Артиллерия ЦИАМ

Поводом для беседы с начальником отделения экспериментальных исследований НИЦ ЦИАМ Сергеем Борисовичем Петровым стали уникальные испытания, которые проводились на стенде института в мае 2015 года: на птицестойкость проверялись элементы планера и фюзеляжа перспективного российского авиалайнера МС-21. Первым проверку на прочность прошел киль самолета из композитных материалов, на следующем этапе будут проведены испытания на птицестойкость кабины МС-21.

Впервые в России

- Сергей Борисович, это были первые испытания на птицестойкость композитного элемента планера?

- Изделие таких габаритов из композита в авиационной отрасли России испытывалось, конечно, впервые. Длина киля – 7 м! Свойства металлов мы знаем хорошо, а с такими материалами пока опыта немного, поэтому испытания проходят по собой программе: киль сначала проходил проверку циклическими нагрузками в ЦАГИ и после выполнения 50% программы его привезли к нам. Мы провели ударное воздействие, после чего он пройдет в ЦАГИ вторую половину испытаний. Если прочностные свойства после ударного воздействия изменятся, это будет выявлено.

- Испытания прошли успешно?

- Основные силовые элементы мы не повредили, поэтому вероятность положительного результата высока. Внутренние обрывы силовых нитей, если они есть, проявятся при циклических нагрузках, но некоторые вещи видны визуально. Наплыв киля из сотового композиционного материала мы промяли, но это не силовой элемент, а, по сути, обтекатель антенны. Важно, что он сохранил целостность и уберег антенну. А кессон, силовая часть киля не повреждены.

- Будете ли ЦИАМ испытывать другие элементы планера МС-21?

- НИЦ ЦИАМ полностью выполнит программу испытаний МС-21 по птицестойкости. Киль – это первый объект испытаний по этой программе. Кроме него мы будем испытывать отсек крыла длиной примерно 4 м вместе с предкрылком сначала в выдвинутом, потом в убранном положении. Крыло тоже имеет много неметаллических элементов и его конструкция – пионерская. Будет несколько ударов по кабине и по горизонтальному стабилизатору хвостового оперения. И, скорее всего, будет еще одно испытание по европейским нормам. Помните аварию Concord в 2000 году? При взлете лопнуло колесо, его фрагменты ударили по крылу, потек керосин и начался пожар. После этого европейцы ввели обязательное ударное испытание опасных точек на планере самолета. В этом случае мы нашу пушку будем заряжать резиной. Такую работу мы уже проводили на RRJ (сертификационное обозначения самолета «Сухой Суперджет 100» – Прим. пресс-службы ЦИАМ).

- То есть ваша пушка может стрелять не только птицами?

- Да, отработана технология выстрелов льдом в форме крупных пластин и крупного града, металлическим цилиндром (это по нормативам регистра железнодорожного транспорта), фрагментом пневматика (шина самолетного шасси) и др. В ЦИАМ есть стенды, оснащенные пневматическими пушками малого калибра. Они используются для исследования динамической прочности деталей авиадвигателей из композиционных и керамических материалов. Есть специальная скорострельная пушка (или пулемет?) для воспроизведения условий шквального града. Там градины небольшие, но их очень много.

Почему ЦИАМ?

- Как подобный стенд появился в НИЦ ЦИАМ?

- В 1995 году мы сделали обзор состояния стендовой базы в стране и поняли, что она сильно ослабла. Мы решили в инициативном порядке сделать собственную пушку, и когда фирма «Гражданские самолеты Сухого» (ГСС) начала строить RRJ, ее представители обратились к нам: давайте испытаем у вас все элементы планера. Осваивали все премудрости этого вида испытаний вместе с командой ГСС. Все наши результаты были хорошо приняты экспертами АР МАК и французскими специалистами, которые отвечали за сертификацию самолета в EASA (Европейское агентство авиационной безопасности. – Прим. пресс-службы ЦИАМ). На базе этих результатов были получены сертификаты – как российские, так и европейские. Замечу, что в России не так много подобных стендов. В ЦАГИ такого оборудования нет. Они довольны нашей работой, создавать еще один стенд смысла нет.

- Кто проектировал эту пушку? Где она изготавливалась?

- Автор проекта – Сергей Михайлович Шершаков. Конструкция оригинальная и защищена несколькими патентами. Изготавливалась в ЦИАМ. Двухканальную систему измерения скорости разработал, изготовил и провел метрологические исследования Борис Валентинович Харитонкин. Методику прицеливания разработал Анатолий Леонидович Ставицкий. Участников, создавших полный комплект необходимых стендовых систем, оборудования, методик и технологий, много. Большинство из них сотрудники НИЦ ЦИАМ.

- В чем особенности вашей пушки по сравнению с зарубежными аналогами?

- Во-первых, у нас довольно короткий ствол – всего 4 м. Поэтому наша пушка достаточно мобильная. Сейчас мы стреляем у себя на стенде, а впереди у нас испытания вентилятора двигателя на разгонном стенде, то есть мы снимаем пушку, оборудование и переносим на другой стенд. В принципе, наше оборудование можно поставить и на чужой стенд. Все, что нам надо, – площадка перед двигателем не меньше 7 метров. Мы могли бы свою пушку поставить, например, в Рыбинске вместо французской.

Во-вторых, у нашей пушки универсальный диапазон скоростей выстрела: от 20 м/с до 280 м/с. Мы сделали пушку с быстродействующим клапаном, открывающим ресивер и соединяющим его со стволом. За рубежом в большей части пневматических пушек вместо клапана устанавливаются мембраны, которые рвутся при достижении определенного давления. Это минус, поскольку получить одинаковые мембраны по прочностным свойствам довольно проблематично. Да и готовить такую пушку к выстрелу сложнее. Однако есть и сложность: при скоростях меньше 100 м/с появляется разброс по скорости. Поэтому наша пушка оснащена дополнительно внешним клапаном для стрельбы с хорошей кучностью по скорости в области малых скоростей. Аналоги за рубежом мне не известны.

Киль авиалайнера МС-21 (на заднем плане фотографии) готов к испытаниям

- Кого вы считаете конкурентами?

- В Швейцарии есть стенд, с которым мы немного конкурировали. Он специализируется на испытаниях скоростных поездов. Один отечественный заказчик обратился к ним и к нам, чтобы сравнить стоимость. Получилось примерно одинаково. Но ведь надо учесть еще транспортные и командировочные расходы. Цены на сами испытания везде примерно одинаковые. Этот вид испытаний не очень энергоемкий: закачать сжатый воздух – и все. И людей требуется не очень много: у нас вся постоянная команда стенда вместе со мной – 5 человек. Плюс, привлекаемые на определенных этапах, специалисты по измерительной техники, по сложным монтажным работам и т.д. Поэтому сильно сэкономить за счет цен на электроэнергию и на трудозатраты невозможно. Но вопрос конкуренции в этой области – не ценовой. Гражданскую авиацию в России опекают эксперты АР МАК (Авиационный регистр Межгосударственного авиационного комитета). Это очень компетентные специалисты, которые строго следят за выполнением всех стандартов, а таковых много и они очень жесткие. Поэтому конкуренция чаще всего упирается в мнения этих экспертов. Они имеют право рекомендовать заказчику: давайте проведем испытания там, результаты будут надежнее. Вопрос цены уже второй. После успешной сертификации RRJ у нас есть поддержка этих экспертов. Дальнейшие испытания также подтвердили нашу компетентность.

- Насколько загружено оборудование работой? Сколько выстрелов в год проводите?

- В этом году стенд загружен очень плотно. Есть много задач, связанных и с самолетами, и с вертолетами, и с другими объектами. В год деловых выстрелов проводим около трех десятков. Вместе с калибровочными получается около двух сотен. Мы планируем сделать вторую пушку, поскольку одной уже не хватает.

- Каковы планы на будущее? Как планируете развивать это направление? Чего не хватает?

- Мы институт двигателестроения, а испытать работающий двигатель на птицестойкость, на данный момент нам негде, хотя по нормам это требуется. Двигатель выводится на характерный режим, чаще всего взлетный, и по вентилятору проводится удар птицей, масса которой зависит от размера двигателя. Чем больше диаметр входного устройства, тем больше вероятность попадания в него крупной птицы. Для двигателя диаметром порядка полуметра нужна небольшая птица, около 0,9 кг. А если двигатель огромный, как GE90 диаметром 3,25 м, то нужен гусь массой 3,6 кг. Испытания эти для двигателя неприятные, и стенд должен быть специально оборудован для этих целей. У нас пока работающие двигатели и метательное устройство соединить негде. Но мы мечтаем восстановить один из открытых стендов и оборудовать его так, чтобы на нем можно было испытывать на птицестойкость работающие двигатели. Потенциальные заказы уже есть.

Стрельба ради безопасности

- Расскажите о технологии испытаний на птицестойкость. Какие проблемы приходится решать?

- Одна из задач – сохранить целостность птицы до удара об объект испытаний. Упаковка тушки в пневматическую пушку делается по международному стандарту. Она сначала выводится на заданный вес методом отрезания лишнего или инъекции воды: шприцем можно добавить до 10% массы. После этого птица упаковывается в пленку, чтобы жидкость не терялась, а затем помещается в хлопчатобумажный мешок. Ведь в стволе пушки она движется с ускорением и давление в ней примерно соответствует давлению воздуха, который ее выталкивает, то есть порядка 20 атмосфер. Когда она выходит из ствола, происходит релаксация напряженного состояния птицы. В этот момент, если не принять мер, птица просто взорвется. В ее тканях растворено много воздуха и получается что-то вроде кессонной болезни в чрезвычайно острой форме. Холщовый мешок позволяет сохранить птицу в целостности.

Далее, птица имеет сложную форму, а ствол – цилиндрический, и чтобы не было утечки воздуха применяется гильза, в которую птица укладывается. Мы используем пенопластовую гильзу. Есть и другие типы гильз, вплоть до углепластиковых, но это самые дешевые и надежные. После вылета снаряда из ствола гильзу надо остановить, чтобы не дать ей лететь вместе с птицей дальше. Причем остановить так, чтобы птица при разъединении с гильзой не меняла направления полета, не вращалась и не тормозилась, а летела точно в цель с нужной скоростью. А ведь птицы по массе могут быть очень разные – от 53 г до 3,6 кг. Много нюансов, все их надо отрабатывать, причем отрабатывать экспериментально с помощью скоростного видео. Поэтому перед каждой программой испытаний мы проводим калибровки.

Испытания кабины МС-21

- Что происходит, когда птица попадает в двигатель?

- При попадании в двигатель крупной птицы успешными испытаниями считаются, если разрушения локализованы, то есть лопатки сломались, но не вылетели за пределы корпуса двигателя и не повредили летательный аппарат. Все пассажирские самолеты сегодня могут благополучно закончить полет без одного мотора.

- Какие скорости необходимы для испытаний на птицестойкость?

- Для вертолетной техники (кроме винтов) это порядка 20…30 м/с, для самолетов – до 280 м/с. Но нам нужна не просто скорость, а ее фиксированная величина, которую надо надежно воспроизводить. Поэтому очень важная часть работы – накопить достаточный набор стендового оборудования, прежде всего – надежные измерители скорости. Измерение скорости – важнейшая часть испытаний. Ведь зачетная попытка может быть единственной, поэтому у нас два оптических канала – один на метровом расстоянии, другой – на дистанции 10 см, плюс проволока или лазер, плюс скоростная съемка. Очень важное оборудование – это скоростные камеры. Хорошие камеры стоят очень дорого. Мы сейчас мечтаем о камере, которая стоит 7 млн. рублей (в комплекте со специальным программным обеспечением). А есть камеры еще лучше, но о них мы пока даже не мечтаем. Это импортное оборудование, которое выросло в цене за время кризиса. Тем не менее, у нас сейчас есть хороший набор камер, эксперты довольны: видно реально воздействие удара, в том числе деформация, возникающая при ударе и весь механизм разрушения.

- Бывает ли, что по результатам испытаний на птицестойкость приходится вносить изменения в конструкцию?

- Вот пример из испытаний RRJ. Была точка удара птицей по потолочной части кабины экипажа, выше стекла. Эта точка обязательно проверяется, потому что под ней находится потолочный пульт, на котором находятся органы управления противопожарной системой и другими важными системами. Повреждения конструкции самой кабины были умеренные, но мы зафиксировали на самом пульте виброускорения до 2000 g. Пульт на это не рассчитан и кнопки на нем оказались выбиты. После этого эксперимента были проведены повторные испытания с внедренными мероприятиями по улучшению крепления этого пульта и усилению силовой конструкции. Более того, европейские эксперты потребовали, чтобы мы имитировали подачу сигналов на этот пульт с борта и с пульта на борт. Только после третьих испытаний удалось закрыть эту проблему.

- Почему до сих пор не придумают для этих испытаний искусственную птицу?

- Публикаций на эту тему – десятки. Много лет авторы этих исследования пытаются доказать адекватность замены натуральной птицы на искусственную, тем не менее нормативные требования не меняются. Видимо, авиационные власти не находят причин, почему надо отходить от традиционной методики.

- А где вы берете птиц для испытаний?

- Это одна из проблем. Ведь для наших испытаний годится только свежая птица и заданного веса. По американским нормам допускается хранить птицу в холодильнике и размораживать перед испытаниями, а по нашим требованиям за полчаса до выстрела она должна быть живой. Закупаем птицу у частных фермеров и птицеводов. Пришлось изучить весовые характеристики всего пернатого царства и как содержать эту живность. Сложно найти человека готового трансформировать живую птицу в ядро заряда. Городскому человеку это трудно. Нужна определенная закалка.

- Не жалко птичек?

- Конечно, жалко. Но здесь я хочу подчеркнуть самое главное, о чем часто забывают написать журналисты в статьях о таких испытаниях: речь идет о безопасности полетов. Столкновение ЛА с птицей – это очень неприятный инцидент и не такой уж редкий. И все, чем мы занимаемся, делается для сохранения жизни людей, для безопасности полетов.

Для справки

ФГУП «ЦИАМ имени П.И. Баранова» – единственная в стране научно-исследовательская организация, осуществляющая комплексные научные исследования и научное сопровождение разработок в области авиадвигателестроения от фундаментальных исследований физических процессов до совместной работы с ОКБ по созданию, доводке и сертификации новых двигателей, в том числе наземных газотурбинных установок. Все отечественные авиационные двигатели создавались при непосредственном участии института и проходили доводку на его стендах.

Пресс-служба: +7 (495)- 361-45-97
press@ciam.ru