ПНИПУ: сильная вмятина от удара птицы сокращает ресурс авиадетали из стеклопластика в 14 раз

Стеклопластик широко используют в авиации — он лёгкий, недорогой и не ржавеет. Но удары камней, града или птиц оставляют на композите вмятины и царапины. До сих пор существующие методы контроля фиксировали дефект, но не позволяли предсказать, сколько ещё прослужит повреждённая деталь, и инженерам приходилось закладывать большие запасы прочности. Из‑за этого самолёты становятся тяжелее, расходуют больше топлива и дороже в обслуживании.

Испытания на усталость образцов с дефектом «вмятина» с использованием сервогидравлической испытательной системы. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ

Статья опубликована в журнале «Fracture and Structural Integrity», 2026. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-29-00188).

Полный цикл испытаний на реальных нагрузках

Стеклопластик — композит из стеклянных волокон и полимерной смолы — легче металла и широко применяется в самолётостроении, на транспорте и в судостроении. Но при эксплуатации материал постепенно получает повреждения: трещины, расслоения, царапины и вмятины. Внешне некоторые из них почти незаметны, а внутри уже идёт разрушение.

Учёные Пермского политеха (ПНИПУ) впервые комплексно сравнили влияние царапин и вмятин на прочность и долговечность стеклопластика. В отличие от предыдущих работ, они объединили испытания на предельную прочность и на усталость в одном цикле исследований.

Как воспроизводили повреждения

В эксперименте исследовали три типа образцов: целые, с царапиной и с вмятинами разной силы. Царапину наносили с усилием 1 кН, что соответствует гире весом 100 кг — такие царапины возникают при контактах с инструментом во время обслуживания. Вмятины имитировали ударами с усилием от 10 до 15 кН — диапазон, характерный для столкновений со средними и крупными птицами. Для сравнения: в тексте авторов указано, что птица весом 5 кг на скорости создаёт усилие более 13 тонн.

Все образцы сначала медленно нагружали до разрушения, чтобы оценить снижение предельной прочности, а затем многократно нагружали и разгружали, моделируя циклы взлётов и посадок. Эксперименты проводили на уникальной установке ПНИПУ, не имеющей ...огов в России и соответствующей ведущим мировым лабораториям.

Результаты: царапина VS вмятина

— 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: повреждённый 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 её ресурс уже снижен,

— Анастасия Лыкова, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук.

При циклических испытаниях картина оказалась драматичнее. Целый образец выдержал более 5 000 циклов. Образец с царапиной — около 2 800 циклов, то есть ресурс сократился почти наполовину. Образец с сильной вмятиной выдержал всего 368 циклов: это на 93% меньше по сравнению с целым, или в 14 раз меньше по сравнению с исходным ресурсом. Авторы приводят ...огию: если цельная деталь прослужит 14 лет, то с сильной вмятиной она выйдет из строя через год.

Учёные также сравнили поведение вмятин при разных режимах эксплуатации. Слабая вмятина сильнее вредила при длительной «спокойной» работе с множеством небольших нагрузок — как у пассажирского самолёта: в таком режиме деталь со слабой вмятиной выдерживает в 4 раза меньше циклов, чем целая. Сильная вмятина, напротив, оказывается особенно опасной при редких, но очень сильных перегрузках — как у военного истребителя: здесь деталь с сильной вмятиной выдерживает в 50 раз меньше циклов, чем ...огичная 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, — объясняет Дмитрий Лобанов, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук.

Практический эффект для авиации

По словам авторов, результаты дают инженерам количественные критерии для оценки допустимых повреждений: теперь можно точнее спрогнозировать, сколько циклов выдержит деталь с конкретным дефектом в заданном режиме эксплуатации. Это позволяет уменьшать консервативные допуски, снижать массу конструкций, расход топлива и выбросы CO₂, а также избегать преждевременных замен деталей — экономя ресурсы без ущерба безопасности.

Источник информации и фото: пресс-служба ПНИПУ

ПНИПУ: сильная вмятина от удара птицы сокращает ресурс авиадетали из стеклопластика в 14 раз • Опубликовано на FiNE NEWS

Источник