СКИФ: на пути к голубой мечте авиастроителя — различия между версиями

Текущая версия на 17:27, 20 сентября 2022

15.02.2022

Как сократить вес самолета на 25%? Почему возникновение трещин в материалах - до сих пор предмет дебатов? И как СКИФ поможет в решении этих задач? Рассказывает заведующий лабораторией лазерных технологий Института теоретической и прикладной механики СО РАН, к.т.н. Александр Маликов.

Александр Геннадьевич, расскажите, для решения какой задачи авиастроения вы использовали синхротронное излучение?

В аэрокосмической отрасли постоянно идет работа над так называемой "весовой" эффективностью летательных аппаратов. Чем меньше вес, тем меньше нагрузка на все системы и расход топлива. Таким образом снижаются и выбросы углекислого газа в атмосферу, а это тренд последних лет.

Один из путей облегчения воздушных судов — создание новых материалов. Так появились алюминиево-литиевые сплавы. Литий в их составе снижает плотность материала и соответственно вес самолета. Материал хоть и новый, а соединяют части самолета по-прежнему древним способом — заклепками.

Есть другая технология, обладающая рядом преимуществ — лазерная сварка. Она, во-первых, дает до 25 % снижения веса воздушного судна. Кроме того, лазерная сварка в 30 раз быстрее автоматической клепки.

Помимо прочего, процесс клепки вреден для здоровья человека. Он очень шумный, без специальной защиты хватит 20 минут пребывания на заводе, чтобы у вас заболела голова. Вторая проблема — вибрация, которая может приводить к вибрационной болезни.

Таким образом можно сказать, что цельносварной самолет — это голубая мечта авиастроителя.

Активному использованию технологии лазерной сварки мешало то, что она давала 60-80 % прочности исходного сплава, то есть сварной шов был ненадежен. Мы работали над тем, чтобы он соответствовал прочности материала или даже был еще более надежным. И ключевую роль в решении этой проблемы сыграло синхротронное излучение.

Что именно вы сделали?

Мы проводили комплексное исследование, включающее оптимизацию сварочного процесса, а также изучение фазового состава, микро и макроструктуры сварного шва, подбор методов постобработки для повышения механических характеристик.

Фазовый состав мы изучали с помощью источников синхротронного излучения (СИ) в Институте ядерной физики СО РАН. Фазы — это дисперсные частицы, которые препятствуют образованию дислокаций — будущих трещин в сварном шве.

Изучая сварные швы, мы поняли, в чем состоит проблема, почему шов ненадежен и создали методику, при использовании которой такой шов становится прочным. Мы разработали особый режим термообработки, который не меняет образец, зато делает сварной шов таким же прочным, как сам сплав.

Такое исследование мы не могли бы провести с помощью других методов, а если бы и могли, это заняло бы годы. Ведь СИ позволяет рассмотреть объемный образец, например, у нас это 1-2 мм. Кроме того, оно в миллион раз ярче, чем излучение классической рентгеновской трубки.

Вы намерены дальше продолжать исследование?

Да, конечно. Мы хотим провести in situ- эксперимент на источнике СИ: раньше мы смотрели на готовый образец, теперь намерены узнать, что происходит со сплавом непосредственно во время лазерной сварки. Возможно, благодаря этому эксперименту мы сумеем разработать еще более эффективные методики лазерной сварки.

Кроме того, с помощью СИ мы хотим исследовать процесс зарождения трещины в сплаве и сварном шве. Ведь в научном сообществе нет единого мнения по этому вопросу, поскольку пока нет экспериментального подтверждения теорий. Это будет мощный толчок для развития мировой науки. Мы называем такие исследования «эксперименты мечты». Зная слабые места, мы сможем управлять процессами зарождения трещин.

Необходимы и циклические испытания сварного шва. Ведь каждый рейс (взлет, полет, посадка) – это нагрузка, которые приводит к усталости металла.

Для всех перечисленных и других экспериментов нам очень нужен СКИФ. Сейчас многим исследователям требуются методы, основанные на СИ, поэтому конкуренция за пучковое время острая. Даже если вы его получаете, то не во всем необходимом объеме. Поскольку СКИФ будет расположен в непосредственной близости, а также будет работать большинство дней в году и в круглосуточном режиме, доступность исследований на СИ для нас, а также для других российских ученых должна существенно вырасти.

Как скоро ваши разработки будут внедрены в производство самолетов?

Мы провели хорошую фундаментальную работу, теперь требуется, чтобы над ней поработали отраслевые институты. Это серьезнейшая задача.

Авиация — консервативная отрасль, поскольку очень высоки требования к безопасности любого нововведения. Вместе с тем в Airbus уже частично используют лазерную сварку для алюминий-литиевых сплавов. В России есть концепты самолетов Сухой Суперджет Нью и ИЛ-114, для их производства предусмотрена эта технология. Как видно по статьям, Китай так же подхватывает этот тренд.

Когда-то и в судостроении применялись исключительно заклепки, теперь основной тип соединения — сварка. Неизбежно это технология станет основной и для создания летательных аппаратов.

Тем более планы у России самые что ни на есть амбициозные: согласно госпрограмме по развитию авиапрома к 2024 году страна должна занять 3 место в мире по производству самолетов.