В МАИ создают жаростойкий композит для ракетно-космической техники. Он не разрушается под воздействием высоких температур в окислительных средах. Его можно использовать для защиты возвращаемых космических летательных аппаратов, подвергающихся экстремальному нагреву до 2200–2300 °С и выше и воздействию атмосферного кислорода на высоких скоростях. О том, где возможно применение подобной технологии, в чем ее новизна и преимущества по сравнению с существующими и отработанными методиками производства материалов для космической отрасли, каковы перспективы и трудности для ее внедрения, поговорили с руководителем проекта, доцентом кафедры 903 «Перспективные материалы и технологии аэрокосмического назначения» МАИ Алексеем Астаповым.
— Алексей Николаевич, расскажите, пожалуйста, о том, как родилась идея разработки подобного материала.
Во время входа возвращаемых космических летательных аппаратов в плотные слои атмосферы их передние кромки оперения и носок планера подвергаются воздействию набегающих потоков воздушной плазмы. Это приводит к их нагреву до температур 2200–2300 °С и выше. Аналогичные температуры реализуются при горении топлив в проточных трактах двигательных установок, обеспечивающих функционирование ракет-носителей и других транспортных средств. И вопрос рождается сам собой: какие материалы могут работать в таких условиях да еще и обладать минимальным весом?. Ответ — углерод-керамические композиты.
Кафедра 903 «Перспективные материалы и технологии аэрокосмического назначения» МАИ имеет богатый опыт в области разработки жаростойких покрытий для защиты углерод-керамических композитов и жаропрочных сплавов от окисления. Разработки прошли летные испытания в составе беспилотного орбитального ракетоплана «Бор-4» в рамках программы «Энергия — Буран», а также рассматривались как перспективные в рамках экспериментальных исследований по программам «Ariane» (Европейское космическое агентство), «BrahMos-II» (Индия-Россия) и др. С 2019 года на кафедре проводятся исследования по созданию углерод-керамических композиционных материалов, работоспособных в условиях обтекания и нагрева вплоть до 2500 °С скоростными высокоэнтальпийными потоками кислородсодержащих газов (воздух, продукты сгорания топлив). Исследования непрерывно финансируются Российским научным фондом.
— В чем суть технологии? И в чем ее новизна?
К настоящему времени нами разработан и успешно апробирован новый методологический подход к созданию ультравысокотемпературных углерод-керамических композитов. Армирующими компонентами в них выступают высокопрочные углеродные волокна. Именно они призваны обеспечивать несущую способность (конструкционную прочность) материалов. А вот для того, чтобы композиты не сгорели в агрессивных потоках окислительных газов и могли эффективно работать, необходимо под каждую конкретную задачу создавать специальную многокомпонентную матрицу. Она должна выполнять две принципиально разные функции. С одной стороны, как и положено матрице, она должна объединять волокна в единый материал и обуславливать передачу и равномерное распределение нагрузок извне. А с другой — обеспечивать защиту всего материала, и в частности, углеродных волокон, от окисления и абляции.
Работает это следующим образом. При высоких температурах и при наличии кислородсодержащих компонентов в газовых потоках структурные составляющие матрицы начинают окисляться. Это приводит к формированию оксидной пленки, которая закрывает собой поверхность композита и не пускает окислитель вглубь материала. Т.е. происходит капсулирование in situ композита непосредственно в процессе его эксплуатации. Грамотное управление составом матрицы открывает широкие возможности регулирования свойствами композитов в скоростных потоках окислительных газов.
— Как технология может быть применена в сфере космоса и ракетостроения?
Технология является перспективной для изготовления горячих элементов планеров возвращаемых космических летательных аппаратов (носовые конусы, обтекатели, экраны, ведущие кромки оперения) и элементов проточных трактов двигательных установок (сопловые блоки и насадки, вкладыши, камеры сгорания, жаровые трубы).
— А в авиастроении?
В авиационной технике технологию использовать нецелесообразно, так как работают традиционные материалы, например металлические сплавы, угле- и стеклопластики.
— Есть ли подобные разработки в мире?
Созданием подобного рода композитов занимается множество коллективов ученых всех развитых стран мира. Особые достижения принадлежат исследователям из США, Канады, стран Европы, Китая, Индии, Японии, Бразилии. К сожалению, доля отечественных исследований в общемировом объеме разработок ультравысокотемпературных углерод-керамических композитов крайне низка. Значимые работы по их созданию в России, по нашим оценкам, проводятся лишь в МИСИС (г. Москва), ИХТТМ СО РАН (г. Новосибирск), а также на отраслевых предприятиях аэрокосмического сектора – АО «Композит» (г. Королев), АО «УНИИКМ» (г. Пермь) и АО «ЦНИИСМ» (г. Хотьково). Более подробный критический анализ современных достижений в области разработки и исследований окислительной и абляционной стойкости отмеченных композитов содержится в нашем свежем литературном обзоре в журнале с квартилью Q1.
Отличительной особенностью разработанного нами подхода является то, что углерод-керамические композиты изготавливаются по той же технологии и на том же оборудовании, что и распространенные углерод-углеродные композиты. Необходимо лишь на стадии изготовления препрегов — полуфабрикатов композиционных материалов — включить между слоями углеродных тканей керамические компоненты будущих матриц.
Подход успешно апробирован при изготовлении углерод-керамических композитов с матрицами на основе карбидов и боридов гафния, титана и ниобия. Они продемонстрировали работоспособность в потоках воздушной плазмы при температурах на поверхности до 2427 °С и давлении ~ 3 кПа (внешняя задача аэродинамики и теплопереноса) и в потоках воздуха при 2300 °С и давлении 0,11 МПа (внутренняя задача). Результаты исследований и их критический анализ частично представлены в нашей статье в журнале с квартилью Q1.
— Почему композиционные материалы сегодня так активно развиваются?
Это связано с уникальными свойствами композитов и возможностью ими управлять через компонентный состав и структуру. Применение их в изделиях ракетно-космической промышленности обеспечивает двойной выигрыш по сравнению с другими материалами — высокие жаропрочность и стойкость к абляции (сопротивление разрушению, вызванному окислением и уносом массы), с одной стороны, и высокая весовая отдача (снижение веса конструкции) — с другой.
— На каком этапе ваш проект сегодня?
В настоящий момент мы параллельно работаем по двум направлениям. Первое направление связано с исследованием различных составов матриц на окислительную и абляционную стойкость получаемых композитов. То есть изучаем влияние компонентного состава матриц на поведение материалов в условиях, приближенных к эксплуатационным. Второе направление связано с постадийной отработкой параметров режимов техпроцессов получения композитов. Это позволит оптимизировать технологию изготовления изделий и увеличить воспроизводимость результатов. Важно подчеркнуть, что длительность полного цикла изготовления композитов составляет 3-4 месяца. Затем следует изучение их структуры, физико-механических, эксплуатационных и функциональных свойств, анализ полученных результатов и только затем переход на следующую итерацию исследования. Поэтому процесс этот кропотливый, требующий огромного внимания, времени, опыта и терпения.
— Как будете развивать вашу технологию?
Прежде всего, будем рассматривать различные составы матриц получаемых композитов. Количество возможных вариаций весомое, поэтому работы предстоит много. Хочется поделиться постигнутой мудростью: настоящее исследование нельзя закончить, его можно только прекратить. А прекращать, на мой взгляд, имеет смысл только тогда, когда достигнутый результат удостаивается собственной похвалы, а не аплодисментов и одобрения окружающих.
— Стоимость материала обещает быть высокой?
Все без исключения материалы для высокотемпературных применений имеют высокую стоимость. Но разве можно говорить об этом, когда речь касается вопросов технологического лидерства? Уверен, что стоимость не будет преградой для внедрения и использования разработок в ракетно-космической сфере.
— Как вы оцениваете перспективу разработки? И когда она сможет найти реальное применение и выйти из стен университетской лаборатории?
В результатах исследований имеется заинтересованность со стороны одного из ведущих предприятий России в области проектирования и производства конструкций из композитных материалов для ракетно-космической техники, транспортного, энергетического, нефтехимического машиностроения —АО «Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения» (г. Хотьково). Разработанная технология реализована в их опытном производстве. Ведутся переговоры о дальнейшем научно-техническом сотрудничестве по данному направлению.