Любая машина, механизм, аппарат зарождается, как известно, в фантазии конструктора. Затем ее детали прорисовываются на листе ватмана, просчитываются, выверяются. Но оживет новая машина лишь тогда, когда будет выполнена «в железе». И дальнейшая ее судьба едва ли не в первую очередь зависит от того, удалось ли специалистам-материаловедам угнаться за мечтой конструктора.
Для авиации материалы поставляет ВИАМ — Государственный научный центр «Всероссийский институт авиационных материалов». Вскоре он будет отмечать свой 70-летний юбилей.
С какими результатами подходят сотрудники центра к этой знаменательной дате? Какие трудности преодолевают? Каковы их планы?..
Чтобы узнать об этом, наш специальный корреспондент Станислав ЗИГУНЕНКО побывал на славном предприятии.
И вот что узнал…
1. Как выращивают детали?
— Приказ об образовании нашего предприятия был подписан 28 июня 1932 года, — показал нам в заводском музее копию документа Генеральный директор ВИАМа, член-корреспондент РАН, профессор и лауреат многих премий Евгений Николаевич Каблов. — Но скажу по секрету, что он запоздал. Еще в 1931 году будущими сотрудниками ВИАМа, И.И. Сидориным и Г.В. Акимовым, была начата разработка первой в нашей стране высокопрочной стали «хромансаль», а будущий академик А.А. Бочвар разработал теорию рекристаллизации алюминиевых сплавов…
С той поры решение основных проблем создания новых сплавов, обуздания коррозии металлов не обходилось без сотрудников ВИАМа. И сегодня мы имеем сплавы, которых больше нет нигде в мире.
По заявлению специалистов всемирно известной американской компании «Дженерал Электрик», наши технологии и по сей день в 30 раз эффективнее тех, что применяются на Западе. Например, главные детали современного реактивного двигателя — лопатки компрессора высокого давления и газовой турбины и некоторые другие — сегодня не штампуют, не вытачивают, а… выращивают.
Температура рабочего газа в камере сгорания достигает 1700–1800 °C, то есть превосходит температуру плавления самого материала, из которого делаются стенки камер и лопатки газовых турбин. Приходится прибегать к их интенсивному охлаждению. Но если снизить температуру камеры довольно просто — стенки ее неподвижны, то с вращающимися с огромной скоростью лопатками дело обстоит куда сложнее.
А если лопатку, потерявшую от нагрева прочность, сорвет с ее места, бед она может натворить не меньше, чем артиллерийский снаряд.
Поэтому для большей прочности лопатки ныне не вытачивают, а выращивают из особых сплавов. Создают в специальных камерах условия, при которых происходит кристаллизация металла из расплава, и постепенно выращивают деталь нужной формы.
Как это делать — целая наука. И сотрудники ВИАМа ею владеют в совершенстве. Однако мало этого. Для лучшего охлаждения лопаток до недавнего времени их приходилось делать полыми, с двумя стенками — спинкой и корытом. А через внутреннюю полость прогоняли поток охлаждающего воздуха. Однако такое решение намного усложняет технологию производства лопатки. Ведь в идеале ее прочность будет наивысшей, когда деталь целиком выращена из одного монокристалла, а тут — полость… Прочность при этом, естественно, существенно снижается. Как быть?
«Надо заставить лопатку… попотеть!» — решили технологи. В самом деле, как решает проблему охлаждения, скажем, наш организм. Во время интенсивной работы поры кожи расширяются, через них выделяется пот, унося с собой излишнее тепло. Аналогичной способностью наделяют теперь и лопатки. Каждую из них выращивают из цельного монокристалла, без пустот. Но сам кристалл пронизан тончайшими канальцами диаметром 0,2–0,3 мм, сквозь которые и прогоняют охлаждающий газ. Лопатка как бы «потеет». Причем с нагревом расширяются и «поры». Охлаждение становится интенсивнее. Что, как говорится, и требовалось доказать…
В этой печи получают уникальные сплавы для авиационной промышленности. Об особенностях своей работы рассказывает сталевар В.К. Мухотин .
Профессор С. Н. Мубояджян демонстрирует готовые лопатки, выполненные по последнему слову техники.
Из этих заготовок потом будут изготовлены лопатки для авиадвигателей.
2. Про титанов и титан
Полвека назад в ВИАМ пришел бывший сотрудник торгпредства СССР в Великобритании С.Г. Глазунов. И занялся разработкой… титановых сплавов. Именно им и его новыми коллегами были созданы первые отечественные титановые сплавы, создана технология их плавки. А его коллега, академик И.Н. Фридляндер, придумал теорию легирования высокопрочных алюминиевых сплавов, вместе с членом-корреспондентом Академии наук Р.Е. Шалиным создал первые бериллиевые сплавы.
Все это потом пригодилось при создании знаменитой «сотки» — сверхзвукового бомбардировщика Т-4 конструкции П.О. Сухого. Ныне эту машину можно увидеть на поле авиационного музея в Монине. Несмотря на то, что со времени создания этой машины минуло уж 40 лет, она и поныне производит впечатление. Еще бы! Ведь эта машина, на 70 % состоящая из титана, была способна развивать скорость 3 М, втрое больше скорости звука.
Именно на «изделии 100» впервые были испробованы многие новинки сверхзвуковой авиации, в частности, отклоняющийся при посадке нос и крылышки в передней части фюзеляжа. Новинкой была и сама схема «бесхвостки», и треугольное крыло… В общем, говорят, «сотка» не случайно получила такое наименование — ее конструкция была новой на все 100 %! Заложенные в нее конструкторские решения и поныне используются, например, в конструкции сверхзвукового самолета Ту-160.
Сотрудникам же ВИАМа «сотка» запомнилась тем, что при ее изготовлении им впервые в мировой практике пришлось осваивать технологию сварки титана. Его, как и алюминий, обычными методами не сварить. Вот и пришлось для сварки строить особый заводской корпус, создавать скафандры для сварщиков, которым приходилось работать в специальной атмосфере.
Ничего, справились. Титановые шасси и по сей день умеют делать только в России. А технология создания титановых баков потом пригодилась при строительстве первых космических аппаратов.
«Измерительной технике ВИАМа могут позавидовать многие научные учреждения страны», — рассказывает директор ВИАМа Е.Н. Каблов .
3. Разумные материалы
Ныне все чаще при изготовлении новых летательных аппаратов применяют не металл, а композитные материалы. И тут сотрудники ВИАМа сказали свое веское слово. Вспомним хотя бы эпопею с созданием космического челнока «Буран» в конце 80-х годов XX века. Знаменитые термоизоляционные плитки, которыми была обклеена нижняя часть космического самолета, создавались здесь же, в ВИАМе. Причем, как показали позднейшие сравнительные испытания, наша плитка оказалась лучше, чем у американцев. Хотя пришлось ее создавать буквально с нуля.
— Ее главная особенность — плитка состоит на 93 % практически из воздуха, — пояснил руководитель одного из научно-технологических комплексов ВИАМа Г.М.Гуняев. — Остальное приходится на кварцевые волокна. Только для одного такого летательного аппарата понадобилось 38 000 таких плиток. Носки же крыла и фюзеляжа, где уже и плитка не выдерживала нагрева, были выполнены из тугоплавкого графитового материала.
Ныне сотрудники ВИАМа шагнули еще дальше. Нам продемонстрировали детали из материала «тигр». Название экзотическое, но логичное: так называется композит на основе ТИтана и ГРафита.
Сейчас авиаконструкторы ведущих стран мира напряженно работают над созданием истребителя пятого поколения. В частности, в скором будущем наши специалисты намерены продемонстрировать своим зарубежным коллегам свои перспективные машины Су-49 и Су-52, целиком выполненные из композитов на основе углерода. Материалы для них успешно проходят испытания в конструкции экспериментальной машины ОКБ им. П.О. Сухого с крылом обратной стреловидности С-37 «Беркут».
— В основе конструкции лежат так называемые интеллектуальные материалы, которые самостоятельно откликаются на физические воздействия, — пояснил профессор Георгий Михайлович Гуняев. — Например, крыло меняет свою форму таким образом, чтобы наилучшим образом соответствовать данным аэродинамическим условиям, оптимизировать угол атаки независимо даже от воли летчика, автоматически. В итоге удается избежать сваливания в штопор и прочих неприятностей…
Причем новые материалы проявили себя наилучшим образом при полетах не только в дозвуковом, но и в сверхзвуковом режимах. Накопленный опыт теперь используется и для изготовления крыльев больших самолетов. Законцовки плоскостей выполняются на них из композиционных материалов и работают таким образом, чтобы снизить нагрузки на корневую часть крыла. Только за счет этого удалось облегчить летательный аппарат на 3500 кг.
Исходным материалом для изготовления композитов может послужить и стеклоткань.
4. Открытия для покрытий
Профессор Эдуард Константинович Кондрашов рассказал нам об авиационных покрытиях. Казалось бы, невелика хитрость — покрасить самолет. Однако даже для забора надо правильно подобрать краску. Что же тогда говорить о летательном аппарате?
Вот лишь перечень некоторых требований к авиационному покрытию. Оно должно надежно держаться на покрываемой поверхности во всем диапазоне температур и скоростей. Предохранять поверхность от коррозии. Не ухудшать, а хорошо бы — улучшать аэродинамическое обтекание машины. Не быть тяжелым — а то ведь только при окраске самолет может потяжелеть на 200–300 кг.
И это примерный набор лишь так называемых общих требований конструкторов. А есть еще и специальные. Например, чтобы покрытие обеспечивало малую радиозаметность машины, поглощало и рассеивало лучи радаров. Чтобы краска еще и от радиации защищала… или меняла цвет при изменении температуры… И сотрудники ВИАМа не теряются.
— Нам приходится иметь дело практически со всей таблицей Д.И. Менделеева, — подвел итог своему рассказу Э.К. Кондрашов. — Да и бионикой тоже интересуемся: как, скажем, работает механизм изменения окраски у того же хамелеона, что у него можно позаимствовать?..
И это лишь одно из перспективных направлений. Из других отметим хотя бы использование волокон в авиационных конструкциях. Говоря упрощенно, некоторые детали и узлы авиационной техники в будущем намерены… ткать, подобно тому, как ткут ныне ткани. И такие материалы обещают быть еще прочнее нынешних композитов, в их структуру еще в процессе изготовления будут закладывать всевозможные датчики и микроэлектронные устройства. Ну а там, глядишь, дойдут и до того, чтобы выращивать из расплавов не только лопатки турбин, но и готовые узлы, и даже целые машины. Последние достижения нанотехнологии позволяют на это надеяться.
И можно быть уверенными, одними из первых в мире эти новинки опробуют, начнут активно использовать сотрудники Государственного научного центра «Всероссийский институт авиационных материалов».