«Человек всегда думал о том, как взлететь, как оторваться от земли, и при этом еще и перенести полезный груз. Леонардо Да Винчи тоже размышлял над этим и фактически создал вертолет, но у него не было нужных материалов, и, поэтому, он не смог полностью реализовать свою идею».
- Евгений Николаевич, в чем была главная особенность создания теплозащиты для "Бурана"?
- Нельзя создать новую конструкцию, не используя новые материалы. Люди всегда это понимали. Сам каркас "Бурана" был создан из традиционных авиационных материалов. Но проблемой номер один было создание новых, допускающих многоразовое использование теплозащитных материалов с диапазоном работы от минус 130 до плюс 1600 градусов по Цельсию. С их помощью надо было "закрыть" наиболее важные элементы конструкции "Бурана", чтобы, во-первых, при спуске на гиперзвуковой скорости их не прожгла плазма и не произошел взрыв, и чтобы экипаж корабля имел требуемые условия для работы. Самое главное – теплозащита не должна разрушать и терять свою геометрическую форму на различных этапах полета.
- Учитывалось ли что-то еще при разработке теплозащиты "Бурана"?
- Вы знаете, что катастрофа американского шаттла "Колумбия" в свое время произошла, потому что при старте от внешнего топливного бака отлетел кусок теплоизоляции и ударил по теплоизоляционной плитке на крыле челнока, фактически отколов ее. Когда корабль возвращался на Землю, произошло разрушение теплозащитного покрытия, и шаттл погиб. Так вот, советские ученые продумали и предусмотрели такую возможность развития событий. И конструктора орбитального корабля "Буран" поставили пред ВИАМ задачу: создать технологию и материалы, позволяющие в космосе ремонтировать теплозащитное покрытие. Предполагалось, что на орбите "Буран" перед стыковкой с орбитальной станцией "Мир" должен был сначала сделать поворот вокруг своей оси, чтобы космонавты могли посмотреть, все ли элементы теплозащиты плитки на месте и не разрушены ли они. Если бы оказалось, что какие-то плитки разрушены или отлетели, то космонавт должен был выйти в космос и "залатать" поврежденное место. Академик Гай Ильич Северин для этого случая разработал специальную конструкцию скафандра, к которому прикреплялся ранец с двумя отсеками, содержащими разные химические вещества. Космонавт нажимал кнопку, и начиналось смешивание этих веществ. В итоге получалось кремнийорганическое соединение, которое играло роль защиты. Оно выдавливалось на поверхность "Бурана", где отсутствует плитка, размазывалось шпателем, и под воздействием солнечных лучей происходила полимеризация, затвердение такой кремнийорганики. Кстати, после гибели экипажа "Колумбии", американцы разработали и успешно применили аналогичную технологию, хотя создана и отработана она была впервые именно в СССР еще в первой половине 1980-х годов.
- Как шло создание теплозащиты?
- Главным инициатором создания новых материалов всегда являются конструкторы. Так было и в нашем случае: главный конструктор НПО "Молния" Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский приехал в ВИАМ и поставил на научно-техническом совете института задачу о создании принципиально новых материалов, закрывающих диапазон температур от минус 130 до плюс 1650 градусов Цельсия, и в первую очередь – теплозащиту, которая бы сохраняла свою форму и геометрические характеристики, обладала минимальной теплопроводностью и максимально возможной прочностью.
Теплозащита "Бурана" состояла из отдельных элементов – плиток из теплозащитного материала из особочистых кварцевых волокон с наружным стекловидным покрытием, которые приклеивалась к корпусу "Бурана" через демпфирующую фетровую подложку, которая, в свою очередь, приклеивалась к плитке с помощью эластичного клея. Вот такой пирог собирался. Он должен был выдерживать большой перепад температур, большие напряжения, не "глотать" влагу. И вся «начинка» этого пирога была создана нашим институтом.
Плитки состояли на 90% из воздуха, чтобы достичь минимальных показателей теплопроводности. Разогретую в печи до тысячи ста – тысячи двухсот градусов по Цельсию плитку можно было держать на руке. А для защиты стыков многослойных теплозащитных элементов ВИАМ разработал специальные «жгуты-герметики». Но чтобы создать основу теплозащитной плитки, нужно было получить особочистые пустотелые кварцевые волокна.
Фактически, ВИАМ в рамках программы "Энергия-Буран" создал 39 принципиально новых материалов и 230 технологий, но главное – это создание теплозащитных материалов, которые по своим характеристикам превосходили американские. Но это был труд не только ВИАМа, но и институтов Академии наук, институтов химической промышленности. ВИАМ как ведущая организация сформировал кооперацию и выстроил эту работу.
К примеру, в зависимости от реальных температур на поверхности Бурана размещались черные и белые плитки. И для наиболее разогреваемых частей корабля был создан специальный материал "Гравимол". Это сокращенное название организаций, его разработавших - НИИ "Графит", ВИАМ, и НПО "Молния". "Гравимол" выдерживал температуру 1600 градусов.
- Почему именно кварцевые?
- Кварц более стабилен, в процессе нагрева в нем не происходит полиморфных превращений, в результате этого он не может треснуть. Плюс кварц имеет рабочую температуру 1250 градусов.
Но когда многие институты попытались решить задачу по разработке подобного материала, их попытки заканчивались неудачей. И тогда министр обороны, член Политбюро ЦК КПСС Дмитрий Устинов собрал совещание, на котором решение этой задачи было поручено ВИАМу. Устинов распорядился, чтобы институту выделили все необходимые ресурсы.
В институте была создана специальная лаборатория, закупили самое современное исследовательское оборудование. Она получила суперсовременное оборудование.
В итоге ВИАМ совместно с различными институтами химической промышленности и АН СССР создал ряд уникальных материалов и технологий. Так, основой для теплозащиты «Бурана» стал материал из особо чистых тонких пустотелых кварцевых волокон. Процесс его создания довольно сложен, но упрощенно суть заключается в том, что кварцевые волокна нужно взбить как хорошую перину. Ведь материал должен быть объемным, а воздух и является самым лучшим теплоизолятором. Если волокно просто уложить слоями – плитка получится очень тонкой и с высокой плотность. Взбить-то взбили, а вот зафиксировать эту «перину» оказалось очень непросто. Но и эта задача была решена: в ВИАМе разработали специальную технологию, которая позволила зафиксировать волокна в виде жесткого объёмного каркаса.
Хочу привести в этой связи один интересный пример, демонстрирующий, что в СССР при необходимости достаточно быстро решались задачи по обеспечению необходимыми компонентами. Так, при уже создании теплозащиты стало ясно, что для ее массового производства нужен особо чистый кварцевый песок, добыча которого на территории Советского Союза не велась. И первоначально столь необходимый кварц нам везли специально из Бразилии через Францию, так как напрямую это делать было нельзя.
Однако ученые Уральского отделения АН СССР решили эту проблему: ими было найдено Южно-Кыштымское месторождение, где стали добывать суперчистый кварц.
– Сколько всего было плиток на "Буране"?
- Свыше 38 тысяч. Причем каждая плитка, крепилась на обшивке строго в своей точке и имела свою ответную поверхность в зависимости от того, в каком месте на корпусе "Бурана" она стояла. Если у американцев поверхность плитки обрабатывалась вручную, то у нас был создан автомат, который позволял создавать нужную кривизну поверхности на основе предварительных расчетов. Была создана целая система, позволяющая конкретные плитки выставлять на корпусе "Бурана" под нужным углом.
- В ходе полета, конечно, какое-то количество плиток неизбежно отлетает. Сколько плиток после приземления недосчитался "Буран"?
- Всего шесть плиток! Было одно, самое опасное место, где отошли две рядом расположенные плитки. Для сравнения - американцы после каждого полета недосчитывались около ста плиток. Но самое главное – мы первыми в мире осуществили посадку в автоматическом режиме с высочайшей точностью приземления: 15 метров – по длине и 3 метра – по ширине.
- Какие эмоции Вы испытывали после завершения полета "Бурана"?
- Чувство гордости за нашу страну. Я понимал, что в этой научной, технической и космической Победе СССР – вклад и нашего института. Это выдающееся достижение, которое продемонстрировало мощь нашей науки. Мощь, которая, к сожалению, не была до конца использована.
К слову, сегодня в ВИАМ разработаны новые теплозащитные материалы, но при этом с еще более высокими свойствами, которые могут быть использованы в различных отраслях отечественной промышлености и ОПК. Также сегодня нами решается одна из важнейших задач – разработка технологий контроля состояния конструкций из полимерных композиционных материалов с помощью оптоволоконных систем встроенного контроля, в том числе после ударного воздействия. Это необходимо для повышения безопасности эксплуатации особо нагруженных элементов из полимерных композиционных материалов, что, безусловно, важно в авиационно-космической сфере, судостроении, строительстве, и многих других, где все шире используются композиты.
Вместе с тем хочу отметить, что наше будущее за интеллектуальными материалами, которые смогут менять конструкцию исходя из условий окружающей среды. Тогда, например, самолет станет подобен живому организму, обладающему нервной системой, и как птица никогда не свалится в штопор.
Многолетняя отечественная и зарубежная практика показывает, что более 80% инновационных, прорывных разработок в ведущих отраслях промышленности и других секторах экономики базируется на внедрении новых материалов и технологий. Судя по всему, эта взаимозависимость сохранится и на перспективу.
*****
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