Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
За 80 лет с момента основания сотрудниками ВИАМ в творческом содружестве с КБ, отраслевыми институтами и вузами, коллективами Российской академией наук разработано 2658 марок конструкционных и функциональных материалов, более 3500 оригинальных и прорывных технологий.
Обладая высокими служебными характеристиками, эти материалы обеспечили реализацию самых смелых замыслов конструкторов в изделиях различных отраслей промышленности. В частности, они позволили создать легендарные изделия авиационно-космической техники ? штурмовик Ил-2, «стальной» истребитель МиГ-17, ударно-разведывательный самолет Т-4 «Сотка», тяжелый транспортный самолет Ан-225 «Мрия», космический челнок «Буран», двигатель АЛ-31Ф с изменяющимся вектором тяги, сверхзвуковые самолеты Ту-144, Ту-160 и др.
Подобные примеры, а также планы и прогнозы ведущих компаний позволяют сделать «наглый» вывод: новые материалы – основа развития экономики, главный элемент намечаемых прорывов. Многолетняя отечественная и зарубежная практика показывают, что более 80% инновационных разработок в ведущих отраслях промышленности и секторах экономики базируется на внедрении новых материалов и технологий их производства.
Этот вывод и анализ грядущих потребностей побудили ВИАМ выступить с предложением о целесообразности включения направления «Материалы и глубокая переработка сырья» в приоритеты модернизации экономики и технологического развития Российской Федерации.
Предложение поддержали Министерство промышленности и торговли Российской Федерации, Российская академия наук, Министерство обороны Российской Федерации, правительства республик Мордовия, Татарстан и Ульяновской области, а также участники ХIХ Менделеевского съезда (г. Волгоград, 2011 г.) и Общего собрания РАН (декабрь 2011 г.).
По мнению специалистов, новый приоритет «Материалы и глубокая переработка сырья» является ключевым направлением для технологического прорыва, способным обеспечить развитие практически всех секторов экономики. А также создать значимый мультипликативный эффект и послужить катализатором увеличения инвестиций в научные разработки и модернизацию в смежных отраслях промышленности.
Повышенный интерес к созданию новых материалов и способов их переработки наблюдается во всех развитых странах. Эти материалы с улучшенными служебными характеристиками необходимы, в том числе, и для создания изделий авиационной техники следующего поколения.
Так, NASA (США) для создания самолетов будущего определены в качестве приоритетных такие задачи, как существенное снижение уровня шума, сокращение до 75% выбросов оксидов азота в окружающую среду, снижение расхода топлива более чем на 70%. Таким образом, следующая генерация изделий авиационной техники должна отличаться экономичностью, минимальным негативным воздействием на окружающую среду, обеспечивать высочайший комфорт внутри салона и иметь улучшенные летно-технические характеристики.
Исходя из поставленных задач рядом ведущих зарубежных компаний разработаны концепции самолетов будущего. В их числе – «ультразеленый» лайнер, сверхзвуковой пассажирский самолет, новые компоновки фюзеляжа, обеспечивающие сочетание прочности, легкости и невиданного простора, сверхскоростной легкий вертолет и многое другие. При этом для реализации намеченного требуется разработка сплавов с памятью формы, керамических и композиционных материалов, углеродных нанотрубок и волоконно-оптических систем, самовосстанавливающихся материалов.
Дальнейшее развитие военной и специальной авиационной техники связывают, прежде всего, с освоением околоземного космического пространства, гиперзвуковых скоростей, что требует эволюции и создания принципиально новых материалов для планера и двигателя, технологий «двойного назначения». Важнейшей задачей для военного авиастроения является снижение заметности средств поражения в радиолокационном, инфракрасном, оптическом и акустическом диапазонах радиоволн.
Уже сейчас в мире ведутся работы по созданию опытных образцов гиперзвуковых летательных аппаратов и двигателей. Однако для их серийного освоения необходим качественный скачок в области материаловедения с разработкой и внедрением в производство новых сплавов и полимерных композиционных материалов.
Для развития гиперзвуковых летательных аппаратов и авиационно-космических систем крайне необходимы новые материалы, обеспечивающие охлаждение и теплозащиту при высоких температурах – абляционные материалы.
Новые возможности для конструкторов при проектировании авиационной техники будущего открывают нанотехнологии и информкомпозиты. Они позволят создать датчики, фиксирующие информацию в процессе полета, в том числе – об обтекающем воздушном потоке, что позволит управлять им, что значительно улучшит аэродинамику, повысит надежность самолетов.
Ключевое значение при создании принципиально новых систем для летательных аппаратов будут играть когнитивные технологии, которые позволят управлять самолетом путем синтеза электронного оборудования с человеческим мозгом.
Анализ стратегий развития российских интегрированных структур показывает, что дальнейшее развитие авиастроения в России также невозможно без создания новых материалов с кардинально улучшенными служебными характеристиками и технологий их переработки.
Так, важнейшим элементом стратегии развития ОАО «Объединенная авиастроительная корпорация» (ОАО «ОАК») является организация научных работ для обеспечения модернизации выпускаемых и разработки перспективных воздушных судов (МС-21, SSJ-NG, ПАК ДА, легкий военно-транспортный самолет на базе Ил-112 и др.) с формированием крупных межпрограммных проектов, выполняемых в интересах разработки конструктивных элементов самолетов из полимерных композитных материалов (ПКМ), новых материалов и методик их сертификации, нового поколения авиационных двигателей.
Для достижения стратегической цели ОАО «ОАК» в области военной авиации необходимо обеспечить возможность разработки и серийного производства самолетов целиком и полностью за счет внутреннего производства продукции на основе отечественных разработок.
ОАО «Вертолеты России», являясь одним из мировых лидеров вертолетостроительной отрасли, ведет перспективные разработки по созданию скоростного, тяжелого и легкого вертолетов, а также беспилотного вертолетного комплекса.
При этом ключевыми направлениями являются: доведение доли композиционных материалов новых поколений в конструкции планера, в том числе силовых элементов, ? до 60%; создание и внедрение «интеллектуальных» и легких материалов с улучшенными служебными характеристиками; наноматериалов и нанотехнологий для снижения заметности в оптическом, тепловом, радиолокационном и акустическом диапазонах.
ОАО «Управляющая компания “Объединенная двигателестроительная корпорация”» (ОДК) определены основные задачи развития двигателестроения в России. Для гражданской авиации стоит задача увеличения полного назначенного ресурса, повышения экономичности на 10?15%, снижения эмиссии вредных веществ и уровня шума, трудоемкости в техобслуживании ? в 2 раза для газотурбинных двигателей; для военной авиации – увеличения лобовой тяги ? на 20%, повышения боевой живучести ? на 50%, снижения плотности ? на 30?35% и удельного расхода топлива при форсировании ? на 15?20%.
Реализация поставленных задач возможна только при использовании новых жаростойких, высокоградиентных теплозащитных покрытий лопаток, конструкционных композиционных материалов с рабочими температурами до 2200 оК без охлаждения и покрытий в условиях вибро- и термоциклического нагружения в течение межремонтного ресурса ? не менее 4000 ч.
Важнейшим направлением для развития отечественных комплексов тактического назначения является создание гиперзвуковых летательных аппаратов различного назначения и перспективных технологий ракетного двигателестроения (гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД), жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) и др.), включая развитие кооперации по новым материалам и конструкторско-технологическим решениям.
Развитие отечественной космонавтики связано с созданием перспективных многоразовых ракетно-космических систем, для чего необходимы новые жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе никеля и ниобия, дисперсно-упрочненные сплавы, интерметаллические соединения, композиционные материалы на основе углерода и кремния, легкие свариваемые алюминийлитиевые сплавы.
Отсюда видно, что авиация ждет существенного качественного скачка в материаловедении, в способах получения материалов с принципиально улучшенным комплексом свойств. Чтобы обеспечить эффективность работ в этом направлении, избежать дублирования и снизить затраты, нужен был сводный программный документ – свого рода «дорожная карта». И такой документ был создан.
Проанализировав ожидаемые потребности в новых материалах и реальные возможности для их удовлетворения (в плане научных разработок, сырьевых ресурсов и организации производства) специалисты ВИАМ и их партнеры разработали «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года».
В этот документ вошли 18 из предложенных стратегических направлений, 10 инновационных концептов и 70 комплексных проблем. Причем, по каждому из концептов указано, какие конкретно из стратегических направлений должны быть задействованы при решении данной задачи.
В перечень «Стратегических направлений» вошли:
? «умные» конструкции;
? фундаментально-ориентированные исследования, квалификация материалов, неразрушающий контроль;
? компьютерные методы моделирования структуры и свойств материалов при их создании и работе в конструкции;
? интеллектуальные, адаптивные материалы и покрытия;
? материалы с эффектом памяти формы;
? слоистые металлополимерные, биметаллические и гибридные материалы;
? интерметаллидные материалы;
? легкие, высокопрочные коррозионностойкие свариваемые сплавы и стали, в том числе с высокой вязкостью разрушения;
? монокристаллические, высокожаропрочные суперсплавы, естественные композиты;
? энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии получения деталей, полуфабрикатов и конструкций;
? магнитные материалы;
? металломатричные и полиматричные композиционные материалы;
? полимерные композиционные материалы;
? высокотемпературные керамические, теплозащитные и керамоподобные материалы;
? наноструктурированные, аморфные материалы и покрытия;
? сверхлегкие пеноматериалы;
? комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия;
? климатические испытания для обеспечения безопасности и защиты от коррозии, старения и биоповреждений материалов, конструкций и сложных технических систем в природных средах.
Данные стратегические направления развития материалов и технологий являются важнейшей составляющей для развития различных отраслей промышленности, создания образцов вооружения, военной и специальной техники нового поколения на базе отечественных разработок и формирования опережающего научно-технического задела.
Их реализация позволит достичь принципиально новых технических характеристик сложных технических систем и показателей их эксплуатации. В том числе – в области авиастроения. В частности:
– обеспечить ресурс конструкций планера более 80 тыс. летных часов с увеличением межремонтных сроков до 20 лет и ресурса двигателя до 0,5?1 ресурса планера;
– снизить на 30% массу конструкций планера и двигателя летательных аппаратов путем применения сверхлегких материалов нового поколения, а также технологии создания интегрированных систем, в том числе прогрессивными методами сварки в твердой фазе;
– увеличить объем применения в силовых конструкциях композиционных и интеллектуальных материалов ? до 60% по массе или свыше 70% от омываемой поверхности планера;
– снизить расход топлива и эмиссию СО2 ? в 2 раза, эмиссию NOх – в 1,8 раза, а также уровень шума;
– повысить температуру газа перед турбиной до 2200 оК, ресурс деталей горячего тракта ? в 2?3 раза, обеспечить соотношение тяги к массе 20:1 и снижение стоимости жизненного цикла ? на 10?20%;
– создать семейство авиадвигателей нового поколения с тягой 9?18 т, в том числе путем применения новой генерации супержаропрочных материалов и покрытий;
– сократить на 30–50% стоимость, затраты на ремонт и восстановление конструкций, трудоемкость техобслуживания ? в 2 раза;
– увеличить до 90% объем отечественных материалов в планере и двигателе гражданских летательных аппаратов и до 100% ? в военной авиационной технике;
– создать гиперзвуковые летательные аппараты (ГЗЛА), работающие при скоростях от 5 до 15 чисел Маха, включая развитие ГПВРД;
– снизить до 50% заметность в оптическом, тепловом, радиолокационном и акустическом диапазонах благодаря применению нанотехнологий;
– существенно повысить безопасность полета за счет снижения влагонасыщения полимерных композиционных материалов, повышения их ударо- и молниестойкости;
– провести квалификацию отечественных материалов, в том числе с учетом требований зарубежных стандартов.
В качестве основного средства реализации «Стратегических направлений» предусмотрен механизм, положенный в основу Технологических платформ (применительно к ВИАМ – «Материалы и технологии металлургии», «Новые полимерные композиционные материалы и технологии», «Национальная сеть центров климатических испытаний»). А также инновационный потенциал государственно-частного партнерства.
Особый вопрос – привлечение к реализации наших разработок зарубежного бизнеса. Сегодня же даже самым ярым сторонникам закупок за рубежом стало ясно, что никакого нового оборудования и технологий нам не продадут – никто не захочет плодить себе конкурентов. Поэтому здесь у нас есть два пути. Первый – создание с зарубежными партнерами совместных предприятий, что гарантирует общую заинтересованность. И второй – привлечение зарубежных фирм к изготовлению и продаже оборудования, воплощающего наши технологии. На наш взгляд, второй путь предпочтительнее.
В обсуждении проекта «Стратегический направлений» приняли участие около 90 организаций и примерно 120 исследователей. По нему мы получили положительные заключения наших ведущих ученых – членов Российской академии наук, представителей вузовской и отраслевой науки. Документ дважды докладывался и был одобрен на заседаниях научно-технического совета Военно-промышленной комиссии при Правительстве РФ.
Для коллектива же ВИАМ «Стратегические направления» уже стали, образно говоря, конституцией, направлением главного удара. В соответствии с ними разработаны планы развития института и программы исследований до 2030 года. Но этого мало.
На наш взгляд, «Стратегические направления» должны быть утверждены на правительственном уровне, стать основой при разработке государственной программы по материалам и технологиям их переработки, а также других федеральных целевых программ и стратегий развития основных отраслей промышленности и инновационных программ интегрированных структур.