Против агрессии: российские ученые придумали новую технологию литья двигателей для широкофюзеляжных самолетов

Это позволит минимизировать износ авиадвигателей, а также обеспечить литью деталей перспективное развитие в различных направлениях.

Первые широкофюзеляжные самолеты

Появление широкофюзеляжных самолетов произошло в 60-70 гг. из-за быстрого темпа роста объема воздушных перевозок пассажиров и перегруженностью воздушного пространства и аэропортов. Самым первым широкофюзеляжным воздушным судном стал советский Ан-22 «Антей».

Диаметр широкофюзеляжного самолета достигает 5–6 метров, что позволяет размещать в ряду от 6 до 10 кресел в салоне. В узкофюзеляжном судне, например, диаметр варьируется от 3 до 4 метров и 6 кресел в ряду. Количество пассажиров для широкофюзеляжного самолета достигает до 853 человек (в Airbus А380, например) почти в 70 метровом судне. На сегодняшний день широкофюзеляжными самолетами считаются такие самолеты, как Boeing 747, 767, 777, 787, Airbus А300, А310, А330, А350, А380, а также Ил-86 и Ил-96.

Широкофюзеляжные самолеты, как, например, Boeing 777, считаются безопасным видом авиатранспорта. Упомянутая модель и вовсе самая безопасная в мире. Однако, среди широкофюзеляжных авиалайнеров есть достаточная вероятность всевозможных происшествий. Редко, но случаются и авиакатастрофы, что, в первую очередь, связано с техническими и организационными моментами.

Амстердам, 1992 год

 В октябре 1992 года грузовой самолет Boeing 747-258F совершал плановый рейс по маршруту Нью-Йорк–Амстердам–Тель-Авив. Самолет из Нью-Йорка прилетел в Амстердам с грузом массой в 114,7 тонн.

Вылет в Тель-Авив был назначен на 17:30 по местному времени, но из-за задержки рейса самолет вылетел в 18:21 из амстердамского аэропорта Схипхол. После взлета капитан взял курс на юго-восток, пролетая над жилыми кварталами нидерландской столицы. В 18:27 на высоте в 1950 метров, когда самолет пролетал над озером Гоймер, раздался звук взрыва. На панели бортинженера приборы показывали, что оба правых двигателя воздушного судна вышли из строя. На самом деле оба двигателя оторвались от крыла. Двигатель №3 был первым и задел двигатель №4.

Капитан запросил посадку в аэропорту вылета, и диспетчер, взвесив все условия, разрешил самолету вернуться. В 18:35, поднимая нос самолета и снижаясь на необходимую высоту, пилоты сообщили диспетчеру, что у них серьезные проблемы с управлением, так как вся гидравлическая система вышла из строя. Это привело к крену самолета под углом в 90 градусов и переходу в пикирование. Спустя несколько секунд второй пилот передал авиадиспетчерам сообщение о том, что они падают. Это стало последним сообщением с борта самолета. С высоты 760 метров самолет начал падать в сторону жилого комплекса «Груневен». Спустя секунды Boeing врезался в крышу комплекса и разрушил 31 квартиру на 11 этажах, взорвался и полностью разрушился.

Всего в авиакатастрофе по официальным данным пострадало 43 человека, среди которых 4 члена экипажа и 39 жителей комплекса «Груневен». Также на земле пострадало еще 26 человек, из которых 15 были легко ранены, а 11 – тяжело. В доме проживало огромное количество нелегальных иммигрантов – точное число погибших может в разы превышать официальные данные.

Расследование катастрофы привело к выводу о том, что причиной происшествия стала усталость металла, которая и вызвала облом крепления внутреннего двигателя №3. Срыв 10 метров кромки правого крыла повредил гидравлическую систему самолета, что привело к крену судна вправо.

После катастрофы были приняты серьезные меры по обеспечению безопасности авиаперелетов. Также было принято решение улучшить ряд мер технического характера, связанных с креплениями двигателей на крыле, и организацию экипажа в экстренных ситуациях.

Бернвилль, 2018 год

В апреле 2018 года Boeing 737-7H4 следовал по внутреннему маршруту Нью-Йорк–Даллас с 144 пассажирами и 5 членами экипажа на борту. Вылет произошел в 10:43 по местному времени, а через 21 минуту, во время пролета над Бернвиллем, у самолета внезапно отказал, а затем и разрушился левый двигатель. Детали оторвавшегося двигателя на большой скорости пробили часть фюзеляжа и выбили один иллюминатор, что вызвало неожиданное падение давления воздуха в закрытом объеме – взрывную декомпрессию из-за разгерметизации салона самолета.

Лайнер начал резко крениться на 41 градус влево. Пилоты экстренно снизились, в 11:20 по местному времени на скорости 310 км/ч, что превышает стандартную скорость посадки в 249 км/ч, и благополучно посадили самолет в аэропорту Филадельфии. Больше повреждений не было.

После посадки у самолета произошла утечка авиатоплива и небольшой пожар, который был быстро локализован и устранен. Части оторвавшегося и разрушенного двигателя были найдены в тот же день, в Бернвилле, в 105 км к северу от аэропорта приземления.

В итоге в авиакатастрофе погиб 1 человек среди пассажиров, еще 7 получили ранения. Этот инцидент стал первым в истории авиакомпании Southwest Airlines, когда на борту погиб пассажир, а также первым смертельным происшествием в США более чем за 9 лет, после катастрофы под Буффало в феврале 2009 года с 50 погибшими.

Причиной разрушения двигателя посчитали отказ левого двигателя из-за усталости металла. Это послужило очередным толчком к усовершенствованию технических характеристик авиалайнеров, а также привело к проверке всех двигателей Boeing 737 в мире.

Усталость материалов самолетов

Можно заметить, что причиной, объединяющей два упомянутых авиакрушения, стала усталость материала, которая наблюдалась еще в XIX веке. В XXI веке все еще происходили катастрофы, которые стали последствиями этой усталости.

Усталость материалов любого устройства – это деградация их механических свойств в результате постепенного изнашивания. Повреждения накапливаются в течение долгого времени, далее появляются трещины и теряется прочность, что приводит к разрушениям и иногда к катастрофам во время эксплуатации.

Для того, чтобы предотвратить усталостные разрушения, необходимо было модифицировать конструкции механизма, чтобы исключить циклические нагрузки, а также, если понадобится, заменять материалы на те, которые менее склонны к усталостному разрушению. Считается, что и создание самих частей авиалайнера также влияет на их эксплуатацию, в том числе и в агрессивной среде авиадвигателей.

Гибридный сплав в помощь авиадвигателям

Российские ученые научно-индустриальной коллаборации, состоящей из факультета материаловедения и металлургических технологий ЮУрГУ, научно-производительной лаборатории «Технопарк авиационных технологий» и Уфимского моторостроительного производственного объединения в совместном проекте по созданию авиадвигателей нового поколения разработали новый способ литья деталей для авиационного двигателя сверхбольшой тяги ПД-35 в широкофюзеляжных самолетах. Это поможет авиалайнерам избегать разрушений, связанных с усталостью материала двигателей в авиасуднах.

«Гибридный» интерметаллидный сплав, состоящий из нескольких металлов, на основе алюминида титана с добавлением ниобия, молибдена и бора создают в экологически чистых и термо-химически стойких формах формы на основе минерала корунда и алюмозолей. Алюмозоль – это коллоидный гидроксид алюминия в жидком агрегатном состоянии, который не теряет своих свойств при любом воздействиях извне. Корунд – прочный и твердый материал. Из-за высокой температуры плавления корунд достаточно огнеупорен.

Такое литье турбинных лопаток для авиадвигателей позволяет придать им жаропрочность и коррозионную стойкость, что очень важно при эксплуатации авиадвигателей, в том числе, в агрессивной среде турбины, а также для предотвращения усталости металла и других технических недостатков металлов. Именно в этом, как считают исследователи, и заключается инновационный подход к литью турбинных лопаток.

Сегодня есть мнение, что спекание порошков металлов с помощью лазера превосходит литье двигателей по всем пунктам, имея высокую производительность, минимальную стоимость и высокое качество используемой металлопорошковой композиции, которые получают по технологии центробежного распыления. Технология спекания называется именно так, потому что происходит нацеливание лазера на порошок по заранее созданной 3D-модели и «запекании» порошков, обычно металлических, друг с другом. Также эта технология позволяет сокращать сроки и стоимость получения качественных деталей авиалайнеров.

Российские ученые считают, что преимущества лазерного спекания хоть и доказаны, но инновационные методы литья все-таки надежнее, экономичнее и эффективнее.

Кандидат технических наук, заместитель декана факультета материаловедения и металлургических технологий ЮУрГУ Иван Ердаков считает, что «литейное производство, наоборот, становится все более и более технологичным за счет внедрения систем моделирования процессов литья, трехмерной печати моделей отливок и литейных форм, а также роботизации операций. Все это приближает отливки по размерам и массе к готовой детали, и не надо убирать лишнее. Именно эти особенности обеспечат литейному производству свое ведущее место в технологическом образе новой индустрии».

Ученые моделируют сложнейшие процессы литья в виртуальном формате при помощи программного продукта ProCAST, особенность которого заключается в заполнении формы центробежным способом, то есть с помощью отливок в металлических формах. Исследователи уверены, что сегодня анализ литейных процессов невозможен без проработки разных вариантов технологии на системах инженерного анализа. К работе над этим проектом также привлекают и студентов университета.

Новую технологию литья для двигателя ПД-35 в широкофюзеляжном лайнере планируют применять уже в этом году, а завершение совместной разработки самого двигателя ПД-35 рассчитана на 2028 год. Это значит, что через 7 лет пассажиры и члены экипажа смогут летать на ещё более безопасных самолетах, оснащенных безопасными и жаропрочными авиадвигателями.

 Саммари: Коллаборация российских исследователей под руководством политехнического института Южно-Уральского государственного университета разработали инновационный способ литья деталей для авиадвигателя в широкофюзеляжном самолете. Это поможет повысить жаропрочность и стойкость материалов, используемых в создании двигателей сверхбольшой тяги и предотвратить износ деталей авиалайнеров. В будущем подход литья с помощью инновационных программ и моделирования сможет обеспечить технологичность, экономичность и надежность материалов.