Российские ученые создали уникальные для авиастроения материалы

В городке Переславль-Залесский Ярославской области созданы материалы, которые по своим свойствам далеко опережают мечты конструкторов авиационной техники. В десятки раз легче авиационных алюминиевых сплавов, устойчивые к нагреву. Прочность – уникальная. Для демонстрации прочности на тоненькой ленте композиционного материала «Аристар-Е» шириной всего 5 мм и весом 2 г парит, покачивается в воздухе бетонный куб массой 625 килограммов! Полоса стали вдвое большей ширины и весом 22 г под этой нагрузкой просто порвалась... Надо сразу отметить – материалы разрабатывались в интересах космической промышленности. Так уж здесь изначально повелось. Но чем авиастроители хуже? Тем более что в названии разработчика авиация присутствует – Научно-исследовательский институт космических и авиационных материалов (НИИКАМ). Поэтому статья – не только рассказ об удивительных достижениях отечественных учёных, но и попытка сообщить конструкторам авиационной техники об открывающихся новых возможностях.

В огне не горит, в воде не тонет

В институте подчёркивают – создано целое семейство материалов, которые могут иметь самые разные свойства. Например, на диске толщиной менее сантиметра из «Аристида-ВС», закреплённом в штативе, как в сковородке-блиннице, лежит живой цветок. А под ним гудит направленное в «днище» пламя мощной газовой горелки. Цветок (кажется, хризантема) даже не съёжился, этот материал обладает высочайшей теплоизоляционной стойкостью. Заранее была поставлена задача, что материалы должны без проблем длительно эксплуатироваться в широком диапазоне температур: для большинства марок «Аристид» и «Аристар» от гелиевых –269 до +250 °С. А уж если требуется «кратковременная» теплостойкость от 3 до 20 минут, «Аристид» и «Аристар» могут быть применены при внешнем воздействии пламени с температурами до 1300–2000°С. Что это значит для авиации? Элементарная безопасность! Интерьеры, фюзеляж, крыло самолёта становятся практически негорючими. А пожар на борту, в полёте, как правило, приводит к катастрофе. Так, если не удалось системам пожаротушения погасить горящий двигатель, установленный в крыле самолёта, то плоскость за считаные минуты отгорает, что ведёт к фатальным последствиям. Да и на земле пожар на борту ничего хорошего не сулит, достаточно вспомнить посадку с козлением «Суперджета» в аэропорту Шереметьево в 2019 году. Стойки шасси от ударной перегрузки пробили топливные баки, начался пожар, быстро прогорел пол салона. Из 78 человек на борту погиб 41... Большинство жертв катастрофы сначала потеряли сознание от отравления продуктами горения. В НИИКАМ утверждают – их материалы «Аристар» и «Аристид» даже при аварийных ситуациях будут препятствовать быстрому распространению пожара. При этом в отличие от негорючих эпоксидных материалов при воздействии на них огня выделяют минимальное количество токсичных газов – основной причины гибели людей при пожарах.

«Аристар» и «Аристид» перспективны в авиационной отрасли для многих силовых и корпусных элементов, систем кондиционирования воздуха, элементов авиационных газотурбинных двигателей. Они обладают очень высокой влагостойкостью, поэтому изделия из них можно применять в том числе в тропическом климате без снижения рабочих характеристик при длительной эксплуатации. Эти материалы могут использоваться в системах самолётов с высокими рабочими температурами, в том числе в системах вентиляции воздуха (кроме того, эти материалы нетоксичны для человека). Тогда как традиционные эпоксидные композитные и соответствующие клеевые материалы сильно теряют прочностные свойства в пределах 100°С, материалы «Аристар» и «Аристид» могут длительно эксплуатироваться при температуре до 250°С, а их высокотемпературные модификации – до 450°С.

Пуля не берёт!

На вопрос «А камешки с взлётно-посадочной полосы будут наносить повреждения винтам двигателя самолёта из ваших материалов?» получил твёрдый ответ: «Нет!» В зависимости от того, как должен будет работать материал в изделии, подбирается лучший вариант компоновки материалов, нельзя сказать, что какая-то определённая марка лучше или прочнее всего, или универсальная, в каждом конкретном случае – это определённый набор армирующих и дисперсных наполнителей, разнообразные добавки, пластификаторы и прочее. Можно сказать, что стандартные образцы этих композиционных материалов на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, удары и прочее находятся на уровне лучших мировых аналогов, а по ряду характеристик превосходят их. Материал может иметь зеркальную поверхность, а может быть шероховатым.

Например, один из образцов толщиной всего три миллиметра выдерживает выстрел из пистолета. При этом в десятки раз легче титановых пластин с аналогичной пулестойкостью. Про вес можно сказать одно – эти материалы в воде не тонут. А форма может быть любой. Сейчас крыло самолёта МС-21 делается из композитов на основе эпоксидных смол, а у них, как известно, проблемы со стойкостью к высоким температурам. Может быть, конструкторам этого самолёта стоит обратить внимание на «Аристид» и «Аристар»? И вообще, самолёт с фюзеляжем, крылом, силовым набором и системами из этих материалов может «похудеть» на многие тонны. А это значит большие грузоподъёмность и дальность.

При производстве возможно использование 3D-печати, но принтер нужен будет скорее всего специальный, эти технологии находятся пока на стадии идей на будущее, но НИИКАМ имеет большой опыт по проектированию и изготовлению нестандартного оборудования под различные технологические задачи. Например, вот что рассказывает начальник отдела маркетинга НИИКАМ Эллина Аристова:

– Мы сами спроектировали и собрали машину для серийного производства препрегов (полуфабрикат, основа для композиционных материалов и изделий из них в виде ленты. – Прим. ред.) шириной 300 мм, в настоящий момент проектируем аналогичную машину для производства препрегов шириной 1600 мм, на стадии, близкой к завершению, сейчас находится сборка робота для намотки крупногабаритных изделий – топливных баков ракет, корпусных элементов ракет и других летательных аппаратов.

Первый блин не комом

В настоящий момент совместно с вертолётным заводом ММЗ «ВПЕРЁД» НИИКАМ уже проводит соответствующую сертификацию композитных материалов для авиационной отрасли. Был получен сертификат системы менеджмента качества, соответствующий международному стандарту ISO 9001. На ММЗ «ВПЕРЁД» получены предварительные положительные результаты квалификационных испытаний. Ресурсные испытания (это испытания, которые проходят серийные лопасти) показали, что использование композитных материалов и клеёв производства НИИКАМ взамен традиционно использующимся при производстве рулевых лопастей увеличивают ресурс работы лопасти более чем в 2, 5 раза при одновременном снижении веса примерно в 1, 5 раза. Результат выдающийся, в авиации каждый грамм на счету.

НИИКАМ – частная инициатива

Фактически «Научно-исследовательский институт космических и авиационных материалов» был создан в 1987 году, только назывался иначе – научно-производственный кооператив «Мысль». Это было время начала развала российских науки и производства. Основатели института Василий Фёдорович Аристов и Владимир Михайлович Аникин тогда работали в Государственном НИИ химико-фотографической промышленности (Переславский филиал). Государственное финансирование этого института сначала было резко сокращено, вследствие чего возникла необходимость сокращения большей части сотрудников, а с 1990 года и вовсе прекратилось. Переславский филиал ГосНИИхимфотопроект был полностью ликвидирован, а все его сотрудники уволены.

Для того чтобы сохранить возможность заниматься наукой, Василий Аристов и Владимир Аникин создают в 1987 году научно-производственный кооператив «Мысль», который в 1996-м реорганизуется в ЗАО «Научно-исследовательский институт космических и авиационных материалов» (ЗАО «НИИКАМ»). Начиная с 1987 года и практически до последнего времени институт не получал ни копейки из государственного бюджета СССР или России.

Первые материалы института были разработаны в период крушения СССР. В Советском Союзе всё производство материалов для экранно-вакуумной теплоизоляции космических аппаратов было сосредоточенно в Латвии (г. Рига) на СКБ «Вакуумных покрытий» (разработка) и «Сидрабе» (производство). После получения Латвией независимости производство там было закрыто, и российская космическая промышленность осталась без целого ряда теплозащитных и теплоизолирующих материалов. В тот период наука не финансировалась, и получить средства на разработку было невозможно, поэтому под «честное слово» институт получал предоплату за поставку материалов. На эти небольшие деньги с мира по нитке собиралось неработающее оборудование, которое как металлолом выбрасывали предприятия Москвы и области, Переславля-Залесского. Своими силами это оборудование «оживляли» и переделывали, разрабатывали технологии и производили заказанные материалы.

Сейчас комплекс НИИКАМ включает в себя научные лаборатории (институт) и завод по производству космических материалов. На заводе производится только то, что разработано (и, как правило, запатентовано) в институте. Основной собственник и генеральный директор в институте и на заводе один – Василий Аристов.

Институт сотрудничает со многими зарубежными компаниями по вопросам разработки, изготовления и поставки современных материалов для космических аппаратов. К настоящему времени в НИИКАМ создано и освоено в производстве около сотни различных материалов для космических автоматических аппаратов и пилотируемых космических кораблей, ракет-носителей. В космической технике композитные материалы НИИКАМ прошли сертификацию и успешно применяются предприятиями отрасли. Есть, соответственно, и военная приёмка, военпреды контролируют качество изделий.

Технология производства изделий из «Аристар» и «Аристид» масштабируема, и при массовом производстве цена на данные материалы будет сопоставима с существующими композиционными материалами. Территория у НИИКАМ огромная, был бы заказчик и, соответственно, возможность финансирования. Плюс никакой зависимости от «партнёров» за бугром – полностью свои технология и исходные материалы. Что-то похожее есть в США, но они технологией не стали делиться даже с японцами. Те безрезультатно бьются над разгадкой уже полтора десятилетия. Наши инженеры прошли путь от идеи до результата за семь лет.

«Аристар» и «Аристид» по-научному

«Аристар» – семейство композитных материалов, наполненных непрерывными армирующими материалами (жгуты и ткани на основе углеродных, стеклянных, кварцевых, арамидных, полиэтиленовых (СВМПЭ) и любых других волокон в заданных комбинациях и пропорциях). Различают «Аристар-Е» (применяется в изделиях, где важны максимальные прочность и лёгкость), «Аристар-С» (для радиопрозрачных и электроизоляционных изделий) и «Аристар-В» для максимально жёстких размеростабильных конструкций.

«Аристид» – семейство материалов с дисперсными наполнителями. Различают высокопрочные сферопластики, плотностью от 0, 4 до 0, 7 г/см3 («Аристид-В») и легковесные заполнители плотностью от 0, 05 до 0, 15 г/см3 («Аристид-Т» и «Аристид-М»).