Авиаконструкторы бьются о стекло
Инновационные материалы для остекления самолетов и вертолетов разработаны в холдинге «РТ-Химкомпозит», входящем в Ростех. Серийное производство планируется развернуть в НИИ полимеров.
Фонари из нефти
Новые стекла на основе органического материала полиметилметакрилата (ПММА), как сообщается на сайте Ростеха, обладают высокой прочностью и термической стабильностью. Главные достоинства в сравнении с иностранными образцами – повышенная стойкость к поверхностному растрескиванию и сохранение характеристик при нагреве в течение 100 часов до 160 градусов. При кратковременном росте температуры до 180 градусов стекла также не теряют своих качеств. Такие режимы эксплуатации лобовых стекол истребителей возникают при полете на сверхзвуковых скоростях.
«Новые стекла по техническим и эксплуатационным характеристикам соответствуют лучшим мировым образцам. Они могут применяться и в космической отрасли, судостроении, в железнодорожном транспорте. Некоторые марки нового стекла уже прошли отраслевую сертификацию и получили допуск для применения в авиационной отрасли, они готовы к промышленному производству. Выпуск изделий конструкционной оптики предприятиями Ростеха гарантирует технологическую независимость отечественной промышленности в этой критически важной отрасли», – отметил исполнительный директор Ростеха Олег Евтушенко.
“ При скорости 900 километров в час лобовое стекло военно-транспортного самолета выдерживает столкновение с двухкилограммовой птицей ”
Естественный вопрос: из чего же сейчас делают фонари для сверхзвуковых истребителей Су-35, Су-30 и МиГ-29? Ведь в «чистом» виде использовать ПММА нельзя – его температурная устойчивость не столь высока. При плюс 60 градусах начинается размягчение материала, выше плюс 105–110 – деформация. Есть у оргстекла, которое широко используется в бытовых приборах, еще один недостаток – под действием механического напряжения оно подвержено поверхностному растрескиванию, которое называется серебрением. А это снижает прозрачность.
Чтобы минимизировать эти два «родовых изъяна» органического стекла, применяют различные методы. В частности, вводят в состав материала определенные пластификаторы. Используют ориентационное вытягивание в процессе формования изделий, что приводит к повышению кристаллизации и снятию внутренних напряжений.
Что касается прочих свойств оргстекла, они вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к авиационным материалам. Оно морозоустойчиво, может использоваться при температурах до минус 60 градусов, то есть на значительных высотах. Стойко к маслам, кислотам и щелочам.
И еще одно важное достоинство по сравнению с кремниевым стеклом – низкий удельный вес, помогающий летательным аппаратам стать легче.
Особый подход к МиГ-31
Органическое стекло без особых технологических ухищрений можно использовать в самолетах гражданской и транспортной авиации, работающих на дозвуковых скоростях. Для данных воздушных судов в НИИ полимеров делают стекла марок СО-120А, АО-120, СО-120Т, размягчающиеся при 120 градусах. Режим эксплуатации допускает превышение температуры на 20–30 градусов, поскольку это не приводит к деформации.
Помимо параметра, определяющего теплостойкость, существует еще такое понятие, как термостабильность. При превышении определенного порога в стекле возникают оптические эффекты, мешающие наблюдению объектов. Граница термостабильности всегда выше температуры теплостойкости, поэтому этот параметр в отношении авиационных материалов считается некритичным.
Что касается остекления фонарей сверхзвуковых самолетов, в настоящее время НИИ полимеров выпускает марку Т2-55 или же СО-133. Это разработка еще советских времен. Температура размягчения – 133, с учетом эксплуатационной «надбавки» – порядка 155 градусов. Можно предположить, что Ростех в скором времени зарегистрирует новый материал под маркой СО-160.
Но это будет вчерашний день по части материалов для остекления самолетов. Потому что еще в советский период во Всесоюзном научно-исследовательском институте авиационных материалов (ныне он Всероссийский – ВИАМ) было разработано и внедрено в производство фторакрилатное органическое стекло марок Э-2 и СО-200. Образцы не имели аналогов в мире. Температура размягчения достигала 180–200 градусов, а рабочая – 230–250. Эти стекла использовались на самых скоростных советских истребителях-перехватчиках МиГ-25 и МиГ-31.
Однако в период развала страны и экономики производство было утрачено окончательно и бесповоротно. То есть восстановить его невозможно. Но не столько из-за технологической сложности, сколько из-за чрезвычайно высокой стоимости продукции. Есть и экологические причины: производственный процесс – очень грязный, вредный для рабочих и опасный для окружающей среды, в значительной степени из-за использования фтора.
В настоящий момент в результате сотрудничества ВИАМ и НИИ полимеров создано и должно внедряться в промышленное производство стекло редкосшитой структуры, которое несколько уступает по характеристикам фторакрилатному, но превосходит изделия на основе полиметилметакрилата. К новинкам относятся такие марки, как СО-120С, ВОС-1, ВОС-2, ВОС-2АО с рабочими температурами от 160 до 200. Их производство и дешевле, и чище.
Прочнее стали
Однако органические стекла не в состоянии вытеснить из авиации и особенно из космонавтики неорганические силикатные. У последних есть неоспоримые достоинства, пусть они и вдвое тяжелее, и менее пластичны.
Во-первых, это работа при значительно более высоких температурных нагрузках. В нулевые годы заканчивался ресурс фонарей из оргстекла Э-2 на МиГ-31, максимальная скорость которых достигает 3000 километров в час. А производство Э-2 было свернуто. НИИ технического стекла им. Солинова (НИТС) и обнинскому НПП «Технология» им. Ромашина, входящим в холдинг «РТ-Химкомпозит», пришлось заново решать задачу остекления перехватчика. В 2014 году «тридцать первым» начали менять фонари на новые.
Есть и другие достоинства. Силикатное стекло, изготовленное по современным технологиям, крепче органического более чем в десять раз. У него отсутствует эффект серебрения. И эксплуатационный ресурс выше, он достигает 30–40 лет.
В XXI веке роль силикатных материалов существенно возросла в остеклении российских самолетов прежде всего военного назначения. Это стало возможным благодаря научным исследованиям и использованию их результатов в технологических процессах. Специалисты НИТС утверждают, что им удалось добиться прочности стекла более высокой, чем у легированной стали. Благодаря этому достигнуты парадоксальные результаты: несмотря на то, что удельный вес органического стекла вдвое меньше, чем у силикатного, конструкции из последнего легче. Они гораздо тоньше при такой же, а то и большей прочности. Лобовое силикатное стекло военно-транспортного самолета выдерживает столкновение с двухкилограммовой птицей на скорости 900 километров в час. Еще наглядный пример: толщина стекла на Boeing 787 – 45 миллиметров, на Ту-204 – 17.
При этом используются достаточно сложные технологии не только варки стекла, но и формования пластин и сборки из них конструкций. Именно конструкций, поскольку в элементах остекления кабины используется «сэндвич», состоящий из пластин с различными свойствами и особым образом сваренных.
За Су-57 потянулись другие
Очередной технологический прорыв НИТС совершил при разработке остекления истребителя пятого поколения Су-57. Была создана беспереплетная конструкция сложного 3D-формата, уникальная для современной авиации по размерам и площади остекления.
Впоследствии эту технологию использовали в Су-35, МиГ-31, МиГ-35, учебно-боевом Як-130. За счет облегчения веса машин удалось несколько увеличить их скорость и тяговооруженность.
В конструкцию Су-57 внесло вклад и обнинское НПП «Технология», разработавшее покрытие для остекления кабины, которое снижает радиолокационную заметность самолета на 30–35 процентов. Оно представляет собой слои оксидов металлов толщиной 70–90 нанометров, которые поглощают излучаемые РЛС противника радиоволны. Это покрытие применяется также в Су-30, Су-35 и МиГ-35, стратегическом ракетоносце Ту-160, палубном МиГ-29К, истребителе-бомбардировщике Су-34.
Существуют летательные аппараты, самолеты и вертолеты, которые подвержены особой опасности поражения, поскольку работают на малых высотах в непосредственной близости от противника. К ним относятся ударные вертолеты Ми-24, Ми-28Н «Ночной охотник», Ка-52 «Аллигатор», штурмовик Су-25. В их остеклении используются особо прочные материалы, называющиеся «прозрачной броней». Поскольку главное требование, которое к ним предъявляется, – защита экипажа от огня зенитной артиллерии и автоматического стрелкового оружия, то весу конструкторы большого значения не придают. В качестве «прозрачной брони» применяются многослойные конструкции, в которых используются как силикатные пластины, так и органические. Такая броня способна защитить от пуль калибра 12,7 миллиметра и осколков снарядов. Так, например, на штурмовике Су-25 использовано бронестекло ТСК-137, толщина которого достигает 65 миллиметров.
Пластмассовый МиГ-35
Нельзя обойти вниманием композиционные материалы, которые все больше используются в авиастроении при производстве планеров. Достоинства очевидны. Эти материалы легче и долговечнее. Прочность выше, чем у металлов. На них не распространяется усталость материала.
Композиты создаются на полимерной основе – как углепластика, так и стеклопластика. Еще одно достоинство этих материалов – из них можно делать элементы конструкции гораздо больших размеров, чем при использовании алюминия или титана. Достигается значительный выигрыш в технологических процессах, особенно при сборке самолетов или вертолетов. А в результате – существенный эксплуатационный навар. За счет облегчения гражданских лайнеров экономится топливо, у перевозчиков возрастает прибыль. В военной авиации увеличивается дальность полетов, улучшается маневренность, добавляется полезная нагрузка.
Созданием новых композиционных материалов для авиапрома, а также производства изделий из них в России занимаются несколько НИИ, КБ и НПО. Среди них ВИАМ. Если до 80-х годов институт занимался в основном созданием новых «металлических» технологий, то впоследствии все больше внимания стало уделяться композиционным материалам. НПП «Технология», помимо проблем остекления кабин, решает задачи построения фюзеляжей и элементов планеров самолетов. В частности, налажен выпуск высококачественных носовых обтекателей из стеклопластика, которые абсолютно прозрачны для радиоволн, размещенных внутри РЛС, и антенн бортовых радиостанций.
Вытеснение алюминия и других металлов из авиации началось давно. Вначале делались робкие шаги. В конце 70-х годов в конструкцию разрабатывавшегося МиГ-29 было включено всего несколько композитных деталей. При общей массе пустого самолета 10 900 килограммов за счет использования углепластика удалось «сбросить» всего 105 килограммов. В МиГ-35 картина уже иная. Вес самолета удалось уменьшить уже на 790 килограммов. Причем в 60 процентах площади планера (144 кв. м) использованы композиционные материалы.
А в легких беспилотниках планеры и крыло делаются уже полностью из композитов.
Владимир Тучков
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 12 (825) за 31 марта 2020 года