Танталовы муки: приблизит ли новый китайский сплав эру гиперзвуковой пассажирской авиации?

Фото: ChatGPT

Добраться из Москвы до Владивостока за полтора часа, а от Лондона до Сиднея — за три? Звучит как фантастика, но для летательных аппаратов, которые движутся с гиперзвуковой скоростью, — от 5 Махов или 5500 км/ч —  это вполне реальные цифры. Пока такого показателя удалось достичь лишь межконтинентальным ракетам и космическим аппаратам в момент разгона и выхода из атмосферы. Но заветная мечта авиаторов — однажды поставить гиперзвук на службу гражданской авиации.

В мире уже существуют проекты гиперзвуковых пассажирских самолётов, однако их реализация упирается в ряд технических ограничений. Одно из них — отсутствие подходящих материалов, способных выдерживать длительное пребывание в гиперзвуке, при котором окружающий воздух сжимается так сильно, что превращается в ионизированный газ — плазму. Её температура достигает 2000–3000 °C, а верхний слой контактирующих с ней деталей летательного аппарата начинает буквально испаряться.

Летом 2026 года китайские учёные заявили, что нашли решение этой проблемы: они создали сплав на основе тантала, усиленный наночастицами оксида гафния и атомами бора и способный выдерживать механические нагрузки при температуре до 2400 градусов Цельсия. О том, станет ли это открытие прорывом в области гиперзвука и какие российские разработки в области жаропрочных и жаростойких материалов способны конкурировать с находкой китайских учёных, поговорили с доцентом кафедры 903 «Перспективные материалы и технологии аэрокосмического назначения»  Московского авиационного института Алексеем Астаповым.

Взгляд на перспективу

Некоторые элементы конструкций планеров гиперзвуковых летательных аппаратов и их двигательных установок — носовые обтекатели, передние кромки крыльев и килей, камеры сгорания, воздухозаборники, сопла и сопловые насадки — испытывают колоссальные тепловые и механические нагрузки: это одновременный нагрев до 2300-2500 градусов, воздействие скоростных потоков (динамическое давление, акустические нагрузки, вибрации) и химически агрессивных сред (воздушной плазмы и продуктов сгорания топлива).

Как отмечает Алексей Астапов, очень небольшое число жаропрочных материалов способно работать в таких жёстких условиях. В основном это сплавы на основе тугоплавких металлов (ниобия, молибдена, тантала, вольфрама), а также материалы неметаллической природы: углерод-керамические композиционные материалы и ультравысокотемпературные керамики.

Каждый из этих материалов по-своему уникален, имеет свои преимущества и недостатки. У тугоплавких сплавов высокая жаропрочность и жёсткость, но при этом они очень тяжёлые и совершенно неустойчивы к высокотемпературному окислению. У углерод-керамических композитов, напротив, низкая плотность, высокая жаро- и трещиностойкость, но их производство обходится дорого и занимает много времени. К тому же, эти материалы чувствительны даже к небольшим отклонениям в процессе производства, который необходимо строго контролировать. 

Ультравысокотемпературные керамики имеют низкие показатели трещиностойкости и, как и тугоплавкие сплавы, обладают высокой плотностью. Другой минус: из них невозможно изготовить детали сложной геометрии и крупногабаритные конструкции. Однако они прочные, жёсткие и устойчивы к окислению. 

Таким образом, универсального материала для  создания гиперзвуковой техники пока не существует. Не является им и созданный китайскими учёными жаропрочный сплав.

— Безусловно, данный материал весьма перспективен. Главными его преимуществами являются возможность изготавливать при комнатных и относительно невысоких температурах изделия сложной геометрии, используя традиционные способы обработки металлов, а также его жаропрочность — то есть способность не деформироваться при ультравысоких температурах. Однако, он легко поддаётся окислению и газовой коррозии, поэтому его нельзя применять без специальных жаростойких защитных покрытий. Также его внедрение в массовое производство ограничено из-за высокой стоимости тантала, который является редким металлом и сложен в добыче и переработке, — говорит эксперт.

Что в России

В нашей стране также ведутся исследования в области создания материалов, способных выдерживать температуры, сопоставимые с температурой поверхности красных карликов, — самых распространённых типов звёзд в нашей галактике. Это всё те же сплавы на основе тугоплавких металлов, углерод-керамические композиты и ультравысокотемпературные керамики.

Как отмечает эксперт МАИ, наиболее эффективно в скоростных плазменных потоках показывают себя углерод-керамические композиты с матрицами на основе ультравысокотемпературных керамик. Созданием таких композитов активно занимаются в Московском авиационном институте при поддержке Российского научного фонда. Их главными преимуществами являются низкая плотность, что позволяет создавать относительно лёгкие конструкции в сравнении с изделиями, выполненными из тугоплавких сплавов, и высокая стойкость к окислению. К тому же, в отличие от танталовых сплавов, эти материалы обладают более высокой устойчивостью к трещинам при температурах эксплуатации. Уже сейчас они используются в АО «Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения» (Хотьково) в опытном производстве деталей для двигательных установок перспективных скоростных летательных аппаратов. 

По словам Алексея Астапова, разработки в области жаропрочных материалов находят применение как в ракетной технике, так и в других сферах: например, в атомной промышленности, для создания ядерных реакторов нового поколения, и для изучения различных физических процессов на экспериментальных установках.

На пороге пассажирского гиперзвука?

Несмотря на то, что учёные во всём мире значительно продвинулись в сфере материалов, способных выдерживать ультравысокие температурные воздействия, для внедрения их в конструкции планеров гиперзвуковых пассажирских самолётов специалистам придётся решить ещё ряд насущных проблем.

— Даже если создать жаропрочный и одновременно жаростойкий материал, нужно найти способ избавиться от огромного количества тепла, которое в него попадает. Тепло от трения проникает внутрь крыла и фюзеляжа. Если его не отводить, выходит из строя внутренняя проводка, топливо закипает, а корпус летательного аппарата деформируется, — отмечает Алексей Астапов.

Самые распространённые гиперзвуковые спускаемые аппараты — такие, как капсулы космонавтов — делают из материалов, которые обгорают и испаряются, унося с собой тепло. Это так называемая аблирующая защита. Но это одноразовое решение: для управляемого самолёта, который должен летать часами, нужно, чтобы материал держал тепло, а не сгорал, или чтобы существовали сверхэффективные системы охлаждения.

Другая ключевая задача связана уже не с материалами, а с передачей радиосигналов, которые обеспечивают связь, навигацию и управление летательных средств. На гиперзвуковой скорости облако плазмы, которое образуется вокруг аппаратов, глушит связь. Космические корабли при входе в атмосферу теряют сигнал на несколько минут. Для гражданских гиперзвуковых самолётов необходимо разработать систему, которая позволит получать телеметрию, радиокоманды и сигналы спутниковой навигации даже в условиях, когда радиоволны не проходят.

— Несмотря на прорывные исследования в области жаропрочных материалов, наступление эры гиперзвуковой гражданской авиации — пока ещё вопрос десятилетий. Что касается композитов, необходимо работать над повышением их механических свойств, наращивать их рабочую температуру. Это позволит увеличить ресурс изделий или повысить их тактико-технические характеристики — например, манёвренность и скорость полёта,  — заключает эксперт.