ВИАМ. Направление главного удара

Академик Евгений КАБЛОВ,
генеральный директор Всероссийского института авиационных материалов.

Народный комиссар тяжёлой промышленности СССР. Приказ № 435 от 28 июня 1932 года. «В целях создания научно-исследовательского центра по авиационным материалам и их технологии приказываю организовать в составе Главного управления авиационной промышленности Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ). На ВИАМ возложить изучение авиационных материалов, изучение производства полуфабрикатов, изучение сырьевых баз, изыскание новых материалов и внедрение их в производство самолётов и моторов, разработку технологических процессов по производству и применению материалов и полуфабрикатов в моторо-, самолёто-, дирижабле- и авиаприборостроении, разработку стандартов на авиационные материалы и руководство научно-исследовательскими и производственными лабораториями».

У истоков отечественной авиации стояли выдающиеся инженеры и теоретики. Имена Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, В. П. Ветчинкина, Б. Н. Юрьева, А. Н. Туполева, И. И. Сидорина многое говорят не только специалистам-авиаторам. Начало работ в области отечественного авиационного материаловедения относится к 1918 году, когда в стране был создан первый научно-исследовательский авиационный центр — Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). До этого в России не проводилось сколько-нибудь серьёзных работ по изучению и изысканию авиационных материалов, отсутствовали технические условия и стандарты на их изготовление, испытание и приёмку. 

 К началу 1930-х годов объём работ лаборатории настолько возрос, что появилась острая необходимость значительного расширения и организации на её базе исследовательского института.

Но не только необходимостью расширения исследований была вызвана организация института авиационных материалов. Анализ участившихся к этому времени авиационных аварий показал, что причиной многих из них были дефекты конструкции и ошибки в прочностных расчётах, допущенные конструкторами из-за отсутствия необходимых и достаточных данных о свойствах материалов. Нередко причинами аварий становились неправильное сочетание различных классов материалов, отсутствие систем защиты конструкций от климатических факторов и эрозии.

Потребовалась организация, которая могла бы отвечать за качество материалов, корректность и полноту их характеристик. Такой организацией и стал ВИАМ.

Авиация была и остаётся одним из двигателей научного и технического прогресса, каждый новый тип самолётов требовал новых, подчас совершенно оригинальных материалов, и институт по заданиям конструкторов такие материалы разрабатывал. Но были и другие ситуации, когда полученные в инициативном порядке материалы становились катализатором создания принципиально новых конструкций, далеко превосходящих по своим параметрам всё, что существовало до них. Примерами могут служить разработка в 1935 году Г. В. Акимовым и И. И. Сидориным первой высокопрочной стали ЗОХГСА — «хромансиль» (В США сталь с аналогичными показателями — 1600-1700 МПа была получена только 25 лет спустя), изготовление в 1937 году С. Т. Кишкиным и Н. М. Скляровым авиационной брони. Их появление сделало возможным изготовление из металла наиболее ответственных деталей планеров самолётов и начать выпуск самого массового самолёта Великой Отечественной войны — штурмовика Ил-2. Другой пример — разработка Я. Д. Аврасиным в 1940 году дельта-древесины. Этот первый в истории авиации серийный композитный материал позволил нашей авиационной промышленности наладить массовый выпуск самолётов в условиях жесточайшего дефицита металла.

Материалы, прошедшие проверку в авиации, находят применение в электроэнергетике, машиностроении, строительстве, медицине, приборостроении. А иногда и в неожиданных отраслях. Так, разработанные для космического челнока «Буран» теплозащитные материалы прекрасно работают в пекарнях и на хлебозаводах. Печи, изолированные «космическими» теплозащитными плитками, требуют на четверть меньше энергии по сравнению с обычными. Клеи-герметики, сделанные всё для того же «Бурана», стали незаменимыми при восстановительном ремонте автомобильных двигателей. Защитные пасты, применяемые для сварки металлов в авиационной промышленности, успешно используют и в других отраслях машиностроения. Примеры можно продолжать бесконечно.

Современные материалы совершенно изменили подход к разработке новых конструкций. Коротко его можно сформулировать так: материал — технология — конструкция — оборудование. Он требует одновременной согласованной работы материаловеда, конструктора и технолога. Детали и конструкции из полимерных, слоистых и композиционных материалов, супержаропрочных сплавов зачастую нельзя изготовить по старинке — «выточив из болванки». Свойства изделия должны быть заложены в материал и технологию изготовления ещё на стадии его создания. Конечно, такой подход сложнее традиционного, зато даёт огромный выигрыш и в качестве готового изделия, и в глубине переработки сырья и материалов. Например, полученные методом точного литья современные рабочие турбинные лопатки не требуют механической обработки: точность изготовленной детали ± 0,05 мм. А ведь в начале 1970-х годов цеха, где лопатки точили из массивных заготовок, в шутку называли фабриками по производству металлической стружки. В настоящее время лопатки отливают на автоматизированных вакуумных плавильных комплексах, обеспечивающих получение монокристалла с высокой степенью структурного совершенства и заданной конструктором кристаллографической ориентации.

За 80 лет сделано очень много. Но сегодня мне хотелось бы не углубляться в историю, а рассказать о наших планах, о том, в каких направлениях пойдёт развитие материаловедения и будет работать ВИАМ, — иными словами, остановиться на направлении главного удара. Ведь от того, какие материалы и технологии мы сможем предложить в ближайшем — и не только ближайшем — будущем, зависят пути, по которым будут развиваться и авиация, и экономика страны в целом, поскольку именно конструкционные материалы — основа любой техники, любого производства.

Мы в ВИАМе считаем, что каждое ведомство, государственная и частная корпорация, научный центр должны иметь чёткую и ясно сформулированную стратегию развития на достаточно длительный период, как минимум соответствующую «Стратегии 2020», а может быть, и опережающую её.

В рамках этой идеи институт в сотрудничестве с большим количеством организаций — Академией наук, государственными научными центрами, ведущими вузами, производственными компаниями и регионами — разработал «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года». Наше предложение поддержали федеральные министерства, крупные производственные корпорации, правительства республик Мордовия и Татарстан, Хабаровского края, Томской и Ульяновской областей.

В документе определены 18 направлений развития и 71 комплексная проблема создания материалов практически для всех отраслей промышленности. На наш взгляд, ценность «Стратегических направлений...» в том, что они дают ясную, а самое главное, реальную картину того, на что может рассчитывать экономика страны в плане материалов. Входящая в структуру «...направлений...» дорожная карта содержит, по сути дела, календарный план фундаментальных и технологических исследований и практических работ по созданию материалов. Владея этой информацией предприятия могут рассчитывать на то, что, например, к 2020 году они будут иметь возможность использовать в конструкциях металлические материалы с памятью формы, а в 2030 году им на смену придут уже интеллектуальные материалы.

Первым условием выполнения программы мы считаем создание опережающего научно-технического задела. Это возможно только в случае развёртывания широких фундаментальных и фундаментально ориентированных исследований совместно с институтами РАН. Работа не ограничится теоретическими исследованиями, институты Академии наук включатся в практическую разработку многих материалов в кооперации с ведущими отраслевыми институтами и вузами. Их возможности велики и пока полностью не используются.

Второе условие — разработка технологий и материалов, оказывающих минимальное воздействие на окружающую среду, так называемых зелёных технологий. Производство новых материалов должно щадить природу. Новые технологии будут основываться на замкнутых процессах, когда отходы или минимальны и безопасны, или вовсе отсутствуют. Между прочим, отсутствие отходов в современных условиях выгодно: с одной стороны, увеличивается глубина переработки сырья, с другой — минимизируются расходы на переработку и захоронение отходов. Замечу, что отходами нужно считать не только стружку, пустую породу и сточные воды, но и выбросы тепла, нерациональное использование энергии. Снизить объёмы такого рода «мусора» позволяют применение информационных технологий моделирования состава, структуры и свойств материалов, технологии молекулярной сборки, нанотехнологии. Огромные, пока ещё не изученные как следует резервы таят биотехнологические методы, особенно в производстве синтетических материалов, топлива, в обогащении руд.

И третье условие — реализация полного жизненного цикла материала. Если раньше задача материаловедов сводилась только к созданию материала, то в нынешних условиях требуется сразу учесть и возможность продления ресурса материала в готовом изделии, и его дальнейшую утилизацию с минимальными потерями и, подчёркиваю, с минимальным ущербом для окружающей среды. Сейчас наша планета буквально завалена пластмассовыми отходами. Особенно острое положение складывается в океанах. Есть данные, что на морском дне вблизи крупных городов толщина слоёв пластикового мусора достигает нескольких метров. Естественное разложение пластиков длится многие десятилетия, а некоторые из них настолько стойки, что, вероятно, пролежат без изменений тысячелетия. Новые материалы такими быть не должны. И уже появились надёжные конструкционные материалы, не уступающие по прочностным характеристикам «старым» пластмассам, но легко и без последствий разлагающиеся в почве. Например, в ВИАМе не так давно создан композит на основе особым образом обработанных волокон льна. Защищённые стойкими покрытиями изделия из этого материала великолепно работают на протяжении всего установленного для них ресурса. Зато по окончании эксплуатации эти же детали, попав в почву, перерабатываются почвенными микроорганизмами как обычные растительные продукты, без остатка и вреда превращаясь в плодородный компост.

Развитие страны в обозримой перспективе пойдёт по нескольким стратегическим направлениям. Все они так или иначе связаны с уже действующими крупными корпорациями, в число которых входят и авиационные. Какие задачи стоят перед производителями авиационной техники и какие материалы они должны получить для их решения?

Важнейший элемент стратегии развития ОАО «Объединённая авиастроительная корпорация» (ОАО «OAK») — модернизация существующих летательных аппаратов и разработка таких перспективных воздушных судов, как МС-21, SSJ-NG, ПАК ДА (перспективный авиационный комплекс дальней авиации, появление которого ожидается в 2020 году), лёгкий военно-транспортный самолёт на базе Ил-112 и некоторые другие. Принципиально важно для осуществления этих программ обеспечить разработку и серийное производство самолётов целиком и полностью на основе отечественных материалов. И если для гражданской техники могут быть исключения (хотя отдавать иностранцам рабочие места и добавленную стоимость не всегда разумно), то для военной авиации это условие должно выполняться неукоснительно. В новых самолётах будут широко использованы интеллектуальные полимерные композиционные материалы с функцией адаптации к аэродинамическим нагрузкам, материалы с изменяемой геометрией поверхности на основе пьезоэлектрических или полимерных компонентов с памятью формы и многие другие.

В программе развития одного из мировых лидеров вертолётостроения ОАО «Вертолёты России» — активные работы над созданием высокоскоростного вертолёта, тяжёлого и лёгкого вертолётов, беспилотного вертолётного комплекса. Успешно осуществить эту программу удастся, если доля композитных материалов новых поколений в их конструкциях достигнет 60%. Нам предстоит эти материалы разработать. В вертолётах будущего также не обойтись без интеллектуальных и лёгких материалов с улучшенными служебными характеристиками. О них скажу ниже.

Для военной авиации (это касается и самолётов, и вертолётов) была и остаётся актуальной проблема снижения заметности в оптическом, тепловом, радиолокационном и акустическом диапазонах. Здесь незаменимы наноматериалы. Они позволяют сделать воздушное судно практически невидимкой. Первые такие материалы уже появились, но в этом направлении в ближайшее время ожидается лавинообразный рост объёма исследований и такой же лавинообразный рост результатов.

Ни новые самолёты, ни современные вертолёты невозможно создать без новых, совершенных двигателей. В гражданской авиации требуется значительно увеличить ресурс моторов, на 10—15% повысить их экономичность, добиться существенного снижения эмиссии вредных веществ и уровня шума, вдвое снизить трудоёмкость технического обслуживания газотурбинных двигателей. В военном секторе задачи не менее сложные: нужно добиться увеличения лобовой тяги двигателей как минимум на 20%; повышения боевой живучести на 50%; снижения удельного веса на треть или больше и сокращения расхода топлива при форсировании на 15—20%. Решить их можно только при использовании новых жаростойких материалов. К ним относятся монокристаллические и интерметаллидные сплавы, высокоградиентные теплозащитные покрытия лопаток турбин, конструкционные композиционные материалы, способные работать при рабочих температурах до 2200 К (без охлаждения и покрытий) в условиях вибро- и термоциклических нагрузок с межремонтным ресурсом не менее 4000 часов.

Развитие отечественной космонавтики связано с созданием перспективных многоразовых ракетно-космических систем, в которых наличие температурных напряжений и деформаций приводит к необходимости применения новых жаропрочных и жаростойких сплавов на основе никеля и ниобия, дисперсно-упрочнённых сплавов, интерметаллических соединений, композиционных материалов на основе углерода и кремния, лёгких свариваемых алюминий-литиевых сплавов.

В авиации с самого её зарождения большое внимание уделяется безопасности полётов. Всё активнее и в гражданском, и в военном авиастроении используются полимерные композиционные материалы (ПКМ). При очень невысокой плотности (удельном весе) они весьма прочны. Но многие из них склонны к поглощению влаги из воздуха (это приводит к существенному ухудшению весовых характеристик материала и деталей из него) и боятся ударов. В ближайшее время эти проблемы будут решены. Уже появились связующие с высокой деформационной способностью и покрытия, защищающие материалы от влаги, и есть хорошие перспективы создания ударопрочных композитов. Одновременно с этим идёт активная работа над повышением молниестойкости ПКМ. Увеличение объёма их применения (более 25%) показало, что существующие методы снятия статического электричества малоэффективны. Это важно, ведь современные самолёты летают зачастую в условиях плохой погоды, преодолевают грозовые фронты, и удар молнии в крыло или фюзеляж не редкость. (В начале мая нынешнего года молния попала в самолёт президента Франции.) Материаловедческие и технологические приёмы повышения молниестойкости уже известны. В ВИАМе активно ведётся такая работа, и в недалёком будущем появятся ПКМ, абсолютно надёжные по этому показателю.

Хотелось бы перечислить ещё несколько важных направлений, по которым в ближайшее время пойдёт развитие науки о материалах.

Начнём с так называемых умных конструкций. Материалы для их создания обладают совершенно фантастическими свойствами. Это память формы (восстановление первоначальной конфигурации детали после снятия нагрузки), способность к самовосстановлению, например восстановлению сплошности после образования трещины, способность к обратимому изменению внутренней структуры материала в зависимости от условий эксплуатации. Такими свойствами уже сейчас обладают некоторые металлы, но в ближайшей перспективе появятся сходные по свойствам полимеры и композиционные материалы. Интеллектуальные материалы будут способны адаптироваться к аэродинамическим и другим механическим нагрузкам, смогут сигнализировать об изменении напряжённо-деформированного состояния. Вероятно, это получится за счёт включения в состав материалов оптоволоконных, резисторных и пьезоэлектрических сенсоров.

Очень интересны материалы, способные изменять прозрачность и отражающую способность в различных диапазонах. Уже сейчас идёт разработка специальных стёкол, коэффициент пропускания которых меняется в зависимости от приложенного электрического напряжения, при этом время срабатывания системы составляет миллисекунды.

Говоря о материалах, мы часто забываем о лаках и красках (ЛКП). Многие относятся к ним, только как к декоративным материалам. Однако это полное заблуждение. ЛКП — такие же важные материалы, как и любые другие. Зачастую только они могут обеспечить защиту материала от коррозии, эрозии, даже от наведения зарядов статического электричества. Но многие ЛКП не слишком прочные вещества, их легко поцарапать, зато заделать трещину или царапину далеко не просто. В ближайшее время появятся изготовленные на основе каучуков краски (правильнее их называть даже не красками, а покрытиями, так далеки их свойства от современных красок), способные к самодиагностике и самозалечиванию. В течение нескольких минут, а в определённых условиях и секунд, нарушение структуры такого покрытия (то есть царапина) «зарастёт», структура восстановится и поверхность изделия останется защищённой. Фактически это аналогично человеческой коже, способной репродуцироваться.

Но этим новинки не ограничиваются. Сейчас идёт активная работа, и в обозримом будущем появятся чрезвычайно долговечные (срок службы 30—35 лет) многослойные, термо-, износо-, эрозиестойкие и наномодифицированные ЛКП.

Совершенно очевидно, что работы над новыми материалами будут проходить с применением математического моделирования химического и фазового состава, с использованием новых принципов легирования наноструктурированными лигатурами высокопрочных конструкционных и коррозиестойких сталей.

Количество металла, произведённого за всю историю человеческой цивилизации, настолько велико, что им, наверное, можно было бы укрыть всю планету достаточно толстым слоем, если бы не потери. Но вот потери как раз настолько велики, что стали одной из ключевых инженерных проблем. Борьбой с коррозией и механическим износом материаловеды занимаются ровно столько времени, сколько существует материаловедение. Я думаю, что очень скоро появятся комбинированные химико-термические методы модификации поверхностных слоёв материалов, обеспечивающие увеличение износостойкости, контактной и усталостной долговечности в 1,5—2 раза.

Проблема старения и биоповреждений остро стоит для ПКМ. С учётом того, что объём применения этих материалов в строительстве, промышленности, на транспорте, в энергетике растёт быстрыми темпами, она становится актуальной. Перед институтом стоит задача разработать эффективные методы защиты такого рода материалов.

Мы уже привыкли к вспененным пластмассам, но вспененным может быть и металл. Свойства таких «пенометаллов» очень интересны для конструкторов. Например, пеноматериал на основе алюминия обладает плотностью втрое ниже по сравнению с самыми лёгкими сплавами — от 0,2 до 0,9 г/см3 против 1,6—2,8 г/см3 и высокой демпфирующей способностью. Такие материалы очень интересны для изделий, заменяющих сотовые конструкции в корпусах летательных аппаратов, некоторые элементы конструкции автомобилей и судов. В перспективе будет создан вспененный материал на основе железа и никеля с плотностью в 6 раз ниже, чем у монолитного, но достаточно высоким модулем упругости.

Президентом Российской Федерации определены пять приоритетных направлений модернизации экономики, обеспечивающих технологический прорыв: энергоэффективность и энергосбережение; ядерные технологии; космические и телекоммуникационные технологии; медицинские технологии и фармацевтика; стратегические компьютерные технологии и программное обеспечение. Ни по одному из выбранных направлений не будет результатов без развития в стране исследований по созданию новых материалов и глубокой переработки сырья. Этот новый приоритет, а именно: «материалы и глубокая переработка сырья», предложенный Всероссийским институтом авиационных материалов и поддержанный научным и промышленным сообществом, должен войти в приоритеты модернизации экономики России.

P.S. Цифры и факты

За 80 лет в ВИАМе разработано 2658 конструкционных материалов и более 3500 технологических процессов. Число изобретений и патентов к настоящему времени перевалило за 5000. В рамках международного сотрудничества выполнено 65 проектов и контрактов.

Таких результатов можно добиться только со специалистами высочайшей квалификации. И такой коллектив собрался в ВИАМе с первых дней его существования. В институте работали 16 академиков и членов-корреспондентов АН СССР и РАН. Здесь созданы и активно работают 12 научных материаловедческих школ, получивших международное признание. Двести пять сотрудников института стали докторами и 770 — кандидатами наук. Сейчас в ВИАМе трудятся 1800 человек. Среди них один академик РАН, 32 доктора и 132 кандидата наук, 16 профессоров и 46 доцентов. А 800 сотрудников института —  молодые специалисты в возрасте до 35 лет.