Уникальный термостойкий материал для гиперзвуковых летательных аппаратов позволит повысить рабочий ресурс техники

Специалисты кафедры 903 «Перспективные материалы и технологии аэрокосмического назначения» Московского авиационного института под руководством доцента, кандидата технических наук Алексея Астапова работают над новым сверхвысокотемпературным углерод-керамическим материалом AeroSpace. 

Основное назначение материала – создание эффективной системы тепловой защиты для сверхманевренных гиперзвуковых летательных аппаратов, которая позволит повысить рабочий ресурс техники и в перспективе получить приоритет в оборонном производстве.

«За последние 10 лет требования к термостойким материалам существенно возросли: если раньше температура эксплуатации не превышала 1 800 °C, то теперь требуется, чтобы они выдерживали аэрогазодинамический нагрев в воздушной плазме вплоть до 2 200-2 300 °C и сохраняли при этом свою несущую способность. Сейчас научное сообщество нацелено на получение таких материалов, над этой задачей работают ведущие научные коллективы мира», – рассказывает один из участников проекта, сотрудник кафедры 903 Вениамин Погодин. 

Проблема создания таких материалов состоит в том, что на гиперзвуковых скоростях начинают работать другие законы теплообмена. Основная тепловая нагрузка на материал формируется не только за счет окисления и классических видов теплопередачи (конвекции, кондукции и излучения), но и за счет процессов рекомбинации атомов и ионов набегающего потока на поверхности (каталитичности). В результате этого выделяется теплота диссоциации на внешней обшивке летательного аппарата, что приводит к значительному росту тепловой нагрузки.

Основными компонентами для термостойких материалов являются бориды и карбиды тугоплавких металлов. Продукты окисления этих составляющих – оксиды – обладают высоким значением каталитичности и в результате непродолжительного времени эксплуатации на гиперзвуковых скоростях нагреваются до температур плавления. Таким образом, каталитичность становится естественным ограничителем и делает невозможным создание новых материалов по традиционным принципам.

«Мы в своей работе пытаемся обойти этот “природный запрет”, который ставит каталитичность. В отличие от многих лабораторий, работающих в этом направлении, мы практикуем системный и глубокий подход, нацеленный на создание технологии изготовления материала, а не только на компиляцию известных технических решений, – говорит Вениамин Погодин. – Получить материал сам по себе – это одна задача, а иметь технологию создания из него изделий, в том числе сложнопрофильных, – другая. Порой то, что удается сделать в лаборатории в небольшом масштабе, невозможно реализовать на производстве. Поэтому наша цель – оптимальная и экономически эффективная производственная технология».

Специалисты МАИ проводят масштабные исследования, направленные на разработку алгоритма ретроградного синтеза материалов с требуемой архитектурой. Особенностью данного подхода является то, что собственно процесс химического синтеза и вся технология получения материалов строятся в обратном порядке, то есть от конечного продукта с заданным уровнем эксплуатационных и функциональных свойств. На работы в 2019 году был выделен грант Российского научного фонда. К настоящему времени выполнена первая итерация в разработке опытного технологического процесса создания экспериментального образца сверхвысокотемпературного материала, включающая получение препрега на основе углеродной ткани и тугоплавких компонентов, операции карбонизации и пироуплотнения с последующей реакционной пропиткой жаростойкими композициями. 

Источник