Самолёт начинает разрушаться задолго до первой трещины? Уникальная технология найдёт причину

Фото: Пресс-служба МАИ / Архив

Современная авиация давно научилась создавать материалы, которые ещё несколько десятилетий назад казались невозможными. Композитные конструкции легче металла, выдерживают колоссальные нагрузки и экстремальные температуры, позволяют делать самолёты экономичнее, а космическую технику — надёжнее. Но вместе с появлением новых материалов возникла и новая инженерная проблема: обнаружить скрытый дефект внутри композита оказалось не менее сложной задачей, чем разработать сам материал. 

О том, почему современные композитные материалы невозможно создавать без принципиально новых методов контроля качества и как цифровые технологии меняют диагностику авиационных конструкций, в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, рассказал ведущий инженер лаборатории «Прочность» Центра композиционных конструкций Московского авиационного института Константин Шрамко.

Когда трещину можно было услышать

История поиска скрытых дефектов началась задолго до появления самолётов и даже промышленной авиации. На протяжении многих веков мастера проверяли качество металлических изделий буквально на слух. Опытный кузнец мог определить внутренние пустоты или неоднородность металла по тому, как звенела заготовка после удара молотком. Такой способ, конечно, не позволял увидеть внутреннюю структуру материала, но для своего времени считался весьма эффективным.

По мере развития промышленности инженеры искали всё более точные способы заглянуть внутрь изделия, не разрушая его. В XX веке появились рентгенография, ультразвуковой контроль, магнитопорошковый и вихретоковый методы диагностики. Они позволили обнаруживать внутренние трещины, поры и другие дефекты ещё до того, как те становились причиной аварий.

Долгое время этих технологий было достаточно. Основным конструкционным материалом авиации оставались различные металлические сплавы, поведение которых хорошо изучили за десятилетия эксплуатации. Инженеры понимали, где обычно возникают наиболее опасные повреждения, как они развиваются и какими средствами их можно обнаружить.

Настоящий вызов возник тогда, когда в авиационную и ракетно-космическую технику начали массово внедрять композиционные материалы.

Они оказались значительно легче металла, позволили уменьшить массу конструкций, повысить их прочность и устойчивость к высоким температурам. Именно благодаря композитам появились современные пассажирские самолёты с большим содержанием полимерных материалов, перспективные летательные аппараты и многие элементы космической техники. Но вместе с преимуществами появилась и новая инженерная проблема.

Если развитие повреждений в металлических конструкциях обычно легче отслеживать существующими методами контроля, то композиты ведут себя совершенно иначе. Внутри материала могут образовываться микроскопические пустоты, расслоения, нарушения сцепления между армирующими волокнами и связующим, локальные разрушения структуры. На первых этапах они практически никак не проявляют себя внешне, однако именно из таких, почти незаметных изменений со временем формируются серьёзные повреждения.

По словам Константина Шрамко, развитие композиционных материалов фактически заставило инженеров заново переосмыслить всю систему контроля качества.

— Каждое новое поколение материалов требует нового поколения методов диагностики. Чем сложнее становится внутренняя структура композита, тем более совершенными должны быть технологии, позволяющие её исследовать. Сегодня задача состоит уже не просто в том, чтобы обнаружить дефект, а в том, чтобы понять его природу и оценить, как он будет развиваться в процессе эксплуатации, — отмечает специалист.

Почему технология появилась только сейчас

На первый взгляд может показаться, что идея поручить поиск дефектов компьютеру лежала на поверхности. Если современные алгоритмы умеют распознавать лица, автомобили или медицинские снимки, почему они не могли раньше анализировать структуру композитных материалов?

На самом деле ещё десять–пятнадцать лет назад реализовать подобную технологию было практически невозможно. Причина заключалась не в отсутствии идей, а в том, что сразу несколько технологий должны были «созреть» одновременно.

Во-первых, значительно выросли возможности рентгеновской компьютерной томографии. Современные установки позволяют получать трёхмерные изображения внутренней структуры материала с разрешением, которое ещё недавно считалось недостижимым. Один образец композита превращается в огромный массив цифровых данных, который может содержать от нескольких тысяч до десятков тысяч отдельных изображений. Во-вторых, серьёзный шаг вперёд сделала электронная микроскопия. Если томография позволяет увидеть внутреннее строение материала целиком, то электронный микроскоп способен рассмотреть отдельные участки с увеличением в тысячи раз и показать детали, которые невозможно различить другими методами. Но возникла новая проблема.

Количество информации стало настолько большим, что человек физически перестал успевать её анализировать. Изучение результатов исследования одного образца могло занимать от нескольких дней до нескольких недель — в зависимости от сложности материала и объёма полученных данных. При этом инженеру необходимо было не просто найти подозрительный участок, но и сопоставить результаты разных исследований, понять природу дефекта и оценить, насколько он может повлиять на прочность будущей конструкции.

Как отмечает Константин Шрамко, именно резкое увеличение объёма данных стало одной из главных причин появления новых цифровых методов контроля.

— Сегодня сложность заключается уже не в том, чтобы получить изображение материала. Современное оборудование прекрасно справляется с этой задачей. Намного труднее быстро и объективно обработать огромный объём информации, который появляется после исследования. Именно поэтому цифровые технологии становятся естественным продолжением современных методов диагностики, — поясняет эксперт.

Как компьютер учится понимать материал

Разработка специалистов МАИ строится не на одном, а сразу на нескольких методах исследования. Сначала образец проходит рентгеновское трёхмерное сканирование. Полученная цифровая модель позволяет увидеть внутреннюю структуру материала целиком и автоматически выделить участки, где могут находиться пустоты, расслоения или другие нарушения. После этого система переходит ко второму этапу. Потенциально опасные зоны дополнительно исследуются с помощью электронного микроскопа. Здесь алгоритм уже работает с совершенно другим уровнем детализации, уточняя размеры дефекта, его форму, расположение и особенности окружающей структуры материала. На завершающем этапе результаты обоих исследований объединяются в единую цифровую модель. Именно это отличает новую технологию от большинства традиционных методов контроля.

Инженер получает не набор разрозненных изображений, а целостную картину внутреннего строения материала. Система показывает не только место расположения дефекта, но и помогает инженеру оценить его характер, потенциальную опасность и определить, требуется ли дополнительное исследование. 

— Мы стремились создать инструмент, который позволит специалисту видеть материал комплексно. Когда результаты разных методов исследования объединяются в единую модель, инженер получает гораздо больше информации для принятия решения, чем при анализе отдельных снимков, — добавляет Константин Шрамко.

Почему компьютер не заменит инженера

После появления систем компьютерного зрения всё чаще звучит вопрос: смогут ли подобные алгоритмы полностью заменить специалистов по контролю качества? В авиационной промышленности ответ на него однозначный — нет. Дело в том, что поиск дефекта и принятие инженерного решения — совершенно разные задачи.

Алгоритм способен за считаные минуты проанализировать огромный массив изображений, выделить участки, требующие внимания, сопоставить результаты различных методов исследования и исключить влияние человеческой усталости при рутинной работе. Однако окончательный вывод о состоянии материала по-прежнему делает инженер.

Именно специалист оценивает, насколько обнаруженное изменение структуры действительно опасно, как оно может повлиять на ресурс конструкции и соответствует ли изделие требованиям авиационных стандартов. По словам Константина Шрамко, современные цифровые технологии создаются не для того, чтобы заменить человека, а чтобы сделать его работу более эффективной.

— Инженер должен заниматься анализом сложных случаев и принятием решений, а не тратить дни на просмотр тысяч практически одинаковых изображений. Если рутинную часть работы берёт на себя алгоритм, специалист получает возможность сосредоточиться на действительно важных инженерных задачах, — рассказывает он.

Именно поэтому во всём мире всё чаще используют понятие «цифровой помощник инженера». Такие системы не принимают решения самостоятельно, а помогают быстрее найти потенциально опасные участки, систематизировать результаты исследований и сократить время между изготовлением детали и её проверкой.

Что изменится на авиационном производстве

Новая технология важна не только тем, что позволяет быстрее обнаруживать дефекты. Гораздо существеннее её влияние на весь жизненный цикл создания авиационной техники. 

Любой новый материал, прежде чем попасть в конструкцию самолёта или космического аппарата, проходит длительный путь. Его свойства многократно проверяют в лабораториях, испытывают при различных нагрузках, анализируют поведение после воздействия высоких температур, вибрации и других факторов. Каждый этап сопровождается большим объёмом исследований.

Если обработка результатов занимает недели, замедляется вся разработка нового изделия. Когда же инженер получает готовую цифровую модель материала практически сразу после проведения исследований, значительно ускоряется весь процесс — от лабораторных испытаний до подготовки конструкции к сертификации.

Кроме того, цифровая обработка данных делает исследования более воспроизводимыми. Если раньше многое зависело от опыта конкретного специалиста, то теперь алгоритм анализирует изображения по единым критериям. Это особенно важно для авиационной промышленности, где любые методы контроля должны давать стабильный результат независимо от того, кто проводит исследование.

Одним из перспективных направлений развития подобных технологий специалисты называют создание полностью цифровой истории материала. Каждое исследование, проведённое на разных стадиях изготовления детали, будет сохраняться в единой системе. Это позволит проследить, как изменялась структура композита, какие особенности были обнаружены ещё на этапе производства и как они могут повлиять на дальнейшую эксплуатацию изделия.

— Мы постепенно переходим от поиска отдельных дефектов к цифровому сопровождению материала на всём протяжении его жизненного цикла. Это открывает совершенно новые возможности как для разработки композитов, так и для повышения надёжности авиационной техники, — заключает Константин Шрамко.

Когда одной инженерной специальности уже недостаточно

Ещё сравнительно недавно разработка новой технологии контроля качества могла выполняться специалистами одного профиля. Материаловед изучал свойства материала, инженер по неразрушающему контролю проводил диагностику, программисты создавали программное обеспечение для обработки результатов. Сегодня такой подход уже не работает.

Современные композиционные материалы становятся всё сложнее. Вместе с ними усложняются методы исследования, растёт объём данных, появляются новые способы визуализации внутренней структуры. Чтобы превратить эту информацию в инженерное решение, необходимы знания сразу из нескольких областей.

Так, специалист по компьютерному зрению должен понимать, как формируются дефекты внутри композита, иначе алгоритм будет искать лишь геометрические особенности изображения, не отличая действительно опасные повреждения от технологических особенностей материала. Материаловед, в свою очередь, уже не может работать только с физическими образцами. Ему необходимо понимать принципы цифровой обработки изображений, чтобы корректно интерпретировать результаты исследования и оценивать работу алгоритмов.

Не менее важную роль играют специалисты по рентгеновской компьютерной томографии и электронной микроскопии. Именно они получают первичные данные, на которых затем строится вся цифровая модель материала. От качества этих исследований напрямую зависит точность последующего анализа.

Кроме того, в подобных проектах участвуют инженеры по неразрушающему контролю, специалисты по обработке изображений, разработчики программного обеспечения, математики, занимающиеся созданием алгоритмов компьютерного зрения, а также испытатели, которые проверяют, насколько результаты цифрового анализа соответствуют реальным характеристикам материала.

Константин Шрамко отмечает, что именно взаимодействие специалистов разных направлений сегодня становится главным условием появления новых технологий.

— Современные инженерные проекты невозможно разделить на отдельные дисциплины. Когда мы создаём подобную систему, каждый участник команды видит материал по-своему. Именно объединение этих знаний позволяет получить результат, который невозможно было бы достичь в рамках одной специальности, — поясняет он.

Где появляются инженеры нового поколения?

Изменение технологий постепенно меняет и саму систему инженерного образования. Если раньше будущий специалист осваивал одну узкую область знаний, то сегодня предприятия всё чаще заинтересованы в инженерах, которые способны работать на стыке нескольких направлений.

Разработка интеллектуальных систем контроля качества требует глубоких знаний в области материаловедения, механики разрушения, методов неразрушающего контроля, цифровой обработки изображений, программирования и анализа данных. Поэтому подготовка таких специалистов всё чаще строится вокруг реальных инженерных проектов, где теория сразу проверяется практикой.

Именно по такому принципу организована работа в лаборатории «Прочность» Центра композиционных конструкций МАИ. Здесь студенты, аспиранты и молодые инженеры получают возможность работать с современными средствами рентгеновской томографии, электронной микроскопии, цифрового моделирования и анализа структуры композиционных материалов, участвуя в исследованиях, результаты которых могут найти применение на авиационных предприятиях.

— Сегодня инженер должен не просто владеть современными инструментами, а понимать, почему они работают именно так. Технологии будут меняться ещё много раз, а фундаментальные знания позволят осваивать каждое новое поколение инженерных решений», — добавляет маёвец.

Увидеть проблему раньше, чем она появится

За последние десятилетия авиационная промышленность научилась создавать материалы, которые ещё совсем недавно казались фантастикой. Современные композиты выдерживают огромные нагрузки, экстремальные температуры и позволяют делать летательные аппараты легче, прочнее и эффективнее. Но вместе с развитием материалов меняются и требования к технологиям контроля качества.

Сегодня уже недостаточно обнаружить дефект после того, как он появился. Гораздо важнее понять, на каком этапе производства он возник, как будет развиваться при эксплуатации и способен ли в будущем повлиять на надёжность конструкции. Именно поэтому цифровые методы анализа постепенно становятся не вспомогательным инструментом, а одним из ключевых элементов современного авиастроения.

Константин Шрамко считает, что развитие подобных технологий только начинается.

— Мы движемся к тому, что цифровой анализ станет неотъемлемой частью жизненного цикла любого композиционного материала. Чем больше информации инженер получает о внутренней структуре изделия ещё на этапе производства, тем точнее он сможет прогнозировать его поведение в эксплуатации. Именно в этом направлении сегодня развивается мировая инженерная практика, — говорит он.

В ближайшие годы технологии компьютерного зрения будут совершенствоваться вместе с самими композиционными материалами. Алгоритмы научатся работать с ещё более сложными структурами, точнее определять характер повреждений, быстрее обрабатывать результаты исследований и помогать инженерам принимать решения на основе огромных массивов данных.

Однако главный вывод заключается в другом. Как бы далеко ни продвинулись цифровые технологии, ответственность за безопасность самолёта, ракеты или космического аппарата по-прежнему остаётся за человеком. Именно инженер определяет, какие особенности структуры действительно критичны, какие изменения допустимы, а какие требуют доработки конструкции. Алгоритм становится его помощником, но не заменой.

— История авиации часто рассказывается через новые двигатели, рекордные скорости или необычные материалы. Между тем существует ещё одна технологическая гонка, о которой говорят значительно реже. Это развитие методов, позволяющих заглянуть внутрь материала и понять, как он поведёт себя спустя годы эксплуатации. Возможно, именно такие технологии — незаметные для пассажиров, но принципиально важные для инженеров — станут одним из главных факторов, определяющих безопасность и надёжность авиации нового поколения, — заключает эксперт.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России.