Краш-тест самолета: как это делается
Аэрофобия — штука серьезная, но она, как и многие другие навязчивые состояния, поддается лечению. В запущенных случаях помогает интенсивная психотерапия. Легкие же симптомы, присущие каждому из нас, лечатся изучением матчасти.
Обкатка нового самолета начинается задолго до того, как его шасси впервые оторвется от взлетной полосы. Современные технологии позволяют опробовать в деле даже то, чего еще не существует в природе, с помощью наземного системного интегратора, или, на авиа жаргоне, Железной птицы. Железная птица проекта Boeing 787 Dreamliner, свившая себе гнездо в углу ангара исследовательского центра Boeing в Сиэтле, функционально аналогична настоящему самолету, но внешне на него совсем не похожа.
Еще совсем недавно испытательные стенды занимали целые ангары и имели условные, но хорошо узнаваемые крылья, фюзеляж, хвостовое оперение и колодцы шасси. На мощных рамах из стального профиля техники устанавливали гидравлические насосы, актуаторы и органы управления — рампы, закрылки, рули высоты, механизмы шасси. Вся эта периферия соединялась с «кокпитом» пучками проводов и силовых кабелей. Необходимость столь буквально имитировать реальный самолет была связана с наличием единой гидравлической системы, приводящей в действие аэродинамические поверхности, тормоза и ряд вспомогательных систем. Взаимное расположение элементов этой сети могло играть существенную роль в работоспособности машины.
Даже самые современные системы компьютерного моделирования пока не могут заменить тестов в аэродинамической трубе. Как правило, в туннелях «летают» масштабные модели самолетов, выполненные с потрясающим уровнем детализации. Модель выставляется в рабочей камере либо на системе калиброванных динамометрических растяжек, либо на динамометре-стойке. Как правило, пассажирские авиалайнеры продувают в низкоскоростных туннелях, обеспечивающих скорость потока в пределах 300 км/час. Но сеть и более мощные дозвуковые, трансзвуковые (в них иногда проводят тесты на флаттер) и даже гиперзвуковые туннели (до 14 Махов). В некоторых случаях в туннелях закрытого типа вместо воздуха применяют тяжелый фреон R-134a.
Boeing 787 Dreamliner частично перешел от уже привычной технологии fly-by-wire к ее новой ступени развития — power-by-wire. Бортовой компьютер теперь направляет энергию по проводам к электрическим насосам, питающим отдельные разрозненные гидравлические механизмы. В некоторых узлах от гидравлики удалось полностью отказаться: воздушные и колесные тормоза, стартеры двигателей, регулировка угла установки стабилизатора перешли на электропривод.
Кроме того, разработчики Dreamliner отказались от традиционной системы отбора воздуха от двигателей для поддержания заданного давления в салоне и защиты от обледенения крыла. Теперь воздух в салон нагнетается электрическим компрессором, а крыло подогревается термоэлементами.
Краш-тесты в гражданской авиации не используются по причине фантастической дороговизны и абсолютной бессмысленности. Единственный сертификационный краш-тест пассажирского лайнера был проведен в декабре 1984 года на авиабазе ВВС США Эдвардс по заказу Федерального агентства гражданской авиации. Правда, предметом сертификации в этом случае был вовсе не самолет, а топливо в его баках. Радиоуправляемый четырехмоторный Boeing 720 с 110 манекенами на борту на скорости 272 км/час врезался в дно высохшего озера Роджерс. Снижение намеренно выполнялось с заблокированным шасси, рысканием и креном, чтобы при ударе в землю добиться гарантированного разрушения топливных баков. Сразу же после контакта с землей машина утонула в море огня, но 97% информации с 350 бортовых датчиков и трех телекамер было благополучно снято. Программа Controlled Impact Demonstration (CID), обошедшаяся казне в 10 миллионов долларов, показала, что никаких преимуществ у нового, якобы неиспаряющегося керосина, не имеется.
Поэтому 75-тонную Железную птицу проекта 787 строили совсем по‑другому. Поставщики привезли в Сиэтл собственные стенды, и инженерам Boeing осталось лишь объединить их общей электронной нервной системой — тонкими информационными шинами. Инженеры из команды Лена Индерхееса получили возможность выполнять три летных задания одновременно, так как новая Птица была оснащена тремя рабочими процессорами Honeywell.
Еще одно радикальное отличие нового системного интегратора от собратьев — его роль в процессе подготовки машины к сертификации. В случае с 787-й моделью Железная птица «летела» впереди производственного «паровоза» на шесть-восемь месяцев и сборка тестовых машин началась только после того, как Индерхеес сумел превратить десятки различных систем в единый организм.
Наземные «полеты», по словам Индерхееса, очень похожи на настоящие. При этом инженерам разрешается немного пошалить, например активно поработать закрылками на предельных скоростях или спровоцировать сваливание в различных режимах. Данные, накопленные Железной птицей, становятся основой «черновых» летных инструкций, а команда тест-пилотов Boeing проходит на ней курс тренировок, перед тем как сесть за штурвал настоящей машины.
Полеты без инструкции
Органы по авиационной сертификации никак не регламентируют объем налета для тестовых бортов новых пассажирских лайнеров, но, как правило, средняя цифра колеблется около отметки 3000. В случае же с Boeing 787 за два неполных года первые девять собранных машин пробыли в воздухе в общей сложности 5357 часов. И это не считая той тысячи, которую отработали штатные двигатели Trent 1000 и GEnx-1B на борту летающей лаборатории Boeing 757 FTB.
Летные испытания проводят с целью получить разрешение на эксплуатацию либо определить физические пределы аппарата. Вторая группа тестов необходима для составления программы обучения пилотов и стопроцентной уверенности в том, что самолет не выйдет из-под контроля в любых критических ситуациях. Для сертификации же достаточно уложиться в нормативы по 42 скоростным параметрам, и это несложно: все современные машины проектируются с огромным запасом маневренности и надежности.
В тесте на максимальный изгиб крыла Представители FAA ставят конструкторам зачет, если машина выдерживает трехсекундную перегрузку. Но компании, как правило, заставляют свои новые машины выполнять это йоговское упражнение многократно. Тот же Dreamliner провисел на дыбе два часа, при этом законцовки его композитного крыла задирались вверх почти на 8 м.
Наиболее сложные летные тесты в «обязательной программе» — определение минимальной скорости отрыва при взлете и тест на флаттер. Флаттер — это опаснейшее явление разрушительного резонанса, ставшее причиной многих авиакатастроф. Ключевой фактор его возникновения — недостаточная жесткость конструкции. Причем разрушительные вибрации могут возникнуть не только в крыле, но и в неплотно закрывающихся дверях, створках шасси или грузовой рампе.
Тест на минимальную скорость отрыва — один из самых зрелищных во всей летной программе, а для пилотов и самый сложный. Перед его выполнением экипаж проходит дополнительный инструктаж, а к фюзеляжу в районе кормы прикрепляется предохранительная хвостовая опора. В Airbus ee делают из пластика, Boeing предпочитает деревянный брус. При наборе скорости пилот осторожно задирает нос машины к небу на 10° до касания опорой взлетки (в этот момент по всему корпусу распространяется ощутимая вибрация) и, ускоряясь, ждет отрыва машины. Как только скорость будет зафиксирована, ее тут же заносят в инструкцию по управлению и «зашивают» в софт.
Крутые всмятку
В исследовательских целях американцы нещадно крушили летательные аппараты в течение 20 лет. Эксперименты проводились на специальном стенде высотой 73 м в Центре NASA имени Лэнгли, который был построен в 1965 году для отработки конечной фазы посадки лунных модулей Apollo. Для имитации лунной гравитации копия модуля фиксировалась на специальной подвеске, компенсирующей 5/6 его массы, и затем сбрасывалась на землю с высоты около 40 м. После того, как программа Apollo была свернута, сооружение решили перепрофилировать под изучение пределов прочности передовых авиационных материалов. В 1974 стенд был оборудован маятниковой системой сброса для проведения краш-тестов легкомоторных самолетов, вертолетов, тестирования вертолетных систем защиты от столкновения с проводами и отделяемых спасательных модулей бомбардировщика General Dynamics F-111. До 2003 года в Лэнгли были разбиты в пух и прах более 40 гражданских самолетов, среди которых было несколько инновационных композитных моделей, а также 59 боевых, экспериментальных и гражданских «вертушек». Кроме того, в рамках программы CID в 1982 году на стенде трижды были проведены вертикальные сбросы секции фюзеляжа Boeing 707 с манекенами на борту с высоты 25 м.
Другой критически важный скоростной параметр — скорость сваливания (минимальная скорость установившегося полета). Для ее точного определения пилот буквально останавливает машину в воздухе, сбрасывая тягу двигателей и сохраняя закрылки в крейсерском положении. Если все сделано правильно, в момент срыва потока экипаж должен почувствовать сильнейшую вибрацию по всему корпусу. Каждая новая модель самолета проходит через сотни таких дублей в различных режимах полета, после чего в руководстве по эксплуатации появляется новый абзац текста, а в программе управления прописываются очередные «красные флажки».
Экстренные тормоза
Отработка приемов по взлету и посадке в условиях сильного бокового ветра вручную и на автомате проводится в самых ветреных точках планеты. К примеру, команда Dreamliner отправилась за ветром в исландский Кефлавик, но смогла опробовать машину лишь при 50 км/ч — семечки для опытного летчика.
Отрывы и приземления на мокром асфальте 787-й тестировал в Сиэтле, где, как нарочно, стояла жара. Поэтому, для того чтобы не выбиться из плотного графика полетов, взлетную полосу пришлось заливать 200 тоннами воды из четырех поливальных машин.
Еще один весьма зрелищный и непредсказуемый тест в летной сертификационной программе — определение максимальной энергии торможения, или, в переводе на автомобильный язык, — замер тормозного пути. Особый интерес авиационной публики к этому испытанию обусловлен тем, что Dreamliner — единственный лайнер в мире, оснащенный инновационными электромеханическими тормозами Messier-Bugatti с дисками и накладками из DURACARB, особого сорта карбона с высоким теплопоглощением.
Первая проба системы состоялась в апреле 2010 года на 12-километровой «космической» взлетке авиабазы Эдвардс. Массу машины при помощи водяного балласта увеличили до 250 т. После начала экстренного торможения уже готовый взлететь Dreamliner, оставляя на асфальте килограммы горелой резины, остановилcя за 220 м до контрольной отметки FAA.
Специальные клапаны тут же стравили лишний воздух из шин, и подъехавшим пожарным осталось наблюдать, как потрескивают раскаленные до 1400° карбоновые диски, разогретые за 25 секунд трения при прижиме 16-кВт актуаторами восьми тормозных пар 787-го.
Шасси у этого самолета тоже особенное. 787-я модель «стоит» на первой в истории авиации подвеске с композитными силовыми элементами, разработанной для Boeing инженерами французской компании Messier-Dowty. Тестирование этого уникального узла проводили ученые-сейсмологи из Сан-Диего на крупнейшем в мире сейсмостенде Caltrans. Испытания в Калифорнии заняли полгода и подтвердили высочайшую прочность композитной конструкции. Максимальная вертикальная нагрузка, которую шасси сумело выдержать без разрушения отдельных элементов, превысила 450 т.
Кроме того, на стенде моделировались вертикальные, горизонтальные и боковые вибрации с одновременным скручиванием. Но инженеры Messier-Dowty решили, что этого мало, и перевезли комплект стоек в Канаду, на крупнейший в мире испытательный стенд Goodrich Super Rig. Там их укомплектовали колесами с тормозной системой, а затем прогнали через серию дроп-тестов, уронив несколько раз шасси с 50-тонной стальной платформой с высоты 27 м. Для получения заветного красного штампика FAA в техпаспорте этого хватило с лихвой.
Сломанное крыло
Пилотам-испытателям выпадает честь сесть за штурвал новейшей модели, только когда из ангаров сборочного предприятия выкатят вторую собранную машину. Первая же, как правило, отправляется на прохождение самого долгого теста во всей сертификационной программе FAA — испытаний на усталостное разрушение. В течение трех лет Dreamliner круглосуточно тестировался на выносливость в гигантской конструкции, напоминающей мостовой кран. Машина была подвешена на растяжки, а крыло, хвостовое оперение и органы управления были зажаты в стальные гидравлические тиски. На этом стенде 787-й под неусыпным контролем электроники совершил сотни тысяч условных полетов, прожив за три года несколько обычных жизней среднестатистического пассажирского авиалайнера.
Одно из самых зрелищных испытаний программы — тест на излом крыла и проверка фрагмента фюзеляжа и крыла на максимальный изгиб. В первом случае серийное крыло в сборе устанавливается в стальное прокрустово ложе и опутывается десятками динамометрических растяжек и гидравлических упоров. Затем включаются насосы, и вся эта жуткая механика начинает оттягивать конечную секцию крыла вверх, вплоть до полного разрушения. Задача испытания — определение максимально допустимой нагрузки на крыло до потери им структурной целостности.
Подобную проверку Dreamliner успешно прошел в конце марта 2010 года в исследовательском центре Эверетт. Во время первого теста было выявлено отслоение композитной обшивки от стрингеров, и более полугода инженеры занимались устранением проблемы.
В тесте на максимальный изгиб крыла ничего ломать не требуется. Для его проведения вокруг «бесхвостого» фрагмента лайнера выстраивается брутальная гидравлическая дыба, способная знакопеременно нагрузить крыло и фюзеляж в 1,5 раза сильнее, чем это бывает при самых экстремальных воздушных маневрах.
Все это лишь малая часть проверок, которые выпадают на долю каждой новой модели пассажирского самолета, будь то Boeing, Airbus, Сухой или другая крылатая машина.
Владимир Санников