Жар не сломит: создан материал для космических самолетов будущего
Ученые МАИ разрабатывают новый композитный материал, устойчивый к сверхвысоким температурам. Он будет применяться для строительства многоразовых космических самолетов нового поколения. По своим характеристикам он обгонит современные материалы, не говоря уже о тех, что в свое время применялись на знаменитых «Буранах» и «Спейс шаттлах», — будет способен выдержать температуру до 2000 °С в течение 20 минут. Первые испытания полученных образцов показали их эффективность. Эксперты отметили, что разработка таких материалов стала мировым трендом, однако с момента создания до применения может уйти до десяти лет.
Будет жарко
Во время полетов на высоких и сверхвысоких скоростях набегающий поток воздуха сильно нагревает летательные аппараты. Без дополнительной защиты это чревато быстрой коррозией и деградацией деталей.
Чтобы решить эту проблему, научная группа НИО-9 МАИ создает особо жаропрочный композиционный материал, способный выдерживать температуру до 2000 °С. Он будет востребован при создании космических самолетов. Их прототипами в свое время были знаменитый «Буран» или «Спейс шаттл». Такие аппараты могут доставлять на орбитальные станции людей и грузы, а также выводить на околоземную орбиту самые разные устройства.
Подобные космические самолеты должны быть многоразовыми. И если вывод на орбиту дело относительно простое, то при возвращении на обшивку ложится большая нагрузка. Трение об атмосферу разогревает ее до огромных температур.
Ранее применяемые в авиастроении композиционные материалы, устойчивые к высоким температурам, состояли из углеродных волокон и матрицы на основе либо особого углерода, либо карбида кремния. Однако первые из них не могут работать в воздухе из-за окисления углерода, которое начинается при температурах 400–450 °С и увеличивается с их ростом. Вторые работоспособны вплоть до 1700–1750 °С, но ресурс их очень низок из-за того же процесса окисления.
Для защиты от разрушения под каждый конкретный материал обычно дополнительно разрабатывается жаростойкое защитное покрытие. На том же «Буране» для этого применялось особая стекловидная пленка, и аппарат выдерживал температуру до 1600 °С.
— Наша научная группа пришла к идее создания углерод-керамического композиционного материала, не содержащего соединений на основе кремния, — рассказал «Известиям» член научной группы Игорь Сукманов. — В качестве матрицы, скрепляющей углеродные волокна, используются карбиды и бориды (соединения металлов с углеродом и бором. — Известия) ряда металлов — гафния, ниобия и титана. При высокотемпературном окислении таких композитов на поверхности будет формироваться защитный слой. Он обеспечит снижение скорости окисления углеродных волокон.
Авторы работы ожидают, что работоспособность полученных материалов составит не менее 15–20 минут при температурах на поверхности до 2000–2200 °C.
Крещение огнем
Опытные образцы уже прошли первые огневые газодинамические испытания, сообщил «Известиям» руководитель научной группы, доцент кафедры 903 «Перспективные материалы и технологии аэрокосмического назначения» МАИ Алексея Астапов.
— По результатам испытаний мы будем вносить корректировки в фазовый состав композита и режимы технологических процессов его получения. Новые, уже скорректированные образцы также испытаем, — рассказал он.
Подобные материалы могут применяться при создании космических возвращаемых аппаратов нового поколения. На данный момент создание потомков «Бурана» находится на стадии обсуждения, рассказали разработчики.
Нагрев поверхности космического аппарата при входе в атмосферу зависит от его траектории, отметил заместитель гендиректора компании «Итекма» (российский производитель и разработчик композиционных материалов) Вадим Микрин.
— Космические корабли «Буран» и «Спейс шаттл» входили в атмосферу по траектории, при которой температура их поверхности была порядка 1600 °C, их защищали с помощью керамических плиток, — пояснил эксперт. — Космические корабли самолетного типа для космических туристов типа SpaceShipTwo компании Virgin Galactic не нагреваются настолько сильно, так как не поднимаются на высокую орбиту.
Для них, по словам Вадима Микрина, достаточно использования полимерных высокотемпературных композитов с температурой эксплуатации до 400–450 °C.
До МКС такие самолеты обычно не летают, но теоретически задача выполнима, считает Игорь Сукманов.
— Не исключается возможность применения такого рода композитов и в стратегических маневренных летательных аппаратах будущего, — отметил Алексей Астапов. — Причем не только в качестве конструкционного материала для горячих деталей планеров, но и в качестве теплозащитного материала для элементов проточных трактов двигательных установок этих аппаратов.
Руководитель исследования добавил, что при этом управление теплопроводностью композитов в относительно широком диапазоне возможно за счет варьирования пористости создаваемой структуры, что достигается изменением ряда параметров режимов на стадиях технологического передела.
Заведующий лабораторией «Материалы для применения в экстремальных условиях» Центра компетенций НТИ «Цифровое материаловедение» МГТУ им. Баумана Вячеслав Селезнев добавил, что сегодня сертификация материалов, которые могут использоваться в космосе, занимает до 10 лет.
Проект выполняется при поддержке Российского научного фонда.
