От надежной работы авиационных двигателей в любых погодных условиях зависит безопасность полетов. Поэтому прежде чем двигатель будет установлен на самолет, его серьезно испытывают на прочность. Кроме проверки основных характеристик, ресурса и надежности, силовую установку заливают водой, закидывают кусками льда, стреляют в нее тушками птиц и даже засыпают вулканическим пеплом. О некоторых неординарных испытаниях, которые проходят двигатели, прежде чем займут свое место на крыле самолета, – в нашем материале.

Крещение льдом 

Одной из проблем, часто приводящей к авариям летательных аппаратов, является обледенение их элементов во время полета. По данным мировой статистики, причиной около 40% авиакатастроф, связанных с климатическими условиями, становится именно обледенение. Оно происходит, когда самолет поднимается на высоту до 5000 м и попадает в холодное облако высокой влажности. Даже при низкой температуре около -40°С такое облако может состоять из жидких капель, которые за минуту способны покрыть поверхности самолета ледяной коркой толщиной от 1 до 6 мм.

Для газотурбинного двигателя основная опасность заключается в пластинах льда, наросших на воздухозаборнике силовой установки. Если противообледенительная система по каким-то причинам не справляется, наросты льда становятся все больше и больше. Набрав критическую массу, они срываются и попадают в двигатель, что может привести к повреждению его лопаток и выключению. Кроме того, обледенению подвержены вентилятор и сами лопатки. Образующийся на них лед может ухудшать характеристики двигателя и мешать полету.

Температура воздуха на разных высотах полета сильно колеблется, поэтому самолет может попасть в условия обледенения даже при плюсовой температуре на земле. И если для планера самолета существуют эффективные системы предупреждения о ледяной проблеме, то обледенение двигателя пилоты часто обнаруживают только по косвенным признакам, и это может быть уже слишком поздно. Поэтому основной выход для конструкторов авиадвигателей – создавать силовые установки, устойчивые к процессам обледенения.

Параметры, которым должна соответствовать двигательная установка воздушного судна, описаны в части 33 Авиационных правил Российской Федерации. Испытания на обледенение двигателя проводятся в специальной установке, оборудованной морозильной камерой и системой подмешивания водяного аэрозоля в воздушный поток, подающийся к двигателю. Это дорогостоящий и довольно трудоемкий процесс, в ходе которого специалисты проверяют все параметры работы установки, а после исследуют двигатель на предмет повреждений.

В России такими испытаниями занимается Научно-испытательный центр Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ). Стенды института позволяют проводить сертификационные климатические испытания. Так, новейший российский авиадвигатель ПД-14 прошел здесь испытания классическим обледенением и попаданием льда в 2018 году и подтвердил свое соответствие требованиям Авиационных правил России.

Одно из новых требований для двигателей – испытание ледяными кристаллами. Сталкиваясь в компрессоре двигателя с нагретыми деталями, такие кристаллы прилипают к ним, формируя ледяные наросты. Сложность заключается в том, что кристаллы проникают в глубину двигателя, накапливаются и слипаются на элементах двигателя, не имеющих специальную защиту от обледенения, а после отрыва ледяные наросты повреждают элементы двигателя. В 2020 году специалисты ЦИАМ и «ОДК-Авиадвигатель» разработали методику подтверждения работоспособности двигателя при попадании в условия кристаллического обледенения. В 2021 году методика была проверена при испытаниях двигателя ПД-14 на открытом испытательном стенде ПАО «ОДК-Сатурн» в Полуево, а в 2022 году будет проведено сертификационное испытание.

Тест-драйв на птицестойкость 

Столкновение летательного аппарата с птицами − очень неприятное происшествие, которое при этом случается не так уж и редко. Птица может попасть в двигатель и вывести его из строя, но для современного самолета это не критично – он может лететь, садится и даже взлетать с одним двигателем. Однако, птицы часто летают стаям и, соответственно, пострадать могут сразу все двигатели, что неоднократно приводило к серьезным авариям. Кроме повреждения самой силовой установки, столкновение с птицей может привести к поражению деталями двигателя корпуса самолета, к возгоранию или даже обрыву гондолы.

Испытание авиадвигателей на птицестойкость – обязательное сертификационное требование, которое также предусмотрено в Авиационных правилах. Испытания проводятся на стенде с применением специальной пушки. При этом двигатель выводится в рабочий режим, как правило, взлетный, когда встреча с птицами наиболее опасна. По двигателю производится выстрел тушкой птицы. Чем больше диаметр двигателя, тем больше и тяжелее должна быть птица.

Согласно нормам, испытания с крупной птицей считаются успешными, если разрушения двигателя локализованы. Также двигатели «обстреливаются» мелкими птицами и имитацией стаи птиц. Двигатель ПД-14 для авиалайнера МС-21 успешно выдержал подобный «экзамен» в 2018 году.

По словам испытателей, проверка двигателя на птицестойкость – не самый приятный момент испытаний, ведь для них используются настоящие птицы. По российским требованиям, они должны быть живыми за полчаса до испытаний. Этические дилеммы в этом случае решаются постоянным напоминанием себе о том, что все это делается для безопасности и сохранения жизни людей.

Турбина против вулкана 

Попадание самолета в облако вулканического пепла не часто, но все же встречается в авиационной практике. По статистике, гражданские самолеты попадают в область загрязнения пеплом вулканов в среднем несколько раз в год. В некоторых из этих случаев наблюдалось нарушение работы двигателей, которое могло привести к катастрофам.

Изучение воздействия вулканического пепла на работу авиации активизировалось после 2010 года, когда Европу накрыли облака, вызванные извержением вулкана Эйяфьядлайекюдль. Тогда были отменены десятки тысяч авиарейсов, компании терпели многомиллионные убытки, а после случившегося начались горячие дискуссии о реальном вреде вулканического пепла для авиации. По европейским нормам все новые двигатели с 2015 года должны проходить испытание пеплом вулкана.

В больших концентрациях вулканический пепел, взвешенный в воздухе, представляет опасность для работы авиадвигателя. Пепел вулкана – это измельченная магма, состоящая из мельчайших частиц твердых горных пород, минералов и стекла. Попадая внутрь, пепел врезается в детали двигателя, а под воздействием высоких температур сплавляется и прилипает к стенкам и деталям, нарушая работу турбин. Это ограничивает потоки воздуха и может привести к потере мощности двигателя. Кроме того, пепел обладает абразивными свойствами и может повреждать поверхности самолета.

Летом этого года газогенератор двигателя ПД-14 был испытан на воздействие вулканического пепла. «Сердце» двигателя целый час подвергалось воздействию агрессивной среды, при этом его характеристики практически не изменились. В качестве «раздражителя» использовался пепел камчатского вулкана Шивелуч. Примечательно, что подобные сертификационные испытания в мире и в России проводились впервые.