Гонка за сотню градусов. Почему новые материалы стали главным «оружием» авиации и космонавтики

Фото: Shutterstock

Ещё недавно казалось, что будущее авиации определяют двигатели. Сделай их мощнее — и самолёт полетит быстрее, выше и дальше, ракета сможет вывести на орбиту более тяжёлый груз, а космический аппарат — отправиться к новым рубежам. Но всё чаще инженеры упираются в другое ограничение — материал, из которого построена сама машина.

При полёте современных и перспективных сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов, работе авиационных двигателей нового поколения или возвращении космических кораблей в атмосферу конструкция испытывает экстремальные температурные нагрузки. Иногда даже несколько дополнительных десятков градусов рабочей температуры позволяют реализовать инженерные решения, которые ещё недавно казались невозможными. Именно поэтому во всём мире идёт настоящая гонка за теплостойкими полимерными композиционными материалами. Их разрабатывают ведущие авиационные и космические компании, университеты и исследовательские центры. На кону не просто новый материал, а возможность создавать более быстрые, эффективные и надёжные летательные аппараты.

Если всего несколько десятилетий назад главным достоинством композитов считалось снижение массы конструкции, то теперь этого уже недостаточно. Новый материал должен одновременно оставаться лёгким, выдерживать длительный нагрев, сохранять прочность под нагрузкой и позволять создавать изделия всё более сложной формы.

О том, почему борьба за новые материалы стала одним из ключевых направлений развития мировой инженерии и что могут предложить российские учёные, в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, рассказал директор и главный конструктор АО «Центр перспективных разработок», старший научный сотрудник АО «Центральный Научно-исследовательский институт специального машиностроения» Андрей Склезнёв.

От древнего кирпича до космического аппарата

Хотя композиционные материалы часто называют технологией будущего, эта идея появилась задолго до самой авиации.

Одним из первых композитов считается саман — строительный материал, в котором глина армировалась соломой. Позже по такому же принципу создавались составные луки, где древесина усиливалась рогом и сухожилиями животных. Даже железобетон представляет собой композиционный материал: бетон воспринимает нагрузку на сжатие, а металлическая арматура — на растяжение. Объединение нескольких компонентов позволяло получить свойства, которыми каждый из них по отдельности не обладал.

Настоящий рывок произошёл во второй половине XX века. Авиационная промышленность искала способ уменьшить массу самолётов без потери прочности, и полимерные композиционные материалы оказались одним из самых удачных решений. Они постепенно начали вытеснять металл в тех узлах, где особенно важно было снизить вес конструкции.

Однако довольно быстро выяснилось, что лёгкость — далеко не единственное требование. Первые поколения полимерных композитов уверенно работали при температурах около 120–150 °C, и для большинства конструкций этого было достаточно. Но с появлением новых авиационных двигателей, перспективных сверхзвуковых самолётов и современной ракетно-космической техники требования к материалам существенно изменились. Инженерам понадобились композиты, способные сохранять свои свойства при значительно более высоких температурах.

Главная сложность заключалась в самом устройстве материала. Полимерный композит состоит из двух основных компонентов: армирующего наполнителя, который обеспечивает прочность конструкции, и полимерного связующего, объединяющего волокна в единое целое. Именно связующее долгое время оставалось самым уязвимым элементом: при сильном нагреве оно начинало терять свои свойства раньше, чем армирующие волокна. Поэтому создание новых полимерных систем, устойчивых к высоким температурам, стало одной из ключевых задач современного материаловедения.

Как отмечает Андрей Склезнёв, именно этот запрос фактически определил новое направление развития отрасли.

— Сегодня создание теплостойких полимерных композиционных материалов стало одной из важнейших задач авиационной и космической промышленности. Повышение допустимой температуры эксплуатации материала позволяет реализовывать инженерные решения, которые ещё недавно считались недостижимыми, — объясняет эксперт. 

По его словам, говорить о совершенствовании прежних материалов уже недостаточно. Речь идёт о появлении нового поколения композитов, которые открывают конструкторам значительно большую свободу при проектировании авиационной и космической техники.

Почему вчерашние композиты перестали устраивать инженеров?

На первый взгляд может показаться, что если композиционные материалы уже успешно работают в авиации и космонавтике, то остаётся лишь постепенно совершенствовать существующие технологии. На практике всё значительно сложнее.

За последние годы изменились сами требования к технике. Конструкторы проектируют более экономичные двигатели, работают над возвращением сверхзвуковой гражданской авиации, создают новые ракеты-носители и многоразовые космические системы. Каждое такое решение сопровождается ростом тепловых нагрузок. Материалы, которые ещё вчера считались передовыми, начинают работать на пределе своих возможностей.

По словам Андрея Склезнёва, именно это стало главным стимулом для появления нового поколения теплостойких полимерных композитов.

— Сегодня вопрос уже не в том, чтобы сделать конструкцию легче. Нам необходимо сохранить её работоспособность при значительно более высоких температурах. Без решения этой задачи дальнейшее развитие многих авиационных и космических проектов становится невозможным, — поясняет профессор.

Долгое время главным ограничением оставалось полимерное связующее — компонент, который объединяет армирующие волокна в единую конструкцию. Именно оно первым начинало терять свои свойства при нагреве. Поэтому одна из главных задач материаловедов заключалась не только в создании новых армирующих наполнителей, но и в разработке принципиально новых связующих, способных работать в гораздо более жёстких условиях.

Как отмечает Андрей Склезнёв, за последние годы в этой области произошёл серьёзный технологический рывок. Новые полимерные системы позволили заметно повысить допустимую температуру эксплуатации композиционных материалов, сохранив их сравнительно небольшую массу и высокую прочность. 

Изменились и сами технологии производства. Если раньше многие процессы выполнялись практически вручную, то сегодня разработка нового изделия начинается задолго до изготовления первого образца.

Так, компьютерное моделирование позволяет просчитать поведение конструкции ещё на этапе проектирования, подобрать оптимальную архитектуру материала, оценить распределение напряжений и заранее увидеть слабые места будущего изделия. После этого инженеры переходят к изготовлению опытных образцов и серии испытаний, которые должны подтвердить расчёты.

— Цифровые технологии значительно ускорили разработку новых материалов. Но никакое моделирование не отменяет эксперимента. Любой новый материал должен подтвердить свои характеристики в ходе испытаний. Только после этого он может стать частью реальной конструкции, — подчёркивает Андрей Склезнёв.

Такой подход позволил существенно сократить путь от научной идеи до готового изделия. При этом требования к качеству стали только жёстче. Для авиационной и ракетно-космической техники недостаточно получить материал с хорошими характеристиками в лаборатории. Он должен одинаково работать после длительного хранения, выдерживать вибрации при запуске, перепады температур, воздействие внешней среды и сохранять свои свойства на протяжении всего срока эксплуатации.

Именно поэтому создание теплостойких композитов требует совместной работы специалистов самых разных направлений. Здесь недостаточно быть только химиком, только технологом или только конструктором. Новый материал появляется на стыке фундаментальной науки, цифрового моделирования, конструкторской мысли и производственных технологий.

От научной идеи до ракеты

Итак, мы уже разобрались, что создание нового материала начинается вовсе не с выбора химического состава и даже не с лабораторных экспериментов. Сначала инженеры определяют, каким должно быть будущее изделие. Какие нагрузки оно будет испытывать? До какой температуры нагреваться? Как долго должно прослужить? Какой запас прочности необходим? Только ответив на эти вопросы, инженеры начинают искать материал, который сможет выполнить поставленную задачу. Андрей Склезнёв подчёркивает, что именно в этом заключается принципиальное отличие современного материаловедения.

— Нельзя сначала придумать материал, а потом искать, где его использовать. Сегодня всё происходит наоборот. Сначала появляется инженерная задача, а уже под неё разрабатываются состав материала, технология изготовления и конструкция изделия, — добавляет он.

Такой подход давно стал основой работы АО «Центр перспективных разработок». Предприятие занимается не выпуском отдельных материалов, а созданием законченных инженерных решений для авиационной и ракетно-космической техники.

За годы работы специалисты центра разработали десятки изделий из композиционных материалов, которые уже применяются в отечественной космической отрасли. Среди них — композитные адаптеры полезной нагрузки, баллоны высокого давления, крупногабаритные силовые конструкции, элементы перспективных ракет-носителей «Ангара» и «Союз-5», а также изделия для модернизации семейства «Протон».

За каждым таким изделием стоят годы исследований, расчётов и испытаний. Иногда изменение рецептуры всего одного компонента требует заново подтвердить десятки характеристик материала и готового изделия. По словам Андрея Склезнёва, современные композиционные материалы уже невозможно рассматривать отдельно от технологии их изготовления.

— Можно создать материал с выдающимися характеристиками. Но если невозможно изготовить из него изделие стабильного качества, промышленной ценности такая разработка иметь не будет, — подчёркивает специалист.

Одновременно инженеры совершенствуют технологии формования, автоматизированной выкладки, термообработки и контроля качества. Сочетание новых материалов и новых производственных процессов позволяет получать конструкции, которые ещё несколько лет назад считались невозможными.

Почему 3D-печать не отменяет композиты?

Появление аддитивных технологий породило мнение, что в будущем детали для самолётов и космических аппаратов можно будет просто «напечатать». На практике всё значительно сложнее.

Аддитивное производство действительно открыло новые возможности при изготовлении сложных металлических деталей. Однако оно не заменяет композиционные материалы, поскольку решает совершенно другие инженерные задачи. Как отмечает Андрей Склезнёв, конкуренции между этими технологиями нет.

— Аддитивные технологии и композиционные материалы не исключают друг друга. Напротив, во многих проектах они используются совместно. Каждый материал эффективен в своей области применения, — добавляет он.

Композиты по-прежнему остаются лучшим решением там, где необходимо одновременно обеспечить минимальную массу конструкции, высокую прочность, жёсткость и теплостойкость. Именно поэтому интерес к ним не снижается, а наоборот, продолжает расти.

Во многих современных авиационных и космических проектах конструкторы всё чаще используют гибридный подход, объединяя преимущества металлических деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий, и высокотемпературных композиционных конструкций. Такой подход позволяет добиться характеристик, которые невозможно получить при использовании только одной технологии.

Материаловеду уже недостаточно знать только химию?

Если ещё несколько десятилетий назад материаловедение воспринималось как узкая научная область, то сегодня оно оказалось в центре развития сразу нескольких отраслей — авиации, космонавтики, энергетики, судостроения и машиностроения. Новые материалы всё чаще определяют возможности техники ещё до того, как конструкторы приступают к её проектированию.

Современный инженер-материаловед уже не занимается только разработкой нового состава. Он должен понимать, каким будет будущее изделие, как организовать его производство, каким испытаниям оно предстоит пройти и как конструкция поведёт себя спустя годы эксплуатации. Поэтому создание новых композитов требует совместной работы специалистов самых разных направлений — химиков, физиков, механиков, технологов, конструкторов и специалистов по цифровому моделированию.

Меняется и подготовка будущих инженеров. Уже во время обучения многие студенты включаются в реальные проекты вместе с промышленными предприятиями, получая возможность пройти весь путь разработки — от постановки инженерной задачи до появления готового изделия.

— Инженерное образование должно быть тесно связано с реальным производством. Только участвуя в практических разработках, молодой специалист начинает понимать, какие задачи предстоит решать промышленности через пять, десять или двадцать лет, — уверен Андрей Склезнёв.

Именно такой подход позволяет создавать технологии, которые ещё недавно казались невозможными. Теплостойкие композиционные материалы уже перестали быть исключительно предметом фундаментальных исследований: сегодня они становятся частью реальных авиационных и космических проектов, а в ближайшие годы их значение будет только возрастать.

Разработка перспективных двигателей, сверхзвуковых самолётов, возвращаемых космических аппаратов и других высокотехнологичных систем напрямую зависит от того, насколько далеко инженерам удастся продвинуться в материаловедении.

— Когда очередной самолёт поднимется выше, полетит быстрее или сможет работать там, где ещё вчера это казалось невозможным, в первую очередь будут говорить о новой технике, двигателях или конструкторских решениях. Но специалисты знают: любое большое инженерное достижение начинается значительно раньше — в тот момент, когда появляется материал, позволяющий превратить расчёты в реальную машину, — говорит Андрей Склезнёв. 

И вполне возможно, следующий большой технологический прорыв начнётся не с нового двигателя или необычной конструкции, а с материала, который сможет выдержать ещё несколько десятков дополнительных градусов. Иногда именно этот запас открывает инженерам возможность сделать следующий шаг вперёд.