Лёд, птицы и пепел: как испытывают двигатели для самолетов
От надежной работы авиационных двигателей в любых погодных условиях
зависит безопасность полетов. Поэтому прежде чем двигатель будет
установлен на самолет, его серьезно испытывают на прочность. Кроме
проверки основных характеристик, ресурса и надежности, силовую установку
заливают водой, закидывают кусками льда, стреляют в нее тушками птиц и
даже засыпают вулканическим пеплом. О некоторых неординарных испытаниях,
которые проходят двигатели, прежде чем займут свое место на крыле
самолета, - в нашем материале.
Крещение льдом
Одной из проблем, часто приводящей к авариям летательных аппаратов,
является обледенение их элементов во время полета. По данным мировой
статистики, причиной около 40% авиакатастроф, связанных с климатическими
условиями, становится именно обледенение. Оно происходит, когда самолет
поднимается на высоту до 5000 м и попадает в холодное облако высокой
влажности. Даже при низкой температуре около -40°С такое облако может
состоять из жидких капель, которые за минуту способны покрыть
поверхности самолета ледяной коркой толщиной от 1 до 6 мм.
Для газотурбинного двигателя основная опасность заключается в пластинах
льда, наросших на воздухозаборнике силовой установки. Если
противообледенительная система по каким-то причинам не справляется,
наросты льда становятся все больше и больше. Набрав критическую массу,
они срываются и попадают в двигатель, что может привести к повреждению
его лопаток и выключению. Кроме того, обледенению подвержены вентилятор и
сами лопатки. Образующийся на них лед может ухудшать характеристики
двигателя и мешать полету.
Температура воздуха на разных высотах полета сильно колеблется, поэтому
самолет может попасть в условия обледенения даже при плюсовой
температуре на земле. И если для планера самолета существуют эффективные
системы предупреждения о ледяной проблеме, то обледенение двигателя
пилоты часто обнаруживают только по косвенным признакам, и это может
быть уже слишком поздно. Поэтому основной выход для конструкторов
авиадвигателей - создавать силовые установки, устойчивые к процессам
обледенения.
Параметры, которым должна соответствовать двигательная установка
воздушного судна, описаны в части 33 Авиационных правил Российской
Федерации. Испытания на обледенение двигателя проводятся в специальной
установке, оборудованной морозильной камерой и системой подмешивания
водяного аэрозоля в воздушный поток, подающийся к двигателю. Это
дорогостоящий и довольно трудоемкий процесс, в ходе которого специалисты
проверяют все параметры работы установки, а после исследуют двигатель
на предмет повреждений.
В России такими испытаниями занимается Научно-испытательный центр
Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова
(ЦИАМ). Стенды института позволяют проводить сертификационные
климатические испытания. Так, новейший российский авиадвигатель ПД-14
прошел здесь испытания классическим обледенением и попаданием льда в
2018 году и подтвердил свое соответствие требованиям Авиационных правил
России.
Одно из новых требований для двигателей - испытание ледяными
кристаллами. Сталкиваясь в компрессоре двигателя с нагретыми деталями,
такие кристаллы прилипают к ним, формируя ледяные наросты. Сложность
заключается в том, что кристаллы проникают в глубину двигателя,
накапливаются и слипаются на элементах двигателя, не имеющих специальную
защиту от обледенения, а после отрыва ледяные наросты повреждают
элементы двигателя. В 2020 году специалисты ЦИАМ и "ОДК-Авиадвигатель"
разработали методику подтверждения работоспособности двигателя при
попадании в условия кристаллического обледенения. В 2021 году методика
была проверена при испытаниях двигателя ПД-14 на открытом испытательном
стенде ПАО "ОДК-Сатурн" в Полуево, а в 2022 году будет проведено
сертификационное испытание.
Тест-драйв на птицестойкость
Столкновение летательного аппарата с птицами − очень неприятное
происшествие, которое при этом случается не так уж и редко. Птица может
попасть в двигатель и вывести его из строя, но для современного самолета
это не критично - он может лететь, садится и даже взлетать с одним
двигателем. Однако, птицы часто летают стаям и, соответственно,
пострадать могут сразу все двигатели, что неоднократно приводило к
серьезным авариям. Кроме повреждения самой силовой установки,
столкновение с птицей может привести к поражению деталями двигателя
корпуса самолета, к возгоранию или даже обрыву гондолы.
Испытание авиадвигателей на птицестойкость - обязательное
сертификационное требование, которое также предусмотрено в Авиационных
правилах. Испытания проводятся на стенде с применением специальной
пушки. При этом двигатель выводится в рабочий режим, как правило,
взлетный, когда встреча с птицами наиболее опасна. По двигателю
производится выстрел тушкой птицы. Чем больше диаметр двигателя, тем
больше и тяжелее должна быть птица.
Согласно нормам, испытания с крупной птицей считаются успешными, если
разрушения двигателя локализованы. Также двигатели "обстреливаются"
мелкими птицами и имитацией стаи птиц. Двигатель ПД-14 для авиалайнера
МС-21 успешно выдержал подобный "экзамен" в 2018 году.
По словам испытателей, проверка двигателя на птицестойкость - не самый
приятный момент испытаний, ведь для них используются настоящие птицы. По
российским требованиям, они должны быть живыми за полчаса до испытаний.
Этические дилеммы в этом случае решаются постоянным напоминанием себе о
том, что все это делается для безопасности и сохранения жизни людей.
Турбина против вулкана
Попадание самолета в облако вулканического пепла не часто, но все же
встречается в авиационной практике. По статистике, гражданские самолеты
попадают в область загрязнения пеплом вулканов в среднем несколько раз в
год. В некоторых из этих случаев наблюдалось нарушение работы
двигателей, которое могло привести к катастрофам.
Изучение воздействия вулканического пепла на работу авиации
активизировалось после 2010 года, когда Европу накрыли облака, вызванные
извержением вулкана Эйяфьядлайекюдль. Тогда были отменены десятки тысяч
авиарейсов, компании терпели многомиллионные убытки, а после
случившегося начались горячие дискуссии о реальном вреде вулканического
пепла для авиации. По европейским нормам все новые двигатели с 2015 года
должны проходить испытание пеплом вулкана.
В больших концентрациях вулканический пепел, взвешенный в воздухе,
представляет опасность для работы авиадвигателя. Пепел вулкана - это
измельченная магма, состоящая из мельчайших частиц твердых горных пород,
минералов и стекла. Попадая внутрь, пепел врезается в детали двигателя,
а под воздействием высоких температур сплавляется и прилипает к стенкам
и деталям, нарушая работу турбин. Это ограничивает потоки воздуха и
может привести к потере мощности двигателя. Кроме того, пепел обладает
абразивными свойствами и может повреждать поверхности самолета.
Летом этого года газогенератор двигателя ПД-14 был испытан на
воздействие вулканического пепла. "Сердце" двигателя целый час
подвергалось воздействию агрессивной среды, при этом его характеристики
практически не изменились. В качестве "раздражителя" использовался пепел
камчатского вулкана Шивелуч. Примечательно, что подобные
сертификационные испытания в мире и в России проводились впервые.
Источник: компания «Госкорпорация Ростех»