МАИ получил гранты Президентской программы исследовательских проектов
Гранты Российского научного фонда по направлению «Проведение инициативных исследований молодыми учёными» получили доцент кафедры 903 «Материаловедение» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) Алексей Астапов и доцент кафедры 603 «Прочность авиационных и ракетно-космических конструкций» МАИ, сотрудник НИО-9 Юрий Соляев.
Оба проекта посвящены исследованиям в области разработки композиционных материалов с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств и направлены на расширение возможностей их использования в авиационной и ракетно-космической технике. Юрий Соляев разрабатывает новые методы проектирования элементов из гибридных композиционных материалов для летательных аппаратов. Его коллега Алексей Астапов работает над созданием перспективного поколения высокотемпературных покрытий и способов их формирования для защиты жаропрочных углерод-керамических композиционных материалов от окисления.
Композит новой формации
— В проекте рассматриваются перспективные композиционные материалы и конструкции, которые только находятся в разработке, — рассказывает о своём проекте в беседе с mai.ru Юрий Соляев. — За рубежом стадия готовности таких технологий гораздо выше и некоторые реализованы в массовом производстве. Мы надеемся, что наши результаты будут способствовать эффективным разработкам в этой области в России.
Вестись работа будет с гибридными композитами. Эти материалы содержат в себе нескольких типов армирующих компонентов: армирующие волокна, или дисперсные наполнители, волокна с вискеризацией, или с покрытиями, металлополимерные и полиматричные композиты и другие компоненты. По словам разработчика, по сравнению с обычными волокнистыми композитами, гибридные композиты включают в себя больше параметров, с которыми можно эффективно работать.
— Параметры гибридных композиционных материалов в классическом методе проектирования не учитываются. И это не позволяет полностью использовать потенциал материала в конструкциях, — отмечает Юрий Соляев.
Результаты расчётов показали, что оптимальный выбор схемы армирования гибридных композитов позволяет получить даже синергетические эффекты. По словам Юрия Соляева, при них свойства композита даже превосходят свойства каждого из компонентов в своём составе.
— Помимо более сложных схем армирования, учитываются также сложные варианты нагружения конструкций. Например, удар, высокоинтенсивный нагрев и так далее, — приводит примеры учёный. — Поэтому рассматриваемые нами задачи оптимального проектирования содержат больше возможных параметров и ограничений по сравнению с классическими схемами.
Главная цель этого маёвского проекта — создать новые композитные трёхслойные конструкции. Так называемые, сендвич-панели. По словам Юрия Соляева, они обладают высокими характеристиками массовой эффективности, ударопрочности, вибродемпфирования и теплозащиты.
— Разрабатываемые в проекте методики проектирования и новые конструктивные решения позволят эффективно использовать преимущества современных композиционных материалов и методов их производства при создании новых высокоскоростных пилотируемых и беспилотных авиационных систем, спускаемых и многоразовых космических аппаратов, конструкций специального назначения, спасательных транспортных средств, — отмечает Юрий Соляев.
Задачи, поставленные в проекте, призваны открыть новый тип конструкций и материалов. Основные трудности на пути учёных из МАИ — корректный выбор схематизации рассматриваемых конструкций и расчётных моделей.
— По возможности необходимо использовать простые модели, но при этом учесть все существенные особенности нагружения и работы конструкций, — признаётся разработчик. — По возможности, мы стараемся применять аналитические методы расчётов. Они позволяют получать быстрые прогнозы и в простых случаях — даже решения в замкнутой форме. Там, где это невозможно сделать даже приближённо, проводятся численные расчёты. Конечно, элементные расчёты проводятся и для подтверждения эффективности полученных результатов проектирования, как поверочные расчёты для выбранных оптимальных вариантов конструкций.
Испытание огнём
Ещё один маёвский проект, который получит поддержку в рамках Президентской программы исследовательских проектов, — разработка нового перспективного жаростойкого покрытия для защиты жаропрочных углерод-керамических композиционных материалов от окисления. Такое покрытие способно эффективно работать в условиях взаимодействия со сверх- и гиперзвуковыми высокоэнтальпийными потоками кислородсодержащих газов.
По словам разработчика — Алексея Астапова — покрытие наносится на поверхность несущих материалов тонким слоем (порядка 50 — 150 мкм) и предназначено для защиты их от непосредственного контакта с кислородом окружающей среды.
— По сути, обеспечивается капсулирование конструкционных материалов, — отмечает Алексей Астапов. — При высоких температурах они не улетучиваются и не окисляются насквозь, а, значит, сохраняются их механические свойства, обеспечивающие работоспособность конструкций в суровых условиях эксплуатации.
Особо ценно, что покрытия, разрабатываемые в МАИ, направлены на применение в ракетно-космической технике. Ведь именно здесь проблема обеспечения жаростойкости материалов стоит особенно остро.
— Повышение эксплуатационных характеристик отечественных жаростойких покрытий — задача сверх актуальная, — поясняет Алексей Астапов. — Особо остро это ощущается в условиях активизации научных исследований в области высокотемпературного материаловедения применительно к созданию гиперзвуковых аппаратов различного назначения в таких странах, как США, Франция, Германия, Индия, Австралия, Бразилии и так далее.
По словам учёного, в МАИ разработан целый ряд жаростойких покрытий системы Si-TiSi2-MoSi2 — легирующие элементы (B, Y, Al, Cr, Zr, Hf, V и пр.). Основное преимущество ноу-хау — микрокомпозиционная структура. Она обеспечивает высокую стойкость к термоударам и эрозионному уносу в потоках. Кроме того, такое покрытие способно защитить острые кромки изделий от кратковременных «забросов» температур на их поверхности вплоть до 2 100 — 2 150 градусов по Цельсию. Разработанные в МАИ покрытия могут «залечить» технологические и эксплуатационные дефекты.
— Эффект самозалечивания заключается в быстром заполнении дефектов вязкопластичной эвтектикой и ускоренным формированием газоплотной оксидной плёнки, — отмечает Алексей Астапов.
Защитные покрытия, созданные в МАИ, помимо ракетно-космической техники, также могут применяться в ядерной технике — в элементах конструкций термоядерных реакторов, корпусах радиационных источников тока, а также в машиностроении и металлургии.
— Тем не менее, нас, как разработчиков, прежде всего, интересует использование покрытий в ракетно-космической отрасли, — подчеркивает Алексей Астапов.
Основное внимание в грантовом проекте Президента направлено на обеспечение работоспособности углерод-углеродных и углерод-керамических композиционных материалов. По словам Алексея Астапова, они обладают уникальным комплексом свойств. Например, наивысшей из известных материалов удельной прочностью и жёсткостью вплоть до 2 000-2 500 градусов по Цельсию, отсутствием ползучести, высокими характеристиками теплостойкости, ударной вязкости, коррозионной стойкости и низкими температурными коэффициентами линейного расширения.
— Приоритет использования углеродных материалов в горячих элементах конструкций изделий ракетно-космической техники объясняется снижением веса агрегатов при их применении, — отмечает Алексей Астапов. — Однако работа этих материалов в кислородсодержащих средах не возможна без защиты от окисления. Использование наших покрытий позволяет существенно расширить температурно-временные интервалы применения углеродных материалов. Это в свою очередь открывает возможность дальнейшего увеличения рабочих температур ответственных теплонапряженных деталей и узлов, а, следовательно, повышения тактико-технических характеристик и эффективности стратегических изделий ракетно-космической техники.
Отметим, что разработка жаростойких покрытий в МАИ началась ещё в советское время, в 1974 году и стремительно продолжается и поныне. «Пробу пера» маёвское изобретение прошло в составе тепловой защиты беспилотного орбитального ракетоплана «Бор-4», экспериментального аппарата для отработки материалов и технологий по проекту советского возвращаемого космического летательного аппарата «Буран». После сворачивания перспективной советской программы, разработки МАИ были переориентированы для защиты от окисления неохлаждаемых камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей. За разработку опытного образца такой камеры, защищённой маёвским покрытием, учёным МАИ в 1989 году была присуждена премия Совета Министров СССР.
После распада СССР МАИ сотрудничало с французскими компаниями SEP и SNECMA в том числе по вопросам обеспечения работоспособности отдельных теплонагруженных узлов и агрегатов ракет-носителей семейства «Ариан» Европейского космического агентства.
— Особое внимание уделялось разработке универсальных жаростойких покрытий и технологий их нанесения на перспективные для применения жаропрочные материалы различных классов — ниобиевые и молибденовые сплавы, углерод-углеродные и углерод-керамические композиты, технический графит, — говорит Алексей Астапов.
В настоящее время учёные МАИ продолжают совершенствовать свои разработки с целью увеличения рабочих температур и времени, в течение которого покрытия будут сохранять своё защитное действие.
— Предполагается, что разработанное в рамках проекта покрытие сможет обеспечить работоспособность C-SiC композита в гиперзвуковых потоках кислородсодержащих газов не менее 200 сек при температурах на поверхности покрытия 1900 градусов по Цельсию. То есть на 50 градусов выше, чем ныне достигнутый нами результат, — подчеркивает Алексей Астапов.
По его словам, в ближайшей перспективе разработки обретут своего заказчика и вместе с ним отправятся в долгожданный полёт.
— Задачи определены, остаётся только работать, — резюмирует Алексей Астапов. — Всё человечество развивается по пути совершенствования своих же разработок. В ракетно-космической отрасли это, прежде всего, проявляется в стремлении увеличить скорость полёта и маневренность летательных аппаратов. Разработка и внедрение материалов и технологий нового поколения является, на мой взгляд, главным фактором, необходимым для достижения указанных целей.
