Академик Е.Н. Каблов: «Для освоения космоса нужны новые материалы»

В этом году весь мир отмечает 60-летие первого полета человека в космос. Успех миссии Юрия Гагарина стал возможен благодаря слаженной работе многих людей: физиков, математиков, конструкторов, инженеров-проектировщиков и, конечно, материаловедов. «Научная Россия» обсудила с академиком РАН Евгением Кабловым основные вехи в развитии космического и авиационного материаловедения.

Евгений Николаевич Каблов ─ генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), академик Российской академии наук, профессор.

─ С открытия ВИАМ в начале 30-х годов ХХ века началось становление новой науки в СССР ─ авиационного материаловедения. Расскажите об этом подробнее.

─ Для развития советской авиационной промышленности необходимо было создание и производственное освоение качественных отечественных материалов для самолетов и моторов. Стала очевидной потребность в централизованной организации материаловедческих изысканий, и в 1932 году было принято решение создать институт, который бы разрабатывал уникальные материалы для авиации и контролировал их производство и применение в изделиях. Инициатором создания ВИАМ выступали выдающиеся советские ученые и конструкторы, в том числе А.Н. Туполев, который понимал, что именно материал определяет технологию изготовления изделия, его массу, прочность и другие характеристики, позволяющие воплотить замысел конструктора. Понятно, что использовать те же материалы, что и в других отраслях промышленности, было невозможно, ведь основное требование к материалам для авиационной техники – это удельная прочность и удельная жесткость: материал должен быть легким, но при этом очень прочным, в том числе жаропрочным.

Могу сказать, что 95% всех материалов, которые использовались при создании советской авиационной, ракетной, космической техники, – это материалы ВИАМ. Фактически, благодаря работам нашего института, в Советском Союзе в 1946 году был создан первый атомный котел.

Затем была обеспечена реализация великолепной идеи академика И.К. Кикоина: он предложил газоцентрифужное обогащение урана. Нужно было создать материал, который бы имел плотность алюминия, но прочность стали, ведь скорость вращения центрифуги достигала огромных цифр ─ 1300 оборотов в секунду! Эту задачу смог решить ВИАМ. Специалисты института разработали высокопрочный алюминиевый сплав, благодаря которому технологию газоцентрифужного обогащения урана и метод академика Кикоина удалось реализовать.

Затем последовала еще одна беспрецедентная по своим масштабам работа ─ создание специального сплава циркония с ниобием для тепловыделяющих элементов атомных реакторов (ТВЭЛ). Институтом были разработаны технологии производства ТВЭЛ для первого промышленного атомного реактора и силовой установки ледокола «Ленин».

В ВИАМ впервые в нашей стране были созданы жаропрочные сплавы для лопаток газотурбинных двигателей самолетов. Такой сплав мог выдерживать колоссальную температуру в 1000 градусов Цельсия, а сейчас мы спокойно можем работать и на 1300 градусах.

Жаропрочный сплав в своем составе содержит 15 элементов, а основа его – никель. Представьте, как хозяйка, готовя суп, бросает в него картошку, морковку и другие ингредиенты, вот так и ученым нужно загнать в сплав 15 элементов, для того чтобы обеспечить необходимый комплекс свойств и высокую термическую стабильность структуры при высоких температурах и уровне напряжения.

Садясь в самолет, многие пассажиры даже не задумываются о том, что летят на машине с газотурбинным двигателем, где температура (при работе лопаток турбины, которые, вращаясь в газовой струе, преобразуют тепловую энергию газа в механическую работу вращающегося ротора) на несколько сотен градусов выше температуры плавления! Разве это не чудо научной мысли? Ведь, по идее, лопатка должна расплавиться. Но уникальный жаропрочный сплав предохраняет ее от этого. В целом развитие авиационной техники – это борьба за повышение температуры в газотурбинных двигателях. И здесь ключевую роль для конструкторов играют материалы и технологии производства лопаток с высокой степенью охлаждения материала лопаток, которые определяют надежность и безотказность работы двигателя.

─ Советский Союз выполнял все работы исключительно своими силами?

─ Верно. Развитие газотурбинного двигателестроения во многом было связано с тем, что Советский Союз никоим образом не зависел от зарубежных производителей. Это касалось как технологий, так и самого оборудования. Американская компания General Electric в 1990-х годах произвела оценку технологий литья лопаток, разработанных в ВИАМ. В отчете американских экспертов сообщалось, что созданная технология получения высокоградиентной монокристаллической лопатки в 30 раз эффективнее, чем в Соединенных Штатах и на Западе.

─ В этом году мы отмечаем 60-летие первого полета человека в космос, а ведь ВИАМ внес огромный вклад в создание материалов и технологий для космической отрасли?

─ Да, это так: без материалов ВИАМ вряд ли удалось бы создать ту ракетно-космическую технику, которая позволила СССР стать пионером освоения космоса. Чтобы сконструировать первую в Советском Союзе ракету и сопутствующие агрегаты, потребовалось очень много новых материалов, которые должны были отвечать определенным строгим требованиям.

В 1946 году вышел подписанный Сталиным особый сверхсекретный документ «Папка особой важности», где описывалось использование принципа реактивного движения при создании новых образцов военной техники и вооружения. В документе четко распределялась ответственность организаций, участвовавших в этой работе, и очень большая роль, в части разработки жаропрочных и теплозащитных материалов, была отведена ВИАМ.

Выдающийся ученый, основоположник советского жидкостного ракетного двигателестроения В.П. Глушко в своей книге отмечал, что если бы не работы ВИАМ по созданию коррозионностойких сталей, то он никогда бы не смог сделать самые лучшие – как сейчас показывает жизнь – жидкостноракетные двигатели: такие, как РД-170. Очень приятно, что наш вклад не забыт.

12 апреля 1961 года ракета-носитель Р-7, сконструированная Сергеем Королевым, взлетела. На борту корабля «Восток-1» находился Юрий Гагарин ─ первый космонавт Земли. Его полет в космическое пространство стал самым ярким событием своего времени, продемонстрировавшим превосходство уровня развития советской науки, технологий, промышленности. Этот день навсегда вошел в историю человечества.

Я хорошо помню единодушное воодушевление и радость всего народа, победившего не так давно в Великой Отечественной войне. Чувство гордости, осознание того, что я ─ гражданин великой страны, желание учиться, чтобы стать специалистом, ─ все это способствовало тому, что я активно стал интересоваться физикой и математикой, и определило мой будущий путь
в науке.

─ Проблема перегрева космической техники по-прежнему остается одной из наиболее актуальных?

─ Да, эта проблема существует, потому что человеку нужны очень большие скорости, чтобы дальше осваивать космос. Поэтому задача остается открытой, нам по-прежнему нужны новые жаропрочные теплозащитные материалы. Сначала материалы создавались на кварцевом волокне, потом на оксиде алюминия, а сейчас перед учеными стоит задача выйти на более высокие температуры волокна, подобрать соответствующие связующие, обеспечить постоянство геометрической формы и т. д.

─ Расскажите о легендарной космической программе «Буран». И в этом проекте ВИАМ принимал непосредственное участие?

─ Да, ВИАМ принимал активное участие в реализации уникальной программы «Энергия–Буран». Перед запуском этого проекта было много споров о его целесообразности. Могу сказать, что без «Бурана» наша страна потеряла бы стратегический паритет с потенциальным противником ─ США ─ и стала бы уязвимой при нанесении ударов из космоса. Это был адекватный ответ на американские военные инициативы, в первую очередь на проект «Спейс Шаттл».

В рамках проекта «Буран» перед учеными ВИАМ стояла задача построения полноценной тепловой защиты многоразовой космической системы. Основной проблемой было создание новых теплозащитных материалов с диапазоном работы от минус 130 до плюс 1600 градусов по Цельсию. Эти материалы должны были защищать наиболее важные элементы конструкции «Бурана», не разрушаясь и не теряя свою геометрическую форму на различных этапах полета, а также защитить экипаж.

Покрытие состояло из отдельных элементов ─ плиток теплозащитного материала из особо чистых кварцевых волокон с наружным стекловидным покрытием; эти плитки крепились к корпусу «Бурана» через демпфирующую фетровую подложку, которая, в свою очередь, приклеивалась к плитке с помощью эластичного клея. На 90% плитки состояли из воздуха, это необходимо для достижения минимальных показателей теплопроводности. А для защиты стыков многослойных теплозащитных элементов специалисты ВИАМ разработали специальные «жгуты-герметики».

В рамках программы «Энергия–Буран» были разработаны и внедрены новые марки алюминиевых, титановых, жаропрочных сплавов, высокопрочные стали и многое другое. В общей сложности ВИАМ создал 39 принципиально новых материалов и 230 технологий, но главное ─ это разработка теплозащитных материалов, которые по целому ряду характеристик превосходили американские аналоги, разработанные для системы «Спейс Шаттл».

Многоразовая космическая система «Энергия–Буран» ─ наиболее масштабная программа в истории отечественной космонавтики, в осуществлении которой приняли участие 1200 предприятий, конструкторских и научных организаций, 70 министерств и ведомств. Было потрачено 16 миллиардов рублей за 18 лет кропотливой работы. Реализация этого уникального проекта стала ярчайшим международным событием, а также предопределила решение многих научно-технических и практических задач.

─ Что, на ваш взгляд, отличает материаловедение от других наук, в чем его особая специфика?

─ Однажды, встречаясь со студентами, президент нашей страны В.В. Путин сказал, что одна из самых интересных научных специальностей – это материаловед. Он пожелал молодежи глубже погрузиться в тему, ведь материаловедение ─ это сосредоточение знаний в области химии, физики, сопротивления материалов, цифровых технологий и т. д. Материаловед ─ это человек, который создает новое знание и результат, и тем самым позволяет конструктору реализовать его идею.

Мы в ВИАМ разработали Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года. Никто сверху нам эту задачу не ставил, но мы понимали, что необходимо составить план и понять, какие задачи дальше предстоит решать. При этом были учтены пожелания и потребности крупных госкорпораций. И здесь очень важно соблюдение принципа неразрывности цепочки «материал – технология – конструкция – оборудование» ─ и все это вкупе с цифровыми технологиями.

…Мне посчастливилось работать со многими выдающимися генеральными конструкторами: академиками Н.Д. Кузнецовым, А.М. Люлькой, Г.В. Новожиловым и др. И все они лично приезжали на металлургические и химические заводы, сами смотрели, как все устроено, выслушивали объяснения и принимали решения. По справкам и докладам очень трудно руководить. Ты должен погрузиться в тему с головой и понять, как все работает ─ «от и до».

Сегодняшняя наука и ситуация в мире требует особого внимания к подготовке генеральных конструкторов. Это очень востребованное и крайне необходимое направление. Соответственно, вузы должны менять подход к подготовке специалистов, а для этого нужны определенные условия. Студенты должны проходить практику на предприятиях, оснащенных самым современным оборудованием, и видеть инновационный результат. Молодой специалист после вуза должен быть востребован, его должны принять на работу и платить достойную зарплату, чтобы он имел желание реализовываться и развиваться в профессии. Пока этого нет. Но мы обязательно должны к этому прийти, если хотим вывести российскую науку и промышленность на передовые позиции в мире.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.

Беседовала Янина Хужина. Фотографии в материале, включая фото на главной странице сайта, предоставлены пресс-службой ВИАМ.