Я ломал стекло

Самолеты и птицы всегда с трудом делили между собой небо. В 1905 году с птицей столкнулся одномоторный Wright Flyer III – это первый известный случай в истории авиации. Сейчас только в США ежегодно регистрируется более 16 тысяч таких случаев. Обычно столкновение плохо заканчивается для птицы, но иногда повреждения получает и техника. Совместно с ОНПП «Технология», которое входит в Госкорпорацию «Ростех», рассказываем, каким может быть современное остекление и как проводятся испытания на «птицестойкость».

15 августа 2019 года Airbus А321 «Уральских авиалиний» вылетел из аэропорта «Жуковский» в сторону Симферополя. Всего через несколько минут оба двигателя самолета вышли из строя. Пилоты благополучно совершили аварийную посадку на поле с кукурузой, и все 226 пассажиров остались живы. Авиакомпания сообщила, что причиной аварии стали чайки, угодившие в оба двигателя самолета.

Столкновения с птицами ежегодно обходятся гражданской авиации по всему миру в сумму более 1 миллиарда долларов. Не обязательно из-за видимого урона, а просто потому, что после любого столкновения самолет требуется тщательно обследовать на предмет повреждений. По разным оценкам, только от 2 до 8 процентов инцидентов заканчиваются повреждениями и лишь в 6-7 процентах случаев урон оказывается достаточно серьезным, чтобы представлять опасность для судна и пассажиров. Самолету «Уральских авиалиний» не повезло.

Вероятность подобных аварий невысока. Меньше, чем удар молнии в самолет. Шанс столкновения с птицей меняется в зависимости от высоты полета, времени суток и времени года, природных условий, географического положения и, наконец, непосредственно самолета. Чем быстрее и тише становится техника, тем труднее животным услышать шум двигателей и увернуться.

Среди частей воздушного судна, чаще всего оказывающихся под ударом, лобовое стекло находится на третьем месте. На первом и втором – крылья и двигатели. Между тем, согласно данным по зарегистрированным столкновениям в США, Канаде и Европе с 1990\2008 по 2018 год, остекление кабины получает существенный урон почти так же часто, как двигатели самолета.

В большинстве случаев самолеты сбивают птиц – или птицы врезаются в самолеты – на высоте менее 100-150 метров, когда транспорт взлетает, набирает высоту или садится. Особо серьезные повреждения воздушное судно, хотя и с куда меньшей вероятностью, рискует получить, поднявшись на большую высоту. Там и птицы становятся крупнее, и скорость полета – выше.

Неудивительно, что к остеклению для военной и гражданской авиации предъявляются высокие требования по прочности. После столкновения с птицей весом 1,8 кг на стекле кабины – не важно, гражданского воздушного судна или военного истребителя или вертолета – не должно остаться вмятин или трещин, которые бы нарушили герметичность кабины или затруднили обзор пилоту.

Лобовое стекло самолета запросто можно усилить с помощью современных материалов. И совсем не так просто соблюсти все необходимые требования. Стекло все еще должно обогреваться, обладать приемлемым весом, хорошей светопропускаемостью и другими характеристиками. Изготовлением оптических конструкций, которые не жертвуют прочие качества в угоду прочности, занимается НПК «Стекло» в составе ОНПП «Технология». Мы отправились в Обнинск, чтобы подробнее разузнать о стеклах из разнородных материалов и увидеть, как они проходят испытания на птицестойкость.

Несменяемость стекла

Предприятие работает с тремя основными видами стекла – силикатным, органическим и поликарбонатным. Универсального материала под любую задачу не существует. И потому ни один из них нельзя без потерь заменить другим. «Стекло» сфокусировано на создании гетерогенных композиций, которые позволяют максимально реализовать сильные стороны каждого материала.

Так, например, для остекления летательных аппаратов, при взлете и посадке регулярно поднимающих в воздух огромное количество пыли, важна устойчивость к абразивному воздействию. Хорошими показателями в этом смысле обладает обыкновенное силикатное стекло. Проблема заключается в том, объясняет директор научно-производственного комплекса «Стекло» ОНПП «Технология» Дмитрий Петрачков, что силикатные стекла не отличаются особой ударопрочностью: «Они просто разрушаются, образуются дыры». От столкновения с птицей такое стекло не защитит.

Прочнее будет многослойная композиция. Однако, если использовать только силикатное стекло, придется смириться с тем, что самолет или вертолет прибавил в весе. Есть способ облегчить композицию – использовать оптический поликарбонат, первые образцы которого появились около 10 лет назад. Это небольшой срок для материала. На данный момент, по словам Петрачкова, предприятие только учится с ним работать.

Поликарбонат – вполне доступный материал. В быту его используют для изготовления дачных теплиц. Однако, когда дело касается авиации, заказчики предъявляют к нему дополнительные требования: стойкость к воздействию различных химических веществ, ультрафиолета и ИК-спектра, термостойкость, и так далее. Этими качествами поликарбонат изначально не обладает, но может приобрести благодаря добавлению различных ингредиентов, позволяющий превратить поликарбонат привычный – в монолитный оптический поликарбонат.

Над модификацией материалов, которые впоследствии использует «Технология», работают специалисты профильных институтов. «Это очень сложный процесс. – объясняет Петрачков. – Сами мы им не занимаемся». В результате гетерогенное остекление для самолета, объединившее в себе все лучшее от двух видов стекла, будет легким и ничуть не менее абразивостойким, нежели силикатное стекло.

Между тем, авиационное остекление должно быть не только прочным, но и обладать хорошими оптическими характеристиками: не искажать окружение и пропускать достаточно света. Чтобы повысить стойкость к ударам и сохранить светопропускание, в НПК «Стекло» применяют гетерогенные композиции на основе оптического поликарбоната и полиметилметакрилата, которые склеивают полиуретановыми пленками.

Полиметилметакрилаты и силикаты применяются в авиастроении гораздо дольше, нежели поликарбонат, но позиций не уступают и постоянно совершенствуются, да и современное силикатное стекло – не то же самое, что и 30 лет назад. «Новые добавки позволяют достичь еще более глубокого упрочнения. Поэтому, – объясняет Дмитрий Петрачков. – нет такого, чтобы какой-то материал абсолютно себя изжил».

Выстрел в упор

Носовые части самолетов, когда-то специально изготовленные для испытаний, выстроились в ряд у забора. Тронутая временем обшивка и стекла покрыты глубокими вмятинами и трещинами. Это следы многочисленных испытаний на птицестойкость. Когда-то они проходили на открытом грунтовом полигоне.

Теперь под испытания выделен отдельный ангар. На стенах и потолке видны глубокие отметины – с такой силой разлетаются ошметки куриных тушек, которыми стреляют в авиационные стекла. В центре помещения на лафете от зенитного орудия смонтирована «Пневматическая метательная установка ПУ-132». Технология не нова: подобные установки для испытаний остекления применяют с середины 1970-х.

Гладкоствольное 132-миллиметровое орудие питается от заводской магистрали сжатого воздуха с давлением примерно 7 атмосфер, рассказывает инженер первой категории Испытательной станции Сергей Галелюк. Воздух набирается в два 400-литровых баллона по обеим сторонам установки. От давления зависит скорость, с которой снаряд (тушка курицы, бутылка или металлический шар) вылетит в сторону мишени.

«Давления в магистрали достаточно для испытаний на скорости столкновения до 900 километров в час», – говорит Галелюк. В среднем остекление для, допустим, истребителя испытывается на скоростях 550-650 км/ч. Вес курицы, как правило, один и тот же – 1,8 кг. Мишенью может быть как стекло, установленное на стенде, так и целая кабина самолета. Навроде тех, что можно было увидеть снаружи».

Правда, на этот раз в качестве снаряда выбирают не курицу, а бутылку из-под вина. Мишенью служит гетерогенное остекление локомотива. Лобовые стекла кабины машиниста должны выдерживать удар бутылкой емкостью 0,7 литра на удвоенной конструкционной скорости. Если допустить, что у электрички конструкционная скорость равняется 130 км/ч, то стекло будет испытываться на скорости 260 км/ч.

Раньше стрелок укрывался от ошметков и осколков за стальным листом неподалеку от установки. Теперь перед началом стрельбы сотрудники уходят в защищенную комнату, откуда через толстое стекло можно безопасно наблюдать за испытаниями.

Слышится шипение. Баллоны в течение нескольких минут неторопливо набирают воздух. Затвор не даст ему высвободиться раньше времени. В момент выстрела воздух резко устремляется в канал ствола. Из безопасной комнаты слышен приглушенный хлопок, который внутри помещения наверняка стал бы оглушительным. Бутылка выстреливается в стекло, и от удара превращается в осколки и облако стеклянной пыли.

Дождавшись, пока осядет пыль, сотрудники возвращаются в зону испытаний и проверяют мишень. Протираем поверхность – и вуаля, на поверхности остался видимый след от удара, но само поликарбонатное стекло в порядке.

Игра «Композиция»

Испытание на ударопрочность – лишь один из этапов контроля. Как правило, из партии только одно стекло оказывается под обстрелом. Если изделие успешно выдерживает проверку, удачной считается вся партия.

На других участках проверяются не менее важные качества стекла. В лаборатории оптических измерений — оптические характеристики стекла. Отдельный участок выделен под испытание 100-процентной влажностью: изделие должно сохранить электропараметры и прозрачность в течение нескольких суток. На участке климатических испытаний стекло нагревается и замораживается в диапазоне от минус и до плюс 60 градусов Цельсия.

Весь производственный цикл, если процесс начинается с нуля, занимает от 45 до 90 дней – в зависимости от сложности изделия.

Иногда технологии, разработанные для космоса и авиации, находят применение в других отраслях. По словам Петрачкова, до 1996 года остекление на железнодорожных локомотивах выполнялось из оргстекла или закаленного силикатного стекла - сталинита. «Ни то, ни другое не может обеспечить безопасность машиниста или его помощника. – говорит он. – И мы понимаем, что все эти нормы безопасности тогда, в 96-м, были написаны кровью». Решение пришло из авиации и используется до сих пор: в кабинах поездов стоят прочные силикатные триплексы с пленочным электрообогревом.

Как и другие подразделения ОНПП «Технология», научно-производственный комплекс «Стекло» работает на заказ. Требования – и, соответственно, строгость испытаний – определяются заказчиком, а материалы нередко дорабатываются под конкретные цели. Петрачков заключает: «Тут играем композицией: либо ты ищешь материал из уже имеющегося набора, улучшаешь его свойства, либо сочетаешь несколько известных для получения нужного результата».