С. И. Кишкиной диапазон нагрузок используемого оборудования позволяет испытывать как нить для ткани, идущей на обшивку дельтапланов, так и натурные образцы, имитирующие силовые эле-

^* Дендриты - минеральные агрегаты (иногда кристаллы) древовидной формы (прим. ред.).

стр. 26

менты летательных аппаратов. Возможность воспроизводить "растяжение-сжатие" непосредственно на авиационных конструкциях до сотен тонн (максимально 250 т), а также большое рабочее пространство установок помогают проверять на усталость и трещиностойкость не только отдельные крупногабаритные образцы, но и целые элементы машин, подвергая их колебательным нагрузкам с частотой 15- 20 Гц.

С помощью сервогидравлических механизмов ^* в лаборатории можно проводить как стандартные испытания образца на усталость, так и при "жестком" нагружении, когда критерием окончания эксперимента является его деформация.

Помимо механических воздействий, здесь изучают и температурные - они необходимы не только для оценки авиатехники сегодняшнего дня, но и перспективной. Для этого созданы кабинеты, где можно варьировать температуру от - 140 до +400 ^о С, и камеры, в которых достигается +2000 ^о С.

Исследования по выявлению механизма разрушения конструкционных материалов показали: огромную роль в данном процессе играет качество поверхности тех или иных деталей. Речь идет не только об их максимально возможной чистоте, но и формировании наружного слоя, механическая характеристика которого на порядок увеличивала бы долговечность конструкций из сталей, а также алюминиевых и титановых сплавов. Об успехах, достигнутых ВИАМом в этом направлении, свидетельствует признание советом директоров всемирно известной фирмы "Дженерал электрик" того, что наша технология направленной кристаллизации лопаток газотурбинных двигателей в 30 раз эффективнее американской.

^* Сервомеханизм - устройство в системах автоматического регулирования, осуществляющее за счет энергии вспомогательного источника механическое перемещение (перестановку) регулирующего органа системы в соответствии с получаемыми сигналами управления (прим. ред.).

стр. 27

Важно знать и состояние тех или иных деталей после сотен часов наработок. Оказывается, в них происходят необратимые изменения, ведущие к возникновению микродефектов, затем трещин и, в конечном счете, к разрушению. Прежде их просто сдавали в утиль. А после изучения временных и силовых воздействующих факторов, вызывающих перечисленные повреждения поверхностного слоя, нам удалось разработать метод "омоложения" деталей.

Как уже отмечалось, важной характеристикой конструкционных материалов, особенно неметаллических, является их стойкость к пыли, граду, дождю, туману и т.д. Экспериментальная установка, смонтированная в нашем Центре, как раз и позволяет проводить испытания на эрозионностойкость внешних деталей летательного аппарата в широком диапазоне масс частиц (от 20 до 1000 мкм), их скоростей (до 500 м/с) и различных углов соударения.

Большое внимание мы уделяем выявлению путей и средств, обеспечивающих пожарную безопасность салонов самолетов. Ведь сейчас в их отделке в основном используют пластмассы и композиционные материалы, обладающие высокой степенью горючести и дымообразования. Важным показателем является и тепловыделение. Определять его позволяет единственная в России и СНГ установка ВИАМа, отвечающая отечественным (АП) и международным (FAR) стандартам. На ней можно изучать влияние различных пожароопасных факторов и на основании полученных данных оптимизировать состав и структуру разрабатываемых материалов.

Опыт показывает: ухудшение технического состояния летательных аппаратов в процессе их эксплуатации происходит не только из-за механического износа и разрушения деталей, но и вследствие процессов коррозии, старения и биоповреждений (воздействия микроорганизмов). Особо остро данная проблема стоит в районах с жесткими климатическими условиями - высокими температурой и влажностью, повышенной солнечной радиацией и увеличенным содержанием в природной среде хлоридов.

Всеми этими вопросами занимается климатическая станция нашего Центра, имеющая два отделения. Одно из них расположено в Москве на крыше семиэтажного здания (площадь около 300 м ² ), имеет свыше 20 стендов и предназначено для испытания материалов в условиях атмосферы промышленной зоны. Другое - в Краснодарском крае, в Геленджике (береговая и надводно-стационарная станции). Тут исследуют поведение различных конструкций в морском субтропическом климате. При этом отслеживают влияние температуры, относительной влажности воздуха, интенсивности осадков, потока солнечной радиации в трех диапазонах волн, включая ультрафиолетовую.

В настоящее время в авиационной технике наряду с традиционными материалами (сталями разных модификаций) стали применять композиты и сплавы, обладающие совершенно недостижимыми ранее свойствами. Этому способствовала имеющаяся у нас техника. Она позволила оценивать вновь создаваемые материалы, причем кристаллографической структуры, да еще и искусственно сформированной. Естественно, для изучения их качеств необходимы были исследования на атомном уровне с помощью растровых и просвечивающих электронных микроскопов ^* .

В авиации (а может, и не только в ней) есть такое понятие, как безопасная повреждаемость. Это значит: если на поверхностях силовых конструкций летательного аппарата появилась трещина ограниченной величины, то эксплуатировать его еще можно, но нужно тщательно контролировать состояние подобных дефектов, ибо они, в конечном счете, могут привести к разрушению деталей и узлов и как результат - к аварии. Наиболее уязвим в этом плане двигатель. Обеспечению надежности его эксплуатации и своевременного выявления дефектов способствует ультразвуковая роботизированная установка, позволяющая обнаружить мельчайшие (до 1-2 мк) трещины.

Перечислять установки нашего комплекса и используемые методы можно очень долго. Многие из них, как говорилось выше, - уникальны. Некоторые мы создали сами, в частности, "Теплофизический комплекс для контроля качества системы охлаждения лопаток газотурбинных двигателей" или семейство рентгеноструктурных компьютерных установок "Дрон-3" и "Дрон-4", определяющих структуру металлических материалов. Часть приобретенных систем мы адаптировали к нашим условиям.

На разработанную нами технику и методики исследований различных авиационных материалов получены десятки российских и зарубежных патентов.

О практической значимости нашего комплекса говорит и тот факт, что ни один летательный аппарат России - от планеров до самых современных военных и пассажирских машин и космических аппаратов - его не миновал. Нелишне напомнить: продление срока службы каждого самолета лишь на год приносит экономический эффект до 1 млн. долл. Так что о важности и полезности нашей работы судите сами.

^* См.: В.А. Быков. Микроскоп ... рассматривающий атомы. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

Permanent link to this publication: