С расчетом на «умные» материалы

Многолетняя отечественная и зарубежная практика показывает, что более 80% инновационных, прорывных разработок в ведущих отраслях промышленности и других секторах экономики базируется на внедрении новых материалов и технологий. Судя по всему, эта взаимозависимость сохранится и на перспективу.

Мир начал борьбу за освоение технологий для вывода на орбиту или в атмосферу гиперзвуковых объектов, что требует проведения фундаментальных исследований сверхзвукового сгорания, физики пограничного слоя, нестабильных потоков, взаимодействия материалов и среды. Без этих знаний мы не сможем разрабатывать и изготавливать конкурентоспособную технику, которая должна летать на скоростях в 6 - 15 раз больше скорости звука (при М=6–15).

Знание о состоянии пограничного слоя в полете является определяющим для дозвуковой и сверхзвуковой авиации. Главной проблемой, которую должны решить ученые, является переход с ламинарного течения пограничного слоя в турбулентный. Все хорошо знают, что при таком переходе резко повышается температура, меняется сопротивление и, соответственно, меняются условия полета. Для решения этой задачи, необходимо наряду с созданием принципиально новых материалов, разработать конструкции, способные изменять в процессе полета геометрию поверхности летательного аппарата.

Новые возможности для конструкторов при проектировании авиационной техники будущего открывают нанотехнологии и информкомпозиты. Они обеспечат создание специальных датчиков, фиксирующих информацию в процессе полета, в том числе – об обтекающем воздушном потоке, что позволит значительно улучшить аэродинамику, повысить надежность.

В соответствии с решениями Президента России и правительства, на основе накопленного опыта и научно-технического задела отечественных разработчиков, а также анализа мировых тенденций ФГУП «ВИАМ» определены «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года». Созданный документ включает 18 стратегических направлений и 71 комплексную проблему, которые направлены на реализацию 10 инновационных концептов.

Вошедшие в число стратегических, направления были отобраны не только на основе опыта ФГУП «ВИАМ» – они вобрали в себя положительные результаты работы Академии наук, государственных научных центров, ведущих отраслевых институтов и вузов. Всего в разработке документа приняли участие более ста экспертов из 80 организаций, которые досконально изучили его и дали соответствующее экспертное заключение.

«Стратегические направления» являются важнейшей основой для развития различных отраслей промышленности, создания образцов вооружения, военной и специальной техники нового поколения на базе отечественных разработок и научно-технического задела. Они сочетают в себе комплексный подход к развитию материалов от фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований непосредственно к промышленному освоению и испытаниям в реальных конструкциях. Особое внимание уделяется экологичности и безопасности производства, а также повышению энергоэффективности процесса.

Наряду с обеспечением новыми материалами авиационно-космической отрасли, разработанные «Стратегические направления» предполагают на этой основе широкую интеграцию в народное хозяйство, капитальное строительство, развитие транспорта. При этом основной целью является выход на мировой уровень разработок в области перспективных материалов и технологий, а также развитие «зеленых» технологий и сбережение материальных и энергетических ресурсов.

Так, в стратегии развития РЖД ставится задача обеспечить скорость движения составов до 350 км в час. Для этого потребуется создание новых вагонов с широким применением полимерных композиционных материалов, бейнитных сталей для рельсов, новых модулей для основных силовых установок. Все это опять же требует создания новых материалов, в том числе – легких алюминиевых и композиционных материалов, металлокомпозиционных матриц для обеспечения высокой эффективности отвода тепла от силовых модулей.

Европейские поставщики предлагают нам свои материаловедческие решения. Но необходимо развивать и обогащать отечественный производственный потенциал. Мы можем и способны создать совместные производства, но они должны быть полностью локализованы в России. И полностью нацелены на то, чтобы перерабатывать наши материалы для различных отраслей промышленности.

Россия – огромное государство, в котором необходимо развивать энергетическую инфраструктуру всех регионов. С учетом достижений науки и техники встает вопрос о повышении объемов потребления энергоресурсов. Развитие и создание конструкционных и функциональных материалов с принципиально улучшенным комплексом свойств, энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий их переработки являются также ключевым направлением для технологического прорыва в электроэнергетике.

Одними из самых перспективных считаются полимерные композиционные материалы (ПКМ) – они сочетают в себе высокие удельные свойства за счет низкой плотности, что позволяет рассматривать их в качестве замены металлических материалов в некоторых элементах конструкций авиационного и гражданского назначения.

ПКМ должны занять определяющую роль и в строительстве. Если посмотреть на мировые рынки, то объем применения полимерных композиционных материалов в авиакосмической отрасли составляет 5%, а на строительство приходится – 30% от общего объема применения ПКМ.

Конечно, для строительства полимерные композиционные материалы могут быть не такими прочными и высокомодульными, как для авиации. Но они должны обладать способностью выдерживать основные нагрузки. Скажем, самая высокая гостиница в Дубае полностью стоит на фундаменте, который изготовлен из бетона с соответствующей сеткой из углепластика. Все высокие этажи также усилены тканями из углепластика.

Президент России В.В.Путин уделяет работам в области новых материалов особое внимание. По его инициативе в конце октября с. г. состоялось заседание Совета при президенте по модернизации экономики и инновационному развитию, на котором президент поднял вопрос о развитии индустрии композитных материалов и их широком использовании. «Основная наша стратегия – формирование массовой индустрии композиционных материалов для повышения конкурентоспособности гражданских секторов: строительство, транспорт, энергетика, машиностроение, ЖКХ, нефте- и газодобыча, цветная металлургия, химия и нефтехимия», – подчеркнул он.

Отдельную нишу занимают так называемые интеллектуальные ПКМ, которые позволяют проводить диагностику напряженно-деформированного состояния конструкций в режиме реального времени. За рубежом подобные материалы успешно применяются в ответственных элементах, позволяя в условиях эксплуатации предотвращать критические деформации материала и сохранять работоспособность конструкции. Более того, авиационными властями США принято решение, что после 2017 года в стране не будет эксплуатироваться ни один самолет, который не будет иметь в конструкции крыла оптоволоконные датчики с брэгговскими решетками. Дальнейшее развитие данного направления обеспечит возможность получения «умных» конструкций, с возможностью изменять поверхность в процессе полета и адаптироваться к условиям внешних нагрузок.

Особое внимание в рамках «Стратегических направлений» уделено вопросам коррозионного поражения и защиты от него. В Российской Федерации – семь представительных зон с различным климатом. И мы не знаем, как ведет себя материал в каждой из них.

Между тем острота этой проблемы очевидна. Расчеты показывают, если мы не будем заниматься ею, то, например, нефть и газ просто перестанут доходить до потребителя по причине разрушения сложных технических систем. Статистика показывает, что за 6 лет эксплуатации происходит 3 аварии, за 15 лет – 95 аварий, а за 25 лет – 696 аварий.

Для обеспечения работоспособности изделий в условиях различного климата, в том числе – морского, необходимо развивать сеть климатических площадок для проведения натурных испытаний. ФГУП «ВИАМ» обладает двумя центрами по проведению натурных испытаний: МЦКИ, расположенный в г. Москве в условиях промышленной городской атмосферы и ГЦКИ им. Акимова, расположенный в г. Геленджик в условиях теплой приморской атмосферы. Помимо ФГУП «ВИАМ» аналогичные площадки имеются на базе ИФХЭ РАН.

Для получения наиболее достоверных сведений необходимо строить аналогичные площадки в различных климатических зонах. При поддержке Российской академии наук ВИАМ вышел на соответствующие инстанции с инициативой восстановить национальную сеть климатических центров испытаний. Аналогичные проекты имеются в США и Европе.

Следует подчеркнуть: вышеуказанные «Стратегические направления» могут быть реализованы только в тесной кооперации с академией наук, исследовательскими институтами и вузами при участии ведущих ученых и конструкторов в различных областях знаний.

Российская академия наук имеет необходимый потенциал и кадры, инфраструктуру для того, чтобы выполнять научно-технологический прогноз, на основании которого государство может строить стратегии развития экономики, науки и техники. Без научно-технологического прогноза трудно осуществлять стратегическое планирование, необходимое для развития государства.