Школа прочности ЦИАМ

Какова роль работ по обеспечению прочности в современном авиадвигателестроении?

Как говорил Оноре де Бальзак: «Прочность уже сама по себе является благом». Старшее поколение помнит Исаака

Ароновича Биргера, который начал одну из конференций прочнистов вопросом: «Знаете ли вы, какое белье предпочитает английская королева? Прочное!» Оказывается, именно так она ответила на этот вопрос в одном из своих интервью.

Для создания миниатюрной лопатки турбины, которая помещается в ладони, необходимо интегрировать более десятка сложнейших технологий. Мне очень нравятся сравнения, приведенные в одной из публикаций компании Rolls-Royce: одна лопатка турбины развивает мощность, равную мощности автомобиля Формулы-1, а при частоте вращения порядка 12 тыс. оборотов в минуту на нее действует центробежная сила величиной 18 тс, что равняется нагрузке на подвеску двухэтажного лондонского автобуса. Температура газа, с которым соприкасается лопатка, почти равна половине температуры на поверхности Солнца, а давление соответствует давлению на глубине 500 метров. При этом температура газа существенно выше температуры плавления металла, из которого изготовлена лопатка. Поэтому Rolls-Royce предложила такое сравнение: возьмите кубик льда, поместите его в печь, нагретую до 200 градусов, и попытайтесь не дать ему растаять. Добавьте сюда агрессивность среды, неравномерность и нестационарность полей давления и температуры. И в этих условиях до замены лопатка проходит путь в 15 млн миль. Не случайно одна лопатка, а их в одном колесе порядка 70, стоит в восемь раз дороже серебра. Понятно, как не просто обеспечить прочностную надежность этой детали. По данным той же компании Rolls-Royce, прочностные испытания составляют более 80% от общего объема испытаний при создании двигателя.

Появляются ли перед разработчиками перспективных двигателей какие-либо новые задачи с точки зрения прочности?

Если вы посмотрите требования к перспективным двигателям NASA и ACARE, то там есть требования к экологии и экономичности, но нет требований к безотказности и ресурсу. Однако это не должно вводить в заблуждение, потому что уровень, который достигнут в такой сложной области, как газотурбинное двигателестроение, чрезвычайно высок. Лучшие современные двигатели имеют ресурс основных деталей порядка 20 тыс. циклов по горячей части и порядка 40 тыс. циклов по холодной части. При эксплуатации по состоянию двигатель до ремонта работает больше 15 тыс. часов, а лидерные двигатели не снимаются «с крыла» до 40-50 тыс. часов.. Требование ETOPS по наработке на выключение в полете для 180-минутного полета до ближайшего пригодного аэродрома – 50 тыс. часов – выполняется уже с момента ввода двигателя в эксплуатацию, а в развитой эксплуатации этот параметр достигает многих сотен тысяч часов, таким образом достигнуты очень высокие показатели надежности двигателей и, естественно, никто не собирается их снижать.

Обеспечение прочности деталей двигателя – чрезвычайно сложная задача, что связано и с тяжелыми условиями работы, со сложной конструкцией, с комплексным характером требований. Для создания нового конкурентоспособного по широкому спектру характеристик двигателя необходимы существенное ужесточение условий работы двигателя, новые конструктивно-технологические решения, которые надо доводить до высокого уровня технологической готовности ещё до начала ОКР. Удовлетворение все более жестких сертификационных требований, обеспечение возможности использования прогрессивных методов эксплуатации (это прежде всего эксплуатация по техническому состоянию и более совершенный ее вариант – эксплуатация по надежности, когда при наличии потенциального дефекта каждый раз надо решать, что выгоднее при условии обеспечения безопасности: продолжать эксплуатацию, потратившись потом на более дорогой ремонт, или иметь упущенную выгоду и снимать двигатель с крыла немедленно). Новые и/или сложные современные сертификационные требования включают такие вопросы как проведение квалификации материалов, сертификацию при предельно допустимых в эксплуатации значениях параметров температуры газов и частот вращения, исключение чрезвычайных режимов, подтверждение ресурса критических по последствиям разрушения деталей с учетом возможных начальных дефектов, предотвращение опасных отказов при отрыве лопатки вентилятора по наиболее удаленному от оси двигателя пазу хвостовика, стойкость к попаданию птиц, включая крупную стайную птицу, проверку длительной авторотации с учетом возможного дисбаланса при отрыве лопатки, разрушении подшипника, отказе маслосистемы и т.д. Важно отметить, что многие требования (например, к птицестойкости) носят комплексный характер и для оценки соответствия двигателя этим требованиям необходим многодисциплинарный подход.

Делать надо не то, что можно, а то, что нужно

Когда мы говорим о школе прочности ЦИАМ, то какие основные принципы имеются в виду?

Лет 10 назад Борис Федорович Шорр сформулировал принципы, которые, с нашей точки зрения, отличают школу прочности ЦИАМ. Принципы, вообще говоря, простые: выбор исследования всегда определялся практическими проблемами, которые надо было решать, то есть делать надо не то, что можно, а то, что нужно. Прочнисты ЦИАМ всегда не просто проводили исследования, а давали рекомендации для решения конкретных проблем. При проведении этих исследований для обеспечения решения проблем формулировались и решались общие, зачастую фундаментальные, задачи, но в итоге всегда доходили до наиболее простых инженерных методов.

На протяжении 85 лет прочностные исследования ЦИАМ проводились и проводятся сейчас по трем взаимосвязанным направлениям: разработка требований, обеспечение соответствия требованиям и подтверждение соответствия требованиям. Следует подчеркнуть, что эти работы в ЦИАМ проводятся на всех стадиях жизненного цикла двигателя, начиная от создания НТЗ и заканчивая решением проблем, возникающих в процессе эксплуатации. Последовательно исследуются образцы, модели, детали, узлы, двигатели. При этом в ЦИАМ есть и постоянно используются уникальные возможности сочетания методов математического моделирования и расчета с механическими испытаниями и физическими исследованиями. Наконец, при необходимости осуществляется многодисциплинарный подход.

Расскажите об основных этапах становления и работы школы прочности ЦИАМ.

ЦИАМ был образован в 1930 году, и в его состав вошла расчетно-исследовательская группа во главе с Исааком Шебетьевичем Нейманом, которая занималась динамикой и прочностью поршневых двигателей. В этой группе работали такие люди как Р.С. Кинасошвили, С.В. Серенсен, Н.К. Смолянинов, Н.В. Ширяев. Именно они в 1930-1932 годах были основателями научного направления динамики и прочности авиационных двигателей как научного направления в ЦИАМ и стране в целом. ЦИАМ стал школой подготовки кадров для промышленности.
Следующий этап – с 1940 по 1964 год – начался после слияния группы Неймана с отделом, который возглавлял В.Я. Натанзон. Таким образом возник отдел 30, в дальнейшем преобразованный в лабораторию 14. Возглавил отдел Роберт Семенович Кинасошвили. Для того периода было характерно сочетание глубоких расчетных исследований с экспериментальными работами. Активно продолжались работы по поршневым двигателям. Начали развиваться работы по динамике и прочности зубчатых передач, по подшипникам. В годы войны было проведено много работ по устранению дефектов и совершенствованию серийных двигателей. Был издан учебник по сопротивлению материалов Р.С. Кинасошвили, выдержавший ряд изданий. Тогда же начались работы по конструкционной прочности, которые возглавлял С.В. Серенсен – ученый с мировым именем, 110-летие со дня рождения которого мы отметили в августе 2015 г., и были выпущены фундаментальные работы И.А. Биргера по резьбовым соединениям и остаточным напряжениям.
После войны начались работы по ГТД. За разработку методов динамического тензометрирования в 1948 году получили государственную премию С.И. Чухачев и А.А. Коломийцев. Впервые в институте были созданы электродинамические вибраторы, тензоусилители и другие устройства.

Период с 1964 по 1993 год – золотой век в развитии как отечественного авиадвигателестроения, так и нашей школы прочности. Работы по прочности в ЦИАМ возглавил выдающийся инженер и механик Исаак Аронович Биргер. Трудно даже просто перечислить основные работы этого периода. Сложность поставленных задач заставила широко использовать методы механики деформируемого твердого тела. Много было сделано по развитию строительной механики турбомашин. Большой объем работ проведен по динамике двигателей, по развитию методов подтверждения ресурсов, где перешли к эквивалентно-циклическим испытаниям; по исследованию конструкционной прочности сплавов, над чем работали ученики С.В. Серенсена. В конце 60-х годов начались активные работы по деталям из композиционных и керамических материалов, шли активные работы по расчетно-экспериментальным исследованиям зубчатых колес, подшипников, редукторов. Достаточно вспомнить, что под руководством Э.Б. Вулгакова был создан первый редуктор с несимметричными зубьями шестерен. Активно развивались работы по САПР двигателя. Появились новые редакции норм прочности ГТД, первая редакция норм прочности ЖРД и другие нормативно-технические документы. В эти годы в Тураево была создана отраслевая лабораторная база экспериментальных исследований прочности. Начались исследования надежности авиадвигателей, где активную роль играл Владимир Михайлович Акимов. Было выпущено большое количество монографий, справочников, издан учебник по сопромату И.А. Биргера и Р.Р. Мавлютова, который выдержал массу изданий. Лаборатория 14 превратилась в отделение 200. В составе отделения прочности был образован важный узловой отдел зубчатых колес и редукторов, занимающийся не только редукторами двигателей, но и агрегатами трансмиссий вертолетов.

Прочные люди

Школа прочности ЦИАМ – это не только работы и исследования, но и люди. Расскажите о них.

Когда-то молодым человеком мне довелось попасть на юбилей в театр сатиры, где Ростислав Плятт поздравлял коллег, среди которых был Андрей Миронов, в то время еще не имевший звания Заслуженного артиста. Плятт начал поздравление со слов: «Здравствуйте, заслуженно заслуженные и незаслуженно незаслуженные!».

Выдающихся специалистов и замечательных людей у нас было очень много. Даже просто руководителей всех направлений за все годы сложно перечислить. Но хочется сказать не только о тех, кто имел высокие научные регалии и был удостоен высоких премий.

К примеру, Василий Васильевич Жестовский не имел ученых степеней, но это тот человек, благодаря которому в нашей отрасли появились трехмерные и четырехмерные (с учетом нестационарности) прочностные расчеты. Достаточно сказать, что у И.Л. Андрейченко, начальника отделения прочности в Перми, долгие годы в кабинете висел портрет Жестовского.

Все наши достижения, особенно в области эксперимента, не были бы возможны без очень мощной поддержки приборных, конструкторских подразделений, работы не только ученых и инженеров, но и механиков, слесарей, станочников. У нас трудились и трудятся уникальные люди. Когда я только пришел в ЦИАМ, мне довелось работать с токарем Дмитрием Григорьевичем Козловым. Потом я посмотрел фильм «Москва слезам не верит» про стеклодува, без которого физический институт не мог нормально работать, и четко провел параллель, что у нас так же. Каждый раз, когда я обращался к Дмитрию Григорьевичу с вопросом, я немного подрагивал: попаду впросак или нет? К счастью, не попадал, но это говорит об уровне людей, которые работали в институте и отдавали делу себя целиком, не взирая на должности.

В области динамики трудилось много уникальных инженеров, например Р.И. Исаев, который сумел придумать, как на работающем двигателе Д-30КП измерить нагрузки на межвальном подшипнике. Можете себе представьте, что это такое. В порядке шутки могу привести и такой факт. Мы дружим с прочнистами ЦАГИ. В ЦАГИ создана действительно выдающаяся научная школа прочности. Они издали великолепную книгу – предмет моей белой зависти «Прочнисты ЦАГИ, век XX». Долго думал, чем их «уесть». Нашел. У них не оказалось ни одной женщины – доктора наук. А у нас – Ирина Вадимовна Демьянушко, Валентина Оттовна Бауер и недавно защитившаяся Любовь Александровна Магеррамова. Так что на гендерном фронте у нас лучше, чем в ЦАГИ. Особенно хочу обратить внимание на выдающихся женщин, учениц С.В. Серенсена, Татьяну Константиновну Брагину, Римму Николаевну Сизову и недавно ушедшую от нас Татьяну Павловну Захарову из отдела исследования конструкционной прочности сплавов. Р.Н. Сизова получила Государственную премию за работы по легким сплавам. Основатель этого направления в стране и основатель ВИЛСа академик Александр Федорович Белов часто на совещаниях, как мне рассказывали его замы, говорил: «Возникла серьезная проблема, надо звонить Римме Николаевне советоваться».

Но, конечно, и заслуженно заслуженных у нас было немало. Почетных званий заслуженного деятеля науки было удостоено 5 человек, заслуженного машиностроителя – 3. Государственной премией СССР было награждено 9 человек (Биргер И.А. – дважды), Госпремией УССР – 3, правительственные премии получило 5 человек (Петухов А.Н. – дважды), премии им. Н.Е. Жуковского – 8, им. А.И. Макаревского – 6, премии АССАД – 18.

Если говорить о выдающихся представителях школы прочности ЦИАМ, то можно вспомнить Сергея Владимировича Серенсена. Он работал в ЦИАМ еще в первые годы существования института, но тогда не удалось решить в Москве жилищный вопрос. Сергей Владимирович уехал в Киев, стал там директором Института строительной механики и академиком украинской АН, но после эвакуации в 1942 году вернулся в ЦИАМ, проработал здесь 25 лет, создал школу конструкционной прочности материалов не только в институте, но и в стране. Сергей Владимирович ушел из ЦИАМ в 1967 году, но он оставил много учеников в ЦИАМ, в Институте машиноведения, где работал многие годы, в МАТИ, где заведовал кафедрой, в огромном количестве других точек нашей страны. Важной для отделения задачей всегда было научное сопровождение создания и эксплуатации двигателей и редукторов, в связи с чем был организован институт ведущих специалистов, когда по каждой фирме и по каждому изделию работала бригада, которая оперативно выезжала при возникновении проблем и совместно с представителями промышленности решала эти проблемы. Как правило, у тех, кто этим занимался, на работе стояли портфели с зубной пастой и тапочками. Однажды такой сильно истрепавшийся в поездках портфель, который Исаак Аронович поставил рядом с урной, уборщица просто выбросила. Тот же Биргер мог в течение одной недели оказаться в командировках в трех городах и решать там вопросы.

Что принципиально важно: прочнисты, которые своей подписью отвечают за безопасность, не могут работать изолированно друг от друга и, вообще говоря, не могут или, по крайней мере, не должны друг от друга что-то скрывать, что, к сожалению, в наше время уже иногда случается. Ответственность у нас совместная. Мы всегда считали, и с этим соглашались и наши коллеги, что все подразделения прочности на двигателестроительных фирмах, – это часть научной школы ЦИАМа. Все они, как правило, говорят, что росли вместе с нами. Тот же И.А. Биргер, благодаря своей активности и высочайшему научному авторитету внес очень серьезный вклад в создание коллективов, занимающихся прочностью двигателей, на предприятиях промышленности, в НИИ и вузах, по всей стране: от Днепропетровска до Уфы и от Самары до Перми.

Мы и сегодня считаем, что все прочнисты – «одной крови», где бы они не работали. Отделы прочности двигателестроительных КБ составляют вместе с коллективом прочнистов ЦИАМ одну общую научную школу, в которой работали и продолжает работать большое количество прекрасных ученых и инженеров.

Мы поддерживаем деловые и дружеские отношения с коллективами многих академических институтов, отраслевых НИИ и вузов. Сотрудники отделения активно участвуют в работе многих международных научных обществ, в международных конференциях, публикуются в ведущих научных журналах. В 2015 г. монография Шорра Б.Ф. была издана в Германии. Должен сказать слова большой благодарности коллегам из СГАУ, УГАТУ и МАМИ, совместно с которыми мы издали специальные посвященные юбилею ЦИАМ выпуски «Вестников» этих университетов со статьями наших прочнистов.

Для развития научной школы важно то, что в институте имеются диссертационный совет и аспирантура по динамике и прочности. Кандидатские диссертации по этой специальности в Совете при ЦИАМ начали принимать к защите с 1938 г., докторские – с 1943 г., всего прочнистами института было защищено 25 докторских и более 85 кандидатских диссертаций. В настоящее время в области прочности в институте работают 12 докторов наук. Сотрудники института активно преподают на кафедрах ведущих вузов Москвы.

Конечно, у прочнистов в жизни всегда была не только прочность. Многие из них были не только выдающимися специалистами, но и интересными, просто хорошими людьми. К примеру, И.Ш. Нейман в 1943 году свою Сталинскую премию отдал детям-сиротам войны. Нейман был известным радиолюбителем, Кинасошвили блестяще танцевал лезгинку, Биргер очень любил шахматы и отличался своими афоризмами. В отделении были регбисты и автогонщики, шахматисты, футболисты и горнолыжники, альпинисты, скрипачи, художники, драматурги, поэты, певцы, огородники, автомобилисты, рыбаки. В 70-ые годы прошлого века в отделении в комсомольской организации отделения состояло больше 120 человек. Был активный приток молодых специалистов. Жили интересно, хотя и работа была напряженной.

Расскажите о сегодняшнем дне школы прочности ЦИАМ.

Как я уже говорил, необходимо учитывать новые, все более жесткие требования к двигателям, а также использовать новые расчетные возможности и новые возможностей нашей уникальной созданной в 70-е годы прошлого века как отраслевой экспериментальной базы. За последние годы удалось много сделать для ее модернизации, есть серьезные планы по дальнейшему развитию экспериментальной базы, но это тема для отдельного рассказа.

Среди направлений работы можно выделить, во-первых, комплексный анализ двигателей на основе многодисциплинарных подходов, прежде всего при экстремальных условиях работы, которые не моделируются или сложно моделируются в экспериментах; подтверждение ресурса основных (критических по последствиям разрушения) деталей, в том числе с учетом возможных дефектов, на основе базы данных по конструкционной прочности и формирование этой базы данных; исследование конструкционной прочности новых материалов; оценку долговечности с учетом сложного напряженно-деформированного состояния, совместного действия различных факторов, истории нагружения; разработку и оптимизацию критических ключевых технологий на основе исследования прочности и надежности.

Важное направление – предотвращение разрушений деталей от многоцикловой усталости. В США была большая программа работ по этому направлению, которая длилась около 10 лет. Эта проблема, которая обостряется для перспективных двигателей. Кроме того, разрушение от многоцикловой усталости – основная причина съема двигателей с крыла, а для двигателей одномоторных ЛА – это важнейшая проблема безопасности.

Мы занимаемся разработкой методов повышения конструкционной надежности, в том числе снижением критичности дефектов, развитием методов диагностики, включая методы обработки быстропротекающих процессов, бесконтактную диагностику колебаний. Особо отмечу работу отдела динамики по бесконтактной диагностике: сейчас в промышленности нет ни одного серьезного испытания, которое проводилось бы без использования этих методов. Совершенствование идет как по использованию разных типов датчиков (пульсации давления, вибрации, радиальных зазоров), так и по применению новых методов обработки сигналов.

Продолжается интенсивная работа по композиционным материалам, где многолетним лидером является Т.Д. Каримбаев. Что отличало и отличает его команду? Понимание того, что композиционных материалов не существует вне детали. Все вопросы решаются в комплексе, включая конструирование, прочностные расчеты, технологическую отработку и экспериментальные исследования. По моим представлениям, уже много десятков лет кроме нашего отделения, ни один коллектив, к решению этих вопросов должным образом на подходит.

Идет работа по квалификации перспективных сплавов в нашей лаборатории, которая имеет соответствующие аккредитации. Ведется работа по подтверждению ресурсов с учетом дефектов по определению остаточной долговечности. На начальном этапе находятся работы по аддитивным технологиям.

Наш отдел, который занимается зубчатыми передачами и редукторами, выполнил в последнее время так много работ, что даже просто их перечислить нет возможности, начиная с разработки методов оптимизации профилей зубьев и кончая комплексной диагностикой состояния зубчатых колес и редукторов на всех стадиях их жизненного цикла.

Сложная ситуация сложилась с нормативно-техническими документами. Вышел закон о техническом регулировании. Системы технического регулирования для гражданской и государственной авиационной техники выглядят сегодня по-разному. Есть серьезные вопросы по нормативным документам и по экспериментальной, и по гражданской, и по государственной авиации. Особенно ощущается недостаток документов по авиации общего назначения и по беспилотникам. У нас все больше начинают летать на своих самолетах и вертолетах успешные люди и успешно при этом разбиваются. Сейчас труднее даже не разработать нормативные документы, а понять, как их утвердить и привести в действие.

Мы ведем разработку современной нормативно-технической документации и решаем вопросы обеспечения прочностной надежности ГТУ, которыми институт раньше не занимался, а сейчас у нас работают центр сертификации и техкомитет по стандартизации ГТУ, тесно взаимодействуя с соответствующими комитетами ISO и ASME.

Разумеется, не все направления развиваются так, как требуется, но сложности всегда были и будут. Хочу отметить главную положительную тенденцию последних лет: сейчас в институте много молодежи. В отделении динамики и прочности – около 40 процентов талантливых ребят в возрасте до 35 лет. Много молодежи и на предприятиях. Это – гарантия нашего светлого будущего.

Думаю, что прочнисты должны успешно решать все проблемы и двигаться вперед, быть «спокойными и упрямыми», помня слова Стендаля: «… Опираться можно только на то, что сопротивляется».