Согласно статистическим данным, полет воздушного судна в облаке вулканического пепла — большая редкость. По крайней мере, так было до апреля 2010 г., когда произошло извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль. Тогда облако вулканического пепла на много дней закрыло воздушное пространство над всей Европой, в результате чего было отменено более 100 тыс. рейсов, а потери авиакомпаний составили почти 2 млрд. долл. Тогда же стало ясно, что отрасль не обладает достаточными знаниями о том, как вулканический пепел воздействует на самолеты и их двигатели.
Ни для кого не было секретом, что попадание вулканического пепла в двигатели может привести к их повреждению, однако при какой его концентрация безопасность и характеристики силовых установок могут серьезно пострадать, до сих пор не определено. Это уже приводило к принятию консервативных решений закрыть воздушное пространство, хотя впоследствии ограничения слегка ослабили, с тем чтобы продолжать полеты даже в условиях кризисной ситуации. Результатом стала активизация исследований, посвященных последствиям попадания в авиационные двигатели вулканического пепла.
Самым крупным проектом в этой области является программа VIPR (Vehicle Integrated Propulsion Research — комплексное исследование транспортных силовых установок), реализуемая под руководством Национального аэрокосмического агентства США (NASA). Кульминацией этой программы стали наземные испытания на всасывание пепла, которые в июле этого года провели с двигателем Pratt & Whitney PW2000, установленном на транспортном самолете Boeing C-17. В рамках испытаний была смоделирована ситуация, когда ВС длительное время летит через облако вулканического пепла. «Двигатель удивил нас», — рассказал Пол Краса, менеджер программы VIPR в научно-исследовательском центре NASA в Лэнгли.
По сути, программа VIPR, запущенная в 2010 г., представляет собой партнерский проект, в который вовлечены сразу несколько ведомств и представителей отрасли. На момент ее открытия NASA рассчитывало создать системы мониторинга состояния двигателей и датчики для силовых установок следующего поколения. Потом началось извержение вулкана Эйяфьятлайокудль, после чего Федеральная авиационная администрация (FAA) и ВВС США «всерьез заинтересовались воздействием вулканического пепла на турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности», пояснил Краса.
В предыдущие разы контакты с вулканическим пеплом происходили по чистой случайности. В 1982 г. у самолета Boeing 747-200 авиакомпании British Airways, выполнявшего рейс номер 9 из Лондона в Окленд и попавшего в облако пепла от индонезийского вулкана Галунггунг, на всех четырех двигателях произошел срыв пламени. В 1989 г. из-за пепла от вулкана Редаут на Аляске на самолете Boeing 747-400 авиакомпании KLM, следовавшего рейсом 897 по маршруту Амстердам—Токио, отказали все силовые установки. Оба самолета успешно приземлились.
В 2000 г. через облако рассеянного пепла от исландского вулкана Гекла на большой высоте случайно пролетела летающая лаборатория NASA McDonnell Douglas DC-8-72, следовавшая из авиабазы Эдвардс (Калифорния) в Кируну (Швеция). В результате на самолете пришлось заменить все четыре двигателя CFM56. После того как воздушное пространство пришлось закрыть в 2010 г., стремление понять, как именно пепел влияет на авиационные двигатели и воздушные суда, только усилилось.
«Извержение в Исландии парализовало воздушное движение на три недели», — вспоминает Краса. Оно затронуло не только коммерческий сектор, но и военных. «Вулкан сильнейшим образом помешал проведению логистических операций ВВС в Афганистане и Ираке. Пришлось отправлять самолеты по западному маршруту, по длинному обходному пути», — поясняет Краса.
В результате появился проект, в котором приняли участие не только четыре научно-исследовательских центра NASA в Лэнгли, Армстронге, Эймсе и Гленне, но и FAA, а также научно-исследовательская лаборатория ВВС США. Свои ресурсы, в том числе исследовательские, совместно с концерном Boeing предоставили и три крупнейших двигателестроительных компании — Pratt & Whitney, General Electric и Rolls-Royce.
«Приступая к испытаниям, которые никто до этого не проводил, и направляя вулканический пепел непосредственно в двигатель самолета, установленный на крыле, нужно полностью понимать механизм происходящего, — говорит Краса. — Мы не могли проводить их на стенде. Для того чтобы понять, как попадание в облако пепла повлияет на двигатель и с чем при этом будет иметь дело экипаж, нужно было использовать целый самолет, то есть интегрированную систему».
ВВС США передали в аренду NASA два двигателя F117 (PW2000), снятые с тестового самолета C-17, расположенного в Музее Военно-воздушных сил, и восстановленные до состояния летной годности специалистами Pratt & Whitney. Команда, проводившая испытания, решила не подвергать силовые установки высоким нагрузкам сразу же, поэтому реализация программы VIPR проходила в три этапа.
Во время первого этапа, получившего обозначение VIPR 1, «мы прогнали показания множества периферийных датчиков, смонтированных с внешней стороны двигателя. Мы запустили ряд смоделированных отказов, однако никакого вреда силовой установке они не принесли», говорит Краза. В ходе второго этапа, VIPR 2, двигатель модернизировали, установив датчики в газогенератор. «Мы провели еще ряд испытаний, но также без вреда для двигателя», — продолжил он. Испытания включали в себя смоделированные отказы для определения реакции датчиков. Кроме того, вместо пепла в двигатель ввели частицы мела, что помогло понять, как нужно проводить заключительную фазу испытаний.
«С самого начала мы рассчитывали, что на этапе VIPR 3 в двигатель будет засасываться настоящий вулканический пепел, — говорит Краса. — На этом этапе мы узнали много нового». В ходе VIPR 3 двигатель впервые в истории подвергли контролируемому воздействию вулканического пепла. Еще в 1980-х гг. схожие наземные испытания на двигателе Pratt & Whitney F100 провела компания Calspan. Тогда целью тестов было определить влияние на характеристики силовой установки пыли, образующейся в результате ядерного взрыва. «Но мы провели эти испытания под более четким контролем», — подчеркнул Краса.
До проведения этапа VIPR 3 все, что было известно о попадании вулканического пепла в двигатель — это то, что к немедленным эффектам воздействия могут относиться эрозия компрессора, расплавление пепла в горячей секции двигателя, а также засорение топливной системы, камеры сгорания и отверстий системы охлаждения. Более длительное воздействие приводит к потере эффективности компрессора, загрязнению системы смазки и снижению срока службы компонентов турбины.
В ходе испытаний пепел подавался в двух концентрациях: 1 мг/куб. м и 10 мг/куб. м. В 2010 г. над территорией Европы для полетов закрыли те районы, где концентрация вулканического пепла достигала 2 мг/куб. м. Позже опасным уровнем признали 4 мг/куб. м. В настоящее время двигателестроительные компании рекомендуют не эксплуатировать двигатели при концентрации пепла, превышающей 2 мг/куб. м. Концентрация пепла на пути следования рейса KLM 897, по оценкам экспертов, составляла 2000 мг/куб. м.
Испытания на всасывание пепла двигателем не сводились к его простому забрасыванию в силовую установку. Нужно было тщательно выбрать, какой именно использовать материал. С помощью специалистов Геологической службы США для этих целей был отобран пепел с вулкана Мазама (шт. Орегон) — отчасти из-за того, что его можно найти в естественном виде на месте высохшего озера в Эдвардсе, где и проводились испытания. «Большая часть пепла попала в газогенератор, но некоторая часть прошла через вентилятор и была выброшена сзади, что облегчает его возвращение в окружающую среду «, — говорит Краса.
Для распределения вулканического пепла компания General Electric разработала специальную установку. «Мы много работали со средствами CFD (вычислительной гидродинамики), с помощью которых смогли спрогнозировать, что 90% пепла должно попасть в газогенератор. На деле туда ушло около 99% — настолько плотно подавался пепел, — говорит Краса. — Мы ни разу не увидели, как пепел попадает внутрь, но зато мы разглядели следы эрозии на вентиляторе — отполированные участки лопаток в районе первых двух дюймов».
GE пришлось изменить конструкцию установки. «Они взяли за основу стандартный процесс всасывания песка, который используется во время сертификации двигателей, и повысили значимость некоторых факторов, поскольку пепел — более эрозийный и коррозионный материал. Они думали, что выбрали консервативный подход, но стенд для распределения пепла, по сути, самоуничтожился, — рассказывает Краса. — Очень скоро пепел начал проедать фитинги. Поэтому нам пришлось переосмыслить свойства вулканического пепла. Он оказался намного более неприятным, чем мы думали. На ощупь пепел похож на тальк, но если посмотреть на него под микроскопом, видно, что его частицы имеют угловатую структуру, поэтому он обладает более высокими абразивными свойствами».
В рамках испытаний VIPR 3 в течение нескольких дней двигатель в общей сложности нарабатывал по 14 ч в сутки при низкой концентрации пепла и два дня — при высокой. Во время каждого теста двигатель работал при постоянной номинальной степени повышения давления; пепел направлялся в газогенератор только при расчетной мощности силовой установки. 
Предварительные данные удивили команду. «Мы прогнозировали, что при концентрации пепла в 1 мг/куб. м характеристики немного ухудшатся уже через 1 ч, а при концентрации в 10 мг/куб. м через 3 ч будет достигнута красная черта, после которой двигатель потеряет летную годность, — говорит представитель NASA. — При малых концентрациях пепла мы гоняли двигатель целую неделю. Еще два дня мы комбинировали низкую и высокую концентрацию пепла. Красной черты мы так и не достигли».
Снижение характеристик все же произошло, но по прошествии более длительного времени, чем ожидалось. «Мы зафиксировали изменение характеристик в работе двигателя через 10 ч. Когда мы перешли от низкой к высокой концентрации, кривая мощности пошла вниз. Но когда по прошествии 14 ч мы остановили испытания, двигатель по-прежнему работал и продолжал выдавать мощность», — говорит Краса.
Изучив двигатель бороскопом после первого дня испытаний при высокой концентрации пепла, ученые подумали, что на этом испытания закончатся: в секции высокого давления турбины пепел расплавился и превратился в стекловидную массу, облепившую роторы и статоры. «Пытаясь понять, сможем ли мы безопасно завести двигатель, мы изучили результаты бороскопического обследования вместе с представителями GE, Pratt & Whitney и Rolls-Royce, — говорит Краса. — В Rolls-Royce работает один из лучших экспертов в этом направлении, Рори Кларксон, и он сказал, что можно не беспокоиться».
Облепленный остекленевшим пеплом двигатель снова запустили, и испытания продолжались до 10-часовой отметки. «Первые 10 мин двигатель «стрелял» и «кашлял», после чего выпустил из сопла большое коричневое облако. Стекловидная масса очень хрупкая. Она нарастала до тех пор, пока просто не отвалилась», — пояснил Краза.
«Мы рассчитывали, что первый день испытаний при высокой концентрации пепла завершится через 1,5–3 ч. К концу дня, когда в двигателе образовался слой остекленевшего пепла, мы зафиксировали падение его характеристик. На второй день мы решили, что сможем безопасно запустить двигатель, но что до конца дня он не протянет. Мы прогнозировали отказ через 3 ч, но он продолжал работать и по прошествии 14 ч, — сказал он. — Могли ли мы продолжать? Мы остановили испытания главным образом потому, что достигли зачетного показателя».
Закончив тесты, ученые начали ломать голову. «Поначалу, при низких концентрациях пепла, мы зафиксировали улучшение характеристик двигателя, что, на наш взгляд, можно объяснить очищающим эффектом. Раньше для очистки двигателей обычно использовали скорлупу грецкого ореха. Мы полагаем, что на первом этапе мы стали свидетелями того, как пепел слегка очистил компрессор. По мере продвижения испытаний мы зафиксировали ухудшение характеристик и эрозию в компрессоре», — сказал Краса.
В турбине высокого давления инженеры увидели последствия стеклования пепла, что внешне напоминало ледяную корку, «которая образуется при попадании капель переохлажденной воды на переднюю кромку аэродинамической поверхности», пояснил Краса. «То же самое происходит с пеплом. Когда он попадает в горячую секцию двигателя, то превращается в очень маленькие капли вулканического стекла, которые ведут себя схожим с переохлажденной водой образом. Ученые смотрят на результаты бороскопического обследования, видят знакомые, похожие на ледяные формы и задумываются, есть ли между этими явлениями связь. Можем ли мы применить свои знания о ледяных формах к вулканическому пеплу?» — задается вопросом Краса.

Источник: www.ato.ru