Надежность и безопасность летательных аппаратов в будущем можно обеспечить, в числе прочего, благодаря использованию в их конструкции «умных» материалов, меняющих свои свойства в зависимости от условий окружающей среды, считает гендиректор Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), академик Российской академии наук Евгений Каблов.

Создателям космического челнока «Буран» в свое время пришлось решать немало задач, которых еще не было в отечественной космонавтике.

Одна из них — создание принципиально новой тепловой защиты корабля. О том, как отечественные ученые и инженеры с помощью оригинальных, не имевших аналогов в мире технологий обеспечили челнок надежными «доспехами», РИА Новости рассказал генеральный директор Всероссийского (ранее — Всесоюзного) научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), академик Российской академии наук Евгений Каблов.

— Евгений Николаевич, в чем была главная особенность создания теплозащиты для «Бурана»?

— Нельзя создать новую конструкцию, не используя новые материалы. Люди всегда это понимали. Сам каркас «Бурана» был создан из традиционных авиационных материалов. Но проблемой номер один было создание новых, допускающих многоразовое использование теплозащитных материалов с диапазоном работы от минус 130 до плюс 1600 градусов по Цельсию.

С их помощью надо было «закрыть» наиболее важные элементы конструкции «Бурана», чтобы,

• во-первых, при спуске на гиперзвуковой скорости их не прожгла плазма и не произошел взрыв, и чтобы экипаж корабля имел требуемые условия для работы.

Самое главное — теплозащита не должна разрушать и терять свою геометрическую форму на различных этапах полета.

— Учитывалось ли что-то еще при разработке теплозащиты «Бурана»?

— Вы знаете, что катастрофа американского шаттла «Колумбия» в свое время произошла потому, что при старте от внешнего топливного бака отлетел кусок теплоизоляции и ударил по теплоизоляционной плитке на крыле челнока, фактически отколов ее. Когда корабль возвращался на Землю, произошло разрушение теплозащитного покрытия, и шаттл погиб. Так вот, советские ученые продумали и предусмотрели такую возможность развития событий. И конструкторы орбитального корабля «Буран» поставили пред ВИАМ задачу: создать технологию и материалы, позволяющие в космосе ремонтировать теплозащитное покрытие. Предполагалось, что на орбите «Буран» перед стыковкой с орбитальной станцией «Мир» должен был сначала сделать поворот вокруг своей оси, чтобы космонавты могли посмотреть, все ли элементы теплозащиты плитки на месте и не разрушены ли они.

Если бы оказалось, что какие-то плитки разрушены или отлетели, то космонавт должен был выйти в космос и «залатать» поврежденное место.

Академик Гай Ильич Северин для этого случая разработал специальную конструкцию скафандра, к которому прикреплялся ранец с двумя отсеками, содержащими разные химические вещества. Космонавт нажимал кнопку, и начиналось смешивание этих веществ. В итоге получалось кремнийорганическое соединение, которое играло роль защиты. Оно выдавливалось на поверхность «Бурана», где отсутствует плитка, размазывалось шпателем, и под воздействием солнечных лучей происходила полимеризация, затвердение такой кремний органики. Кстати, после гибели экипажа «Колумбии» американцы разработали и успешно применили аналогичную технологию, хотя создана и отработана она была впервые именно в СССР еще в первой половине 1980-х годов.

— Как шло создание теплозащиты?

— Главным инициатором создания новых материалов всегда являются конструкторы. Так было и в нашем случае: главный конструктор НПО «Молния» Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский приехал в ВИАМ и поставил на научно-техническом совете института задачу создать принципиально новые материалы, закрывающие диапазон температур от минус 130 до плюс 1650 градусов Цельсия и в первую очередь — теплозащиту, которая бы сохраняла свою форму и геометрические характеристики, обладала минимальной теплопроводностью и максимально возможной прочностью.

Теплозащита «Бурана» состояла из отдельных элементов — плиток из теплозащитного материала из особо чистых кварцевых волокон с наружным стекловидным покрытием, которые приклеивалась к корпусу «Бурана» через демпфирующую фетровую подложку, которая, в свою очередь, приклеивалась к плитке с помощью эластичного клея. Вот такой пирог собирался. Он должен был выдерживать большой перепад температур, большие напряжения, не «глотать» влагу. И вся «начинка» этого пирога была создана нашим институтом.

Плитки состояли на 90% из воздуха, чтобы достичь минимальных показателей теплопроводности. Разогретую в печи до тысячи ста — тысячи двухсот градусов по Цельсию плитку можно было держать на руке. А для защиты стыков многослойных теплозащитных элементов ВИАМ разработал специальные «жгуты-герметики». Но чтобы создать основу теплозащитной плитки, нужно было получить особо чистые пустотелые кварцевые волокна.

Фактически ВИАМ в рамках программы «Энергия-Буран» создал 39 принципиально новых материалов и 230 технологий, но главное — это создание теплозащитных материалов, которые по своим характеристикам превосходили американские. Но это был труд не только ВИАМа, но и институтов Академии наук, институтов химической промышленности. ВИАМ как ведущая организация сформировал кооперацию и выстроил эту работу.

К примеру, в зависимости от реальных температур на поверхности «Бурана» размещались черные и белые плитки. И для наиболее разогреваемых частей корабля был создан специальный материал «Гравимол». Это сокращенное название организаций, его разработавших, — НИИ «Графит», ВИАМ, и НПО «Молния». «Гравимол» выдерживал температуру 1600 градусов.

— Почему именно кварцевые?

— Кварц более стабилен, в процессе нагрева в нем не происходит полиморфных превращений, в результате этого он не может треснуть. Плюс кварц имеет рабочую температуру 1250 градусов.

Но когда многие институты попытались решить задачу по разработке подобного материала, их попытки заканчивались неудачей. И тогда министр обороны, член Политбюро ЦК КПСС Дмитрий Устинов собрал совещание, на котором решение этой задачи было поручено ВИАМу. Устинов распорядился, чтобы институту выделили все необходимые ресурсы.

В институте была создана специальная лаборатория, закупили самое современное исследовательское оборудование. Она получила суперсовременное оборудование.

В итоге ВИАМ совместно с различными институтами химической промышленности и АН СССР создал ряд уникальных материалов и технологий. Так, основой для теплозащиты «Бурана» стал материал из особо чистых тонких пустотелых кварцевых волокон. Процесс его создания довольно сложен, но упрощенно суть заключается в том, что кварцевые волокна нужно взбить как хорошую перину. Ведь материал должен быть объемным, а воздух и является самым лучшим теплоизолятором. Если волокно просто уложить слоями — плитка получится очень тонкой и с высокой плотностью.

Взбить-то взбили, а вот зафиксировать эту «перину» оказалось очень непросто. Но и эта задача была решена: в ВИАМе разработали специальную технологию, которая позволила зафиксировать волокна в виде жесткого объёмного каркаса.

Хочу привести в этой связи один интересный пример, демонстрирующий, что в СССР при необходимости достаточно быстро решались задачи по обеспечению необходимыми компонентами. Так, уже при создании теплозащиты стало ясно, что для ее массового производства нужен особо чистый кварцевый песок, добыча которого на территории Советского Союза не велась. И первоначально столь необходимый кварц нам везли специально из Бразилии через Францию, так как напрямую это делать было нельзя.

Однако ученые Уральского отделения АН СССР решили эту проблему: ими было найдено Южно-Кыштымское месторождение, где стали добывать суперчистый кварц.

— Сколько всего было плиток на «Буране»?

— Свыше 38 тысяч. Причем каждая плитка крепилась на обшивке строго в своей точке и имела свою ответную поверхность в зависимости от того, в каком месте на корпусе «Бурана» она стояла. Если у американцев поверхность плитки обрабатывалась вручную, то у нас был создан автомат, который позволял создавать нужную кривизну поверхности на основе предварительных расчетов.

Была создана целая система, позволяющая конкретные плитки выставлять на корпусе «Бурана» под нужным углом.

— В ходе полета, конечно, какое-то количество плиток неизбежно отлетает. Сколько плиток после приземления недосчитался «Буран»?

— Всего шесть плиток! Было одно, самое опасное место, где отошли две рядом расположенные плитки. Для сравнения — американцы после каждого полета недосчитывались около ста плиток. Но самое главное — мы первыми в мире осуществили посадку в автоматическом режиме с высочайшей точностью приземления: 15 метров — по длине и 3 метра — по ширине.

— Какие эмоции вы испытывали после завершения полета «Бурана»?

— Чувство гордости за нашу страну. Я понимал, что в этой научной, технической и космической победе СССР — вклад и нашего института. Это выдающееся достижение, которое продемонстрировало мощь нашей науки. Мощь, которая, к сожалению, не была до конца использована.

К слову, сегодня в ВИАМ разработаны новые теплозащитные материалы, но при этом с еще более высокими свойствами, которые могут быть использованы в различных отраслях отечественной промышлености и ОПК. Также сегодня нами решается одна из важнейших задач — разработка технологий контроля состояния конструкций из полимерных композиционных материалов с помощью оптоволоконных систем встроенного контроля, в том числе после ударного воздействия. Это необходимо для повышения безопасности эксплуатации особо нагруженных элементов из полимерных композиционных материалов, что, безусловно, важно в авиационно-космической сфере, судостроении, строительстве и многих других, где все шире используются композиты.

Вместе с тем хочу отметить, что наше будущее за интеллектуальными материалами, которые смогут менять конструкцию исходя из условий окружающей среды. Тогда, например, самолет станет подобен живому организму, обладающему нервной системой, и как птица никогда не свалится в штопор.

Многолетняя отечественная и зарубежная практика показывает, что более 80% инновационных, прорывных разработок в ведущих отраслях промышленности и других секторах экономики базируется на внедрении новых материалов и технологий. Судя по всему, эта взаимозависимость сохранится и на перспективу.