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.
Небо, увы, не всегда бывает безоблачным. Многие десятилетия ученые, инженеры и конструкторы всего мира ведут борьбу за то, чтобы летательный аппарат, поднявшись в воздух, не стал игрушкой в руках разбушевавшейся стихии. Устойчивость авиационной техники к воздействию климатических условий – одна из важнейших составляющих обеспечения безопасности полетов.
Что такое климатические испытания авиационного двигателя и какую роль они играют в обеспечении безопасности полетов?
Чтобы сделать двигатель и самолет всепогодными, нужно проводить их испытания при воздействии сложных климатических условий. ЦИАМ накопил огромный опыт в этой области. Мы занимаемся испытаниями двигателей и элементов ЛА в условиях обледенения разных видов, проводим испытания в условиях града, дождя.
В последние годы во всем мире наметилась тенденция к росту количества и сложности климатических испытаний. Это связано как с появлением новых международных норм, так и с тем обстоятельством, что, несмотря на бурный рост возможностей вычислительной техники, надежных расчетных методов учета влияния климатических условий на ЛА по-прежнему не существует.
Над этими методами ведется работа и у нас, и в NASA, они уже позволяют производить оценку и выбор наиболее опасных условий, при которых необходимо проводить испытания. Однако основанием для сертификации авиационной техники эти расчеты в большинстве случаев быть не могут и соответствующими органами для этих целей не аттестованы. Причина – в исключительной сложности процессов, связанных с воздействием природной стихии на технику. Рассчитать такие параметры, как вибрации двигателя, которые возникнут при обледенении, точная величина падения тяги и изменения температуры газа за турбиной, практически невозможно. Еще несколько десятков лет, не появятся такие расчетные методы. Это сверхсложная многодисциплинарная задача. Поэтому и необходимы испытания.
Объект испытаний – реактивный двигатель
Без этих испытаний ни один самолет не может быть допущен к полетам. В авиационных правилах – и отечественных, и европейских, и американских – есть пункты: провести демонстрацию при определенных климатических условиях и подтвердить надежность работы авиационного двигателя. Правила эти возникли, к сожалению, вследствие катастроф и летных происшествий. По мере усложнения авиационной техники и интенсификации ее использования появляются новые риски, о которых раньше не задумывались.
Подробнее по теме: * Климатические испытания авиационных двигателейКрещение 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.
Сталкиваясь в компрессоре с нагретыми поверхностями, они подплавляются, становятся липкими, прилипают к поверхности, а затем к ним присоединяются другие кристаллы, которые за счет своего хладоресурса охлаждают эту поверхность – и возникают ледяные наросты. Особая опасность состоит в том, что потенциальные зоны образования наростов из-за ледяных кристаллов находятся внутри компрессора и возникают при температурах вплоть до +34ºС. Они охватывают компрессор низкого давления и даже первые ступени компрессора высокого давления. Если, к примеру, кусок льда сорвется с воздухозаборника и ударит по лопатке вентилятора, то ничего страшного не произойдет: вентилятор на это рассчитан. А малого размера лопатки компрессора на такое воздействие не рассчитаны. В 1990-х годах происходило только накопление информации, сегодня же опасность обледенения в условиях ледяных кристаллов уже закреплена в виде нормативных документов.
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.
Установка по испытаниям в условиях ледяных кристаллов, Фото: ЦИАМ
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 и всасывания посторонних предметов
В процессе эксплуатации посторонние предметы попадают в проточную часть двигателей как при движении самолета по взлетно-посадочной полосе, так и в полете. При нахождении самолета в воздухе, особенно на низких высотах, возможно повреждение лопаток из-за попадания птиц в проточную часть компрессора, а также града.
Среди определяющих факторов заброса/всасывания посторонних предметов можно назвать:
- Ветер, особенно боковой, заднебоковой по отношению к направлению движения самолета
- Подъём в воздух посторонних предметов очистительными машинами
- ошибки обслуживающего технического персонала, забывающего посторонние предметы во входном устройстве (например, шайбы, болты, контровочную проволоку, перчатки, инструмент и т.п.)
Загибы уголков лопаток авиационного двигателя в результате попадания посторонних предметов
Учитывая существенное влияние на безопасность полета и возможность материальных повреждений высокоточной техники, испытания на заброс посторонних предметов входят в программу обязательных авиационных испытаний.
В зависимости от ваших задач мы можем предложить следующие виды забросов:
| Наименование постороннего предмета | Режим работы двигателей | Скорость заброса |
| Обтирочная ветошь | Взлётный | На всасывании |
| Ручной инструмент | Взлётный | На всасывании |
| Болты и гайки | Взлётный | На всасывании |
| Куски резины авиашин | Взлётный | На всасывании |
| Лопатка вентилятора | Взлётный | Вылета при обрыве |
| Птица массой 1,8 кг | Максимальный, крейсерский | Набора высоты |
| Дождь | Взлётный, полётный, малый газ | На всасывании |
| Песок и гравий | Взлётный | На всасывании |
| Лёд, образующийся на передней кромке воздухозаборника | Максимальный крейсерский | На всасывании |
| Град диаметром 25 и 50 мм | Максимальный крейсерский | Полёта при болтанке |
| Птицы массой 56…112 г | Взлётный | Отрыва от ВПП |
| Птица массой 680 г | взлётный | Набора высоты |
Подробнее по теме: ** Испытание авиационных двигателейСтолкновение 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.
Стенд испытания птицей
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.
Авиадвигатель против вулканического пепла
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.
ПД-14 в термобарокамере Научно-испытательного центра ЦИАМ
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.
Покрытый вулканическим пеплом самолёт
Опасный пепел
Стоит отметить, что вулканический пепел может представлять серьёзную опасность для воздушных судов. По данным Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН, в России насчитывается несколько десятков действующих вулканов. В свою очередь, эксперты Смитсоновского института (США) сообщили, что только в 2021 году в мире было зафиксировано 69 извержений вулканов.
Столб вулканического пепла
В результате этих процессов могут образовываться тучи раскалённого пепла, которые поднимаются на высоту полёта самолётов. Эти выбросы несут в себе огромное количество частиц, которые могут попасть в двигатель самолёта. Внутри агрегата они оседают на разогретых лопатках турбин, плавятся, облепляют движущиеся части и в конечном счёте останавливают турбины.
В истории авиации бывали случаи полного выхода из строя двигателей после прохождения самолёта через облако вулканического пепла, примеры:
- Так, 25 мая 1980 года Lockheed L-100-30 около пяти минут находился в облаке вулканического пепла в районе американского города Такома. В результате две из четырёх силовых установок перестали функционировать на высоте 3400 м, а оставшиеся двигатели работали на пониженных оборотах. В итоге самолёт удалось посадить, никто не пострадал.
- Ещё более опасный инцидент произошёл 15 декабря 1989 года, когда летевший из Амстердама Boeing 747 авиакомпании KLM при снижении для захода на посадку в Анкоридже на высоте 7500 м прошёл через облако пепла вулкана Ридаут, извержение которого произошло за полтора часа до этого. На борту судна находились 231 пассажир и 13 членов экипажа. Частицы пепла, попав в двигатели, расплавились, и из-за спёкшейся массы пепла заглохли все четыре агрегата самолёта. В течение восьми минут лайнер падал. Пилотам удалось запустить два двигателя, когда до земли оставалось менее 2 км. После благополучной посадки из каждой турбины было извлечено порядка 60 кг вулканического пепла. Все четыре двигателя пришлось заменить.
Подробнее по теме: ***Испытание вулканическим пеплом…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.
По теме:
Самолет и птицы: как избежать опасной встречи