Как проверяют безопасность самолетов: уникальная технология сможет выявлять дефекты в авиационных композитах

История поиска скрытых дефектов началась задолго до появления самолетов 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 все 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 еще 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.

Они оказались значительно легче металла, позволили уменьшить массу конструкций, повысить их прочность и устойчивость к высоким температурам. Именно благодаря композитам появились современные пассажирские самолеты 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 серьезные повреждения.

«Каждое новое поколение материалов требует нового поколения методов диагностики. Чем сложнее становится внутренняя структура композита, тем более совершенными должны быть технологии, позволяющие ее 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.

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, еще 10-15 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.

Количество информации стало настолько большим, что человек физически перестал успевать ее анализировать. Изучение результатов исследования одного образца могло занимать от нескольких дней до нескольких недель — в зависимости от сложности материала и объема 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. Именно резкое увеличение объема 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 объем информации, который появляется после исследования. Именно поэтому цифровые технологии становятся естественным продолжением современных методов диагностики», — говорит эксперт.

Разработка специалистов МАИ строится не на одном, а сразу на нескольких методах исследования. Сначала образец проходит рентгеновское трехмерное 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 последнем этапе результаты 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 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».

После появления систем компьютерного зрения все 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. 

Именно поэтому во всем мире все 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 ее проверкой.

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

Любой новый материал, прежде чем попасть в конструкцию самолета 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 объемом 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 всем протяжении его жизненного цикла. Это открывает совершенно новые возможности как для разработки композитов, так и для повышения надежности авиационной техники», — заключает Константин Шрамко.