На композитных крыльях
В декабре 2022 года в Передовой инженерной школе Московского авиационного института был открыт Центр аэрокосмических материалов и технологий. Его ключевой особенностью является интегрированный многоуровневый подход к проектированию жизненного цикла изделий из новых материалов на базе пирамиды расчётно-экспериментальных исследований.
Приоритет деятельности центра — исследование способов определения эксплуатационной долговечности металлокомпозитных конструкций: анализ усталостной долговечности, неразрушающий контроль, ремонт и мониторинг состояния, а также применение результатов проведённых исследований на практике. Причём речь идёт не только о проектировании и расчёте конструкций, но и о разработке необходимого оборудования, программного обеспечения, технологий и методик выполнения работ, их аттестации и сертификации, а также поддержки эксплуатации после передачи партнёрам и заказчикам. Это позволяет интегрировать результаты задельных исследований в реальные проекты индустрии и расширять использование новых материалов и технологий за счёт создания системы сертификации и развития нормативной базы проведения проектно-конструкторских работ.
В настоящее время в структуре центра две лаборатории. Первая занимается вопросами применения композитных материалов при создании основных компонентов самолёта: крыла, потенциально — фюзеляжа, лопаток компрессора двигателя и др.; вторая — изготовлением и эксплуатацией деталей со сложной геометрией методом аддитивной печати. Со временем спектр интересов центра будет расширен и включит в себя другие ключевые для аэрокосмической отрасли направления, такие как водород-аккумулирующие материалы и радиационно-стойкая электроника.
Главные индустриальные партнёры Центра аэрокосмических материалов и технологий МАИ на сегодняшний день — это предприятия ПАО «ОАК», прежде всего филиал «Региональные самолёты» корпорации «Иркут», с которым ведётся сотрудничество по программам SSJ-100, SSJ-New-100 и CR-929, и Центр аддитивных технологий госкорпорации «Ростех» — центр компетенций АО «ОДК» по 3D-печати.
КОМПОЗИТЫ В АВИАЦИИ
Одно из главных направлений деятельности лаборатории композитных материалов — оценка микромеханических свойств материалов для надёжного расчёта их ресурса.
— Эта область находится на стыке микроскопии и механики и использует информацию о характеристиках материала во всём диапазоне масштабов, вплоть до микрона. Исследуя углеродное волокно диаметром примерно 5 микронов, мы можем рассмотреть его внутреннее устройство, границы между волокном и полимерной матрицей, а также изучить слои, неоднородности и исключить дефекты, которые в дальнейшем могут влиять на прочность и несущую способность изделия, — рассказывает руководитель лаборатории композитных материалов Николай Турбин.
Тщательно изучать свойства материала на различных уровнях необходимо, чтобы впоследствии разработать более надёжные способы оценки долговечности и прочности изготовленных из него деталей. Так, на основе производимых сейчас в России композитов успешно строятся несущие конструкции для крыла и других агрегатов самолёта. Но для ещё более широкого применения эти материалы, как и процессы их производства, должны быть сертифицированы.
— В авиационной отрасли сертификация — это единственный способ доказать, что производство соответствует всем требованиям и обеспечит в итоге надёжную эксплуатацию изделий. В отличие от автомобильной промышленности, где инновации стимулируются снижением стоимости итогового продукта, в самолётостроении на первом месте стоит надёжность, а остальное подчинено тому, чтобы эту надёжность обеспечить. Такая взаимосвязь делает авиацию главным драйвером развития перспективных технологий, — говорит начальник лаборатории № 2 «Композиционные материалы и прочность конструкции» НИО-101 МАИ Егор Назаров.
Задача усложняется тем, что речь идёт о композитах, чьи характеристики могут кардинально меняться в зависимости от условий производства. Соответственно, и сертификации должен подвергаться не только сам материал, но и процесс его изготовления. Таким образом, важным направлением деятельности лаборатории является изучение не только материалов, но и процессов в них.
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РЕМОНТА
В области аддитивных технологий приоритетным направлением работы центра является исследование зёренной структуры металлов, возникающей в процессе 3D-печати и определяющей механические свойства, пористость и предельную прочность готовой детали.
Пока 3D-печать применяется в большей степени для изготовления деталей, нагруженных не механическим, а тепловым способом. Но в будущем аддитивные технологии откроют много важных перспектив, например возможность осуществлять ремонт или замену сложных узлов. При возникновении поломки можно полностью утилизировать конструкцию и произвести её заново, что будет очень дорого.
Однако часто оказывается возможным восстановить повреждённую деталь с помощью целенаправленной 3D-печати. В перспективе можно сразу конструировать узлы с учётом того, что они будут не вырезаны и собраны, а произведены в качестве единого изделия. Однако при использовании аддитивных производств возникают аналогичные трудности с сертификацией, требующие новых решений. Созданный в МАИ центр призван разработать и применить наиболее современные подходы к инженерному проектированию, добиться уровня, сочетающего в себе контроль технологического процесса, учёт устройства материала, предсказание его поведения в процессе эксплуатации, его сертификацию и обеспечение качества, а также обслуживание рабочих бортов.
ВОВЛЕЧЕНИЕ СТУДЕНТОВ
В команду Центра аэрокосмических материалов и технологий входят сотрудники МАИ с опытом работы в авиакомпаниях, конструкторских бюро, отраслевых институтах НИАТ и ВИАМ, на промышленных предприятиях в сфере производства материалов и оборудования. В работе активно задействованы студенты и аспиранты институтов № 1 «Авиационная техника», № 6 «Аэрокосмический», № 9 «Общеинженерная подготовка», № 11 «Материаловедение и технологии материалов», № 12 «Аэрокосмические наукоёмкие технологии и производства» МАИ.
— Объединение на одной площадке множества различных компетенций позволяет постоянно обмениваться опытом, передавая его обучающимся и молодым специалистам, — считает директор дирекции института № 14 «Передовая инженерная школа» МАИ Дмитрий Кайсин.
Присоединиться к научно-исследовательской деятельности центра можно на любой ступени обучения.
— Успехи студентов здесь будут зависеть от профессионального азарта и навыков самостоятельной работы — от постановки целей по оптимизации производства до их выполнения, — подчёркивает научный сотрудник центра Алексей Салимон. — В центре нет задач, к участию в которых не допускаются молодые сотрудники из числа обучающихся. В должностях техников и инженеров они задействованы в расчётах, испытаниях, разработке оборудования и программного обеспечения.
Более углублённые знания в области композитов и 3D-печати можно получить на программах магистратуры института № 14 «Передовая инженерная школа» МАИ. Ведётся набор на направления «Комплексное проектирование и сертификация композитных конструкций нового поколения» и «Моделирование и технологическое проектирование в аддитивном производстве». Обучение по этим специальностям проходит в неразрывной связи со стажировкой в лабораториях центра и участием в текущих проектах индустрии.
БУДУЩЕЕ ЦЕНТРА
Первичный этап развития центра займёт два года. В части материаловедения и технологии производства за это время планируется расширить лабораторные возможности, инициировать изучение порошковых материалов из новых сплавов и последующую печать из них, обеспечить использование микроскопии для оценки внутренней структуры полученного материала, проведение механических испытаний и применение результатов исследований для конструирования деталей нового поколения.
В части методов анализа качества изделий предполагается внедрить использование системы неразрушающего контроля методами сдвиговой интерферометрии (шерографии) и цифровой корреляции изображений, системы мониторинга состояния конструкции на основе оптоволоконных датчиков и системы ремонта композитных конструкций с контурами температуры, давления вакуума и избыточного давления.
В долгосрочной же перспективе Центр аэрокосмических материалов и технологий МАИ добьётся признания в качестве ядра компетенций в национальном или международном масштабе и будет оказывать значительное влияние на принятие ключевых решений о дальнейших путях развития авиационных технологий.
Дарья Шадчина
