2021 год объявлен в России Годом науки и технологий, а июнь, согласно его календарному плану, посвящен новым производственным технологиям и материалам. Через несколько дней свое 89-летие отметит ведущий российский центр материаловедения ─ Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ был создан 28 июня 1932 г.).
Материалы ВИАМ применялись при создании первого отечественного цельнометаллического самолета и брони для советских штурмовиков, первого атомного котла и реактора первого в мире атомного ледокола «Ленин», первого в истории искусственного спутника Земли, легендарного советского лимузина ЗИС-101.
В преддверии дня рождения Института «Научная Россия» побывала на экскурсии в Музее ВИАМ.
«А мне летать охота!»
Возможность полета интересовала людей на протяжении многих веков. Можно вспомнить работы Леонардо да Винчи в XV веке. Именно он впервые сформулировал идею аэроплана, но его задумки настолько опережали свое время, что о реальном их воплощении не могло быть речи ― во многом из-за отсутствия на тот момент легких и прочных материалов, из которых можно было сконструировать летательный аппарат. Леонардо да Винчи любил наблюдать за птицами и летучими мышами, он говорил: «Кто знает, тот может, только бы узнать, а крылья найдутся!». Однако материаловедение, особенно авиационное, начало развиваться гораздо позднее.
Копия летательного аппарата Леонардо да Винчи с воздушным винтом (справа). Из коллекции Музея ВИАМ.
В начале 1900-х годов немецкий инженер-металлург Альфред Вильм создал уникальный сплав под названием дюралюминий (от названия города Дюрен в Германии). Новый материал стал основой для создания самолетов, началось его промышленное производство.
Первый в мире цельнометаллический самолет ― Junkers J1, был создан немецким конструктором Хуго Юнкерсом в 1915 году. Наша страна тоже не отставала, и в 1922 году в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) сотрудники секции испытания материалов под руководством И.И. Сидорина (впоследствии – основатель ВИАМ) раскрыли секрет дуралюминия. Был создан его аналог ― алюминиевый сплав с добавкой никеля, меди и марганца под названием кольчугалюминий (первые образцы были получены в г. Кольчугино Владимирской области). Благодаря новому материалу удалось впервые создать отечественный цельнометаллический самолет ― АНТ-2. Работой руководил выдающийся советский конструктор А.Н. Туполев.
Позднее, 28 июня 1932 года, на базе ЦАГИ образован ВИАМ: было открыто два корпуса общей площадью в тысячу квадратных метров, создано 33 лаборатории по восьми научным направлениям. Причиной тому послужила все более возрастающая потребность в централизованной организации материаловедческих изысканий, нужен был 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 сам А.Н. Туполев. План удался, и сегодня мы знаем, что 95% всех материалов, которые использовались при создании отечественной авиационной, ракетной, космической техники, ― это материалы ВИАМ.
Центральный вход ВИАМ, г. Москва.
И на войну, и в космос
Едва ли найдется кто-то, не знакомый с легендарным штурмовиком Ил-2 ― самым массовым советским самолетом в истории Великой Отечественной войны. В его создании ВИАМ принимал непосредственное участие. Главной задачей было получить цельнометаллическую броню, входящую в силовую конструкцию самолета.
Двухсоставная броня, разработанная в ВИАМ, позволяла защитить самолет и, самое главное, летчика. В итоге ИЛ-2 стал самым «неубиваемым» самолетом в истории Великой Отечественной войны. Всего таких самолетов было выпущено более 36 тысяч.
Броня, разработанная в ВИАМ, также применялась для знаменитого автомобиля ЗИС-101, который изготавливали на заводе им. И.В. Сталина в Москве. Эту машину называют первым советским лимузином.
Учеными ВИАМ была разработана и специальная маскирующая краска белого цвета для военных самолетов, в частности для Ил-2. Такая краска могла быть оперативно нанесена на самолет в полевых условиях, при температуре до -12 ˚C. Краска также легко удалялась теплой водой с помощью небольшого абразивного материала.
ВИАМ активно участвовал в покорении космоса. В 1957 году на орбиту был выведен первый искусственный спутник Земли «Спутник-1». Аппарат был изготовлен из разработанного в ВИАМ алюминиевого сплава. В 1961 году на корабле «Восток» совершил полет в космос Ю.А. Гагарин. При создании космического корабля «Восток» ВИАМ был определен исполнителем по жаропрочным материалам и теплозащитным покрытиям. В составе теплозащитной конструкции впервые использовались соты на основе стеклоткани, пропитанной полимерными связующими. Кроме того, в космическом корабле «Восток» были применены разработанные в ВИАМ металлические материалы.
В рамках космической программы ученые Института создали специальные гермошлемы и светофильтры иллюминаторов, которые защищали глаза космонавтов. Эта часть снаряжения входила в состав высотно-компенсирующего костюма и высотного скафандра. Использованные решения, в частности, позволили А.А. Леонову выйти в открытый космос.
Светофильтр космического скафандра «Ястреб». Из коллекции Музея ВИАМ.
Особое место в истории ВИАМ занимает участие в проекте «Энергия» ─ «Буран» ― самой масштабной программе за всю историю советской космонавтики. Программа была нашим ответом на американские военные инициативы, в первую очередь на проект «Спейс Шаттл». Перед учеными стояла задача построения полноценной тепловой защиты многоразовой космической системы. 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».
Теплозащитное покрытие изготовлялось в виде отдельных элементов-плиток (38 800 штук), вырезанных из блоков, в которых только 10% объема занимали супертонкие кварцевые волокна, а до 90% ― воздух.
Из материалов ВИАМ для «Бурана» были также созданы специальные тормозные диски на основе бериллия и рамки остекления.
Тормозной диск из бериллия для использования в тормозной системе космического корабля «Буран». Из коллекции Музея ВИАМ.
Активно велись разработки и в области вертолетной техники. Для вертолета Ми-26 были созданы металлопластиковые лопасти, которые обеспечили снижение массы на 40%. Благодаря использованию новых материалов в 1978 году установлен абсолютный мировой рекорд скорости для вертолетов — 368,4 км/час, рекордсменом стал Ми-24.
Но вернемся к самолетам. Двигатель самолета ─ это его сердце. Изготовление материалов для двигателей по-прежнему остается одним из ключевых направлений Института. Между тем создание собственных газотурбинных двигателей ― настолько сложная технология, что количество стран, которые ей владеют, можно буквально пересчитать по пальцам одной руки.
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 современные сплавы ― и 1300 градусов.
Материалы и облик города
Материаловедение востребовано не только в авиационной и космической отрасли, но находит применение и в городской инфраструктуре, архитектуре.
Для защиты инфраструктуры московского метрополитена в ВИАМ разработаны специальные материалы и краски. Институт занимался и созданием материалов для троллейбусных изоляторов.
Из титановых сплавов ВИАМ был полностью создан знаменитый памятник Ю.А. Гагарину, находящийся на одноименной площади в столице. Памятник общей массой 12 тонн и высотой 42 метра был открыт 4 июля 1980 года. Институт разрабатывал не только материал, но и технологии соединения, штамповки деталей, чтобы они давали определенные очертания и определенный свет на фоне неба. Монумент «Покорителям космоса» на ВДНХ также выполнен из материалов ВИАМ.
Памятник Ю.А. Гагарину на Ленинском проспекте в г. Москва. Изготовлен из титана ─ металла, который традиционно используется при строительстве космических кораблей. Фото: https://ru.123rf.com
Интересная история, связанная с памятниками, произошла в начале нулевых, когда возник вопрос о реконструкции монумента «Рабочий и колхозница» на ВДНХ. Памятник пришел в негодность, находясь в условиях агрессивной среды, утратил свой цвет и блеск, покрылся черной копотью. Что делать? Сначала монумент пытались очистить различными зарубежными пастами, но ничего не помогало, и внешний вид только ухудшался. Тогда за дело взялся ВИАМ и предложил свои разработки. В итоге памятник был успешно очищен и покрыт специальным защитным слоем, который позволит сохранить монумент в прекрасном виде еще не одно десятилетие. Открытие отреставрированного памятника состоялось в 2009 году.
В 2017 году в России появился уникальный объект инфраструктуры ― первый автомобильный мост, построенный по технологии с использованием композитов нового поколения. Учеными ВИАМ были разработаны угле- и стеклопластики, огнестойкие покрытия для мостовых несущих конструкций моста. Мост выдерживает нагрузку до 100 тонн, долгое время не требует капитальных вложений и постоянно контролируется системой мониторинга с применением оптоволоконных датчиков деформации и температуры. Такой необычный мост ― совместный проект ВИАМ и «НИИграфит».
Сегодня ВИАМ – ведущий материаловедческий центр Российской Федерации. Институт выполняет полный инновационный цикл – от фундаментальных и прикладных исследований до разработки материалов, технологий, оборудования, выпуска нормативной документации и организации малотоннажного производства. Разработки ученых находят свое применение в авиа- и машиностроении, космической отрасли, энергетике, строительстве, медицине и других сферах.
