Космические перспективы: зачем специалисты МАИ изучают стеклоуглеродные материалы

Развитие многих отраслей промышленности сегодня невозможно без внедрения новых перспективных материалов: прочных, устойчивых к температурным и иным воздействиям, лёгких и экономичных. Большие надежды в этой области учёные всего мира возлагают на материалы, имеющие в своей основе нано- и микроструктуры углерода: фуллерены, нанотрубки, углеродные волокна, графен, стеклоуглерод. Сфера применения таких материалов включает в себя целый ряд направлений. Они используются в электронике, ядерной энергетике, металлургии, химической промышленности, медицине, автомобиле-, авиа — и ракетостроении и других отраслях. И хотя некоторые из перечисленных групп материалов известны достаточно давно, их потенциал до сих пор мало изучен и практически только начинает раскрываться. 

Одним из материалов данного типа, представляющим особенно большой интерес для аэрокосмической отрасли, является сетчатый стеклоуглерод. Наряду с решением задачи эффективной тепловой защиты — одной из ключевых, но традиционных при разработке новых космических аппаратов — он может играть роль конструкционного материала, использоваться в качестве основы различного рода технических, например, адаптивных систем. Над созданием и изучением сетчатого стеклоуглерода и других подобных материалов, а также расширением перспектив их применения в нашей стране на протяжении уже нескольких лет работает коллаборация учёных Московского авиационного института, Уральского НИИ композиционных материалов, Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук и Обнинского научно-производственного предприятия «Технология» им. А. Г. Ромашина. 

В МАИ работы в этом направлении проводятся в научной группе академика РАН, профессора, заведующего кафедрой 601 «Космические системы и ракетостроение» Олега Михайловича Алифанова. Работы группы по исследованию физических свойств высокотемпературных материалов и процессов в них возглавляет профессор кафедры 801 «Физика» Валерий Вениаминович Черепанов. В 2018 году исследования коллектива были поддержаны грантом Российского научного фонда. 

Уникальные свойства стеклоуглерода 

Стеклоуглерод является одним из вариантов аморфного углерода и, свою очередь, имеет несколько модификаций. В высокоплотной форме он используется, например, для изготовления заменителей платиновых стержней в металлургии, а лёгкие сетчатые варианты, пористость которых может достигать 96–97 %, рассматриваются как перспективные материалы для создания элементов космических аппаратов, в том числе предназначенных для работы в экстремальных условиях. 

Ультрапористый сетчатый стеклоуглерод при низких значениях плотности и теплопроводности обладает упругостью и достаточно высокой механической прочностью. Он химически инертен и способен выдерживать воздействие температур вплоть до 3000 градусов Цельсия в нейтральной или бескислородной среде. Система открытых пор материала может быть заполнена разными веществами, способными корректировать свойства композита в целом. 

— В своей работе мы преследуем цель оптимизации свойств сетчатого стеклоуглерода и создания новых материалов на его основе, — рассказывает Валерий Вениаминович Черепанов. — Из-за сложности состава и структуры таких материалов, их частичной прозрачности для электромагнитного излучения описать физические процессы в них — весьма непростая задача, к окончательному решению которой мы ещё только приближаемся.

 Успехи исследования 

В состав научной группы Олега Михайловича Алифанова входят Сергей Александрович Будник, Алексей Георгиевич Меднов, Николай Анатольевич Иванов, Алена Вячеславовна Моржухина, Андрей Викторович Нетелев, Маргарита Олеговна Салосина, Дмитрий Михайлович Титов, Виктор Николаевич Яроцкий, профессор Алексей Владимирович Ненарокомов. Благодаря их усилиям в тепловом отделе кафедры 601 создан и развивается уникальный комплекс для исследования теплофизических свойств материалов в экстремальных условиях. 

— Это значительное достижение не только для отечественной, но и для мировой науки, — подчёркивает Валерий Вениаминович Черепанов. — Использование подобных комплексов создаёт реальные перспективы широкого внедрения эффективной методологии применения обратных задач идентификации в практику фундаментальных и прикладных научных исследований. И, хотя в настоящее время такие комплексы уникальны, подобные им исследовательские системы могут в дальнейшем продуктивно использоваться в научно-исследовательских, проектных, опытно-конструкторских организациях, технологических и испытательных лабораториях различного профиля. 

Действующая в МАИ научная группа является, без преувеличения, одним из мировых лидеров в соответствующей области. Результаты её работы регулярно публикуются в высокорейтинговых научных российских и зарубежных журналах (High Temperature, Optics and Spectroscopy, International Journal of Heat and Mass Transfer, Infrared Physics and Technology, ASME Journal of Heat Transfer, Applied Mathematical Modelling, Acta Astronautica и др.). Так, в минувшем году в Journal of Engineering Physics and Thermophysics была опубликована статья, посвященная вопросам экспериментального исследования ключевых спектральных характеристик стеклоуглерода и моделирования оптических свойств сетчатых материалов на основе этих данных. 

— Нам удалось разработать технологию изготовления плотных образцов стеклоуглерода, тождественного по своим физическим свойствам стеклоуглероду основы отечественных сетчатых материалов. Это принципиально важно, поскольку стеклоуглерод в мире производится по различным технологиям, так что окончательные материалы могут обладать различными физическими свойствами, — говорит профессор Черепанов. — Исследовав образцы, мы получили уникальные данные по физическим свойствам сетчатой основы перспективного класса отечественных композиционных материалов, которые надеемся использовать при моделировании и прогнозировании свойств материалов и систем на их основе. 

Большие возможности 

Математическое материаловедение — очень перспективное научное направление, активно развивающееся во всём мире. 

— Возможность рассчитывать свойства перспективных материалов и систем позволяет обоснованно, а следовательно и более эффективно, корректировать технологию производства, существенно сокращать сроки и стоимость разработки, — отмечает Валерий Вениаминович. — Конечно, в первую очередь, в результатах нашей работы заинтересованы российские аэрокосмические предприятия. Но не только они. Так, несколько лет назад в рамках совместных работ с Европейским космическим агентством (ECA) мы проводили исследование образцов сетчатого стеклоуглерода RVC ETTI, ULT (США). Материал предполагалось использовать в конструкции космического солнечного зонда в рамках европейского проекта космических исследований BepiColombo. Наши работы позволили сформулировать определённые рекомендации по применению таких материалов. Насколько мне известно, запуск аппарата с этой миссией успешно состоялся. 
Создаваемые в МАИ математические модели относятся к открытому типу: они доступны для развития и различного рода обобщений. К наиболее актуальным, первоочередным перспективным задачам специалисты МАИ относят исследование влияния топологии элементов модели, статистических особенностей их распределений, кооперативных эффектов при взаимодействии фрагментов материала с излучением на физические свойства материалов в целом. 

— Этот список можно долго продолжать, поскольку он практически неисчерпаем — решив одну задачу, мы ставим перед собой другие. Работы по глубокому и всестороннему исследованию многих физических процессов, происходящих в сложных материалах на микро- и наномасштабах, находятся практически в самой начальной стадии, несмотря на то, что основываются на различных подходах и ведутся в мире многими научными группами по разным направлениям. Характеристики различных процессов, происходящих в объёме сложных сред, изучены крайне слабо и представляют собой настоящую terra incognita, обширное поле для приложения интеллекта и сил будущих исследователей, — заключает профессор Черепанов.