"Mалой академией наук" бывший генеральный директор ВИАМа Р. Е. Шалин полушутя называл службу испытания материалов. Повод для этого у него был, поскольку нет такого метода исследования, который бы мы ни применили в нашей практике. Как и многие ключевые подразделения, Испытательный центр возник одновременно с образованием института. Перед ним стояли - и стоят - две основные задачи. Во-первых, оперативно обеспечивать разработчиков материалов и технологов всеми характеристиками получаемых ими образцов. Во-вторых, разбираться в причинах отказов авиационной техники и вырабатывать рекомендации по предотвращению аварий. Результатами этой работы пользуются как создатели материалов, так и специалисты, которые конструируют и эксплуатируют технику.
В лаборатории металлофизических исследований нашего центра есть подразделение фрактографического анализа, сотрудники которого изучают характер разрушения деталей и выясняют его причины. Наши специалисты накопили такой богатый опыт, что их можно сравнить с археологами. Последние по структуре земных пластов восстанавливают многовековую историю, а мы по рисунку излома, то есть по фрактограмме, определяем, отчего произошло разрушение: то ли вследствие усталости материала, то ли из-за металлургического брака, нарушения технологии или недостатков конструкции.
Правда, надо сказать, что наши знания даются часто ценой человеческих жизней, но эти же знания спасают другие жизни. Так, в 70-х годах прошлого века произошли два инцидента с самолетами Ан-10. Первый из них закончился трагически: самолет разбился под Харьковом, и пассажиры и экипаж погибли. Наши фрактографисты, исследуя обломки крыла, стрингеры, установили, что разрушение имело чисто усталостный характер. Нельзя было так долго эксплуатировать этот злополучный самолет. Но его периодически осматривали, проверяли, и специалисты, в том числе главный конструктор О. К. Антонов, давали разрешение на продолжение полетов.
Второй случился с таким же самолетом в районе Куйбышева. Летчики в воздухе услышали треск. Самолет им удалось посадить, но все находившиеся на борту были на волосок от гибели - имело место точно такое же разрушение.
Оказалось: самолет сконструирован так, что то критическое место в структуре подвески крыла, где развивалось усталостное разрушение, скрыто, и техники при осмотрах не могли увидеть признаков надвигающейся катастрофы. После этого в КБ приняли меры, чтобы все опасные места оказались доступными для ревизии.
Был интересный случай, к счастью окончившийся благополучно. На самолете лопнул сварной маслопровод. С помощью приборов микрорентгеноспектрального анализа обнаружили, что в зоне сварного шва откуда-то взялась медь, хотя как легирующий элемент в данном виде материала она не используется. Мы предположили, что сварщик варил на медной подложке - это допускалось технологией, - нечаянно коснулся ее и медь попала в расплав. Застыв, она распределилась по границам зерен и вызвала охрупчивание. В результате внесли поправки в правила сварки подобных узлов.
Большие опасности таит контактная коррозия. Она развивается, если возникает гальваническая пара при использовании материалов с различным сродством к кислороду. В 1975 году разбился спортивный самолет Як-52. Когда стали разбираться, выяснилось, что двигатель к нему делали в Румынии и использовали сталь с другим содержанием углерода. Даже такое "маленькое" отступление от требований чертежа повлекло за собой катастрофу.
Наши специалисты выезжали на аварии и не связанные с авиацией, например участвовали в расследовании взрыва газопровода под Арзамасом. Эту практику неплохо бы восстановить. Мы обобщаем, систематизируем исследования, выпускаем специальные атласы, в которых детально расписаны методы и результаты анализа каждой конкретной поломки, указано, как проводили исследование, что нужно, чтобы предупредить подобные вещи в будущем.
Испытательный центр имеет постоянную обратную связь с разработчиками материалов. Им нужно знать, каким образом те или иные легирующие добавки, те или иные технологические процессы влияют на структуру, на прочностные характеристики.
Кажется, чего проще? Взял образец, растянул до разрыва и проверил, получился нужный уровень прочности или нет. В довоенные времена так и делали: определяли показатели прочности, пластичности, сопротивления усталости обычными общетехническими методами без учета какой-либо авиационной специфики.
После войны, когда появились реактивные самолеты, многотонные пассажирские лайнеры, для которых очень важен такой параметр, как ресурс, число критериев качества увеличилось во много раз. За третью четверть ХХ века число испытательных установок в ВИАМе возросло на порядок, а площадь Испытательного центра достигла 5000 м2.
В задачи центра входит не только проверка новых материалов, но и документальное подтверждение их качества. За границей это делают с помощью сертификатов, которые гарантируют стабильность состава и свойств материала. Поставщик не отвечает за то, как его материал используется в конструкции. Это объясняется тем, что производством материалов для авиации занимаются многочисленные независимые компании.
В условиях административного управления экономикой советских времен институт стал головным в стране и сосредоточил в своих стенах весь банк данных по авиационным материалам, их природе, свойствам, методам испытаний. Это позволило создать единую систему паспортизации материалов. Она дороже зарубежной, но уж если на ее формирование затрачены средства, то надо пользоваться ее техническими преимуществами. Выдав паспорт, ВИАМ не только отвечает за свойства материалов, но и гарантирует, что материал будет работоспособен при предусмотренных паспортом условиях и на протяжении всего указанного в документе срока. Другими словами, мы берем на себя значительную долю ответственности, которая обычно лежит на конструкторе.
Появление огромной номенклатуры новых материалов и технологий потребовало разработки и новых методов их исследования. Необходимо было проверять не только образцы, но и готовые изделия. Это означает, что мы должны выявлять все дефекты в детали, не разрушая ее.
Методы неразрушающего контроля применялись еще до войны, когда для проверки литых узлов и сварных швов в институте создали установку с самой мощной на то время рентгеновской трубкой.
В тот же период вместо деревянных винтов начали использовать лопасти из алюминиевых сплавов. Их изготовляли штамповкой, которая вызывала внутренние расслоения металла. Чтобы выявлять их, на помощь призвали ультразвук и разработали так называемый теневой ультразву ковой метод для контроля качества не только винтов, но и деталей двигателя и планера.
После войны в авиации для снижения массы летательных аппаратов все шире начали применять специальные, в том числе полые, профили. Внутрь них не залезешь, а проверять толщину стенок необходимо. Такой контроль удалось наладить с помощью аппаратуры, в которой используется метод вихревых токов.
Для выявления поверхностных трещин на стальных деталях уже давно существует магнитопорошковый метод. Изделие поливают суспензией, содержащей магнитный порошок. Он оседает на участках, где имеются дефекты и невооруженным глазом хорошо видны нарушения шириной до 10 мкм. Но в самолетах все больше ответственных элементов изготовляют из немагнитных материалов. Для контроля дефектов на их поверхностях в ВИАМе разработали капиллярный люминесцентный метод, с помощью которого обнаруживают трещины шириной раскрытия до 0,5 мкм.
К новым поискам нас подтолкнула необходимость контролировать турбинные лопатки, коренным образом отличающиеся от тех, что делали в 1950-х годах. Сейчас они стали монокристаллическими. Процесс их изготовления чем-то напоминает выращивание искусственных рубинов. Лопатки внутри устроены очень сложно. Мало того, что они полые, в них имеется много тонких каналов, по которым внутрь подается охлаждающий воздух. Лопатки стали дороже и потому, что для их легирования применяют редкие элементы, например рений или рутений, без которых уже нельзя представить ни один современный жаропрочный сплав. Каждая лопатка по стоимости сравнима с легковым автомобилем .
Понятно, что контроль за их качеством должен быть очень жестким. На ультразвуковых, рентгеноструктурных и рентгеноспектральных приборах мы определяем кристаллографическое направление, структуру, толщину стенок и локальный состав отливок. За состоянием охлаждающих каналов нам помогает следить тепловизионная техника. В институте разработан пакет компьютерных программ, позволяющий по картине распределения температурных полей воспроизвести с большой точностью всю геометрию лопатки. Но у нас есть и такие опытные специалисты, которые, лишь взглянув на экран тепловизора, способны поставить точный диагноз, например определить, что на высоте одной трети от замка в канале остался кусок литьевого стержня. Если его не удалить, то лопатка в этой зоне не будет как следует охлаждаться и быстро прогорит.
Принципиально иного подхода требуют испытания композиционных материалов, которые в отличие от металлов намеренно производят неоднородными по макроструктуре. Среди возможных дефектов в них встречаются расслоения, разрывы волокон, нарушение укладки. Очень перспективным для контроля композитов оказался рентгеновский томограф, наподобие тех, что применяются в медицине. Мы уже пользуемся разработанным нами прибором ВТ-300 ВИАМ, но перед специалистами Испытательного центра сейчас стоит задача создать устройство для обнаружения дефектов в крупных деталях в полевых условиях. И хотя такого прибора еще нет, результаты исследований дают весомые основания для оптимизма.
Чем сложнее и точнее оборудование, тем более квалифицированными должны быть кадры. В течение довольно долгого периода с этим у нас существовали проблемы. Сейчас возвращаются люди, которые в тяжелое время, чтобы прокормить семьи, вынужденно уходили в финансовые, торговые структуры. Удается привлекать и молодежь, хотя в материальном отношении трудно соперничать с зарубежными фирмами.
В лабораториях центра мы проводим и не совсем обычные испытания. Например, исследуем материалы на токсичность продуктов сгорания. Оказывается, 70% случаев смертельного исхода при неудачной посадке и возникающем в результате этого пожаре происходят из-за того, что люди не успевают добраться до аварийных выходов и погибают от отравления дымом. Раньше мы проводили такие испытания на белых мышках. Не все мыши для этого годились - отбирались особи специального возраста. Теперь, конечно, используются газоанализаторы, специальные дымовые камеры. Правда, это оборудование очень дорого, и данный вид испытаний не введен в реестр обязательных. Тем не менее все материалы интерьеров, которыми оснащаются самолеты, сегодня обязательно проверяют на горючесть, на дымообразование.
В сферу наших задач входит не только испытание материалов, но и проверка качества технологий. При одном и том же составе материал может иметь разные характеристики в зависимости от параметров технологического процесса.
Когда-то в фильмах о шпионах шла охота за чертежами секретных изделий. А сейчас, например, в одном из залов музея города Бристоля демонстрируются двигатели для самолетов вертикального взлета. Все открыто: подходи, изучай, фотографируй. Любую деталь при современных методах анализа можно разложить "по полочкам". А вот как эту деталь сделать - вопрос. В любой технологии масса тонкостей, нюансов, и мы каждые из них исследуем, проверяем, чтобы самолеты в России летали быстро, надежно и долгие годы.
См. в номере на ту же тему
Е. КАБЛОВ - ВИАМ - национальное достояние.
А. ЖИРНОВ - Крылатые металлы и сплавы.
И. ФРИДЛЯНДЕР - Старение - не всегда плохо.
Б. ЩЕТАНОВ - Тепловая защита "Бурана" началась с листа кальки.
С. МУБОЯДЖЯН - Плазма против пара: победа за явным преимуществом .
БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.
Э. КОНДРАШОВ - Без неметаллических деталей самолеты не летают.
И. КОВАЛЕВ - В науку - со школьной скамьи .
С. КАРИМОВА - Коррозия - главный враг авиацииc.
А. ПЕТРОВА - Посадить на клей.
