В России разработаны новые технологии изготовления остекления кабин военных и гражданских самолетов из силикатного стекла. Такие изделия оказываются легче и прочнее, чем если бы они были созданы из ранее применявшихся органических материалов. Силикатное стекло применяется и в других областях — от космонавтики до жилищного строительства.
Среди исследователей космоса вот уже не первый год не утихает спор вокруг оценки безопасности и эксплуатации Международной космической станции. Дело в том, что в российском сегменте МКС установлено 13 иллюминаторов. Во время совместных обсуждений работы МКС предлагается закрыть окна в российском сегменте глухими заглушками из-за опасности возникновения дефектов в стекле из-за ударов микрометеоритов — дескать, безопасность станции может улучшиться. Но представитель российской стороны — директор Научно-исследовательского института технического стекла (НИТС), заслуженный деятель науки, вице-президент Академии инженерных наук РФ, доктор технических наук, профессор Владимир Солинов стоит на своем — на протяжении многих лет остаточная прочность после удара космических микрочастиц сохранилась и, различные излучения и прочие угрозы космоса никак не отразились на безопасности созданных в институте иллюминаторов, а также экипажа, поэтому причин ограничивать наблюдение за нашей планетой, «затемнять» работу космонавтов в российских модулях орбитальной станции нет.
Иллюминаторы для орбитальной станции — лишь одно из немногих изделий, выпускаемых в НИТС. Основная же часть работы ученых и технологов института, расположенного на юго-западе Москвы, конечно, связана с созданием изделий конструкционной оптики, остекления, или как здесь говорят «сложных прозрачных оптических систем» для боевых самолетов четвертого и пятого поколений, производимых заводами ОАК. И с каждым годом работы для авиации становится заметно больше.
Силикат или органика
На фото: заготовки лобового стекла Т-50 в кассете для упрочнения.
Силикатное стекло — материал с уникальными свойствами. Его прозрачность, высокая оптика, теплостойкость, прочность, способность использования различных покрытий — делают его незаменимым для остекления летательных аппаратов. Но почему при остеклении кабин самолетов за рубежом и у нас преимущество отдавалось органике? Только по одной причине — она легче. Еще говорят, что силикатное стекло слишком хрупкое.
В последние несколько лет разработки материаловедов НИТС позволили кардинально изменить представление о силикатном стекле как о хрупком материале. Современные методы упрочнения позволяют придать остеклению для современных боевых самолетов прочность достаточную, чтобы выдержать удар птицы весом около двух килограмм при скорости 900 км/час.
«Сегодня способ упрочнения в поверхностном слое исчерпал себя. Пора изменять внутреннюю структуру стекла, ее дефектность», — говорит Владимир Солинов. Этому, как не странно, способствуют введенные Западом санкции. Дело в том, что даже в «досанкционные» времена зарубежные фирмы по решению НАТО не поставляли в Россию силикатные стекла улучшенного качества, используемые там для специальных целей. Это вынуждало НИТС использовать архитектурно-строительное стекло. Хотя российские производители выпускают миллионы квадратных метров стекла такого стекла, качество его не подходит для использования в авиации.
На помощь пришло импортозамещение: в Москве начат новый проект по проведению НИОКР и проектированию принципиально нового для стекольной отрасли оборудования.
На нем и будут отрабатываться все процессы синтеза стекла с российским приоритетом.
Осуществлять проект доверено молодому ученому Татьяне Киселевой. 26-летняя выпускница Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева руководит лабораторией, в 2015 году защитила кандидатскую диссертацию. На кафедре стекла в «Менделеевке» Татьяна изучала свойства прозрачной брони. Один из ее профессиональных вызовов — разработать стекло, которое по своим свойствам превосходило бы один из лучших мировых аналогов — стекло «геркулит», которое Россия пока не выпускает.
В основу проекта положен новый оригинальный способ варки стекла. Уже сегодня в лаборатории получены образцы стекла, конструкционная прочность которых в три раза превосходит аналоги, полученные традиционным методом. Прибавьте к этому имеющиеся способы упрочнения, и получите стекло, прочность которого в несколько раз превышает многие сорта легированной стали. Из более прочного стекла получаются более легкие изделия. Однако необходимо отметить, что разработчики органического стекла постоянно повышают технические показатели своей продукции, спор о том, какое стекло лучше, не окончен.
Фонарь для Т‑50
На фото: комплект остекления самолета Т-50 — лобовой козырек и откидная часть.
Представьте себе пакет из нескольких пластин силикатного стекла, которым необходимо придать обтекаемую форму переднего козырька высокоскоростного самолета.
Еще около сорока лет назад специалисты НИТС разработали технологию глубокого моллирования. В специальной печи закладывается несколько слоев стекла. В течение нескольких часов при высокой температуре под собственным весом стекло изгибается, приобретая нужную форму и кривизну. При необходимости специальные механизмы подталкивают заготовку, заставляя ее изгибаться по специальному графику.
Впервые в мире по этой технологии на истребителе МиГ‑29 заменен фонарь, состоявший из трех стекол, на одно беспереплетное стекло из силиката.
С ростом скоростей возрастали требования по теплостойкости остекления, с которыми органическое стекло уже не могло справляться. Одновременно ужесточались оптические требованиями и требования по обзорности. Несколько лет назад в сотрудничестве с Компанией «Сухой», Объединенной авиастроительной корпорацией была разработана новая технология по выпуску стекла для Т‑50.
Разработка финансировалась авиастроителями, частично — Министерством промышленности и торговли. Существенная помощь была оказана в проведении техперевооружения предприятия, говорит директор Технологического центра ОАК Юрий Тарасов.
В результате лобовое стекло самолета Т‑50 по размеру почти в два раза превосходит размер козырька МиГ‑29, а форма изделия из классического цилиндра превратилась в сложный 3D формат.
Результат — впервые в мире из силикатного стекла изготовлена лобовая и откидная часть фонаря самолета Т‑50 (производится компаний «Сухой») в 3D формате. При этом вес этих частей оказался ниже, чем если бы они были изготовлены из органического стекла.
Достигнутые результаты дали толчок к оснащению подобным остеклением самолетов других заводов и КБ, входящих в ОАК. Сразу же появилась необходимость в модернизации, замене органического остекления на силикатное, например, на самолетах Як‑130, Су‑35, МиГ‑31, МиГ‑35. После такой замены (т. е. улучшения прочностных характеристик остекления) МиГ-35, например, впервые, впервые развил скорость до 2000 км/ч, то есть смог лететь быстрее в среднем на 40%, чем любой другой самолет в мире.
За последние годы серьезно изменился стиль работы московских ученых. Около трехсот специалистов НИТС выполняют полный цикл — от технического задания до мелкосерийного производства. Здесь и разработки технологии, и подбор ключевых материалов при использовании стекла, и большой цикл испытаний на все воздействующие на самолет факторы, как на земле, так и в воздухе.
К современному стеклу предъявляют несколько ключевых требований, среди которых, кроме высокой прочности, — оптическая прозрачность, высокое светопропускание, увеличивающие диапазон визирования, антибликовые свойства, защита от воздействия солнечной радиации и других излучений, антиобледенительные свойства, обеспечивающие равномерное удельное сопротивление электрообогрева.
Все это достигается с помощью нанесения покрытий аэрозольным, вакуумным или магнитронным способом. Мощное и сложное оборудование, испаряющее металл и осаждающее его на поверхность стекла, позволяют НИТС наносить любые покрытия, в том числе защищающее от спецфакторов.
Этот набор свойств позволяет говорить об изделии остекления как о сложной оптической системе, а высокие прочностные качества стекла, составляющего часть кабины самолета, создали новую область науки и техники и ввели в обиход термин «изделия конструкционной оптики» (ИКО).
Новые технологии
На фото: погрузка листа стекла для дальнейшей обработки.
Когда изделие — откидную часть фонаря для Т‑50 — выгружают из печи для дальнейшей обработки, она мало чем напоминает будущее изделие. При моллировании стекла края заготовки деформируются, и удалить их с крупногабаритной заготовки, да еще имеющей сложную геометрическую форму, алмазным инструментом невозможно. На помощь пришел лазер. Луч лазера роботизированного комплекса не только обрезает заготовку согласно заложенной в него программе, но и, оплавляя кромку, повышает прочность края изделий, предотвращая появления трещин. Лазерную резку изделий крупногабаритной 3D формы впервые применили в Москве. Этот метод получил патент в марте 2012 года. Лазерный луч используют также для нанесения отсечек в электропроводящем слое на поверхности стекла, создавая зоны обогрева. После обработки лазером заготовка все больше и больше становится похожа на фонарь Т‑50.
После резки каждую заготовку подвергают обработке на пятикоординатном станке. Уникальный ложемент позволяет обеспечить на ней нулевые исходные монтажные напряжения. Главный технолог института Александр Ситкин рассказал о перспективах использования комплекса для шлифовки и полировки поверхности стекла: работы, которая при необходимости осуществляется пока только вручную. Разработанные технологии — гордость института.
Совсем недавно готовый стеклоблок при помощи герметика монтировался в металлическую раму. Переход на композиционные материалы разработки НИТС позволил снизить вес изделия на 25%, повысить птицестойкость и ресурс остекления до уровня ресурса остекления планера. Замену остекления стало возможно проводить в полевых условиях.
Весь цикл производства ИКО длится около полутора месяцев. Большая часть изделий идет на заводы-изготовители ОАК, часть — на ремонтные заводы для модернизации, часть — на аэродромы ВВС, в так называемые аптечки. Основная часть продукции НИТС выполняется в рамках государственного оборонного заказа.
В НИТС неохотно делятся сведениями о характеристиках остекления для боевых самолетов. Но ясно, что стекла, разработанные для кабин отечественных гражданских самолетов по ряду параметров превосходят импортные.
Например, как можно видеть на сайте НИТС, толщина стекла на самолете Ту‑204 – 17 мм, толщина стекла с аналогичными свойствами у самолетов Boeing 787 – 45 мм.
Поколение V
В последние несколько лет директор института Владимир Солинов сумел существенно омолодить коллектив. На московском производстве, отметившем недавно 60-летний юбилей, сегодня работают и молодые люди, и опытные специалисты. Сюда охотно идут студенты старших курсов «Менделеевки». Придя на практику в институт и узнав, что здесь зарплаты по 70 тыс. рублей, сначала устраиваются простыми рабочими, потом быстро дорастают до технологов. Много и опытных рабочих.
Один из них, Николай Якунин, обрабатывает стекла для вертолетов. «Пришел сюда сразу после армии, сорок лет назад. Но если бы не высокий уровень автоматизации, наверное, не выдержал бы. Мне даже в хорошей физической форме с изделием весом в 30 кг работать целый день тяжело», — говорит Якунин.
Люди и гвозди
Во всем мире разработанные для авиастроения технологии, позволяющие изготавливать стекла требуемой прочности, используются и во многих других отраслях народного хозяйства.
Несколько лет назад, чтобы доказать высокую прочность силикатного стекла, в институте сделали… стеклянные гвозди. Забивали молотком. Они могли бы найти применение в изделиях с антимагнитными свойствами.
Также эти гвозди испытывались при строительстве, взамен струбцин при склейке корпусов яхт. Но гвозди остались только экзотикой. Теперь никому не надо доказывать высокие показатели прочности стекла — все работы НИТС — свидетельство высокого качества этого древнейшего и, в тоже время, совершенно нового материала.
Директор института Владимир Солинов использует все свои возможности для доказательства необходимости обеспечения высокой прочности стекла, в том числе и архитектурно- строительного.
Он является членом Российско-американской комиссии по безопасности в космосе, о которой шла речь в начале этой статьи, а также Комиссии по градостроению при Государственной Думе — ведь при строительстве современных зданий все большая часть материалов — стекло. А это значит, что разработанные для авиации технологии и материалы в скором будущем будут делать жизнь миллионов людей все более комфортной и безопасной.