Обычный удар птицы по самолёту может оказаться куда опаснее, чем кажется. Даже если деталь выглядит почти целой, её срок службы может сократиться в 14 раз. К такому выводу пришли учёные Пермского политеха, впервые комплексно изучив, как царапины и вмятины влияют на прочность и долговечность стеклопластика.
Почему это важно для авиации
Стеклопластик широко используют в авиации: он лёгкий, недорогой и не ржавеет. Это композитный материал, который состоит из стеклянных волокон, которые дают прочность, и полимерной смолы, которая их скрепляет и распределяет нагрузку.
Но в процессе эксплуатации на нём неизбежно появляются повреждения: трещины, расслоения, царапины и вмятины. Причём многие из них почти не видны снаружи, хотя внутри материал уже начинает разрушаться.
Какую проблему решают учёные
В авиации действуют строгие нормы безопасности. Но при обнаружении повреждений инженеры не могут точно сказать, сколько ещё прослужит деталь.
Существующие методы контроля фиксируют сам дефект, но не позволяют оценить остаточный ресурс. Поэтому приходится либо менять детали раньше времени, либо закладывать избыточную прочность.
В результате самолёты становятся тяжелее, расходуют больше топлива и сильнее загрязняют воздух, а обслуживание обходится дороже.
Что сделали учёные
Исследователи ПНИПУ впервые провели комплексное исследование, где одновременно сравнили влияние царапин и вмятин — и на прочность, и на долговечность.
До этого такие данные изучались раздельно. Учёные воспроизвели на образцах стеклопластика два самых типичных повреждения:
- царапины — с усилием 1 кН (примерно как нагрузка от 100 кг);
- вмятины — с усилием 10–15 кН (такой удар дают камни, град или птицы).
Для сравнения: птица весом 5 кг при столкновении может создавать усилие более 13 тонн.
Образцы разделили на три группы: без повреждений, с царапиной и с вмятинами разной силы. Сначала их нагружали до разрушения. Оказалось, что царапина почти не влияет на прочность, слабая вмятина снижает её на 17%, средняя — на 25%, а сильная — на 30%.
Главное открытие
Важные результаты получили при циклических испытаниях — когда образцы многократно нагружали, имитируя взлёты и посадки. Целая деталь выдержала более 5000 циклов, с царапиной — около 2800, с сильной вмятиной — всего 368.
Это на 93% меньше. Иными словами, такая деталь служит в 14 раз меньше: вместо 14 лет — около одного года.
Учёные также выяснили, что опасность повреждений зависит от режима эксплуатации. Слабая вмятина особенно опасна при длительной работе с небольшими нагрузками — как у пассажирских самолётов. В этом случае ресурс падает в 4 раза. А сильная вмятина критична при резких перегрузках — как у истребителей. Здесь ресурс может снижаться в 50 раз по сравнению со слабым повреждением.
Что это даст отрасли
Результаты позволяют инженерам точнее оценивать состояние деталей. Теперь можно опираться на конкретные расчёты — сколько циклов выдержит деталь при определённом повреждении и режиме работы.
Это даёт возможность снижать вес самолётов, уменьшать расход топлива и выбросы, продлевать срок службы деталей, а также снижать затраты без потери безопасности.
Исследование опубликовано в журнале Fracture and Structural Integrity и выполнено при поддержке Российского научного фонда.