На изображении показано тепловое состояние лопатки турбины после засорения перфорационных отверстий вулканическим пеплом при критической концентрации на крейсерском (а) и номинальном (б) режимах работы двигателя.
Глобальная угроза для авиации
Ежегодно на планете фиксируется около 60 извержений вулканов, пепел от которых создает серьезную опасность для воздушных судов. Эти микроскопические частицы горных пород и вулканического стекла, попадая в двигатели, налипают на их элементы и могут вызвать полную остановку силовой установки прямо в полете. Несмотря на строгий контроль и мониторинг, случаи попадания самолетов в пепловые облака периодически происходят. Важность проблемы трудно переоценить, однако многие аспекты ее последствий оставались недостаточно изученными. Ученые Пермского Политеха провели масштабное исследование, в ходе которого установили границы безопасности и выявили критические условия, при которых полет через пепел приводит к перегреву и разрушению ключевых компонентов турбин. Полученные данные будут использованы для совершенствования систем охлаждения отечественных авиадвигателей нового поколения.
Результаты работы опубликованы в авторитетном журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника».
Исторические прецеденты и современный мониторинг
Хотя большинство инцидентов с вулканическим пеплом заканчиваются без серьезных последствий, мировая авиация знает случаи, когда высокая концентрация частиц приводила к отказу двигателей. Пепел образует стекловидные отложения на сопловом аппарате турбины, сужая каналы для прохода раскаленных газов. Это нарушает устойчивость работы двигателя и может вызвать его отключение. Классическим примером стал инцидент 1982 года с Boeing 747, когда после встречи с пеплом вулкана Галунггунг в Индонезии один за другим отказали все четыре двигателя. Катастрофы удалось избежать только благодаря высочайшему профессионализму экипажа.
Сегодня за вулканической активностью следят с помощью метеоспутников и наземных станций. Данные оперативно анализируются и передаются аэронавигационным службам. Каждому вулкану присваивается цветовой код, указывающий на уровень угрозы для авиации. На основе этой информации авиакомпании корректируют маршруты, поскольку даже малая концентрация пепла способна повредить элементы воздушного судна. Например, извержению Ключевского вулкана в августе 2025 года и выбросу пепла Шивелуча в апреле 2023 года сразу был присвоен наивысший «красный» код, что означало полный запрет полетов в прилегающих районах.
Обратите внимание: Вытеснят ли новые материалы пружины из матраса.
Новые аспекты старой проблемы
Если механизм образования пепловых отложений на сопловых аппаратах был изучен ранее, то некоторые критические эффекты, возникающие при запредельных концентрациях, исследованы не столь детально. В частности, оставался открытым вопрос о перегреве лопаток турбины — ключевых элементов авиадвигателя. Специалисты Пермского Политеха сосредоточились именно на этом аспекте, изучив, как вулканический пепел влияет на тепловое состояние лопаток и ускоряет деградацию их теплозащитного покрытия.
Сопловые лопатки выполняют crucial функцию: они направляют и ускоряют потоки раскаленных газов из камеры сгорания на рабочие лопатки, которые, в свою очередь, вращают вал двигателя. Эти детали постоянно работают в экстремальных условиях, выдерживая температуры до 1500°C. Для этого их изготавливают из особых жаростойких сплавов, наносят многослойное теплозащитное покрытие и оснащают сложной системой внутреннего охлаждения. Холодный воздух подается через множество микроскопических отверстий, создавая защитную пленку, которая ограждает металл от контакта с горячими газами.
Методология и результаты исследования
«Стекловидные отложения пепла в первую очередь и наиболее интенсивно накапливаются на всех сопловых лопатках первой ступени турбины, перекрывая охлаждающие отверстия, — поясняет Николай Саженков, доцент кафедры «Авиационные двигатели» ПНИПУ, кандидат технических наук. — Это ухудшает эффективность пленочного охлаждения и вызывает значительный перегрев. Чтобы детально изучить этот процесс, мы провели комплексное 3D-моделирование сопловой лопатки двигателя ПД-14 на различных режимах работы, варьируя концентрацию пепла и время воздействия».
Ученые начали с анализа температурного состояния лопаток при штатной работе, а затем смоделировали процесс засорения отверстий пеплом и повторно рассчитали тепловые поля. Исследование проводилось для двух сценариев: воздействия пепла в концентрации 4 мг/м³ в течение часа (норма авиационной безопасности) и критической концентрации 100 мг/м³ в течение 3-6 минут (аналогично инциденту с вулканом Галунггунг).
«Результаты оказались показательными, — делится эксперт. — При нормированной концентрации и на режиме малого газа внешний вид и состояние лопатки практически не меняются, отверстия остаются открытыми. Однако при критической концентрации на номинальном и крейсерском режимах происходит интенсивное запыление: проходная площадь отверстий сокращается на 33-70%. Это резко снижает эффективность охлаждения, и температура теплозащитного покрытия достигает 1297°C, что на 97 градусов превышает предельно допустимый порог».
Моделирование наглядно продемонстрировало, что пепел в количествах, соответствующих нормам безопасности, не представляет угрозы — отложения покрывают лишь 0,14% площади лопатки. В то же время концентрация, в 250 раз превышающая норматив, приводит к закупорке до 56% охлаждающих каналов. Это вызывает критический перегрев не только покрытия, но и основного материала лопатки, создавая прямую угрозу ее целостности.
Практические рекомендации и выводы
«Наши результаты полностью подтверждают рекомендации Международной организации гражданской авиации, — отмечает Николай Саженков. — При попадании в пепловое облако экипаж должен немедленно уменьшить тягу двигателей до режима малого газа. Это позволяет минимизировать осаждение стекловидных отложений и избежать повреждения лопаток. Следующий шаг — как можно быстрее выйти из опасной зоны, выполнив разворот на 180 градусов со снижением, допустимым по рельефу местности».
Проведенное исследование существенно углубляет понимание дополнительных рисков, связанных с полетами в условиях вулканической активности, и вносит важный вклад в повышение безопасности гражданской авиации.
Больше интересных статей здесь: Производство.
Источник статьи: Ученые Пермского Политеха выявили новые факторы опасности вулканов для авиадвигателей.