Ежегодно по всему миру происходит до 60 извержений вулканов, пепел которых представляет серьезную угрозу для авиации. Это микроскопические частицы горной породы и стекла, которые накапливаются на элементах двигателя и способны привести к его полному отключению прямо во время полета. Попадание самолетов в вулканические облака строго контролируется авиационной безопасностью, однако такие случаи все-таки бывают. И несмотря на всю важность проблемы, вопрос последствий этого изучен не полностью. Ученые Пермского Политеха провели уникальное научное исследование и раскрыли, в каких случаях полет через пепел безопасен, а в каких он может привести к прогарам и разрушению лопаток газовой турбины. Результаты помогут усовершенствовать системы охлаждения отечественных силовых установок нового поколения.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника».
Большинство столкновений самолетов с вулканическим облаком заканчиваются без сильных повреждений. Однако в мировой практике зарегистрированы случаи, когда высокая концентрация пепла приводила к отказу двигателей пролетающих воздушных судов. Он накапливается в виде стекловидных отложений на сопловом аппарате турбины, тем самым засоряя межлопаточный канал, по которому движется газовый поток с высокой энергией. Это снижает устойчивость двигателя и приводит к его выключению. Такой инцидент произошел, например, в 1982 году, когда после воздействия пепла вулкана Галунггунг в Индонезии у самолета Boeing 747 в полете практически одновременно выключились все четыре силовые установки. И только мастерство экипажа позволило избежать катастрофы.
Сегодня ситуацию с облаками вулканического пепла отслеживают метеоспутники и метеостанции. Все данные оперативно обрабатываются, поставляются в аэронавигационные службы по всему миру, и каждому вулкану присваивают свой цветовой код, который обозначает уровень опасности для авиации. В связи с этой информацией авиакомпании корректируют маршруты полетов, чтобы избежать столкновения с пеплом, так как даже его небольшая концентрация может повредить элементы воздушного судна. Так, например, извержению Ключевского вулкана в августе 2025 года, и также выбросу пепла вулкана Шивелуч 11 апреля 2023 года на Камчатке сразу был присвоен наивысший «красный» код авиационной опасности. Это означает, что полеты на близлежащих территориях запрещены.
Если процессы формирования пепловых отложений на сопловом аппарате двигателей уже были хорошо известны, то некоторые особенности негативных последствий при запредельных уровнях концентрации пепла, исследованы не так подробно. В частности, перегрев ключевого элемента авиационного двигателя лопатки турбины.
Ученые Пермского Политеха детально исследовали, как попадание вулканического пепла в двигатель самолета влияет на тепловое состояние лопаток турбины и приводит к деградации свойств теплозащитного покрытия.
Сопловые лопатки это детали, которые направляют и ускоряют газы, выходящие из камеры сгорания, на рабочие лопатки, вращающие вал двигателя. Созданный высокоскоростной поток обеспечивает движение самолета. Лопатки постоянно находятся под прямым воздействием газов, раскаленных до температуры 1500 градусов. Чтобы они выдерживали такие экстремальные условия, их изготавливают из специальных высокопрочных и жаростойких материалов, а также оснащают теплозащитным покрытием и системой охлаждения — множеством микроотверстий, через которые подается холодный воздух, создающий защитную пленку от горячих газов.
Стекловидные отложения пепла наиболее интенсивно аккумулируются на всех сопловых лопатках первой ступени турбины и перекрывают отверстия. Очевидно, что такое засорение ухудшает качество пленочного охлаждения и приводит к значительному нагреву элементов. Чтобы понять, как именно происходит этот процесс и какие его последствия, мы провели 3D-моделирование сопловой лопатки авиационного двигателя ПД-14 на разных режимах его работы в условиях воздействия вулканического пепла с различным уровнем концентрации и времени воздействия, — объясняет Николай Саженков, доцент кафедры «Авиационные двигатели», руководитель группы молодежного проектно-технологического бюро ПИШ ВШАД ПНИПУ, кандидат технических наук.
Первоначально ученые оценили температурное состояние сопловых лопаток при штатной работе до попадания двигателя в вулканическое облако для трех режимов работы ПД-14 крейсерский (основной), номинальный (набор высоты) и полетный малый газ (посадка). Далее определяли перекрытие каждого охлаждающего отверстия пеплом и повторно вычисляли тепловое состояние.
Расчеты проводили для двух различных концентраций пепла на входе в двигатель: по нормам авиационной безопасности 4 мг/м³ в течение одного часа незначительное и безопасное воздействие для двигателя; и по критической концентрации 100 мг/м³ в течение 3-6 минут, аналогичной воздействию пепла вулкана Галунггунг на двигатели.
Результаты показали, что при концентрации согласно сертификационным нормам и при выборе режима малого газа внешний вид лопатки практически не меняется и отверстия не перекрываются. Тогда как при критической концентрации на номинальном и крейсерском режиме отверстия сильно запыляются, их проходная площадь уменьшается от 33 до 70%. Из-за этого качество и объем воздушного охлаждения существенно снижается, и теплозащитное покрытие лопатки максимально нагревается до 1297 градусов, что на 97 градусов превышает предельно допустимое значение, поделился эксперт ПНИПУ.
Моделирование позволило узнать, что пепел в минимальном количестве, соответствующем нормам авиационной безопасности, не опасен. Стекловидные отложения аккумулируются лишь на 0,14% от общей площади лопатки. Критическая же концентрация пепла, превышающая нормативные требования почти в 250 раз, закупоривает отверстия и до 56% уменьшает расход холодного воздуха. Это приводит к критическому перегреву теплозащитного покрытия, а также основного материала лопатки.
Полученные результаты убедительно подтверждают общие рекомендации Международной организации гражданской авиации о том, что в случае попадания самолета в облако вулканического пепла необходимо немедленно уменьшать тягу двигателя до малого газа. Такое действие позволяет избежать осаждения стекловидных отложений на лопатки турбины и избежать их повреждения. Далее экипажу следует принять меры, чтобы как можно быстрее выйти из облака вулканического пепла. Для этого необходимо выполнение разворота воздушного судна на 180° с таким снижением, какое позволяет рельеф местности, рассказывает Николай Саженков.
Исследование ученых Пермского Политеха повысило осведомленность научной и авиационно-технической общественности о дополнительных возможных рисках при нахождении магистрального самолета в облаке вулканического пепла.
