том 74, № 12 стр. 1076-1081 (2004)
|
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ
НАУК
том 74, № 12 стр. 1076-1081 (2004) |
АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
В АВИАРАКЕТНОЙ И ЯДЕРНОЙ ТЕХНИКЕИ. Н. Фридляндер
Иосиф Наумович Фридляндер - академик,
начальник научно-исследовательского отделения ГНЦ РФ "ВНИИ авиационных материалов".
Из выступления на заседании Президиума РАН.История алюминиевых авиационных сплавов ведет начало с 1911 г., когда в Германии Альфред Вильм установил, что если алюминиевый сплав, содержащий 4% меди и 0.5% магния, закалить и оставить вылеживаться на воздухе, его прочность существенно повысится. Этот процесс получил название "старения", хотя было бы правильнее назвать его "возмужанием".
Как было выяснено в дальнейшем, при старении атомы меди группируются в мельчайшие зоны, число которых - миллионы. Атомы меди имеют меньший диаметр, чем атомы алюминия, поэтому возникает напряжение сжатия и прочность повышается. Сплав Вильма, который впервые был освоен в Германии на заводах "Дюрал-металлверке", получил название "дуралюмин". Впоследствии американцы, повысив содержание в нем магния до 1.5%, создали очень хороший сплав 2024. И поныне он широко применяется в разных модификациях.
Летающие крепости. Еще в годы Второй мировой войны мы смогли детально ознакомиться со сплавом 2024. В конце войны на советский Дальний Восток залетели американские бомбардировщики Б-29, подбитые японцами. В то время мы были союзниками США, но Сталин, ничего не сообщив США, издал распоряжение: точно воспроизвести Б-29, любое изменение могло вноситься лишь с его разрешения. Один самолет был разделен на отдельные узлы в конструкторских бюро Ильюшина и Туполева, мы во Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ) изучили свойства и структуру сплава 2024, составили технические условия его производства, отвечающие американским требованиям.
Трудностей с воспроизведением самолета Б-29 было очень много, особенно с получением плит длиной 30 м для крыльев. Дело в том, что большие плоские слитки, отливаемые непрерывным методом с резким охлаждением водой, в процессе литья иногда разрывались от термических напряжений, и куски весом в несколько сот килограммов разлетались на много метров. Литье слитков все же было освоено, производство налажено. Советские металлурги и конструкторы сумели в короткие сроки изготовить 850 самолетов Ту-4, полностью копировавших Б-29 и получивших название "летающие крепости". Такие темпы в начале XXI в. не достижимы в России. На Семипалатинском полигоне с одного из этих самолетов в 1949 г. была сброшена атомная бомба, положившая конец ядерной монополии США.
Пикирующий бомбардировщик Ту-16. Было известно, что если ввести в алюминиевый сплав цинк, то есть базироваться на четверной системе "алюминий-цинк-магний-медь", то можно существенно улучшить свойства сплава. В своей докторской диссертации я изучил четверную систему "алюминий-цинк-магний-медь" и установил ее фундаментальные закономерности. При определенном соотношении цинка и магния увеличение содержания меди в сплаве приводило к тому, что одновременно повышались прочность, пластичность, коррозионная стойкость и вязкость разрушения. Вот на этом основании мы смогли создать группу очень хороших высокопрочных алюминиевых сплавов - В95, В96ц3 и особо прочный В96ц.
Звонок от Андрея Николаевича Туполева, разговор в его обычной манере:
- Слушай, ты наверняка бьешь баклуши вместо того, чтобы работать. Давай, приходи ко мне.ВИАМ и КБ Туполева расположены на улице Радио. В маленьком кабинете Туполева собрались прочнисты, конструкторы, технологи, сам он - в старой, замызганной спецовке.- Слушаюсь, Андрей Николаевич, через десять минут буду.
- Ну, рассказывай, какой у тебя высокопрочный сплав.Я начал описывать преимущества В95. Он меня прервал:- Помилуйте, Андрей Николаевич, я уже три раза докладывал.
- Ну, давай в четвертый раз.
- Ну, ладно, весь Ту-16 переводим на В95."Вот тебе, бабушка, и Юрьев день" - огромный самолет, идущий в серию на Казанском авиационном заводе, и весь из нашего сплава В95. Только позже я узнал причину такого решения: Ту-16 не прошел испытания на прочность, поэтому надо было либо переделывать все чертежи - огромная работа, либо перейти на высокопрочный и сплав. Туполев выбрал второй вариант.Сначала производство самолета на Казанском заводе шло хорошо, но потом был выявлен массовый брак на листах из В95. Звонок министра. Мне указание отправиться на Каменск-Уральский завод, где делают эти листы, и не выезжать оттуда до тех пор, пока брак не будет полностью ликвидирован. Оказалось, что появление трещин связано с процессом отливки слитков, но долгое время не удавалось найти решение, как их ликвидировать. Со мной для подбодрения послали агента НКВД. Он, молодой парень, говорит: "Мне жена каждый день звонит, спрашивает, когда я вернусь в Москву. Признайся, что ты враг народа, и я уеду, ну а ты отправишься, сам знаешь, куда - на Север". В конце концов все трудности удалось преодолеть, и пикирующие бомбардировщики Ту-16 пошли в большую серию. Кстати сказать, эти бомбардировщики все еще в строю, защищают нашу Родину от .противников. Недавно по просьбе Министерства обороны мы продлили на десять лет срок их эксплуатации.
После истории с Ту-16 все самолеты КБ Туполева делались из сплава В95, в том числе стратегический бомбардировщик Ту-95 (1955). И современные самолеты - Ту-204, Ту-334 - изготавливают тоже из наших сплавов В95 и 1163. Исключение составляет самолет Ту-160, на котором министр обороны недавно совершил полет через всю страну. У этого самолета единственная задача: перелететь через океан, сбросить ядерную бомбу и удирать с максимальной скоростью. Скорость его полета 2200 км/час. При такой сверхзвуковой скорости обшивка самолета нагревается до 120-140 °С, поэтому для него мы рекомендовали жаропрочный сплав АК4-1.
"Антей". В 1950-х годах возникла проблема создания мощного военно-транспортного самолета Ан-22 ("Антей"). Все его силовые узлы должны были делаться в виде больших штамповок. Обычно штамповки закаливают в холодную воду, что обеспечивает высокую скорость охлаждения и высокую прочность. Но для очень больших штамповок "Антея" поводки оказывались таких размеров, что эти штамповки невозможно было механически обрабатывать. Требовался сплав, который при закалке в горячую воду уменьшил бы скорости охлаждения и поводок, не теряя прочности. Мы создали такой высокопрочный оригинальный сплав В93 и из него сделали все большие штамповки и детали.
Силовой каркас из сплава В93 демонстрировался на авиасалоне в Ле Бурже в 1965 г. В качестве легирующей добавки в нем, вместо традиционно применяемых циркония или марганца, мы использовали обычно ограничиваемое железо, что и позволило осуществлять закалку в горячую воду. Что касается "Антея", то он прошел несколько необычных испытаний - полеты в Афганистан, Прагу, Будапешт с грузом порядка 100 т.
По аналогии с Ан-22 построены современные транспортные самолеты "Мрия" и "Руслан". Они также сделаны из сплава В93. Максимальная их нагрузка 200 т, при которой они могут совершать полеты на расстояние до 4500 км. "Мрия" и "Руслан" - ныне монопольные перевозчики грузов на межконтинентальные расстояния, недавно они перевозили из Европы в Австралию блок атомной электростанции.
Истребители МиГ-23. В 1973 г. были запущены в серию изготовленные из сплава В95 мощные истребители МиГ-23. Но при испытаниях в двух летных школах произошли отрывы крыльев. Правительственная комиссия во главе с генерал-полковником авиации И.И. Пстыгой обратила внимание разработчиков на большие перегрузки, которые испытывает самолет при крутых виражах в боевых условиях. В ходе испытаний, проведенных в Центральном аэрогидродинамическом институте, удалось установить, что вредные примеси железа и кремния сильно снижают конструктивную прочность крыльев. Учитывая это, мы создали сплав В95 повышенной чистоты - В95пч. Его применение обеспечило надежность истребителей. Всего выпущено 16 тыс. МиГ-23 из сплава В95пч, катастроф не было. В истребителе пятого поколения фирмы КБ Сухого предполагается использовать наш сверхпрочный сплав В96ц3. Мы рассчитываем, что этот истребитель будет не хуже американского истребителя пятого поколения.
Гидросамолеты и аэробусы. Очень модный сейчас гидросамолет Бе-200 фирмы Г.М. Бериева, предназначенный для тушения пожаров, построен целиком из нашего алюминиево-литиевого сплава 1441. У нас имеются международные патенты и соглашения о покупке лицензий на этот сплав в Англии и США.
Первыми высказали желание приобрести Бе-200 китайцы. Но после недавних лесных пожаров в Европе и Австралии круг заказчиков значительно расширился. Именно это и подвигло Европейскую авиационную фирму (EADS) приобщиться к продвижению самолета на мировой рынок, сулящему неплохие дивиденды. Реальный рынок Бе-200 оценивается в 7 млрд. долл.
В 2006 г. должен войти в эксплуатацию европейский аэробус А-380, вмещающий 555 человек. Фирма "Эрбас" имеет уже 135 заказов на аэробус VIP-класса с водным бассейном, теннисными площадками, отдельными каютами для пассажиров. В этом самолете широко применены наши сплавы, в частности узел крепления крыла к центроплану сделан из сплава 1933 на Самарском металлургическом заводе.
С появлением такого самолета приходит конец концепции безопасной повреждаемости. Сейчас европейцы работают над тем, чтобы не допустить появление трещин в конструкции самолета. С этой целью фюзеляж делается не из обычных алюминиевых сплавов, а из многослойных сплавов типа ГЛЕР или наш СИАЛ, то есть берутся тонкие алюминиевые листы, между которыми прокладывается стеклоткань. В этом случае трещины не растут.
Сверхскоростные атомные центрифуги. Только СССР и Россия овладели чрезвычайно эффективной центрифужной технологией обогащения урана-235. США по-прежнему обогащают уран по энергоемкой термодиффузионной технологии. Отечественные центрифуги сделаны из нашего самого прочного в мире сплава В96ц. В Новоуральске, раньше совершенно закрытом городе, крутятся многие сотни тысяч сверхскоростных атомных центрифуг, а по всей России - миллионы.
Ракета-носитель "Энергия". В.П. Глушко и Ю.П. Семенов доложили в свое время Политбюро ЦК КПСС, что готовы создать ракету, которая может конкурировать с американскими шаттлами. Ракета работает на жидком водороде и жидком кислороде. Центральный ее бак, заполненный жидким водородом, имеет диаметр 8 м, высоту 40 м, вокруг него размещены четыре бака с жидким кислородом. Для этих баков потребовался сплав, который при понижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия не только не охрупчивался бы, как это происходит со сталью, а наоборот, упрочнялся и одновременно повышалась бы его пластичность. Вот такой сплав мы и создали. Сплав 1201 системы "алюминий-медь-марганец" в результате понижения температуры упрочняется на 60%, одновременно повышается его пластичность.
При создании ракеты были очень большие дискуссии, потому что некоторые институты Министерства общего машиностроения считали, что надо строить эти ракеты из менее прочного, но хорошо проверенного надежного сплава АМгб - системы "алюминий-магний", а со сплавом 1201 мы провалимся. Действительно, трудностей было много, все они преодолены, и такие ракеты строятся только из сплава 1201. "Энергия" вывела в космос орбитальный самолет "Буран", а уже в наши дни из сплава 1201 создаются на заводе им. М.В. Хруничева ракеты для отправки людей и грузов на международную космическую станцию.
* * *
Советские (российские) алюминиевые сплавы прошли блистательный путь развития. Трудно себе представить, какой из конструкционных материалов может сейчас успешно конкурировать с алюминием. Не случайно он является основой большинства конструкций в ведущих областях техники - в авиации, ракетах, атомной промышленности. Созданы алюминиевые сплавы с прочностью среднелегированной стали, криогенные сплавы высокой пластичности для температуры жидкого водорода, сверхлегкие алюминиевые сплавы с литием - все, что в 1950-х годах считалось невозможным, стало действительностью. Новые сплавы рождались на базе теоретических открытий и обобщений, их применение становилось возможным после преодоления сложных технологических трудностей и в жесткой борьбе с многочисленными оппонентами, призывающими использовать то, что хорошо проверено практикой, и не подвергать себя опасностям, связанным с освоением нового неизведанного материала. Накопленный опыт показывает, что только постоянный и мощный прогресс алюминиевых сплавов обеспечил важнейшим изделиям авиационной, ракетной и ядерной техники лидирующее положение в мире.
После выступления И.Н. Фридляндер ответил на вопросы.
И.Н. Фридляндер: Прежде всего напомню, что у бериллия выдающиеся качества: низкий удельный вес и высокий модуль упругости. Американцы разработали двойные алюминий-бериллиевые сплавы. Называются они - локеллой. Мы ввели в эти сплавы дополнительно магний, то есть наши сплавы - тройные, алюминий-бериллий-магниевые. Они обладают большим преимуществом перед локеллоями. Не случайно НАСА подписало с нами контракт, в соответствии с которым мы изготовили для НАСА алюминий-бериллий-магниевые сплавы. Они уже отправлены в Америку, где проведены испытания, подтвердившие высокие качества наших сплавов. Сейчас мы ведем переговоры об их использовании на американских космических аппаратах. В СССР эти сплавы применялись в небольшом количестве на самолетах. Они очень хорошо себя ведут в условиях, когда возникают ультразвуковые колебания. В нынешние времена на подобные эксперименты денег пока нет.
У нас есть жаропрочные бериллиевые сплавы, которые прекрасно подходят под лопатки турбонасосных агрегатов ракетных двигателей. Более того, ВИАМ располагает хорошей экспериментальной базой, и мы можем поставлять, если нужно, готовые лопатки по вашим чертежам.
Обсуждение
Однако снова возникла проблема 30-летней давности: начали выходить из строя кольцевые детали центрифуг, то есть от тысячных долей процента коэффициент выбытия начинает двигаться к десятым долям процента. Вновь придется восстанавливать технологию штамповки из сплава В96ц кольцевых деталей. Центрифуги - это некое техническое чудо. Я бываю по четыре-пять раз в год на наших разделительных комбинатах: заходишь - тишина в цехе, людей нет, хотя работают 500 тыс. центрифуг с оборотом более полутора тысяч в секунду.)то действительно огромнейший успех нашей науки и техники.
Незадолго до смерти профессора С.М. Белоцерковского я пошел на семинар. Пошел с одной целью - узнать, почему же погиб Ю.А. Гагарин. Оказывается, когда поднимается в воздух мощная машина, она создает очень сильный турбулентный поток. В момент, когда стартовал самолет с Гагариным на борту, в воздух взмыл другой самолет, и машина Гагарина попала в хвост его турбулентного потока. Согласно расчетам Белоцерковского, турбулентная волна была настолько сильной, что гагаринский самолет не смог выйти из этого потока и рухнул на землю.
Хотя Иосиф Наумович и не касался аэродинамики, хочу обратить внимание на то, что сейчас каждые три минуты взлетают мощные самолеты и разность высот на магистральных направлениях полетов пассажирских самолетов составляет всего 300 м (раньше было 500 м). Не могут ли в таких условиях случаться события, аэродинамикам уже хорошо известные? Меня этот вопрос немножко взволновал.
Все сплавы, все материалы в конечном счете превращаются в конструкции, что и было показано Иосифом Наумовичем Фридляндером в его докладе. Сегодня самая актуальная задача - это безопасность и ресурс. Ее решением занимаются академии наук и России, и Украины, в том числе в рамках нашего содружества. И мы очень хотели бы, чтобы Российская академия наук и Академия наук Украины разработали бы совместные расширенные программы в области ресурса и безопасности, в которых участвовали бы как академические организации, так и отраслевые.
Не секрет, что самое главное во всех научных достижениях и практических реализациях, о которых здесь шла речь, - то, что мы не просто вышли на международный уровень, а во многих случаях превысили мировой уровень. И если раньше цельносварные самолеты были прерогативой только военной авиации, то сейчас они стали прерогативой гражданской авиации. Мне кажется, что сегодня мы имели возможность проследить, как на протяжении полувека развивалось искусство создания новых материалов и обращения с ними, могли оценить смелость научного поиска и ответственность сотрудников ВИАМа за свое дело.
В докладе речь шла в основном о проблемах создания лайнеров и широкофюзеляжных самолетов сверхбольшой вместимости. Мне же хотелось бы упомянуть о двух других важнейших проблемах. Одна из них - переход авиации на новый режим полета, с большей скоростью и высотой, за счет использования гиперзвуковых прямоточных двигателей. Эта проблема исследуется в течение вот уже 20 лет, но только сегодня ведущие организации в России и в Соединенных Штатах приступили к созданию гиперзвуковых прямоточных ракетных двигателей. Для реальных летательных аппаратов с такими двигателями потребуются материалы, которые выдержат очень большие, сверхзвуковые скорости полета, правда, на больших высотах.
Вторая проблема, которой тоже давно занимаются, - это создание многоразовых средств выведения в космос, и в первую очередь, одноступенчатых: аэрокосмического самолета, который может взлететь с поверхности Земли, выйти в космос, вернуться на Землю и потом повторить этот полет. Проблема аэрокосмических самолетов замыкается главным образом на новых материалах, потому что весовое совершенство такого самолета при нынешних материалах не способно обеспечить ему возможность летать в космос и садиться на Землю. Так что перед ВИАМом, перед всеми, кто работает вместе с Иосифом Наумовичем Фридляндером, огромное поле деятельности. Хочу пожелать вам успехов в освоении дальнейших рубежей.
Напомню (может быть, многие это знают), что помимо коллективов, руководимых И.К. Кикоиным и И.Н. Фридляндером, разработкой центрифужного обогащения несколько раньше занимался немецкий специалист Ф. Ланге. Как в то время, так и позже, эти работы в соответствии с их режимным характером обозначались четырьмя буквами ССОП - "совершенно секретно, особая папка", так что мы даже не знали, чем наши соседи занимаются.
Обсуждая высокоэффективные технологии урана, все почему-то подчеркивают только одно их важное, но, на мой взгляд, не самое главное достоинство - экономию огромного количества электроэнергии. Между тем, если метод диффузионного разделения позволяет в лучшем случае извлекать из природного урана 50% изотопа уран-235, то центрифужный процесс - в полтора раза больше. (Напомню, что в природном уране содержится 0.71% урана-235.) Этот факт после развала Советского Союза имеет первостепеннейшее значение для нашей страны.
В России осталось меньше 10% запасов урана, которые мы используем для развития атомной энергетики - как в мирных, так и в оборонных целях. Эти залежи обеспечивают всего лишь одну четверть, максимум одну треть потребного для нас количества урана. Каков выход из данного положения?
За все время своего функционирования газодиффузионные заводы наработали сотни тысяч тонн так называемого отвального, или обедненного, урана, содержащего 0.4% и меньше урана-235. Его можно извлекать, используя центрифужный метод обогащения.
Хочу также отметить, что Федеральное агентство по атомной энергии располагает уникальной возможностью получения лития, в том числе и металлического, который находит применение в алюминиевых сплавах.
Не секрет, что сегодня авиационная промышленность России находится в достаточно сложном попожении. Новые разработки трудно продвигаются вперед, у авиастроителей недостаточно средств, чтобы их внедрять. Мне кажется, что в такой ситуации практикам вместе с учеными необходимо найти пути снижения стоимости полуфабрикатов, которые должны пойти в авиацию. Тогда новые отечественные самолеты будут более дешевыми и более конкурентоспособными как в России, так и на мировом рынке.
Наш холдинг активно сотрудничает с западными авиационными фирмами. Мы, например, поставляем алюминиевые сплавы для аэробуса А-380, причем добились этого, участвуя в тендере. Нужно сказать, что российские алюминиевые сплавы конкурируют на западном рынке достаточно успешно. Проблема заключается в том, что некоторые виды испытаний новых материалов мы не можем осуществить в России, поскольку в стране нет достаточно надежной базы для проведения полного комплекса испытаний. Нам приходится завершать испытания наших материалов на Западе, иногда получая заключение полгода или год спустя, после того как тендер, по существу, закончится.
В заключение хочу поблагодарить ученых за то, что алюминий, который мы производим и перерабатываем, находит применение в современной России.
Главный металлург Государственного космического центра им. М.В. Хруничева (ракетно-космический завод) А.Л. Соловьев: Более сорока лет в качестве конструкционного материала мы применяем в основном алюминий-магниевый сплав АМгб, а в последнее время - сплав 1201. Главное преимущество алюминий-литиевых сплавов перед сплавами типа АМгб и 1201 - высокая удельная прочность, поэтому алюминий-литиевые сплавы мы планируем использовать в перспективных разработках наших космических аппаратов и ракет-носителях.Особо хочу обратить внимание на то, что литий - щелочной металл, значит, для промышленного внедрения алюминий-литиевых сплавов необходимо разработать комплекс мер по охране труда и окружающей среды. Кроме того, нужно создать базу, которая могла бы обеспечить производственников этими сплавами в небольших количествах, так как производство ракет и космических аппаратов - не серийное, а единичное, и потребности нашего предприятия в таких сплавах ограничены. При небольших потребностях, естественно, возрастает и цена самих сплавов. Это очень острый вопрос.
Мы уже давно сотрудничаем с ВИАМом, давно работаем с Иосифом Наумовичем Фридляндером. Хочу выразить ему благодарность за разработку новых алюминиевых сплавов.
Коснусь еще одного вопроса, которого не затрагивали другие выступавшие. Длительность эксплуатации самолетов достигает нескольких десятилетий. Магистральные самолеты летают по 20-30 лет, а самолеты, стоящие на вооружении, - до 50 лет. Это реальность, и с ней надо считаться. Но тогда становится существенным такой фактор, как коррозия. Думаю, что должна быть проведена работа по созданию и дальнейшему улучшению коррозионной стойкости алюминиевых сплавов.
Январь 2005