
В ходе создания ВС новых типов все больший объем работ приходится на наземные испытания — современные методики моделирования и испытательные стенды позволяют с хорошей точностью получить результаты, для которых прежде требовались испытательные полеты. Разумеется, совсем без летных испытаний обойтись невозможно — перед выполнением первого полета необходимо выяснить некоторый базовый набор характеристик, принципиально подтверждающих летную годность самолета, после чего наземные и летные испытания продолжаются параллельно.
Испытания новых самолетов всегда были опасной профессией. Еще в 50-е гг. прошлого века во всем мире в среднем раз в неделю погибал летчик-испытатель. Сейчас испытания стали как минимум на порядок более безопасными. Этому в немалой степени способствовало развитие технологий, позволяющее проводить на земле все больший объем испытаний.
Наземным испытаниям подвергаются как планер самолета, так и отдельные системы на специальных стендах. Все прочностные испытания планера ВС можно условно разделить на две большие группы: статические, в ходе которых определяется уровень статической прочности конструкции самолета, и повторно-статические (ресурсные), которые направлены на определение усталостной прочности и эксплуатационной живучести конструкции самолета.
Другими словами, статические испытания определяют способность конструкции выдерживать высокие однократные нагрузки, которые могут возникнуть в критических ситуациях в ходе эксплуатации самолета: при резких маневрах, порывах ветра, турбулентности, отказах систем и пр.
Ресурсные испытания определяют усталостную прочность — способность конструкции выдерживать многократно повторяющиеся нагрузки без образования трещин, а также эксплуатационную живучесть — способность конструкции сопротивляться развитию трещин и других дефектов, которые могут привести к ее разрушению.
Для современных ВС типовая эксплуатация выполняется по состоянию, без назначения рамочного и межремонтного ресурсов, при этом именно на основе результатов ресурсных испытаний определяется величина межосмотровых периодов — количество полетов, после которого самолет должен быть тщательно проверен на отсутствие трещин, следов коррозии и других дефектов силовой конструкции.
Для самолета МС-21-300 сейчас подходит к завершению первый этап прочностных испытаний. Суммарный объем работ первого этапа существенно меньше полного комплекса прочностных испытаний, однако они позволят уверенно "выпустить в небо" новый самолет. На первом этапе летных испытаний самолет не подвергается существенным нагрузкам, полеты выполняются с ограничениями параметров, в простых метеоусловиях, без сложных маневров в полетном задании.
Для программы МС-21 уже прошли испытания носовой отсек фюзеляжа, шасси, ряд натурных агрегатов, выполненных из композитов, а также десятки конструктивно-подобных образцов, отражающих работу основных силовых элементов конструкции. На сегодняшний день выходят на финишную прямую статические испытания кессонов крыла и киля.
На основании результатов этих испытаний, а также подтверждающих их расчетов делается заключение о статической прочности конструкции планера самолета для первого этапа летных испытаний.
Методом грубой силы
На раннем этапе развития авиации нагрузки на самолет были относительно невелики, и, по большому счету, вопрос надежности сводился в большей степени к жесткости конструкции, а не к прочности используемых материалов. Однако борьба за скорость, грузоподъемность и эффективность шла постоянно, и вес планера был и остается критическим параметром, поэтому поиски оптимального баланса между надежностью и легкостью самолета ведут к применению новых материалов.
По ряду своих свойств прекрасным материалом для самолетостроения была древесина, пропитанная специальными составами. Принципиальная проблема, однако, заключается в том, что в мире нет двух одинаковых деревьев, поэтому при развитии серийного производства обеспечение качества и контроль над ним стали чрезвычайно трудоемкими. На смену древесине пришел металл — создание дюралюминия произвело революцию в самолетостроении, особенно когда развитие технологии позволило сделать выплавку алюминия более или менее дешевым процессом. Современные алюминиевые сплавы с добавлением магния и лития обладают прекрасными свойствами. Также все большее распространение в авиации получает титан. Однако сейчас на наших глазах происходит новая технологическая революция — композиционные материалы из вспомогательного конструкционного материала превратились в основной. Они составляют существенную долю в конструкции новейших самолетов — Boeing 787, Airbus A350, Bombardier CSeries и МС-21. Разумеется, применение новых материалов требует дополнительных испытаний отдельных элементов конструкции — это так называемые изолированные испытания.
Особенность самолета МС-21 — большой объем инноваций в конструкции планера. Важнейшая из них — крыло большого удлинения, кессон (силовая часть) которого изготовлен из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе углепластиков. Также из композитов выполнено хвостовое оперение (кессон киля, стабилизатор). Применение в рамках программы МС-21 новых материалов и технологий изготовления деталей из ПКМ потребовало провести за последние несколько лет беспрецедентно большой объем исследовательских работ, были исследованы десятки тысяч элементарных и конструктивно-подобных образцов.
Среди них важно выделить четыре прототипа кессона крыла, кессоны киля и стабилизатора, изготовленные из композитов. Изолированные испытания изготовленных из ПКМ кессонов крыла и стабилизатора, а также механизации крыла, стартовали в начале октября 2016 г. Для испытаний кессона крыла в ЦАГИ был построен специальный стенд. Силовая конструкция такого размера из композиционных материалов в России создана и испытывается впервые.
На сегодняшний день результаты испытаний подтверждают правильность технических решений и эффективность методик проектирования конструкций, применяемых конструкторами при разработке МС-21. Испытания позволили не только определить прочностные характеристики деталей и агрегатов из ПКМ, но и выяснить поведение композитов под воздействием природно-климатических и эксплуатационных факторов. В частности, на композиты наносились повреждения, которые могут быть получены в ходе эксплуатации самолета. На стенде ЦИАМ в Тураево была проверена стойкость конструкций из ПКМ к таким внешним воздействиям, как столкновение с птицами на максимальной скорости.
После начала летных испытаний статические продолжатся. Основные агрегаты самолета будут подвергнуты максимальным расчетным нагрузкам, что позволит последовательно расширять диапазон условий полетов опытных самолетов.
Необходимо отметить, что методика прочностных испытаний постоянно совершенствуется. Статические исследования прочности конструкции проводили еще братья Райт при создании своего первого самолета. На заре авиации основным методом было нагружение крыла перевернутого самолета мешками с песком — пока не сломается. В 1920 г. выпускник Массачусетского технологического института Дональд Дуглас не только основал собственную самолетостроительную компанию, но и привнес в эмпирические прочностные исследования математическую методику расчета нагрузок с помощью логарифмической линейки. В 1938 г. были изобретены тензометрические датчики, позволяющие измерять локальные деформации. Методики испытаний продолжают совершенствоваться. Компания Airbus при статических испытаниях планера A350XWB приняла решение не доводить крыло до разрушения, то есть реальный предельный уровень нагрузки так и остался неизвестным. Вместо этого было показано, что крыло способно выдерживать максимально возможную нагрузку.
Что касается композитной консоли крыла МС-21, ее, для полной уверенности, все-таки планируют разрушить. Точнее, как говорят прочнисты, определить несущую способность конструкции, подвергнув ее разрушающей нагрузке. Пока эта консоль проходит в ЦАГИ изолированные — отдельно от планера — статические испытания на специальном стенде.
Познавая усталость
Другой важнейший элемент испытаний — изучение усталости материалов конструкции. При каждом полете элементы конструкции подвергаются циклическим знакопеременным нагрузкам: крыло изгибается подъемной силой и качается из-за турбулентности, на герметизированный фюзеляж действует перепад давлений снаружи и внутри. Из-за подобных нагрузок в металле могут накапливаться микроскопические дефекты, которые постепенно ведут к трещинам и разрушению конструкции. Хорошо известна история с первым коммерческим пассажирским реактивным самолетом Comet DH-106 британской фирмы de Havilland. Машины с герметизированным фюзеляжем имели два квадратных иллюминатора для приемных антенн автоматического радиокомпаса, а на углах всегда происходит концентрация напряжений. Высокие знакопеременные нагрузки вели к появлению усталостных трещин, их взрывообразному развитию и разрушению фюзеляжа. По этой причине в 1954 г. произошло две катастрофы, после чего полеты Comet были приостановлены. Тщательное расследование позволило выявить проблему и экспериментально продемонстрировать развитие трещины на фюзеляже в бассейне с водой. Другая известная история — развитие усталостных трещин в центроплане самолета Ан-10, которое привело к катастрофе в 1973 г.; ее последствием стало полное прекращение эксплуатации самолетов этого типа. Хотя с усталостными трещинами научились эффективно бороться — это подтверждают до сих пор летающие у военных Nimrod (морской разведчик на базе Comet 4C) и военно-транспортный Ан-12 на базе Ан-10.
Для усталостных испытаний изготавливается специальный нелетный экземпляр самолета, который в лабораторных условиях подвергается нагрузкам, моделирующим полет. Например, интенсивные усталостные испытания Airbus A380 продолжались 26 месяцев, в ходе которых самолет "налетал" 47,5 тыс. циклов — в 2,5 раза больше, чем реальный A380 смог бы выполнить за 25 лет коммерческой эксплуатации. Полет продолжительностью 16 ч моделировался в течение 11 мин.
В рамках программы МС-21 ресурсные испытания ведутся с 2010 г. В частности, отсек регулярной части фюзеляжа самолета МС-21 в ЦАГИ выдержал 47 тыс. циклов, каждый их которых приблизительно соответствует одному реальному полету. Хвостовой отсек фюзеляжа успешно выдержал 240 тыс. аналогичных циклов.
В ближайшем будущем в ЦАГИ начнутся ресурсные испытания специально построенного самолета МС-21. Эта машина никогда не поднимется в воздух, однако ее "налет" всегда будет существенно опережать налет реальных самолетов в авиакомпаниях. Поэтому любые потенциально опасные явления, связанные с прочностью, будут выявлены и в ходе доработок устранены раньше, чем создадут реальную угрозу для пассажиров.
На готовность к первому полету ресурсные испытания самолета в ЦАГИ непосредственного влияния не оказывают, поскольку прочность всех агрегатов планера проверяется в ходе статических испытаний.
Как говорят в корпорации "Иркут", на сегодняшний день результаты испытаний соответствуют расчетам. Обработка результатов статических испытаний позволит выявить и устранить некоторые недостатки конструкции, покажет возможные пути для дальнейшего совершенствования конструкции самолета — усилить элементы, прочность которых оказалась ниже расчетной, и, напротив, облегчить элементы, показавшие прочность выше необходимой, что позволит улучшить летно-технические характеристики машины.

Источник: http://www.ato.ru/content/zemnye-ispytaniya