Специалисты ОАК — сотрудники входящих в корпорацию предприятий, включая тех, кто связан с «ОДК-Авиадвигатель», — разработали комплекс защиты от молний для композитной мотогондолы двигателя ПД-14, используемого на импортозамещённом самолёте МС-21-310.
Евгения Васильева
Иллюстративное изображение. Источник: Grok / OVERCLOCKERS.RU
Особенности конструкции молниезащиты
Суть сложности заключалась в самой конструкции. Значительная часть элементов мотогондолы, таких как воздухозаборник, капоты и некоторые узлы реверсивного устройства, была изготовлена из полимерных композитов, например, углепластика. Подобные материалы обладают заметно меньшей электропроводностью по сравнению с металлами. Если в такую деталь попадёт молния, необходимо максимально быстро отвести электрический заряд, иначе возникает угроза повреждения всей конструкции.
Чтобы решить эту проблему, было предложено применить сплошную металлическую просечно-вытяжную сетку из меди, которая в документации обозначена как СФМ-051-84. Принцип её действия прост: она распределяет электрический ток по поверхности композитного элемента, после чего заряд направляется дальше через специальные металлические перемычки.
На каждой подвижной секции капота установили не менее четырёх параллельных плетёных перемычек, выполненных из меднолужёной проволоки. Общее переходное сопротивление этих элементов не должно превышать 500 мкОм. Для обтекателя воздухозаборника предусмотрели минимум две аналогичные перемычки.
Итогом стало то, что такая схема даёт возможность направить большую часть тока молнии с композитной мотогондолы прямо на пилон самолёта, минуя при этом сам двигатель. Согласно расчётам авторов проекта, при ударе в зону воздухозаборника как минимум 70% электричества уходит в обход силовой установки.
Стоит отдельно подчеркнуть, что подобная защита не является изолированным решением, а встраивается в общую концепцию электромагнитной совместимости всего самолёта. МС-21-310, будучи машиной с насыщенной цифровой архитектурой, имеет множество бортовых систем, критичных к помехам. Разряд молнии, если бы он не был отведён на пилон, мог бы проникнуть во внутренние кабельные трассы и вывести из строя электронику управления двигателем.
Разработчики ОАК учитывали и этот фактор: трассировка перемычек была выполнена так, чтобы ток шёл не просто на металл, а на специальные «заземляющие» точки, завязанные на силовую конструкцию крыла. Такая топология позволила не только защитить мотогондолу, но и разгрузить общую схему электрической защиты, минимизировав вероятность наведённых токов в соседних агрегатах.
Как шла практическая реализация проекта
Дальнейшее развитие этого направления потребовало от инженеров не только филигранной проработки электрических цепей, но и тщательного анализа влияния новых элементов на аэродинамику и тепловой режим.
Медная сетка, будучи интегрированной в структуру композита, не должна была создавать дополнительного сопротивления воздушному потоку или становиться источником локальных перегревов, особенно в зоне высоких температур за турбиной.
Поэтому технологи отработали метод её укладки, при котором ячейки ориентировались строго по линиям обтекания, а шаг плетения подбирался таким образом, чтобы обеспечить необходимую плотность покрытия без излишнего утяжеления.
Кроме того, была проведена серия экспериментов в термобарокамере, имитирующих условия полёта на большой высоте, где разница давлений и температур могла спровоцировать микросдвиги слоёв.
По результатам этих тестов выяснилось, что медная основа, обладая высокой теплопроводностью, даже способствует выравниванию температурного поля по поверхности капота, снижая риск локального разрушения связующего вещества.
Не менее сложной задачей стала верификация переходного сопротивления в условиях реальной эксплуатации. Требование в 500 мкОм на каждой из четырёх параллельных перемычек — это не просто цифра из паспорта, а результат длительных стендовых испытаний на вибростенде, где конструкции подвергались многочасовой тряске с амплитудами, характерными для взлёта и посадки.
Важно было исключить даже теоретическую возможность появления коррозии или окисной плёнки в местах контакта между сеткой и лужёными элементами, ведь любой скачок сопротивления мог привести к локальному перегреву и последующему выгоранию углепластика. Для этого было принято решение о применении специального контактного состава, а также о регулярном визуальном контроле этих узлов при плановом обслуживании, что позволило закрепить статус системы как не требующей сложного ремонта, но при этом полностью прозрачной для диагностики.
Система прошла испытания
Немаловажно и то, что данная система уже прошла испытания — она была проверена в составе двигателя ПД-14 на магистральном лайнере. Однако есть один нюанс: добавление металлических деталей, таких как сетка и перемычки, увеличило массу внешних элементов двигателя. Тем не менее разработчики посчитали такой компромисс оправданным, поскольку он необходим для обеспечения безопасности.
Интересно, что данная разработка получила не только техническое, но и организационное признание: она была включена в перечень решений, подтверждающих зрелость отечественной школы композитного авиастроения.
Инженеры, работавшие над проектом, отмечали, что главным вызовом стала не сама сетка, а необходимость синхронизировать усилия конструкторов, материаловедов и электриков, которые впервые столкнулись с такой плотной интеграцией задач в рамках одного агрегата.
Опыт, накопленный при создании защиты для ПД-14, был признан универсальным и впоследствии лёг в основу методических рекомендаций для других перспективных силовых установок, включая двигатели с ещё большей долей полимерных композитов, что делает данную работу не просто точечным улучшением, а фундаментом для целого поколения технологий.
К слову, за рубежом применение металлических сеток внутри композитных материалов для защиты от молний давно стало стандартной практикой. Отличие состоит лишь в технологиях изготовления — это может быть плетёная или вытравленная сетка, а также напыление, и в используемых металлах (медь или алюминий), но сама концепция остаётся одинаковой.
Не останавливаясь на достигнутом
Вместе с тем, разработчики не останавливаются на достигнутом: уже сейчас ведутся проработки по снижению массы сетки за счёт использования более тонких нитей меди с повышенной прочностью на разрыв, а также исследуется возможность частичной замены медных элементов на композитные токопроводящие слои с наночастицами серебра.
Однако инженеры подчёркивают, что любые нововведения должны пройти столь же жёсткий цикл проверок, что и нынешняя схема, поскольку в вопросах грозозащиты цена ошибки слишком высока.
Поэтому, несмотря на привлекательность облегчённых решений, существующая конструкция на базе СФМ-051-84 останется в серийном производстве как минимум до тех пор, пока альтернатива не покажет сопоставимый уровень надёжности в течение всего ресурса эксплуатации.
Такой прагматичный подход — с одной стороны, смелый в части материалов, с другой — консервативный в части гарантий — и является отличительной чертой отечественной инженерной школы, которая смогла в сложных условиях обеспечить безопасность полётов без потери темпа модернизации.
Таким образом, это действительно значимое отечественное достижение, которое позволило гарантировать надёжность композитной конструкции в рамках нового российского авиационного проекта.
Ранее мы писали, что другой новейший авиационный двигатель ПД-8, созданный специалистами Объединенной двигателестроительной корпорации (входит в состав Госкорпорации Ростех), успешно выдержал сертификационные испытания.
А также рассказывали, что ОДК, Ростех, создала современный поршневой авиационный двигатель для малой авиации.
А в НИЯУ МИФИ был представлен двигатель OLGA на «сухой воде» для малых спутников.