В МАИ создают уникальный термостойкий материал для гиперзвуковых аппаратов

Специалисты кафедры 903 «Перспективные материалы и технологии аэрокосмического назначения» МАИ под руководством доцента, кандидата технических наук Алексея Астапова работают над новым сверхвысокотемпературным углерод-керамическим материалом AeroSpace.

Основное назначение материала — создание эффективной системы тепловой защиты для сверхманевренных гиперзвуковых летательных аппаратов, которая позволит повысить рабочий ресурс техники и в перспективе получить приоритет в оборонном производстве.

"За последние 10 лет требования к термостойким материалам существенно возросли: если раньше температура эксплуатации не превышала 1800 °C, то теперь требуется, чтобы они выдерживали аэрогазодинамический нагрев в воздушной плазме вплоть до 2200-2300 °C и сохраняли при этом свою несущую способность, — рассказывает один из участников проекта, сотрудник кафедры 903 Вениамин Погодин. — Сейчас научное сообщество нацелено на получение таких материалов, над этой задачей работают ведущие научные коллективы мира".

Проблема создания такого рода материалов состоит в том, что на гиперзвуковых скоростях начинают работать другие законы теплообмена. Основная тепловая нагрузка на материал формируется не только за счёт окисления и классических видов теплопередачи (конвекции, кондукции и излучения), но и за счёт процессов рекомбинации атомов и ионов набегающего потока на поверхности (каталитичности). В результате этого выделяется теплота диссоциации на внешней обшивке летательного аппарата, что приводит к значительному росту тепловой нагрузки.

Сегодня основными компонентами для термостойких материалов являются бориды и карбиды тугоплавких металлов. Продукты окисления этих составляющих — оксиды — обладают высоким значением каталитичности и в результате непродолжительного времени эксплуатации на гиперзвуковых скоростях нагреваются до температур плавления. Таким образом, каталитичность становится естественным ограничителем и делает невозможным создание новых материалов по традиционным принципам.

«Мы в своей работе пытаемся обойти этот «природный запрет», который ставит каталитичность. В отличие от многих лабораторий, работающих в этом направлении, мы практикуем системный и глубокий подход, нацеленный на создание технологии изготовления материала, а не только на компиляцию известных технических решений, — говорит Вениамин Погодин. — Получить материал сам по себе — это одна задача, а иметь технологию создания из него изделий, в том числе сложнопрофильных, — другая. Порой то, что удаётся сделать в лаборатории в небольшом масштабе, невозможно реализовать на производстве. Поэтому наша цель — оптимальная и экономически эффективная производственная технология».

Специалисты МАИ проводят масштабные исследования, направленные на разработку алгоритма ретроградного синтеза материалов с требуемой архитектурой. Особенностью данного подхода является то, что собственно процесс химического синтеза и вся технология получения материалов строятся в обратном порядке, то есть от конечного продукта с заданным уровнем эксплуатационных и функциональных свойств. На данные работы в 2019 году был выделен грант Российского научного фонда.

К настоящему времени выполнена первая итерация в разработке опытного технологического процесса создания экспериментального образца сверхвысокотемпературного материала, включающая получение препрега на основе углеродной ткани и тугоплавких компонентов, операции карбонизации и пироуплотнения с последующей реакционной пропиткой жаростойкими композициями. Конечно, на данном этапе исследования первоначальная задумка авторов слабо реализована на практике, но полученные результаты вдохновляют на продолжение работ.

Другим направлением работ в рамках отмеченного проекта является исследование явления каталитичности, которое проводится совместными усилиями команд МАИ и ЦАГИ. В первую очередь ученых интересуют вопросы проявления и протекания процессов рекомбинации атомов и ионов на поли- и монокристаллических поверхностях, а также в условиях взаимодействия с плазмой различной природы (воздушная, азотная и инертная).

Исследователи выражают уверенность, что результаты их работ будут востребованы такими крупными российскими компаниями, как АО «ВПК «НПО машиностроения» (г. Реутов), ПАО «ТМКБ «Союз» (г. Лыткарино), АО «ГосМКБ „Радуга“ им. А.Я. Березняка» (г. Дубна), ФГУП «Центр Келдыша» (г. Москва), а также другими предприятиями, стоящими на страже обороноспособности нашей страны.