На ощупь к самолёту будущего: почему композиты требуют нового инженерного мышления

Фото: Shutterstock

У инженера не всегда есть право заменить один материал другим, даже если новый вариант легче, прочнее и кажется очевидным шагом вперёд. Деталь работает не сама по себе: она нагревается и охлаждается вместе с соседними элементами, воспринимает нагрузки, соединяется с другими материалами и должна сохранять заданную форму на протяжении всего срока службы. Изменение одного звена способно повлиять на поведение целой конструкции.

Особенно хорошо это видно при работе с полимерными композиционными материалами. Их свойства зависят не только от состава, но и от направления волокон, схемы армирования, выбранной технологии изготовления и качества соединения отдельных деталей. Инженер фактически не просто подбирает готовый материал, а во многом проектирует его одновременно с будущей конструкцией.

Для российской авиационной промышленности эта задача имеет уже не теоретическое значение. В феврале 2026 года Объединённая авиастроительная корпорация сообщила о завершении комплекса работ по внедрению отечественных композиционных материалов в конструкцию самолёта МС-21. Композиты становятся частью серийного производства, а значит, отрасли нужны специалисты, которые способны не только рассчитать конструкцию, но и превратить расчёт в устойчивый технологический процесс.

Научить такому мышлению исключительно по учебникам невозможно. Кандидат технических наук, ведущий технолог в области композиционных материалов ОКБ Сухого Фёдор Насонов приносит на занятия реальные образцы, предлагает студентам сравнивать металл, гибридные материалы и композиты и считает, что практика должна занимать не менее половины учебного времени.

О том, почему материал будущего необходимо буквально почувствовать руками, как неучтённая разница свойств способна изменить положение элементов самолёта и какие специалисты будут создавать новые авиационные конструкции, Фёдор Насонов рассказал в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий.

Материал, который нельзя понять по фотографии

В Московском авиационном институте Фёдор Насонов преподаёт старшекурсникам специалитета и СпецВО — магистратуры — дисциплины, связанные с современными методами соединения деталей и агрегатов из полимерных композиционных материалов, а также с проектированием и технологией изготовления композитных конструкций самолёта. Студенты приходят на занятия с базовой инженерной подготовкой, поэтому главная задача преподавателя — показать им, как общие знания работают при решении настоящих производственных задач.

Сам Фёдор Насонов работает ведущим технологом в отделе полимерных композиционных материалов Научно-исследовательского отделения материалов и технологий ОКБ Сухого. Он занимается проектированием технологических процессов, внедрением перспективных материалов в конструкцию самолётов и поиском решений, которые позволяют улучшить характеристики техники по сравнению с предыдущими поколениями.

Такой опыт меняет и подход к преподаванию. Инженер, ежедневно работающий с реальными конструкциями, видит, в какой момент формально правильное решение перестаёт быть применимым на производстве. Он знает, что между расчётом и готовой деталью находятся оснастка, подготовка материала, выкладка слоёв, формование, температурный режим, контроль качества, сборка и множество операций, каждая из которых способна повлиять на результат.

Поэтому на занятиях появляются не только формулы и изображения на экране, но и реальные образцы. За годы работы преподаватель собрал коллекцию композитов, гибридных материалов, элементов со встроенными сенсорами и других технологических решений.

— Когда студент видит материал, трогает его, понимает структуру — это даёт гораздо больше, чем любое описание. Часто я привожу сравнение образцов из металла, из гибридных материалов и из композитов. Сравнивая их тактильно, студент буквально на уровне подсознания начинает ощущать свойства и преимущества каждого из них, — рассказывает Фёдор Насонов.

Разумеется, прикосновение не заменяет лабораторных испытаний и инженерных расчётов. Однако оно помогает сформировать первоначальную профессиональную интуицию. Студент начинает замечать разницу в массе, жёсткости, поверхности и строении образцов, а за сухими характеристиками видит настоящий материал, который однажды придётся обрабатывать, соединять и встраивать в конструкцию.

Такое знакомство особенно важно именно для композитов. Металлическая деталь обычно изготавливается из материала с уже заданными характеристиками. В случае композита свойства будущего изделия во многом формируются во время проектирования и производства: инженер выбирает направление армирования, последовательность слоёв и технологический режим. Ошибка может возникнуть не только в чертеже, но и в самом способе получения детали.

Как рули высоты отклонились на стоянке

Одно из главных заблуждений при внедрении нового материала заключается в том, что им можно просто заменить прежний элемент, оставив всю конструкцию без изменений. Композитная деталь может иметь подходящую прочность и меньшую массу, но вести себя иначе при нагреве, охлаждении, вибрации или соединении с металлом.

Фёдор Насонов приводит студентам случай, который ему рассказал один из руководителей серийного предприятия. Во время модернизации самолёта длинные металлические тяги механизации хвостового оперения заменили композиционными, тогда как значительная часть конструкции осталась металлической.

В жаркий день находившийся на стоянке самолёт нагрелся. Металлический фюзеляж немного изменил свои размеры, а углепластиковые тяги сохранили прежнюю длину. Разница термоупругих свойств привела к неожиданному результату: рули высоты заметно отклонились без команды управления.

Этот пример не означает, что один материал лучше другого. Проблема возникла из-за их совместной работы, которую необходимо было учитывать при проектировании. Композиты обладают направленными свойствами: их поведение зависит от расположения армирующих волокон, поэтому инженер может создавать материал под определённую нагрузку, но обязан одновременно просчитывать его взаимодействие с остальной конструкцией.

История с тягами помогает студентам увидеть в формуле физическое последствие. Коэффициент теплового расширения перестаёт быть строкой в таблице и становится причиной вполне заметного движения крупного элемента самолёта.

«Мелочей в авиации не бывает», — такой вывод, по словам Фёдора Насонова, следует из этого случая. Нельзя отдельно проверить прочность новой детали и считать задачу решённой. Необходимо оценить температурные деформации, характер соединения с металлом, производственные отклонения, условия стоянки и полёта, а также влияние изменения одного элемента на работу всей системы.

Именно поэтому инженерное образование должно учить не запоминанию готовых решений, а поиску скрытых связей. Хороший специалист задаёт вопросы не только о том, выдержит ли деталь расчётную нагрузку, но и о том, что произойдёт с ней после нагрева, ремонта, нескольких лет эксплуатации или замены соседнего элемента.

Сначала поиск, затем решение

Работу над технической задачей студенты Фёдора Насонова начинают не с первого пришедшего в голову варианта. Преподаватель предлагает изучить, как похожая проблема решалась другими инженерами в России и за рубежом, найти научные публикации и провести патентный поиск.

Такой этап защищает молодого специалиста сразу от двух ошибок. Первая — потратить время на повторение уже известного решения. Вторая — слишком быстро поверить в оригинальность собственной идеи и не заметить накопленный отраслью опыт.

Если задача связана с выбором перспективного материала, студентам предлагают посетить профильную выставку или научно-практическую конференцию. Там можно увидеть новые образцы, поговорить с разработчиками, сравнить технологии и установить первые профессиональные контакты. Подобная работа постепенно выводит учебный проект за пределы аудитории.

Студент начинает понимать, что разработка материала или конструкции существует в профессиональной среде, где взаимодействуют исследовательские институты, конструкторские бюро, производители сырья, испытательные центры и серийные предприятия. Техническое решение приходится не только придумать, но и доказать, изготовить, проверить и подготовить к внедрению.

По мнению Фёдора Насонова, именно поэтому практика в его области должна занимать не менее половины учебного времени.

— Теоретическую часть надо знать, но не менее важно прочувствовать логику получения новых технических решений, сформировать первичные навыки проектно-исследовательской работы. Спроектировать деталь или узел, придумать рациональное построение технологического процесса, провести выбор материала и схем армирования композита, спланировать проведение исследований и испытаний, опытное изготовление. Всё это — практическое применение осваиваемых и полученных комплексных знаний, — отмечает он.

Практика здесь не сводится к повторению заранее известной лабораторной работы по инструкции. Студенту необходимо пройти хотя бы часть настоящего инженерного цикла: увидеть проблему, изучить предыдущий опыт, предложить решение, выбрать материал, продумать производство и определить, какими испытаниями можно подтвердить результат.

Неудачный образец при таком подходе тоже становится частью обучения. Он показывает, где расчёт разошёлся с технологией, как небольшое нарушение режима повлияло на структуру и почему производственный процесс необходимо проектировать не менее внимательно, чем саму деталь.

Один композит — множество инженерных задач

За готовой композитной конструкцией скрывается гораздо больше работы, чем может показаться по лёгкой и внешне цельной детали. Сначала необходимо определить, какие нагрузки она будет воспринимать и какие свойства требуются в каждом направлении. Затем — выбрать армирующий материал, связующее, схему укладки и способ соединения с соседними элементами. После этого решение ещё предстоит адаптировать к реальному производству.

На этой стадии особенно востребованы материаловеды. Они исследуют структуру и свойства композитов, изучают новые связующие, волокна и способы модификации материала. Однако их работа приобретает практический смысл только в связке с инженерами-конструкторами, которые понимают, где именно и в каких условиях будет работать будущая деталь.

Когда форма и нагрузки определены, задача переходит к технологам. Им необходимо разработать последовательность операций, выбрать оснастку и режим формования, предусмотреть соединение деталей и добиться повторяемости результата. Изделие должно получаться с требуемыми характеристиками не один раз в лаборатории, а стабильно — в условиях настоящего производства.

Даже после этого конструкция ещё не готова к эксплуатации. Специалисты по прочности моделируют её поведение при разных нагрузках, инженеры-испытатели проверяют расчёты на образцах и элементах конструкции, а эксперты по неразрушающему контролю ищут внутренние дефекты, которые невозможно заметить при внешнем осмотре.

По мере усложнения технологий всё больше задач появляется у разработчиков цифровых моделей и специалистов по автоматизации производства. Им предстоит прогнозировать поведение материала, управлять технологическим оборудованием, обрабатывать результаты контроля и связывать данные отдельных операций в единый цифровой маршрут изделия.

Есть в этой области и работа для специалистов, которые способны видеть производство целиком. Руководителю проекта необходимо согласовать действия конструкторов, технологов, испытателей и производственных подразделений, оценить риски и принять решение, когда новое техническое решение готово выйти за пределы эксперимента.

Сфера композиционных материалов при этом не ограничивается авиацией. Полученные знания применяются в ракетно-космической технике, энергетике, транспортном машиностроении и других отраслях, где важны снижение массы, управление свойствами конструкции и устойчивость к сложным нагрузкам. Сам Фёдор Насонов отмечает, что выпускники материаловедческих направлений могут работать в проектных организациях, научных институтах, конструкторских бюро и на крупных производственных предприятиях.

Где учатся проектировать материал и конструкцию одновременно

Путь в профессию может начинаться с материаловедения или авиастроения. Первый маршрут подходит тем, кого интересуют структура вещества, получение новых материалов, технологии их переработки и контроль свойств. Второй ближе будущим конструкторам и технологам авиационной техники, которым необходимо понимать самолёт как единую систему.

В МАИ действует программа «Технологии полимерных композиционных материалов и конструкций». Студенты осваивают проектирование и моделирование композитных конструкций, изучают способы создания и модификации полимерных материалов, а также работают с оборудованием для испытаний и диагностики.

Другая образовательная траектория — «Комплексное проектирование и сертификация композитных конструкций нового поколения» — объединяет расчёты прочности и долговечности, технологии производства и оценку поведения конструкций в разных условиях эксплуатации. Для тех, кого интересуют свойства авиационных материалов и цифровизация производства, существует программа «Наукоёмкие технологии авиационных материалов».

Однако название программы — лишь начало. По-настоящему войти в профессию помогают лабораторные исследования, участие в студенческих проектах, работа с реальными образцами и раннее знакомство с предприятиями. В МАИ действует опытная лаборатория технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов, где исследуют композиты, отрабатывают изготовление образцов и проверяют заложенные конструктивные и технологические параметры.

Фёдор Насонов сам начал работать в ОКБ Сухого ещё во время учёбы. Теперь среди его студентов есть целевики предприятия и молодые специалисты, которые рассматривают возможность продолжить там профессиональный путь. Отбор, по словам технолога, остаётся серьёзным: работа с передовыми образцами авиационной техники требует сильной базовой подготовки и готовности отвечать за принятые решения.

При этом одних хороших оценок недостаточно. Молодому инженеру необходимо уметь работать самостоятельно и в команде, вести несколько задач, принимать технические и организационные решения. Не менее важна способность отстаивать новый подход — не из упрямства, а с помощью расчётов, экспериментов и убедительной доказательной базы.

Именно здесь преподаватель возвращается к девизу из романа Вениамина Каверина «Два капитана»: «Бороться и искать, найти и не сдаваться!». Для инженера эта фраза означает постоянный поиск более совершенного решения и готовность проверить его состоятельность.

Композиты уже меняют российское авиастроение, но их внедрение не заканчивается созданием одного материала или одной детали. Впереди остаются задачи по новым связующим, автоматизации производства, диагностике скрытых повреждений, ремонту и совместной работе композитов с металлами. Каждая из них требует специалистов, которые умеют переходить от структуры вещества к поведению целого самолёта.

Самолёт будущего начинается не с красивого изображения новой машины. Иногда он начинается с небольшого образца, который студент берёт в руки и впервые замечает: два внешне похожих материала ощущаются совершенно по-разному. Именно из этого наблюдения постепенно вырастает инженерное понимание — сначала на уровне подсознания, а затем в расчётах, испытаниях и настоящих авиационных конструкциях.