В Московском авиационном институте разработана комплексная методология проектирования, производства и эксплуатации композитных конструкций для отечественных самолетов, в частности МС-21 и SJ-100. Внедрение методики позволит ускорить и удешевить создание перспективных гражданских судов, а также повысить их надежность и долговечность. Работы проводятся в рамках проекта «Передовые инженерные школы».
В отличие от существующих подходов, часто приводящих к несоответствию получаемых деформаций между образцами и реальными агрегатами, инновационная методика МАИ основана на принципе «пирамиды» расчетно-экспериментальных исследований. Это обеспечивает плавный переход от микро- к макроуровню: процесс начинается с детального изучения композитов на структурном уровне, затем следуют испытания на элементарных образцах, образцах с конструктивными укладками, конструктивно подобных образцах и агрегатах. Такой подход позволяет получать точные данные и предсказывать поведение материалов на ранних этапах проектирования, минимизируя риск дорогостоящих ошибок.
«Когда мы смотрим под микроскопом и выявляем следствия эксплуатационных и производственных дефектов, мы видим несовершенство структуры, которое можем моделировать. Это позволяет предсказать характер разрушения и дальнейшее поведение анизотропного материала. Помимо этого, мы стараемся более подробно разобрать уровни элементарных образцов. Для этих целей мы проводим испытания и в дальнейшем валидируем наши расчетные модели, учитывающие как внутрислойные, так и межслойные характеристики композитов», — объяснил участник проекта, инженер лаборатории № 2 «Композиционные материалы» кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ Сергей Ковтунов.
Система учитывает не только свойства композитов, но и детальные геометрические особенности конструкций (радиусы кривизны, толщину переходов), а также концентраторы напряжений (отверстия, болтовые соединения, стыки полимерных композитов с металлами). Исследователи также проводят анализ ключевых конструктивных элементов, таких как стрингерные панели, полки и стенки лонжеронов, и различных особо ответственных соединений в конструкции самолета.
В проекте задействованы специалисты Центра композитных конструкций (ЦКК) и лаборатории № 2 кафедры 101 МАИ. Исследования ведутся на базе лаборатории «Прочность», входящей в структуру ЦКК. Она оснащена передовым оборудованием, включая три испытательные машины, томограф, установку для шерографии, сканирующий электронный и оптический микроскопы, ультразвуковой дефектоскоп и систему электронной спекл-интерферометрии.
Такой экспериментально-расчетный комплекс позволяет ученым МАИ проводить научно-исследовательские работы и полный цикл испытаний на различных уровнях материала и конструкций, исследовать их структуру, выполнять математическое моделирование и валидировать конечно-элементные модели и расчетные методы.
«Все это обеспечивает нам комплексный подход к решению задач, вплоть до учета аспектов эксплуатации. Например, у нас разработан собственный “ремонтный чемодан” для восстановления композитных конструкций. Также есть оборудование для ремонта конструкций под избыточным давлением, которое мы называем “паук”», — отметил Сергей Ковтунов.
Работы по проекту реализуются в МАИ как в рамках собственных задельных исследований, так и в рамках контрактов с ведущими предприятиями авиационной отрасли. Уже сейчас разработанные на базе этой методологии решения ПАО «Яковлев» использует для повышения безопасности эксплуатации узлов и агрегатов планера, стоек шасси и в других задачах при работе над SJ-100 и МС-21. Методика регулярно дорабатывается и совершенствуется.
С 2025 года проект «Передовые инженерные школы» реализуется в рамках национального проекта «Молодежь и дети».