http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=9c95d61e-6052-48a4-9f6a-24f2a6162954&print=1© 2024 Российская академия наук
В разрезе эта лопатка авиационного двигателя напоминает картон. Толстый, гофрированный. Принцип строения – тот же самый: сверху и снизу гладкая поверхность, внутри наполнитель гармошкой. Изогнуть ещё в двух плоскостях - и готово. Вставляй в двигатель – и отправляй на завод, где собирают будущий российский средне- и ближнемагистральный самолёт МС-21.
К сожалению, не всё так просто. Самолёты не летают на моторах из картона. Во входном вентиляторе авиационного двигателя должны стоять лопатки из титана. А вот для того, чтобы титан при их изготовлении вёл себя не упрямее картона, необходимы подчас многолетние усилия целых академических институтов. Не для того, конечно, чтобы учёные гнули металл руками. Усилия эти должны приводить к тому, чтобы металл сам принимал ту структуру, которую от него требуют, и свойства приобретал такие, когда сам «Роллс-Ройс» признает наш приоритет и предлагает заманчивое сотрудничество.
Об одной из таких технологий ИТАР-ТАСС рассказал директор уфимского Института проблем сверхпластичности металлов РАН Радик Мулюков:
- Создаётся двигатель нового поколения. Он предназначен для нового чисто российского самолёта - средне- и ближнемагистрального класса МС-21. Он должен быть конкурентоспособен на мировом уровне. Работа над ним уже идёт, идёт вовсю. Самолёт должен быть создан в 2017 году. Ставки довольно велики. Как говорят специалисты, если он к этому времени полетит, то у нас своя гражданская авиация на собственных машинах - будет. Если же собственный самолёт создать не сможем, то с нею можно попрощаться.
СПРАВКА: Иркут МС-21 («Магистральный Самолёт XXI века») — проект ближне- и среднемагистрального гражданского самолёта, который должен заменить устаревшие физически и морально Ту-134 и Ту-154, а частично и Ту-204. Он предназначен для отвоевания внутреннего рынка подобных машин и для дальнейшего выхода на международную арену, где вступит в конкуренцию с Airbus A320 и Boeing 737.
Программа создания МС-21 оценивается в 190 миллиардов рублей. При этом на научно-исследовательские работы по новому самолёту в прошлом году выделено 2 млрд рублей.
- А что за двигатель нового поколения?
- Такой двигатель создаётся раз в 40 лет. Потом следуют улучшения, модернизации, модификации, но однажды всё это перестаёт соответствовать требованиям времени. И тогда требуется двигатель нового поколения. Вот такой и создаётся для этого самолёта.
- Но это же конструкторская работа. При чём тут академический институт, фундаментальная наука, сверхпластичность? Требуется, скорее, наоборот - помочь подобрать для производства металл пожёстче, чтобы выдерживал подольше, не плавясь при больших температурах да оборудование посовременнее на Западе…
- Вот-вот. Примерно из-за этого нам поначалу трудно было работать с заводчанами. Они не верили нам, «академикам»: дескать, они только формулы писать умеют. А тут задача сложнейшая стоит: для двигателя нужна облегчённая широкохордная лопатка входного вентилятора. Если не углубляться в технические детали, то можно сказать, что без неё перспективного двигателя не будет.
Сегодня технологией их производства обладает только английская компания «Роллс-Ройс». Для облегчения лопатки она сделана полой, а требуемую конструкционную прочность ей придают внутренние гофры. Но экспорт технологии ее изготовления запрещен, нам предлагают покупать двигатель полностью. А представляете его цену, если только одна такая полая лопатка (а их на входном вентиляторе – 20) стоит 25 тысяч долларов?
И вот тут как раз и пришло время показать себя академической науке. Всё ведь начинается с формул…
Словом, со временем признали нас конструкторы и заводчане. Все мы научились разговаривать приблизительно на одном лексиконе. Руководителем работ является Объединенная двигателестроительная корпорация, основными разработчиками конструкции двигателя – пермское ОАО «Авиадвигатель». В конструкторской работе по полой лопатке участвуют также ЦИАМ, Корпорация «ВСМПО-АВИСМА». Серийно полая лопатка будет производиться на Уфимском моторостроительном производственном объединении.
- Справились, смогли сделать так, чтобы сборная конструкция полой лопатки обладала прочностью единого тела?
- Справились. На своём оборудовании.
- И как? Из чего? Что же в итоге придумали?
- Технология такова. Сначала берётся три титановых листа. Во внутреннем листе, который называется наполнителем, делаются надрезы по определённой схеме. Затем на отдельные участки внешних листов наносится антисварочное покрытие. После чего все листы диффузионно свариваются. Это такой способ сварки без расплавления за счёт взаимного проникновения атомов свариваемых деталей.
Соответственно, те места, которые покрыты антисварочным материалом, остаются не приваренными. А затем в режиме сверхпластичности уже соединённые в одно листы гнутся, выкручиваются определённым образом и, наконец, формуются – «раздуваются» изнутри. Получается цельная полая конструкция с рёбрами жёсткости внутри.
Но плюс ко всему мы единственные, кто на сегодняшний день может делать объемные и листовые наноструктурные материалы практически любых требуемых габаритов. Одним из преимуществ использования наноструктурного листа в качестве среднего из свариваемых является снижение температуры сварки. Это достигается благодаря тому, что, как мы установили ранее, формирование наноструктуры в материале значительно повышает диффузионную способность его атомов. Благодаря этому диффузия – то есть соединение металлов путём взаимопроникновения - начинается при более низкой температуре, нежели обычно. А раз температура более низкая, то удаётся избежать многих проблем, вызываемых высоким нагревом. В частности, на поверхности не образуется охрупчивающий окисел, снятие которого является сложной технической задачей.
Таким образом, 14 июля 2011 г. в 6 часов 30 минут в Институте проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук был осуществлен технологический прорыв в области авиационного двигателестроения, был дан ответ «быть своей российской гражданской авиации или нет» - быть! По разработанной в результате упорного труда в течение пяти лет технологии, основанной на сварке давлением и сверхпластической формовке, в институте впервые в России была изготовлена полноразмерная полая широкохордная лопатка для входного вентилятора авиационного двигателя нового поколения. Эта работа выполнена благодаря многолетнему сотрудничеству ИПСМ РАН со всеми перечисленными выше организациями и, в первую очередь, с конструкторами из ОАО «Авиадвигатель». Разработанная институтом технология опережает известные зарубежные аналоги.
После этого успеха нам, академическому институту, было поручено изготовить первые «боевые» комплекты лопаток. Первые стендовые испытания дали замечательные результаты. Сейчас наша задача изготовить в своем Инновационном центре еще полтора комплекта лопаток и помочь заводчанам в освоении серийной технологии.
Узнав о наших результатах, компания Роллс-Ройс через свое научно-технологическое подразделение обратилась к нам с заманчивым предложением о сотрудничестве. Особенно в нашей приоритетной области - в получении и применении объемных и листовых наноструктурных материалов. Мы взаимодействуем с зарубежными научными центрами. Но пока есть возможность работать на свою страну, и есть заинтересованность в нашей работе, мы будем прежде всего работать для России. Кстати, наш вежливый отказ поняли, и выразили надежду на взаимодействие в будущем. Во всех развитых странах самой престижной работой для ученого считается работа в интересах своей страны.
- Есть ли у вас в институте еще какие-либо фундаментальные разработки, которые идут в реальный сектор экономики?
- Есть и не одна. Скажем, недавно мы начали работать и с Объединённой авиастроительной корпорацией - по планёру для самолета МС-21. В планёре предполагается делать облегчённое крыло. Из углепластика. Но целиком его таким сделать нельзя, ведь нужны ещё крепёжные элементы. Их нельзя делать из алюминия, потому что в местах соединения образуется контактная разница потенциалов. Можно изготовлять из титанового сплава – но это дорогой сплав, а крепежные элементы имеют сложную форму. Если их изготавливать резанием, то львиная доля уходит в стружку, что неприемлемо. Мы же работаем над тем, чтобы с помощью нанотехнологий и сверхпластичности делать эти детали практически безотходно.
Дальше – в двигателях есть соединения материалов, которые не свариваются обычной сваркой. Например, титановый сплав и нержавеющая сталь. Их соединяют механически. То есть сажают на болты. А мы на основании результатов наших исследований научились их соединять сваркой давлением через тонкую наноструктурную прокладку. Химический состав прокладки подбирается таким образом, чтобы она диффузионно сваривалась с материалами обеих сопрягаемых деталей. Переход от механического соединения к сварке давлением (другими словами, диффузионной сварке) позволит сделать двигатель надежнее, легче, увеличит его экономичность.
Скорее всего, такой способ сварки можно использовать для многих ответственных соединений в промышленности и транспорте. При этом, что важно, шов перестает быть опасным местом! При правильном подборе материала наноструктурной прокладки один материал встраивается, как бы врастает, в другой опасных хрупких структурных слоев в пришовной области. Качество шва такое, что при механических испытаниях конструкция рвётся не по нему, а по более слабому из соединяемых материалу. В свое время наш институт делал соединения сваркой давлением для компании General Electric. Американцы пытались ультразвуком найти место соединения и не смогли. Прибору «кажется», что деталь сплошная!
Отмечу один важный для нас научно-организационный момент, который мы наработали в последние годы. Очень продуктивно и перспективно нам, материаловедам, физикам участвовать в разработке новой техники, новой технологии совместно с конструкторами с самого начала. Конструктор для своей разработки берет сведения о свойствах материалов, о технологиях из справочников. А наука, и прежде всего академическая, не стоит на месте. Постоянно разрабатываются новые материалы, создаются научные основы для новых технологий, которые пока не приводятся в справочниках. С другой стороны, взаимодействие с конструкторами, с заводчанами позволяет нам выявить ключевые современные научно-технологические проблемы и учитывать их при определении направлений фундаментальных исследований института.
Так мы стараемся работать не только с двигателестроителями и самолетостроителями, но и с конструкторами и заводчанами из других отраслей. Например, много лет плодотворно работаем с предприятиями госкорпорации «Росатом». В частности, участвуем в работах по увеличению эффективности обогащения урана. Здесь также в разработке ключевого элемента. Кстати, в технологии обогащения урана по экспертным оценкам мы, Россия, заметно опережаем США. Этим можно гордиться.
- Да тут на одной интеллектуальной собственности обогатиться можно!
- Этот вопрос… назовём его сложным. Участие академического института в решении ключевых проблем при выполнении важнейших федеральных задач является большой удачей и несомненно способствует развитию института. С другой стороны есть правовая и отчасти финансовая проблемы, решение которых способствовало бы успешному развитию института и повышению результативности его работы.
Существует серьезная проблема принадлежности интеллектуальной собственности при заключении договоров по Федеральным целевым программам. При заключении институтом РАН госконтарктов в рамках ФЦП по линии Министерства торговли и промышленности, либо договоров на выполнение НИОКР в рамках ФЦП (через организацию-исполнитель) госзаказчик в лице Министерства требует закрепления права на полученный результат интеллектуальной деятельности целиком и полностью за собой. При этом институт лишается даже права на использование полученных результатов для собственных нужд. Исполнитель по договору – институт - лишается всякой возможности для реализации своих интеллектуальных прав, их защиту, что противоречит самой природе интеллектуальной собственности. Фактически, на мой взгляд, нарушаются законные права создателя результата интеллектуальной собственности, а также принцип свободы договора. Хотя существующие нормы Гражданского Кодекса РФ предоставляют исполнителю по договору на выполнение НИОКР право на использования полученных результатов хотя бы для собственных нужд. Отсутствие такого права запрещает развитие полученного в ходе выполнения контракта результата самостоятельно. Парадоксально, тормозится прогресс, который академический институт может получить в интересах РФ.
Финансирование в рамках ФЦП по линии Министерства промышленности и торговли проекта по большей части уходит партнёрам из соответствующих отраслей. Институту за эти разработки в итоге достаются крохи. Причем академическому институту не разрешается на полученные средства приобретать оборудование. В академических институтах сейчас проводится много прикладных исследований.. Но все они основаны на результатах фундаментальных исследований, «на формулах». А развивать фундаментальные исследования, имея проблемы в оснащении современным научным оборудованием, трудно.
Закончить все же хочется на мажорной ноте. Участие академического института совместно с конструкторскими бюро, с заводчанами в решении серьезных технических, технологических задач является благом для развития института. И самое главное, только такая совместная работа приведет технологическим прорывам, к поднятию престижа Российской Федерации.