Призвав на службу возрожденный оптимизм

Генеральный директор ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, академик РАН Евгений Николаевич Каблов

Последние десятилетия – нелегкое время для отечественной промышленности. И, наверное, еще более нелегкое – для нашей науки. Не стану перечислять многочисленные проблемы, возникшие как «естественным» путем, так и появившиеся благодаря неверным, если не сказать резче, политическим и экономическим решениям. Они есть и хорошо видны. Остановлюсь только на одной, но, пожалуй, самой важной – потере научного, технического и технологического оптимизма.

Многие наши коллеги покинули науку и ушли, в лучшем случае, в бизнес. Немало специалистов отправились искать приложение своим знаниям за рубеж. Неверие в собственные силы останавливало многих, когда до победы оставался один шаг. А между тем нам известно много примеров, когда уверенность в правоте своего дела, в друзьях и коллегах позволяла в самых невероятных условиях, образно говоря, горы свернуть.

Так страна победила в Великой Отечественной войне, так было с атомным проектом в СССР, так мы вышли в космос. И сейчас, когда мир стоит на пороге перехода в новый этап развития – в шестой технологический уклад – нам не следует сдаваться. Тем более, что у нас есть багаж знаний, есть опыт создания самых совершенных образцов техники, далеко обогнавших свое, да и нынешнее время.

С этой точки зрения 15 ноября 1989 года – особая дата в освоении космоса. Именно в этот день совершил первый полет советский многоразовый космический самолет «Буран», запущенный с помощью носителя «Энергия». Главное отличие от начавших летать раньше американских «челноков» состояло в том, что полет, а самое главное – спуск и посадка корабля были осуществлены в автоматическом режиме. Это было сделано впервые в мире, и, кстати, пока еще никому не удалось такой полет повторить. Кроме того, «Буран» по многим параметрам отличался от американских кораблей многоразового использования. Прежде всего, системой теплозащиты, разработанной во Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ).

Не будет преувеличением сказать, что создание материалов для нее – наглядный пример комплексной организации современного научного исследования, разработки на его основе новой уникальной технологии и как результат – организация промышленного производства изделий и материалов с уникальными свойствами. Скажу больше: созданные в рамках этой программы материалы и прорывные технологии представляли собой первый шаг, первую попытку начать переход в новый, шестой технологический уклад.

В вышедшем в начале февраля 1976 года Постановлении ЦК КПСС и СМ СССР о разработке многоразовой авиационно-космической системы, получившей впоследствии название «Энергия–Буран», работы по созданию материалов для космического самолета были поручены ВИАМ. Это решение по сути было логичным: к тому времени подавляющее число материалов, использующихся в авиации и космонавтике, так или иначе было связано с нашим институтом. Большинство из них (не менее 95%) были разработаны специалистами ВИАМ. Еще большее количество прошли у нас различные испытания и паспортизацию.

Генеральный директор НПО «Молния» Г.Е. Лозино-Лозинский, на которого была возложена обязанность Генерального конструктора проекта, приехал тогда к нам на улицу Радио и рассказал о предстоящей работе, о трудностях, которые нас ожидали. Особый акцент он сделал на проблеме тепловой защиты многоразового космического корабля. И в весьма корректной форме подчеркнул, что традиционные, недостаточно смелые, «спокойные» решения его не устроят.

В итоге было решено оснастить поверхность «Бурана» теплозащитной «плиткой» из ультратонкого кварцевого волокна. Поскольку плитки должны были быть максимально легким (волокнам в них отводилось менее 10% объема, остальное занимали поры), сложнейшая задача состояла в том, чтобы обеспечить их достаточную механическую прочность. Для этого нужно было выполнить непростое условие: в местах соприкосновения волокон друг с другом осуществить их соединение, «склейку», чтобы они в результате образовали единый жесткий пространственный каркас.

Не менее сложной задачей стала защита плитки от насыщения ее водой. Материал плитки имеет высокую пористость и гидрофилен по своей природе, он может сорбировать до 700% (по массе) влаги. Понятно, что это приводит не только к недопустимому повышению массы и может вызвать чрезмерное утяжеление изделия, но и ухудшает все рабочие параметры плитки. При выходе изделия на орбиту вследствие интенсивного испарения влаги покрытие может просто разрушится. Для решения этой задачи были разработаны гидрофобизаторы К-21 и К-21ИТ и капиллярная установка для их нанесения на плитку.

Поскольку теплозащитный материал и алюминиевая обшивка «Бурана» имели сильно отличающиеся коэффициенты линейного расширения, крепление плитки непосредственно к обшивке привело бы к появлению в конструкции напряжений и самопроизвольному разрушению плитки. Поэтому это крепление ТЗП осуществлялось через демпфирующую подложку – фетр, для создания которого были разработаны термостойкие органические волокна типа фенилон, терлон, арамид и лола. Из этих волокон (в различных сочетаниях) специалисты нашего института создали несколько совершенно уникальных материалов.

Тепловая защита «Бурана» была изготовлена под руководством специалистов ВИАМ на Тушинском машиностроительном заводе при участии специалистов НПО «Молния» и ОНПП «Технология». По целому ряду характеристик (прочность плитки, аэродинамическое качество, степень черноты и каталитичность покрытия) она значительно превосходила американский аналог, разработанный для «шаттлов». В ходе полета «Бурана» из 37500 плиток теплозащиты лишь 6 были утеряны и около 100 повреждены при посадке. При первом же полете «шаттла», по разным источникам, было утеряно от 14 до 37 теплозащитных плиток и повреждено в 2–2,5 раза больше, чем на «Буране».

«По сочетанию массы, теплопроводности и теплопрочности внешняя многоразовая теплозащита в виде отдельных элементов – плиток – явилась уникальным решением проблемы теплозащиты орбитального корабля», – так оценили эту работу генеральный директор НПО «Энергия» Ю.П. Семенов и генеральный директор НПО «Молния» Г.Е. Лозино-Лозинский.

Особенно важным в работе над материалами по программе «Энергия–Буран» представляется то, что исследования и разработки проводились в широкой и хорошо отлаженной кооперации со многими ведущими научными институтами и промышленными предприятиями страны. Среди них – НПО «Молния», ЦАГИ, ЛИИ, ЦИАМ, Ступинский металлургический комбинат, Курчатовский институт, Институт электросварки им. Патона, ряд институтов Белоруссии и Армении и многие другие предприятия и организации.

В процессе проектирования и изготовления теплозащитных элементов для «Бурана» была осуществлена уникальная технология производства огромного числа различных по форме деталей без чертежей, на основе компьютерных моделей и программ. Для своего времени это было абсолютно уникальным решением. Да и сейчас не многие предприятия сумели освоить эти технологии – технологии XXI века.

Опыт создания и освоения подобных материалов показал, что большие затраты и усилия на этом пути окупаются с лихвой благодаря тем результатам, которые дает их применение. Причем, не только в аэрокосмической сфере.

Все свойства нового материала, получившего обозначение ТЗМК, – высокие рабочая температура, прочность, пористость, низкие коэффициенты теплопроводности, теплоемкости, температурного линейного расширения, химическая инертность и др. – сделали возможным его применение в других отраслях промышленности.

Так, созданный ТЗМК является прекрасным теплоизоляционным материалом, который при футеровке электропечей позволяет сэкономить до 30–40% потребляемой электроэнергии, снизить массу печей в 3–5 раз, увеличить объем рабочего пространства в 1,5 раза, вдвое уменьшить габариты печей и занимаемую ими площадь, соответственно.

Однако материал ТЗМК из кварцевых волокон имеет ограниченное применение: длительно он может эксплуатироваться при температурах не выше 1000 ?С. Но это лишь стимулировало наш коллектив к разработке волокна с более высокими эксплуатационными температурами – до 1500–1700 ?С. В результате уже в период разработки теплозащиты космического корабля «Буран» был получен материал ТЗМК-1700 на основе волокон оксида алюминия.

С использованием нового материала по программе «АнтиСПИД» разработано и налажено производство лабораторных микроэлектропечей для стерилизации хирургических инструментов. В Курчатовском институте теплозащитный материал ТЗМК-1700 используется в плазменных технологических устройствах для конверсии природных углеводородов применительно к созданию бортового источника водорода для транспортных средств. В автомобильной промышленности разработанные материалы нашли применение для армирования поршней дизельных двигателей, а также в качестве фильтров очистки выхлопных газов от частиц сажи и в технологии получения лент и вкладышей.

Испытания двигателя автомобиля КАМАЗ показали, что за счет снижения на 25% теплопроводности днища поршня удается существенно повысить температуру в камере сгорания и, как следствие, мощность двигателя, снизить количество вредных выбросов, уменьшить расход топлива, а также в разы повысить износостойкость кольцевых канавок в поршне.

Эрозионностойкие терморегулирующие покрытия по контракту с французской фирмой «Аэроспасьяль» использованы для европейского пилотируемого аппарата «Гермес».

Названные выше материалы и технологии являются лишь вершиной «айсберга» из разработок ВИАМ. Однако сегодня приходится признать, что к настоящему времени практически все мыслимые характеристики «традиционных» материалов находятся на пределе возможного. Поэтому их дальнейшее совершенствование, как и «конструирование» материалов с заранее заданными свойствами, во многом будет зависеть от появления новых «неожиданных» решений – тех самых, что требовал от своих партнеров Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский.

На базе приоритетных направлений и критических технологий развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и в мире ВИАМ разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года». В них особо отмечено, что в XXI веке создание материалов, технологий и конструкций должно быть полностью взаимоувязано. При этом особое внимание необходимо уделять так называемым «зеленым технологиям» с минимальным воздействием на окружающую среду.

Реализация материаловедческих задач в рамках «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» необходима для перехода России к новому этапу индустриализации и технологическому укладу, создания конкурентоспособных на мировом рынке изделий.

Сегодня развитые страны оценивают свою конкурентоспособность и уровень развития по степени вхождения в шестой технологический уклад, который характеризуется преобладанием биотехнологий, нанотехнологий, генной инженерии, мембранных и квантовых технологий, фотоники, микромеханики, термоядерной энергетики. Все эти базовые технологии направлены на создание квантовых компьютеров, искусственного интеллекта. И, как следствие, ориентированы на качественно новый уровень управления государством, обществом, экономикой.

Согласно прогнозам, при сохранении нынешних темпов технико-экономического развития, шестой технологический уклад вступит в фазу распространения в 2010–2020 годы, а в фазу зрелости – в 2040-е годы. При этом в 2020–2025 годах произойдет новая научно-техническая и технологическая революция, основой которой станут разработки, синтезирующие достижения вышеназванных базовых технологий.

Для подобных прогнозов есть основания. В США, например, доля пятого технологического уклада составляет 60%, четвертого – 20%. И около 5% уже приходится на шестой технологический уклад.

В России, к сожалению, шестой технологический уклад пока не формируется. Доля технологий пятого уклада составляет приблизительно 10% (в военно-промышленном комплексе и в космической промышленности), четвертого – свыше 50%, третьего – около 30%.

Отсюда очевидно: чтобы Россия в течение ближайших 10 лет смогла войти в число стран с шестым технологическим укладом, нам надо, образно говоря, перешагнуть через этап – через пятый уклад. Так, как это было сделано при создании системы «Энергия–Буран».

Источник: "Инженерная газета"