Это невероятный факт, но то, что России удалось создать крыло для самолета технологически более совершенным способом, чем это сделала компания Boeing в ее новейшем Boeing-787, — это чистая правда, сообщает обозреватель Котаро Ватанабэ на сайте Japan Business Press.
Главной особенностью новейшего Boeing было то, что те детали, которые раньше делались из алюминиевых сплавов, стали производить из углеродных композиционных материалов – более легких и менее подверженных коррозии. За российскими самолетами тем временем закрепился имидж опасных. Это, конечно, вопрос дискуссионный, но они точно потеряли свою привлекательность из-за технологической отсталости и большого потребления топлива, отмечает автор. Поэтому когда специалисты из Boeing и Airbus побывали на заводе углеродных композиционных материалов «АэроКомпозит-Ульяновск», то просто не смогли поверить своим глазам.
Пассажирские авиаперевозки в тогда еще СССР начались в 1956 году (в США – в 1958 году, то есть на два года позже), и до середины 60-х американские и советские технологии были примерно равны (и опережали британские и французские). Но с конца 60-х годов, когда появился Boeing-747 (известный как Jumbo Jet), СССР начал проигрывать в размерах, степени электрификации и экономичности. Под конец советской эпохи с применением новых технологий разрабатывались Ту-204 и Ил-96 (а также нынешний специальный самолет президента России), однако прежде, чем разработки закончились, СССР развалился и авиационная отрасль почти что исчезла.
В начале 2000-х благодаря появлению режима Путина и росту цен на нефть российская экономика пошла на поправку, и авиастроение, которое раньше выживало на экспорте военных самолетов, занялось пассажирскими авиалайнерами. К 2014 году страна произвела 37 Sukhoi Superjet-100 — модель более современного самолета, в котором отсталые советские технологии были замещены западными. Однако назвать его новейшим на фоне Boeing-787, который разрабатывался в это же время, нельзя. Он мог соперничать с теми моделями, которые были уже в ходу, но не с теми, которые создавались параллельно, поясняет японский автор.
И вот Россия перешла к «второму удару» пассажирского авиастроения – самолету МС-21. По размеру он похож на Boeing-737, а крылья и хвост у него сделаны из углеродных композиционных материалов, – что «дает представление о попытке дать бой новейшим самолетам». Замена этими материалами былых алюминиевых сплавов позволяет облегчить конструкцию на 20%, но добиться их надежности было непросто. Они дороги в производстве и становятся непригодными даже от малейшей пыли, из-за чего делать крупные и важные детали очень проблематично, пишет эксперт. Новшество МС-21 в том, что удалось существенно снизить затраты на производство его основных деталей.
Применение углеродных композиционных материалов развивалось двумя путями, отмечает Котаро Ватанабэ. Первый – в каких деталях их использовать. Заслонки на крыльях и стыки между деталями не настолько важны по сравнению с остальными, поэтому их считают вторичными структурными элементами. А вот если поломаются первичные структурные элементы, – такие как крылья или фюзеляж – то проблем не избежать. Поэтому первоначально, например в Boeing-767, углеродные материалы применяли во вторичных структурных элементах. В Boeing-777 (1990-е годы) их уже использовали при изготовлении хвоста, а Boeing-787 уже фактически составлен из них целиком. У МС-21 каркас все еще из алюминиевых сплавов, но крылья и хвост уже из углеродных материалов.
Другой путь в применении углеродных материалов – это снижение цены производства. Вообще эти материалы создаются через укрепление углеродного волокна пластиком. Так, прочность обычной стали (на единицу площади) — 400 мегапаскалей (паскаль – мера измерения давления). У углеродных волокон – 3000-6000 мегапаскалей, но они сами по себе тонки и непригодны в машиностроении, — но через их укрепление пластиком их уже можно использовать в авиационной отрасли.
Главное новшество МС-21 заключается в том, что при его производстве устранены два самых «дорогостоящих» звена. Обычно углеродные волокна пропитывают жидкими полимерами, в результате чего создаются готовые для обработки так называемые «препреги». Затем им, находящимся в нагретом состоянии, под большим давлением придают форму. Основные детали Boeing-787 изготавливаются именно так. Однако «препреги» делать дорого. В случае, если их не используют, им нужна заморозка, а срок годности у них довольно маленький – и если температурный режим или срок годности не соблюдены, то материалы становятся непригодными.
В других отраслях, где надежность не так важна, как в авиастроении, эти два этапа можно сократить. Там углеродным волокнам сначала придается форма, а затем они заливаются пластиком – методом «вакуумной формовки». В авиационной отрасли, впрочем, разработки в этой сфере тоже идут – например, вторичные структурные элементы Boeing-787 составлены таким образом. Но делать важные и крупные первичные структурные элементы методом вакуумной формовки впервые удалось именно в МС-21, утверждает обозреватель Japan Business Press.
Почему вакуумная формовка в авиационной отрасли дается так тяжело? Потому что в процессе еще сложнее сохранить качество, поясняет автор. Если в каркас не впиталось достаточно полимеров, то связь между углеродными волокнами становится хуже и прочность падает. Но если полимеров слишком много, то прочность опять же падает. Она сохраняется лишь тогда, когда полимеров ровно столько, сколько требуется.
«Препреги» создаются в виде листов, поэтому следить за объемом полимеров легко, а при вакуумной формовке форма изделия может быть самой разной, — а если оно еще и крупное, как, например, крылья, то процесс становится еще сложнее, пишет Котаро Ватанабэ. В довершение к этому углеродные волокна может «смыть» волна жидких полимеров, что повлияет на форму детали; при этом сами полимеры должны быть достаточно текучими и одновременно сохранять прочность в затвердевшем состоянии. Так что Boeing и Airbus пока не стали переходить к вакуумной формовке первичных структурных элементов, а МС-21 стал первым в своем роде. Правда, уточняет автор, новшество не в самом способе производства, а в успехе при применении менее затратных способов.
На самом деле углеродные композиционные материалы применялись еще в советском авиастроении, например в самолетах Ан-124 и в проекте грузового самолета Ан-70. Однако СССР развалился прежде, чем детали из углеродных материалов стали обиходными. К тому же углеродные волокна российского производства были более низкого качества по сравнению с западными – например, деталь японского производства, которая используется в Boeing-787, выдерживает давление в 5880 мегапаскалей, а российские (даже авиационные) волокна в среднем остаются на уровне 3500 мегапаскалей. На таком уровне, по утверждению автора, изделия японской компании Toray находились еще 40 лет назад.
Удалось ли теперь России создать крыло для самолетов по более продвинутым технологиям, чем у производителей Boeing-787? Во-первых, сами углеродные волокна – импортные, ведь тут нагнать технологическое отставание так просто не получится, поясняет японский обозреватель. Вообще, добавляет он, на рынке углеродных волокон львиную долю занимают три японских производителя – Toray Industries, Toho Tenax и Mitsubishi Rayon. А вот компаний, которые укрепляют углеродные волокна с помощью полимеров, в мире много, – даже в авиастроительной отрасли. А значит, если у вас есть технологические и финансовые возможности, а также решимость закупить «ноу-хау» в этой сфере, то заполучить их может любой.
Так, «АэроКомпозит-Ульяновск» закупил технологии у австралийской компании FACC, а специальные фабричные аппараты – у немецкого и испанского производителей. Необходимого результата компании удалось добиться примерно за десять лет, компенсировав таким образом за счет импорта технологий технологическое отставание. Так и появилась возможность производить первичные структурные элементы самолета методом вакуумной формовки. Использованные волокна и методы – импортные, но умение овладеть этими технологиями достойно всемерного уважения, считает Котаро Ватанабэ.
Пример с МС-21 доказывает, что технологический уровень России, который, как казалось одно время, откатился назад, все еще остается приличным. Правда, автор указывает на то, что она не разработала этот навык с нуля. В технологиях вообще есть два типа прогресса: один – через длительное развитие, другой – через воодушевленное изучение завезенных умений. В создании МС-21 особенно наглядно видны различия между ними: углеродные волокна, на разработку которых нужен длительный опыт, остаются импортными, но их обработке за счет импорта «ноу-хау» в России научились очень быстро.
Для России, которая существенно отстала в промышленной сфере, такой импорт технологий и быстрое сокращение отставания за счет прицельного развития конкретной сферы можно назвать успехом, считает обозреватель Japan Business Press. Своим соотечественникам в Японии он напоминает, что некоторые технологии разработать очень сложно – как в случае с углеродными волокнами – и они требуют десятилетий труда, а потому нужно ценить и сохранять это наследие.
Фото: Wikimedia