Стеклопластик широко применяют в авиации и других отраслях: он легче металла, не ржавеет и стоит недорого. Однако при ударах камней, града или птиц на материале появляются повреждения — царапины и вмятины. Из‑за того, что существующие методы контроля лишь фиксируют дефекты, но не позволяют предсказать срок службы поврежденной детали, конструкторы закладывают завышенные запасы прочности. Это делает самолеты тяжелее, увеличивает расход топлива и выбросы CO2, а также повышает стоимость перелетов.
Как рассказала порталу Наука Mail пресс-служба Минобрнауки РФ, ученые Пермского Политеха впервые комплексно изучили, как царапины и вмятины влияют на прочность и долговечность стеклопластика — раньше исследования касались только какого‑то одного типа повреждений либо разделяли испытания на прочность и на долговечность. Специалисты провели полный цикл испытаний на реальных авиационных нагрузках: воспроизвели два самых частых повреждения. Царапины (с усилием 1 кН, что соответствует гире весом 100 кг) имитировали контакт с инструментом при обслуживании, а вмятины (с усилием от 10 до 15 кН — как при ударе средних и крупных птиц) — удары извне.
Образцы трех типов (целые, с царапиной и с вмятинами разной силы) проверили в двух режимах: сначала медленно нагружали до разрушения, чтобы оценить снижение предельной прочности, затем многократно нагружали и разгружали — имитируя взлеты и посадки — для расчета числа выдерживаемых циклов. Эксперименты провели на уникальной установке ПНИПУ, не имеющей аналогов в России. Полученные данные помогут точнее определять, когда деталь нужно менять, а когда ее можно безопасно эксплуатировать дальше, — это позволит экономить ресурсы без ущерба для безопасности.
Исследование опубликовано в журнале «Fracture and Structural Integrity» (2026).
Когда образцы тянули до разрушения, царапина почти не повлияла на прочность: образец с царапиной порвался при той же нагрузке, что и целый. Вмятины оказались опаснее: слабая снизила прочность на 17%, средняя — на 25%, сильная — на 30%. Это значит, что если целая деталь была рассчитана на нагрузку 100 кг, то с сильной вмятиной она выдержит только 70 кг. При этом царапины и вмятины не снизили жесткость материала: поврежденный образец сопротивлялся изгибу так же, как целый. Это важный и тревожный вывод: если проверять деталь на упругость (например, пытаясь согнуть), нельзя заметить, что она повреждена. Деталь может казаться исправной, но на самом деле ее ресурс уже снижен.
При циклических испытаниях, имитирующих взлеты и посадки, ученые выявили ключевые различия в ресурсе стеклопластиковых образцов. Целый образец выдержал более 5 000 циклов. Царапина сократила этот показатель почти наполовину — до 2 800 циклов, что все еще позволяет детали долго служить. Однако сильная вмятина резко снизила ресурс: такой образец выдержал лишь 368 циклов — на 93% меньше, чем целый. Иными словами, если целая деталь прослужит 14 лет, поврежденная сильной вмятиной выйдет из строя уже через год.
Кроме того, исследователи выяснили, что опасность вмятин зависит от режима эксплуатации. Слабая вмятина особенно вредна при длительной спокойной работе с небольшими нагрузками — например, в пассажирских самолетах. В таких условиях деталь со слабой вмятиной выдерживает в 4 раза меньше циклов, чем целая. Сильная вмятина, напротив, наиболее опасна при резких перегрузках с редкими, но мощными воздействиями — как у военных истребителей. В этом случае ресурс детали с сильной вмятиной оказывается в 50 раз меньше, чем у образца со слабой вмятиной.
Почему так происходит? С помощью высокоточных камер мы зафиксировали, что при слабой вмятине страдает смола, скрепляющая волокна. Она не ломается сразу, но постепенно разрушается от долгой работы. При сильной вмятине рвутся сами волокна — деталь не выдерживает даже нескольких сильных нагрузок.
Результаты исследования дают инженерам инструмент для точной оценки допустимых пределов повреждений. Теперь вместо избыточных допусков «на всякий случай» специалисты могут использовать количественные данные: они четко понимают, сколько циклов выдержит деталь с определенным дефектом в заданных условиях эксплуатации. Это позволяет снижать вес самолетов — а вместе с ним и расход топлива с выбросами CO2, — продлевать реальный срок службы компонентов (избегая преждевременной замены) и перераспределять ресурсы: вместо трат на излишнюю перестраховку направлять средства на меры, действительно повышающие безопасность полетов.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в России придумали, как сделать прочнее полимеры для авиации.
