Стеклопластик широко используют в авиации — он легкий, недорогой и не ржавеет. Но при ударах камней, града или птиц на нем появляются вмятины и царапины. Существующие методы контроля фиксируют дефект, но не могут предсказать, сколько еще прослужит поврежденная деталь. Поэтому конструкторы закладывают завышенные запасы прочности. Из‑за этого самолеты получаются тяжелее, тратят больше топлива и сильнее загрязняют воздух, а перелеты становятся дороже. Ученые Пермского Политеха впервые комплексно изучили, как царапины и вмятины влияют на прочность и долговечность стеклопластика. Результаты помогут точнее определять, когда деталь нужно менять, а когда можно эксплуатировать дальше, экономя ресурсы без потери безопасности.
Статья опубликована в журнале «Fracture and Structural Integrity», 2026. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-29-00188).
В настоящее время стеклопластик нашел широкое применение: его используют при производстве самолетов, поездов, лодок и кузовов автомобилей. Этот композиционный материал состоит из двух компонентов: тонких стеклянных волокон и полимерной смолы, обеспечивающей их сцепление. Волокна придают материалу прочность, а смола удерживает их вместе и равномерно распределяет воздействие нагрузок. Стеклопластик легче металла, не подвержен коррозии и отличается доступной ценой.
В процессе эксплуатации на изделии практически всегда возникают дефекты: трещины, расслоения, царапины, вмятины. Зачастую они едва заметны на поверхности, однако внутри материала уже идет его разрушение.
В авиационной отрасли соблюдаются строгие требования к прочности. Если на композитной детали обнаруживается царапина или вмятина, инженеры не могут с уверенностью определить ее остаточный ресурс. Современные методы контроля позволяют выявить повреждение, однако не дают информации о том, как долго деталь будет функционировать под воздействием различных нагрузок. В связи с этим приходится применять повышенные коэффициенты запаса прочности: либо заменять деталь до истечения ее фактического срока службы, либо увеличивать массу конструкции. Хотя безопасность полетов обеспечивается, каждый дополнительный килограмм приводит к росту расхода топлива и выбросов углекислого газа, а преждевременная замена компонентов влечет за собой дополнительные затраты на техническое обслуживание.
Впервые ученые Пермского Политеха осуществили всестороннее исследование, посвященное тому, как царапины и вмятины по-разному влияют на прочность и долговечность стеклопластика. Ранее подобной информации не публиковалось: предыдущие работы фокусировались либо на царапинах, либо на вмятинах, но не в комплексе, а испытания на прочность и долговечность, как правило, проводились независимо друг от друга.
Специалисты ПНИПУ провели комплекс испытаний, имитирующих реальные нагрузки, характерные для авиационной отрасли. В качестве материала был выбран стеклопластик, широко применяемый при изготовлении авиационных компонентов. На образцах воспроизвели два наиболее распространенных типа повреждений. Царапины, возникающие при взаимодействии с инструментами или другими деталями во время технического обслуживания, моделировались с усилием 1 кН, что эквивалентно воздействию груза весом 100 кг. Вмятины, вызванные ударами камней, града или птиц, создавались при нагрузке от 10 до 15 кН – сопоставимой с силой удара средней или крупной птицы. Для сравнения, птица весом 5 кг, движущаяся на скорости, способна генерировать усилие свыше 13 тонн.
Исследователи проводили анализ образцов, которые делились на три группы: неповрежденные, с царапинами и с вмятинами различной степени тяжести. После этого, каждый образец был протестирован в двух различных режимах.
Изначально образцы подвергались постепенному увеличению нагрузки до момента разрушения, чтобы определить, как царапины или вмятины влияют на их максимальную прочность. Затем проводились повторные циклы нагружения и разгрузки, воспроизводящие условия взлета и посадки, чтобы оценить долговечность поврежденного элемента. Все исследования выполнялись на уникальной установке ПНИПУ, не имеющей аналогов в России и отвечающей уровню ведущих мировых лабораторий. Полученные данные оказались непредсказуемыми.
— При испытаниях образцов на прочность до разрушения обнаружилось, что царапина практически не повлияла на их несущую способность: образец с царапиной разорвался при той же нагрузке, что и неповрежденный. Гораздо большую опасность представляют вмятины: незначительные снизили прочность на 17%, умеренные — на 25%, а значительные — на 30%. Таким образом, если целая деталь способна выдерживать нагрузку в 100 кг, то деталь с выраженной вмятиной сможет выдержать лишь 70 кг. Вместе с тем, царапины и вмятины не оказали влияния на жесткость материала: деформированный образец демонстрировал такое же сопротивление изгибу, как и неповрежденный. Этот факт является важным и вызывает опасения: проверка детали на упругость (например, при попытке согнуть) не позволит выявить повреждения. Деталь может выглядеть исправной, но ее эксплуатационный срок уже сократился, — сообщает Анастасия Лыкова — кандидат технических наук и старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.
Наиболее значимый результат был получен в ходе циклических испытаний, в процессе которых образцы подвергались многократным нагрузкам и разгрузкам, что позволяло имитировать взлетные и посадочные процедуры. Один из образцов успешно прошел свыше 5000 циклов. Наличие царапины снизило его срок службы почти вдвое: образец с царапиной выдержал приблизительно 2800 циклов. Тем не менее, это остается значительным показателем, то есть деталь с царапиной сохранит достаточную долговечность. Однако при наличии серьезной вмятины ситуация кардинально меняется: такой образец выдержал всего 368 циклов. Это на 93% меньше, чем у неповрежденного образца. Иными словами, деталь с выраженной вмятиной прослужит в 14 раз меньше. Если неповрежденная деталь рассчитана на 14 лет эксплуатации, то эта выйдет из строя уже через год.
Но на этом не заканчиваются открытия. Исследователи сопоставили вмятины различной степени и выяснили, что их влияние зависит от условий эксплуатации детали. Незначительная вмятина наиболее критична при продолжительной работе в условиях умеренных нагрузок, которые характерны для пассажирских самолетов, совершающих ежедневные рейсы. В подобных условиях деталь с небольшой вмятиной способна выдержать лишь четверть от количества циклов, которое выдерживает целая деталь. В то же время, значительная вмятина представляет большую опасность при внезапных перегрузках, когда нагрузок немного, но каждая из них очень интенсивна, как это свойственно военным истребителям. В данном случае деталь с сильной вмятиной способна выдержать в пятьдесят раз меньше циклов, чем деталь со слабой.
— Возникает ли это из-за чего-то? Высокоточные камеры показали, что при незначительных деформациях повреждается смола, которая соединяет волокна. Она не разрушается мгновенно, но со временем приходит в негодность из-за постоянной эксплуатации. Если деформация значительная, разрываются сами волокна — деталь не способна выдержать даже небольшое количество интенсивных нагрузок, — поясняет Дмитрий Лобанов — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.
Полученные данные исследований дают инженерам возможность более точно устанавливать допустимые границы повреждений. Теперь, вместо применения завышенных допусков, они могут руководствоваться конкретными числовыми показателями: определять, сколько циклов нагрузки выдержит деталь с известным дефектом в заданных условиях эксплуатации. Такой подход позволяет уменьшать массу летательных аппаратов (и, как следствие, снижать потребление топлива и выбросы), увеличивать фактический срок службы компонентов (избегая преждевременной замены) и направлять средства на обеспечение реальной безопасности, а не на страховочные мероприятия.