Интервью 7 . 10 вопросов инженеру- прочнисту.
Leonid1. Из чего делают фюзеляж самолетов?
В фюзеляжах современных самолетов 2 основных типа материалов – это композиты и алюминиевые сплавы. Главное достижение в области композитов последних лет – это почти полностью композитный фюзеляж Дримлайнера (Boeing 787), однако и в его конструкции активно используется металл, а именно титановый сплав, для особо ответственных фитингов в зонах стыков секций фюзеляжа. Кстати, весь титан для Boeing 787 добывается и обрабатывается в России.
Что же касается алюминиевых сплавов, они все еще активно применяются и в новых самолетах. Так как конструкция фюзеляжа склонна к усталости и образованию трещин из-за внутреннего давления в салоне, материал должен быть пластичным и вязким, способным много лет испытывать деформацию и при этом держать форму. Образовавшиеся в нем трещины, если и появляются, должны расти медленно и не снижать прочность ниже минимума. Сплав алюминия с медью как легирующим элементом как раз идеально подходит для этого.
2. Почему в полете не отваливается крыло?
Современная авиационная прочность как наука берет свои истоки из нескольких отраслей промышленности 19 века – прежде всего мостостроения и кораблестроения. Конструкция моста всегда находится в движении, колеблется под действием ветра, машин и других факторов. Ее подвижность и гибкость обеспечивают ей и прочность, поскольку позволяют тем самым высвобождать энергию, а не копить ее в особо нагруженных зонах, постепенно трескаясь и разрушаясь. Крыло самолета – это гибкая подвижная балка, которая закреплена на фюзеляже, но может изгибаться и выкручиваться в пределах дозволенного. Изгиб возникает от действия подъемной силы на крыло, но его можно снизить, если расположить внутри крыла баки с топливом (подъемная сила действует вверх, а вес баков ее уравновешивает), что является сейчас стандартной схемой. Так что, когда мы видим в полете из иллюминатора ходящее ходуном крыло – это хорошо, именно поэтому оно еще летит с нами.
3. Авиационный скотч насколько он прочен? Чем отличается от того чем заклеиваем окна на зиму?
Авиационный скотч в целом конечно надежен. Здесь вопрос скорее в его долговечности, поэтому это всегда временная мера, и он должен быть заменен на более прочный ремонт в будущем. Его прочность в конкретном месте применения проверяют команды инженеров сервиса и его никогда не ставят, не подтвердив достаточную прочность соединения.
Особенность прежде всего в его химии – в составе его клейкого вещества. Оно способно выдерживать высокие скорости полета, большой перепад температур за бортом, влажность и т.д. Фактически этот скотч – это тонкая полоска алюминиевого сплава в сочетании с нужным клеем.
4. Удар молнии в самолет. Расскажите, пожалуйста, как защищен самолет от перепадов электричества?
Самое подверженное молнии место в самолете – это крыло, а именно его законцовка и выступы, такие как гондола двигателя и предкрылок. Если толщина элементов, в которые ударила молния, недостаточна, она может прожечь их насквозь и образовать повреждение. Но самое опасное – это возможность воспламенения паров топлива в баках крыла! Чтобы от молнии не образовалась искра, создается контакт напряжения по всему профилю крыла. Также помогает достаточная изоляция самого топливного бака лентами и спец материалами.Ну и конечно нужна достаточная толщина обшивки, чтобы энергии молнии просто не хватило для ее прожигания.С перепадами электричества и вообще с повреждениями проводки и приборов от действия молнии борются путем дополнительной изоляции проводки, или ее прокладкой внутри уже изолированного топливного бака. А также увеличивают защитное электромагнитное поле с помощью специальных материалов (например, алюминиевая фольга).
5. Какой максимальный срок сохранности и прочности фюзеляжа самолета? До сих пор видим примеры летающих полувековых экземпляров самолетов, у них насколько я понимаю заменено уже все, кроме фюзеляжа.
Из-за особенностей применяемых материалов, их износостойкости, пластичности, ударной вязкости и прочих вещей, очень полезных для ресурса детали, самолеты были и остаются очень долговечными. Всегда существуют расчеты, которые определяют максимальный срок службы самолета. Но эти расчеты всегда неверны, поскольку все из существующих на данный момент успешных на рынке моделей пережили эти сроки и эксплуатируются дальше. Кто-то из них и более чем в 2 раза.Однако главный вопрос для авиакомпании – когда поддержание безопасности полетов самолета станет соразмерно с прибылью от его использования? Именно в этот момент самолет уходит в продажу в менее престижные места использования или в менее развитые страны. Все главные мировые авиакомпании не пользуются самолетами старше 10-15 лет. Это вопрос рентабельности и имиджа, только во вторую очередь безопасности.
6. Удары птиц, града, расскажите, пожалуйста, как фюзеляж защищен от этих воздействий?
Воздействие птиц и других небольших элементов на внешнюю оболочку фюзеляжа является одним из стандартных расчетных кейсов для любого самолета. Рассматривается среднестатистическая скорость полета птицы и ее вес. Расчеты потом подтверждаются серией реальных испытаний. Проверяется прежде всего переднее стекло кабины и передний обтекатель. При этом нерентабельно защищать самолет от града величиной с булыжник или от большого альбатроса, поскольку вероятность встречи крайне мала, а вот веса такая защита добавит ощутимо. Но все же если это произойдет (а такое бывает), самолет поврежденный всегда сможет долететь до аэродрома. Такая ситуация также рассматривается как расчетный кейс.
7. Есть ли из современных лайнеров модификации о которых можно сказать вот он прочнее чем вот этот? Можете привести примеры?
Наверное, этот вопрос не совсем корректный. Ведь прочность как таковая для самолета не является целью, в отличие от танка или броневика. Прочность самолета является средством достижения его заданных летных характеристик. Именно по этим параметрам лучше их и сравнивать. Если же об инженере-прочнисте никто не знает и не вспоминает, значит он сделал свою работу хорошо.Последние лет 50 у самолетов-флагманов индустрии с прочностью все в порядке. Мы не можем говорить о целом самолете, как о прочном или непрочном элементе. Если он сертифицирован и эффективно эксплуатируется, значит он уже достаточно прочен. Но если он прочнее своего аналога, значит он и тяжелее, отсюда снижается его эффективность. Самое главное в структуре самолета – это баланс между его жесткостью, прочностью и весом. Мне кажется, любой пример здесь будет субъективен, так как все нынешние модели вполне достигают этого баланса.
8. Самолеты из композитных материалов легче чем предшественники? Уступают ли они по прочности?
Наболевшая тема для всех авиационных инженеров. Очевидно, что композитные материалы – это будущее, главным образом потому, что по сути формируется не только конструкция самолета из заготовок, но и подходящий материал именно в этом месте под именно эту величину нагрузки именно в этом направлении. Создание собственной микроструктуры материала для конкретного места – звучит многообещающе и это должно быть намного легче.На деле все гораздо сложнее и пока что для крупных самолетов нет очевидного ответа, что эффективнее. Возможно, причина в консервативности подходов при проектировании. Когда у тебя в использовании композит, ты не можешь просто заменить им металл. Ты должен изменить целиком конфигурацию, задать эффективно расположение и количество слоев. Т.е. затраты на проектирование существенно растут. То же самое и в анализе прочности – это сложнее посчитать, нужна симуляция в моделях и т.д. Но процесс идет и наработок будет все больше, просто мировые корпорации внедряют новые технологии не спеша и осторожно.По прочности пока что они местами уступают, местами их приходится заменять на титановые сплавы, или они работают вместе в паре. Однако, например, в бизнес авиации все джеты уже давно целиком композитные, и крайне эффективны с точки зрения прочности. Эта технология сложна и требует времени.
9. Почему до сих пор не придумали систему эвакуации пассажиров из терпящих бедствие лайнеров (были прототипы разных вариантов, но дальше идеи насколько мне известно не пошло).
С точки зрения прочности, мне кажется, это путь в никуда. Изначально был выбран путь не оснащать каждого пассажира парашютом или делать съемный катапультируемый салон, а развивать безопасную эксплуатацию прочной конструкции. Зачем тогда все эти десятки лет расчетов, наработок, сбора статистики, если теперь мы можем просто выпрыгнуть из самолета? И вопрос рентабельности, как всегда, главный – так делать невыгодно. Подавляющее большинство самолетов живет долгую безопасную жизнь и умирает своей смертью на кладбищах техники. Как и у людей в развитых странах, у популяции самолетов малый процент несчастных случаев и убийств.
10. Летающие такси, летающие автомобили и прочие подобные инновации, как вы считаете имеют ли развитие в будущем?
Опять же, с точки зрения прочности, вопрос, насколько безопасной будет эта инновация, вопрос ее сертификации, наверное, самый острый. Не думаю, что здесь есть какой-то вызов с конструктивной точки зрения, все стандартно композитное, небольшое, с соответственно небольшими нагрузками. Фактически, это малая и средняя авиация – классика авиации в целом, и мы как будто на новом витке возвращаемся во времена первой половины 20-го века.