Жертвы безопасности: Стендовые испытания двигателя

Испытания надежности авиационной техники — весьма жестокая вещь. Время, средства, специальное оборудование и усилия множества людей направляются на сознательное уничтожение техники, а иногда даже живых существ. Все это делается для того, чтобы в ходе последующей многолетней эксплуатации воздушного судна не пострадал ни один человек
Сергей Апресов
2
30249
  • Точно в цель Каждая лопатка вентилятора двигателя, подвергающегося испытаниям, получает собственный номер и специальную разметку. Снаряд, вылетающий из пушки, будь то плитка льда или птица, должен попасть в конкретную область конкретной лопатки на полных оборотах вращения вентилятора
    Точно в цель Каждая лопатка вентилятора двигателя, подвергающегося испытаниям, получает собственный номер и специальную разметку. Снаряд, вылетающий из пушки, будь то плитка льда или птица, должен попасть в конкретную область конкретной лопатки на полных оборотах вращения вентилятора
  • В НПО «Сатурн» действует технология сквозного проектирования-производства на базе единой вычислительной сети. Детали разрабатываются одновременно с технологическими процессами и оснасткой, а не вписываются в заданные производственные рамки
    В НПО «Сатурн» действует технология сквозного проектирования-производства на базе единой вычислительной сети. Детали разрабатываются одновременно с технологическими процессами и оснасткой, а не вписываются в заданные производственные рамки
  • Для наиболее сложных элементов используется технология быстрого прототипирования — стереолитография. Производственная база включает в себя литейное, сварочное производство, механическую (5−6-координатные машинообрабатывающие центры), термическую обработку, обработку металлов давлением, инструментальное производство
    Для наиболее сложных элементов используется технология быстрого прототипирования — стереолитография. Производственная база включает в себя литейное, сварочное производство, механическую (5−6-координатные машинообрабатывающие центры), термическую обработку, обработку металлов давлением, инструментальное производство

Два опытных экземпляра ближнемагистрального пассажирского самолета «Сухой» Superjet (SSJ100) 30 марта — 1 апреля этого года совершили успешный перелет из Комсомольска-на-Амуре в подмосковный Жуковский. Этот длительный полет продемонстрировал, что самолет и его двигатели SaM146 готовы к серийному производству. Новейший турбовентиляторный двигатель SaM146 разрабатывается российским предприятием НПО «Сатурн» и французской компанией Snecma на паритетных началах, с равным участием в рисках, доходах, исследованиях и производственном процессе. Условно обязанности сторон можно разделить так: французы отвечают в основном за внутренний контур двигателя — компрессор и турбину высокого давления, камеру сгорания, трансмиссию, а также летные испытания. На НПО «Сатурн» производятся детали внешнего контура, от которого во многом зависит удельный расход топлива и КПД двигателя, а также финальная сборка двигателя и мотогондолы.

Читать далее

Кроме того, именно российская сторона отвечает за проведение наземных испытаний двигателя, в том числе программы сертификации по последним российским и европейским стандартам. Мы посетили испытательный комплекс НПО «Сатурн», состоящий из трех закрытых стендов на территории завода и уникального открытого стенда в Полуеве Ярославской области. О работе единственного в Европе и самого современного в мире открытого испытательного стенда нам рассказал начальник испытательного корпуса Роман Владимирович Любимов.

Вопреки опасности и ветру

Многочисленные стендовые испытания — это неотъемлемая часть процесса создания нового авиационного двигателя. Большинство из них (силовые параметрические испытания, оценка аэродинамических и тяговых характеристик, работоспособность системы управления и вспомогательных систем, испытания вибрационных и экологических параметров, длительные циклические тесты) проходят на трех закрытых стендах, находящихся в помещении испытательного цеха. Открытый стенд предназначен для наиболее экстремальных тестов, сопряженных с опасностью разрушения как двигателя, так и самого стенда. Это прежде всего все забросы (льда, града, птицы) и испытание на обрыв и удержание лопатки вентилятора. Проведение таких тестов на закрытых стендах может закончиться пожаром, разрушением близлежащих помещений и человеческими жертвами.

Еще одна эксклюзивная функция открытого стенда — акустические испытания, проведение которых возможно только вдали от населенных пунктов. «Раньше открытый испытательный стенд был в Англии, но он располагался слишком близко к городу и поэтому был закрыт, — рассказывает Роман Владимирович, — так что наш комплекс теперь единственный в Европе. Один открытый стенд располагается на территории США и еще один строится в Канаде при участии компаний General Electric и Pratt & Whitney».

Испытательный комплекс — это сложный промышленный объект, расположенный на удалении 27 км от ближайшего города Рыбинска и 4 км от ближайшего населенного пункта Полуева. Для работы оборудования необходимо электричество, поэтому к стенду подведена выделенная ЛЭП с отдельной подстанции. Для питания испытуемого двигателя требуется целое топливное хозяйство, в том числе насосные установки и хранилище на 180 м³ топлива. Двигатель запускается с помощью сжатого воздуха, производимого на компрессорной станции. Кабина управления располагается в 100 м от стенда, чтобы уберечь людей от обломков, если что-то пойдет не так. Среди уникального спецоборудования комплекса — установка для имитации ветра. 12 мощных вентиляторов способны создавать воздушный поток со скоростью от 3 до 25 м/с, при этом расход воздуха может достигать 500 кг/с. Антитурбулентный экран позволяет проводить испытания в любую погоду точно по расписанию. Блокирование ветра особенно важно для акустических испытаний, в которых ключевую роль играют чувствительные к малейшему колебанию воздуха микрофоны.

История испытательной площадки в Полуеве началась 40 лет назад с работы над сверхзвуковым пассажирским самолетом Ту-144. Современный комплекс был введен в эксплуатацию в марте 2007 года. Первые запуски были посвящены испытаниям и отладке самого стенда. Для них использовались двигатели, уже отслужившие свой срок на пассажирских самолетах. Кроме того, на стенде отработали три так называемых двигателя соответствия. Дело в том, что на закрытых стендах двигатели не развивают своей номинальной тяги из-за неизбежной потери энергии воздушного потока, который вынужден проходить по замкнутому циклу. Только открытый стенд демонстрирует правдивые показатели. Поэтому в результате процедуры эталонирования (испытания двигателей соответствия на открытом и закрытых стендах) были разработаны специальные поправочные коэффициенты для закрытых площадок.

Дождь из пипетки

Автобус заезжает на широкую бетонированную площадку, имитирующую взлетно-посадочную полосу аэродрома, и мы видим один из опытных образцов SaM146 в окружении металлических лесов, подъемных устройств, осветительных приборов и видеокамер. Двигатель подключен к топливной магистрали, опутан кабелями и дренажными шлангами. Его многочисленные контрольные термопары подключены к противопожарной системе стенда. Аналогичная система устанавливается и на сам самолет. В воздухозаборник, точно в одну из лопаток вентилятора, прицелилась специальная пушка. SaM146 полностью подготовлен к сертификационным испытаниям на заброс льда и града.

Испытания на преодоление облака града наиболее затратны. Это связано с необходимостью вручную изготовить около 14 млн градин диаметром 12 мм и массой ровно 1 г — именно такие параметры града прописаны в сертификационных документах. Для этого замораживают дистиллированную воду, которая превращается в лед. Затем лед превращается в снег, который намазывают на пресс-форму. Полученные градины хранят в холодильнике.

За один тест расходуется 400 000 градин. Установка непрерывно подает град со скоростью 192 м/с (691 км/ч), имитируя пролет самолета через грозовое облако длительностью 40−50 с. Часть градин используется для инженерных испытаний пушки. В России испытания по европейским стандартам проводятся впервые, для них разрабатывается новое оборудование. Пушку НПО «Сатурн» разработало совместно со Snecma. Однако бóльшая часть запусков (с расходом 7−8 млн градин) приходится на отладку режима. Специалисты НПО «Сатурн» выясняют, на какой скорости и в каком режиме работы двигатель получит наименьшие повреждения при преодолении грозового облака. В дальнейшем эти рекомендации войдут в инструкцию по эксплуатации воздушного судна, которой должны будут беспрекословно следовать пилоты. Именно на этом режиме проводятся сертификационные испытания, состоящие из двух зачетных выстрелов.

Еще один тест, связанный с замерзшей водой, — заброс плитки льда. Имитируется ситуация, когда на воздухозаборник мотогондолы намерзает лед, кусок которого откалывается и попадает в двигатель. В данном случае российские авиационные правила, описанные, в частности, в документе АП-33 «Нормы летной годности двигателей воздушных судов», оказались более строгими, нежели европейские. «Наша» плитка весит 300 г, европейская же — в три раза легче. Сертификационный заброс проводится дважды, при этом оба раза плитка должна на скорости 192 м/с врезаться в заранее определенную и размеченную лопатку вентилятора. При этом двигатель должен полностью сохранить работоспособность.

Пернатым героям слава

В ответ на вопрос: «А что представляют собой испытания на заброс птицы?» — Роман Владимирович нервно оглянулся и поинтересовался, нет ли среди присутствующих представителей СМИ воинствующих «зеленых». Требование о сохранении работоспособности двигателя при попадании птицы существует давно, однако современные европейские правила четко регламентируют мельчайшие детали этих испытаний. В частности, птицы делятся на мелких, средних и крупных, с каждым видом двигатель будет знакомиться по отдельности. К примеру, «средняя птица» имеет массу тела 700 г. «Птица должна быть абсолютно здорова, перед тем как будет умерщвлена для проведения испытаний, — рассказывает Любимов. — Мало того, перед помещением в камеру пушки каждую птичку ожидает рентгеновское обследование — это нужно, чтобы убедиться в целостности ее скелета и отсутствии каких-либо посторонних включений». Бройлеры из магазина не подойдут: птичка должна быть целой, не ощипанной, комнатной температуры.

Всего для инженерных испытаний стенда и сертификации понадобится 70 птиц. Специалисты НПО «Сатурн» уже решили, что на роль «средней птички» лучше всего подходят чайки. Добыты они будут максимально гуманным способом — с помощью охотхозяйств и экологов, которые регулируют численность популяций пернатых.

Ближе к окончанию программы сертификации SaM146 ожидает самый экстремальный тест — испытания на обрыв лопатки вентилятора. На одной из лопаток будет закреплен пиротехнический заряд, который сработает после выхода двигателя на штатный высокооборотный режим. Лопатка — это металлическая деталь, которая движется с огромной скоростью и имеет колоссальную кинетическую энергию. О сохранении работоспособности двигателя в случае ее обрыва не может быть и речи, напротив — дорогостоящий механизм, скорее всего, будет полностью разрушен. Испытание считается успешным при соблюдении двух условий: если при этом не возникнет пожара и если все обломки двигателя останутся внутри мотогондолы без риска повредить крыло или фюзеляж самолета. А сама по себе потеря одного из двигателей для современного воздушного судна не опасна.

Курс на экспорт

Пока этот материал готовился к печати, опытные образцы двигателя SaM146 прошли бóльшую часть сертификационных испытаний на закрытых стендах, а также испытания на заброс ледяной плитки и града. В мае-июле настанет очередь героических птичек. К концу лета НПО «Сатурн» планирует завершить сертификацию для SaM146, включая испытания на обрыв лопатки вентилятора и акустические тесты. В России столь обширная испытательная программа, вобравшая в себя все внутренние и европейские технические нормативы, проводится впервые.

Успех этих тестов важен не только для проекта SaM146, который давно признан приоритетным на уровне глав правительств России и Франции, но и для самого стенда. Универсальная площадка в Полуеве рассчитана на испытания авиационных двигателей с тягой до 23 000 кгс. SaM146 с его 7945 кгс — лишь первая ласточка. Ожидается, что открытый стенд в Ярославской области станет стратегически важным объектом в масштабах всей авиастроительной отрасли в Европе. Так что если заходит речь о возможности российского экспорта наукоемких технологий — вот яркий пример.

Номера реинкарнаций

  • На моторах последнего поколения лопатки вентилятора сделаны съемными, поэтому теперь столкновение с птицей или отколовшейся льдинкой не влечет за собой замену дорогого вентилятора в сборе
    На моторах последнего поколения лопатки вентилятора сделаны съемными, поэтому теперь столкновение с птицей или отколовшейся льдинкой не влечет за собой замену дорогого вентилятора в сборе

Для прохождения сертификационных стендовых испытаний на НПО «Сатурн» подготовлено восемь двигателей. Каждый из них обозначается номером из двух цифр, например 2.1 или 5.3. Первая цифра обозначает номер экземпляра, вторая — номер сборки. Дело в том, что после некоторых испытаний двигатель просто не может остаться невредимым. К примеру, после заброса ледяной плитки он возвращается на завод и проходит процедуру дефектации. Специалисты тщательно изучают не только деформированную лопатку, на которую пришелся удар, но и другие повреждения. Двигатель перебирают, и ему присваивается порядковый номер сборки — это и есть вторая цифра. Всего для восьми подопытных двигателей запланировано 26 переборок.

Powerjet SAM146 в разрезе

Основной модуль вентилятора и бустера: 1) Вентилятор и бустер 2) Опора подшипника № 1 и № 2 3) Центральный привод и подшипник № 3 4) Промежуточный корпус

Основной модуль газогенератора: 5) Ротор КВД 6) Передний статор КВД 7) Задний статор КВД 8) Корпус камеры

сгорания 9) Жаровая труба камеры сгорания 10) СА ТВД

11) Ротор ТВД 12) СА 1-й ступени ТНД

Основной модуль ТНД: 13) ТНД 14) Вал ТНД 15) Задняя опора ТНД 16) Промежуточный редуктор 17) Вспомогательная коробка приводов

Система выхлопа: 18) Смеситель 19) Центральное тело

А судьи кто?

Внутренние российские сертификационные процедуры и нормативы основываются на Авиационном регистре Международного авиационного комитета (АР МАК). Комитет был учрежден двенадцатью государствами бывшего СССР в 1991 году на основании «Соглашения о гражданской авиации и об использовании воздушного пространства». С точки зрения сертификации SaM146 наиболее важным документом Регистра являются «Нормы летной годности двигателей воздушных судов» АП-33. Источником международных норм служит Международная организация гражданской авиации ICAO, учрежденная ООН в 1947 году. В настоящее время наиболее строгими ограничениями ICAO считаются экологические нормативы и нормы эмиссии шума.

Все под контролем

Разумеется, рядом с работающим двигателем не могут находиться люди. Прецизионное управление подачей топлива, смазки, воздуха и электропитания оператор осуществляет из кабины управления, визуально наблюдая двигатель на видеомониторе. Система оснащена защитой по отдельным критическим параметрам: если двигатель переходит в опасный режим работы, испытания останавливаются автоматически. Работа двигателя может контролироваться по 1500 параметрам одновременно, причем телеметрия в режиме реального времени передается не только оператору, но и на рабочие места всех заинтересованных лиц (конструкторов, заказчиков) с возможностью корректировок. Испытания могут проходить на нескольких стендах одновременно, при этом свободные измерительные каналы одного бокса могут быть задействованы на другом.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№80, июнь 2009).

Комментарии

2 комментария