Многие из нас не раз наблюдали в иллюминатор как сильно изгибаются крылья у самолета в процессе полета. Крыло гнётся, вибрирует, “дышит” под большими нагрузками. Особенно тревожно становится за прочность крыльев при попадании в зону турбулентности. Сразу возникает вопрос: а могут ли крылья сломаться?
Крыло является главным несущим элементом самолёта. В полете на него действуют сразу несколько нагрузок: подъёмная сила, вес топливных баков, вес двигателей, перегрузки при маневрировании, порывы ветра и турбулентность, неравномерное обледенение. Таким образом, испытание крыла на земле – это, своего рода, генеральная репетиция всей последующей “жизни” самолёта в воздухе. Но как и где испытывают крылья самолетов?
Все испытания крыльев проводят в специальных испытательных центрах. Это очень сложные и дорогостоящие объекты. Чтобы убедиться в правильности расчетов, определить фактический предел прочности и ресурса крыла в испытательных центрах его гнут до максимальных пределов, вплоть до появления трещин и физического разрушения. Крыло должно выдерживать нагрузку, в 1,5 раза превышающую максимально возможную. Иногда в ходе испытаний крыло могут загибать почти под прямым углом, до 90°.
В ходе испытаний под крыло подводят гидравлические домкраты и поднимают их до тех пор, пока крыло не сломается. При этом все крыло обклеивают тензодатчиками, при помощи которых определяют нагрузки и деформации, возникающие в той или иной части крыла. При появлении нагрузки в месте наклейки тензодатчика меняется его электрическое сопротивление, которое измеряется специальным прибором. По изменению сопротивления датчика определяют значения появившихся в крыле нагрузок и деформаций.
Однако существует серьезная проблема, которая усложняет весь процесс измерений нагрузок. Количество наклеиваемых на крыло тензодатчиков огромно. Для магистрального лайнера или военного самолёта, например, оно может достигать нескольких тысяч (в среднем, 300 - 1000 датчиков на одно крыло). Датчики устанавливают по всей длине и размаху крыла, в корне, в районе лонжеронов, нервюр, мест крепления подкосов, узлов подвески двигателей и топлива.
Каждый такой тензодатчик подключают проводами к измерительной системе, при этом аккуратно защищают как место пайки, так и трассу проводки, чтобы не повредить датчики и не исказить измерения. Место пайки контактов датчика покрывают защитным лаком, компаундом или специальным клеем, чтобы защитить их от влаги и коррозии, снять механическое напряжение с пайки, а также исключить отрыв при изгибах конструкции.
Провода от датчиков фиксируют скотчем, нитками или клеем, чтобы они не болтались и не передавали усилий на датчик. Далее все такие “хвостики” от множества датчиков собирают в жгуты и их ведут по конструкции крыла к центральным разъёмам или распределительным коробкам. При этом жгуты обязательно маркируют и фиксируют хомутами, клипсами, лентой через каждые 10-20 см, стараются увести от зон возможных повреждений, мест крепления грузов, прохода персонала. Собранные воедино огромные и тяжелые жгуты от тысяч датчиков ведут в коммутационные коробки к измерительной аппаратуре, применяя экранированные кабели и различные схемы включения для компенсации сопротивления проводов, чтобы оно не исказило результаты измерений нагрузок.
Но зачем нужно наклеивать такое большое число тензодатчиков? Почему нельзя использовать только один или два? Дело в том, что все существующие тензодатчики, как правило, “точечные”. Они показывают нагрузки и деформации в маленькой конкретной точке крыла, где были наклеены. Так как крыло самолета имеет большую длину и ширину, для мониторинга нагрузок по всей площади крыла требуются сотни и тысячи таких датчиков.
Для решения этой проблемы в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ РАН) впервые в мире были разработаны и запатентованы протяженные аморфные датчики нагрузок (https://amorphous-wires.ru).
Аморфные датчики нагрузок состоят из протяженных тензочувствительных элементов и блока приема сигнала. Тензочувствительные элементы представляют собой тонкие (0,2 мм) и узкие (15 мм) полоски стеклоткани, внутри которых расположен специальный аморфный ферромагнитный микропровод диаметром 50-120 мкм. Длина таких датчиков может составлять от 0,2 до 50 метров.
Аморфные датчики нагрузок наклеиваются на металлическое или композитное крыло и осуществляют контроль нагрузок, возникающих при вертикальном изгибе и кручении крыла. Блок приема сигналов показывает изменение сопротивления аморфного ферромагнитного микропровода при изменении механических нагрузок. При этом стеклотканевые полоски аморфных датчиков легко закладываются между препрегами внутри композитных крыльев.
Испытания композитного макета с аморфным датчиком нагрузок показали высокую чувствительность аморфных датчиков и линейную зависимость сигнала. При изменении изгибающих нагрузок от 0 до 100 кг показания датчика изменялись в 5 раз. После цикличных изгибающих нагрузок на макет показания датчика возвращались строго к стартовому значению, что говорит о качестве измерений.
Испытания подтвердили работоспособность разработанных в ИМЕТ РАН протяженных аморфных датчиков механических напряжений для мониторинга изгибающих и крутящих нагрузок крыльев самолетов. При этом вместо сотен и тысяч точечных тензодатчиков можно использовать всего несколько протяженных аморфных датчиков ИМЕТ РАН, наклеиваемых по всей длине крыла самолета.
К тому же, аморфные датчики могут контролировать не только прогиб концов крыла, но и деформации лонжеронов, обшивки, напряжения в наиболее нагруженных зонах, появление трещин, разрушения и пр. Такие датчики стали новым инструментом неразрушающего контроля различных элементов конструкции летательных аппаратов.