Академик Евгений Каблов знает, что будет с материалами в ближайшие двадцать лет, и предлагает поделиться своим знанием с чиновниками и экономистами
Наверное, не случайно целые исторические эпохи получили название от способности человека обрабатывать тот или иной материал — каменный век, бронзовый век, железный век. И в нынешних условиях способность разрабатывать и применять новые материалы остается важнейшей характеристикой степени развития человечества.
Создание тех или иных материалов позволяло сделать качественный скачок в самолетостроении, атомной промышленности и во многих других областях машиностроения и других отраслей. В Советском Союзе ключевую роль в развитии материаловедения сыграл Всесоюзный (ныне Всероссийский) институт авиационных материалов, которому недавно исполнилось 80 лет.
Первый в мире композиционный материал был создан в ВИАМе профессором Яковом Аврасиным еще в конце 1930-х. Он взял различные слои шпона карельской березы, уложил их на соответствующий органический клей, тоже разработанный в ВИАМе, и получил дельта-древесину, которую тогда использовали при строительстве самолетов. Идея разработки и применения полимерных композиционных материалов родилась в ВИАМе по предложению начальника института Алексея Туманова. В ВИАМе вспоминают, что авиаконструкторы Андрей Туполев и Сергей Илюшин заявили тогда, что из тряпок они самолеты делать не будут. А Олег Антонов сказал: а я буду строить. В результате Антонов в своих работах опередил зарубежные компании. В созданных им самолетах уже в 1980-е годы было 25% полимерных композиционных материалов.
В ВИАМе был разработан сплав циркония с добавкой 1,5% ниобия, примененный в тепловыделяющих элементах атомных реакторов силовой установки ледокола «Ленин» и первого промышленного атомного реактора Нововоронежской АЭС. Были созданы алюминиевые сплавы, по прочности сравнимые со сталью, которые используются в центрифугах при обогащении урана по методу академика Исаака Кикоина. Была создана керамика для теплозащиты космических кораблей.
Времена поменялись, но ВИАМ и сейчас во многом определяет политику в области материаловедения в России. Недавно в институте были разработаны и представлены в государственные органы и научной общественности «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года». Мы решили обсудить эту программу с генеральным директором ВИАМа академиком РАН Евгением Кабловым.
— В стране уже разработано большое количество стратегий. Зачем нужна еще одна?
— Главная проблема всех стратегий, которые пишут по большей части экономисты, — отсутствие научно-технологического прогноза, который экономисты сделать не в состоянии. Возьмите, к примеру, «Стратегию-2020», разработанную в основном специалистами Высшей школы экономики и Академии народного хозяйства. Ей явно не хватает понимания того, на какой научно-технической основе будут достигнуты заданные рубежи. В результате эта стратегия рискует остаться на бумаге. Чтобы довести ее до ума, необходимо объединить усилия Российской академии наук, государственных и национальных научных центров, исследовательских университетов, корпоративной науки, всех технократов и ученых-экономистов.
Мы решили не ждать чьих-то решений и разработать такой прогноз в области, которой мы занимаемся, чтобы ответить на вопрос, что должно дать материаловедение для решения задач, поставленных в «Стратегии-2020», в стратегиях развития различных крупных корпораций, министерств и ведомств. Мы уверены, что без разработки материалов нового поколения невозможно достичь успеха в создании современной техники.
В результате мы разработали «Стратегические направления…», где, в частности, оцениваем перспективы создания изделий, предусмотренных стратегиями Объединенной авиастроительной корпорации, корпорации «Вертолеты России», Объединенной двигательной корпорации, Объединенной судостроительной компании, «Росатома», «Роскосмоса», РЖД и других. Я так подробно их перечисляю, чтобы был понятен размах нашей работы. И определяем направления развития материалов практически для всех отраслей промышленности до 2030 года.
Можно сказать, что наша стратегия — это в том числе ответ на заявления некоторых чиновников, что в новой программе развития гражданской авиационной техники наука не должна присутствовать, а должны быть только деньги, чтобы поддерживать потенциал отрасли. Мое мнение: если мы будем поддерживать только потенциал, то потеряем и его.
Надо не рассуждать о поддержке технологического потенциала отрасли уровня 1990-х годов, а думать над тем, как выполнить поручение президента Путина о необходимости реиндустриализации страны на новом технологическом уровне, для чего государство выделяет большие финансовые ресурсы. А при создании новых современных производств надо ясно понимать, какие материалы нового поколения и технологии их производства и переработки будут применяться в достаточно длительной перспективе.
В своей работе мы опирались, конечно, и на свой опыт, и на анализ развития материаловедения за рубежом. Мы убедились, что материалы занимают где-то третью-четвертую позицию в рейтинге наиболее важных научно-технических направлений, которым уделяют внимание Евросоюз, США, Япония, Китай.
Мы ставим перед собой цель обеспечить разработку и серийное производство самолетов целиком и полностью на основе отечественных материалов, отвечающих мировому уровню развития материаловедения. Если для гражданской техники могут быть исключения (хотя отдавать иностранцам такую отрасль производства и такие квалифицированные рабочие места и добавленную стоимость всегда неразумно), то для военной авиации это условие должно выполняться неукоснительно. Мы, в частности, планируем, что к 2020 году появится возможность использовать в конструкциях металлические материалы с памятью формы, а в 2030 году им на смену придут уже интеллектуальные материалы.
— Что это значит?
— Сплавы с памятью формы — это металлические сплавы, которые после предварительной деформации при нагреве способны вернуться к первоначальной форме. Не являясь живыми существами, эти металлы проявляют своеобразную память. Они находят применение в самых разных сферах. Например, в медицине в стентах, которые вводятся с помощью катетера в сосуды кровеносной системы в виде прямой проволоки, после чего они приобретают необходимую спиралевидную форму. В основном для создания таких сплавов используют никелиды титана.
А интеллектуальные материалы могут контролируемым образом изменять свои свойства в ответ на изменения окружающей среды, информировать о том, в каком состоянии находится конструкция, каковы предельно допустимые деформации, каким образом изменить поверхность, форму материала, чтобы обеспечить минимальный уровень напряжения. Наконец, это материалы, которые обладают способностью в зависимости от условий эксплуатации менять пространственное расположение конструкции.
— То есть материал конструкции подстраивается под условия эксплуатации?
— Да, сам подстраивается. Почему птицы никогда не срываются в штопор? Потому что у них так работают крылья и перья, что в любой момент создается наиболее благоприятный угол обтекания и необходимая оптимальная площадь поверхности. Наша задача создать такие материалы, которые за счет изменения состояния несущих поверхностей летательного аппарата обеспечат его устойчивость. Поверхность должна быть активной и противодействовать внешним воздействиям. Это сейчас главное направление всех работ в области создания новых конструкций летательных аппаратов.
Одно из основных направлений развития, которое приблизит создание таких андроидных конструкций, — разработка интеллектуальных полимерных композиционных материалов (ПКМ) второго поколения с функциями адаптации к аэродинамическим и другим нагрузкам со встроенными сенсорами, а также ПКМ третьего поколения с изменяемой геометрией поверхности за счет введения элементов с памятью формы.
Благодаря применению интеллектуальных материалов второго поколения наша конструкция получает центральную нервную систему, способную чувствовать ее состояние, сигнализировать о проблемах, давать команды органам управления, а использование материалов третьего поколения обеспечит конструкцию мышечной системой.
— Как ваша стратегия связана с планами развития той же авиации?
— Приведу один пример. В программе развития одного из мировых лидеров вертолетостроения ОАО «Вертолеты России» предусматривается создание перспективного высокоскоростного (450 км/ч) вертолета. Это потребует разработки композитных лопастей несущего винта с усовершенствованным профилем и новой «жесткой» системы его заделки, в отличие от традиционной шарнирной, а также высокотехнологичного фюзеляжа. Успешно осуществить эту программу удастся, если доля композитных материалов новых поколений в конструкциях вертолетов достигнет 60 процентов. Нам предстоит эти материалы разработать.
