Стеклопластик широко используют в авиации — он лёгкий, недорогой и не ржавеет. Но при ударах камней, града или птиц на нём появляются вмятины и царапины. Существующие методы контроля фиксируют дефект, но не могут предсказать, сколько ещё прослужит повреждённая деталь. Поэтому конструкторы закладывают завышенные запасы прочности. Из‑за этого самолёты получаются тяжелее, тратят больше топлива и сильнее загрязняют воздух, а перелеты становятся дороже. Учёные Пермского Политеха впервые комплексно изучили, как царапины и вмятины влияют на прочность и долговечность стеклопластика. Результаты помогут точнее определять, когда деталь нужно менять, а когда можно эксплуатировать дальше, экономя ресурсы без потери безопасности.
Стеклопластик сегодня используют повсюду: в самолётах, поездах, лодках, кузовах машин. Это композит — материал, составленный из двух разных частей: тонких стеклянных волокон и полимерной смолы, которая их скрепляет. Волокна дают прочность, смола держит их вместе и распределяет нагрузку. Такой материал легче металла, не ржавеет и недорого стоит.
Но в работе на нём неизбежно появляются повреждения: трещины, расслоения, царапины, вмятины. Многие из них внешне почти незаметны, но внутри материал уже разрушается.
В авиации действуют жёсткие нормы прочности. При обнаружении царапины или вмятины на композитной детали инженеры не могут точно сказать, сколько она ещё прослужит. Существующие методы контроля фиксируют дефект, но не могут предсказать, сколько ещё проработает деталь в зависимости от того, как её нагружают. Поэтому приходится закладывать завышенные запасы прочности — либо заменять деталь раньше реально необходимого срока, либо делать конструкцию тяжелее. Самолёты летают безопасно, но каждый лишний килограмм увеличивает расход топлива и выбросы CO₂, а каждая преждевременная замена детали — затраты на обслуживание.
Учёные Пермского Политеха впервые провели комплексное исследование, в котором сравнили, как царапины и вмятины по-разному снижают прочность и срок службы стеклопластика. До сих пор таких данных не было: отдельные работы изучали либо царапины, либо вмятины, но не вместе, а испытания на прочность и на долговечность обычно проводили раздельно.
Учёные ПНИПУ сделали полный цикл испытаний на реальных нагрузках, возникающих в авиации. Они взяли стеклопластик — материал, из которого делают многие авиационные детали, — и воспроизвели на нём два самых частых повреждения. Царапины появляются при контакте с инструментом или деталью во время обслуживания: такую царапину наносили с усилием 1 кН, что соответствует гире весом 100 кг. Вмятины возникают от ударов камней, града или птиц. Учёные наносили их с усилием от 10 до 15 кН — именно такие нагрузки создаёт удар средних и крупных птиц. Для сравнения: птица весом 5 кг на скорости создаёт усилие более 13 тонн.
Анастасия Лыкова
Ученые анализировали образцы трёх типов: целые (без повреждений), с царапиной и с вмятинами разной силы. Затем эти образцы проверили в двух режимах.
Сначала их медленно нагружали до разрушения, чтобы понять, насколько царапина или вмятина снижают предельную прочность. Потом многократно нагружали и разгружали, имитируя взлёты и посадки, чтобы выяснить, сколько таких циклов выдержит повреждённая деталь. Все эксперименты провели на уникальной установке ПНИПУ, которая по своим возможностям не имеет аналогов в России и соответствует лучшим мировым лабораториям. Результаты оказались неожиданными.
— Когда образцы тянули до разрушения, царапина почти не повлияла на прочность: образец с царапиной порвался при той же нагрузке, что и целый. Вмятины оказались опаснее: слабая снизила прочность на 17%, средняя — на 25%, сильная — на 30%. Это значит, что если целая деталь была рассчитана на нагрузку 100 кг, то с сильной вмятиной она выдержит только 70 кг. При этом царапины и вмятины не снизили жёсткость материала: повреждённый образец сопротивлялся изгибу так же, как целый. Это важный и тревожный вывод: если проверять деталь на упругость (например, пытаясь согнуть), нельзя заметить, что она повреждена. Деталь может казаться исправной, но на самом деле её ресурс уже снижен, — рассказывает Анастасия Лыкова, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук.
Самое важное открытие сделали при циклических испытаниях, когда образцы многократно нагружали и разгружали, имитируя взлёты и посадки. Целый образец выдержал больше 5000 циклов. Царапина сократила ресурс почти наполовину: образец с царапиной выдержал около 2800 циклов. Это всё ещё много, то есть деталь с царапиной прослужит достаточно долго. Но с сильной вмятиной картина радикально иная: такой образец выдержал всего 368 циклов. Это на 93% меньше, чем у целого. Иными словами, деталь с сильной вмятиной служит в 14 раз меньше. Если целая проработает 14 лет, эта сломается через год.
Но и это не всё. Учёные сравнили вмятины разной силы и обнаружили, что их опасность зависит от того, как эксплуатируется деталь. Слабая вмятина сильнее всего вредит при долгой спокойной работе, когда нагрузок много, но они небольшие, как у пассажирского самолёта, который летает каждый день. В таком режиме деталь со слабой вмятиной выдерживает в 4 раза меньше циклов, чем целая. Сильная вмятина, напротив, опаснее при резких перегрузках, когда нагрузок мало, но каждая очень сильная, как у военного истребителя. Здесь деталь с сильной вмятиной выдерживает в 50 раз меньше циклов, чем со слабой.
Дмитрий Лобанов
— Почему так происходит? С помощью высокоточных камер мы зафиксировали, что при слабой вмятине страдает смола, скрепляющая волокна. Она не ломается сразу, но постепенно разрушается от долгой работы. При сильной вмятине рвутся сами волокна — деталь не выдерживает даже нескольких сильных нагрузок, — объясняет Дмитрий Лобанов, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук.
Результаты исследования позволяют инженерам точнее определять допустимые пределы повреждений. Вместо того чтобы закладывать избыточные допуски «на всякий случай», они могут опираться на количественные оценки: сколько именно циклов выдержит деталь с конкретным дефектом при конкретном режиме эксплуатации. Это даёт возможность снижать вес самолётов (а значит, расход топлива и выбросы), продлевать реальный срок службы деталей (не менять их раньше времени) и тратить деньги не на перестраховку, а на реальную безопасность.
Статья опубликована в журнале «Fracture and Structural Integrity», 2026. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-29-00188).
Источник: Минобрнауки России
