Жертвы безопасности: стендовые испытания двигателя

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.

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.

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.

Точно в цель 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.

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».

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

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.

PowerJet SaM146 в разрезе PowerJet SaM146 в разрезе PowerJet SaM146 — авиационный турбовентиляторный реактивный двигатель. Взлетная тяга: 7945 кгс // Удельный расход топлива: 0,63 кг/кгс*ч // Степень двухконтурности: 4,43 // Масса: 1700 кг Длина: 2070 мм // Диаметр: 1224 мм

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.


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.


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.

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.

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.

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.

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.


Все под контролем

Разумеется, ни на открытой, ни тем более закрытой испытательной площадке 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, исключая человеческий фактор. Работа двигателя может контролироваться по 1500 параметрам одновременно, причем телеметрия может в режиме реального времени передаваться 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.


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.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2009).
Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.