Развитие космической отрасли — один из главных приоритетов государственной политики, но новым свершениям и победам в космическом пространстве предшествует долгая работа, которая базируется на прорывных результатах, полученных российскими учеными, прошедших путь от оригинальных идей до передовых технологий. В Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) фундаментальные исследования по космической тематике ведутся в тесном контакте молодежной лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях и лаборатории контроля качества материалов и конструкций.
Молодые ученые изучают свойства материалов, работающих в космосе, создают сплавы нового поколения с улучшенными свойствами. Значимым итогом является развитие современных технологий — электронно-лучевого аддитивного производства и сварки трением с перемешиванием, а также разработка уникальных установок в интересах промышленных партнеров: ИФПМ сотрудничает с РАО «Ракетно-космическая корпорация “Энергия” им. С. П. Королёва», АО «Ракетно-космический центр “Прогресс”», ЗАО «Сеспель» (Чебоксары).
В настоящее время научный коллектив ИФПМ СО РАН, работающий над развитием технологии сварки трением с перемешиванием, является лидирующей группой в России. Это направление начало активно развиваться в 2013 году. Дело в том, что слабым звеном любого элемента космического аппарата является шов — сварное соединение, которое в случае применения обычных методов сварки значительно уступает в прочности остальной конструкции. Космос — это агрессивная среда, где к свойствам материалов предъявляются очень высокие требования. Необходимо, чтобы прочность сварного соединения была никак не меньше 90 % от прочности основного металла (сплава).
Валерий Евгеньевич Рубцов, заведующий лабораторией контроля качества материалов и конструкций ИФПМ СО РАН
В ходе разработки комплекса для контроля качества соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием для РКК «Энергия», ученые открыли для себя этот качественно новый, отличный от традиционных метод сварки, при котором материалы не плавятся, а соединяются в твердой фазе за счет перемешивания в сверхпластичном состоянии. Тогда же родилась идея об усовершенствовании этой передовой технологии. В рамках выполнения проекта федеральной целевой программы научный коллектив под руководством директора ИФПМ СО РАН доктора технических наук Евгения Александровича Колубаева разработал технологию сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием. Прочность сварных соединений, полученных по новой технологии из считающегося практически несвариваемым сплава Д16, составила 93 %. Таким образом, томским материаловедам удалось даже превысить необходимый барьер прочности.
Сегодня ученые работают не только с традиционными материалами, но и с очень специфическими — трудносвариваемыми высокопрочными сплавами. К их числу, например, относится дорогой материал, используемый только в космической отрасли — алюминиевый сплав 01570C. Наличие в его составе скандия позволяет существенно повысить предел текучести и за счет этого снизить вес различных конструкций космического корабля до 25 %. Именно этот сплав вместе с технологией сварки трением с перемешиванием будет использован для изготовления космического корабля нового поколения «Орёл», разработку которого ведет РКК «Энергия». Исследования, связанные со сплавом 01570C, успешно ведет кандидат технических наук Татьяна Александровна Калашникова.
Также молодежному научному коллективу (аспирантам Алихану Ильнуровичу Амирову и Светлане Александровне Ермаковой под руководством кандидата технических наук Александра Андреевича Елисеева) предстоит найти оптимальные методы получения разнородных сварных соединений титана и алюминия. Эти работы имеют большую актуальность, потому что развитие современной космической техники предполагает использование конструкций, выполненных из разных трудносовместимых между собой материалов.
В числе решаемых сегодня практических задач, связанных с развитием технологии сварки трением с перемешиванием, — создание совместно с индустриальным партнером ЗАО «Сеспель» уникального не только для России, но также не имеющего мировых аналогов крупногабаритного оборудования для изготовления конструкций ракетно-космической техники из алюминиевых и титановых сплавов.
Другое направление, востребованное космической отраслью и успешно развивающееся в ИФПМ СО РАН при активном участии молодых ученых, — аддитивная технология, которая позволяет получать методом послойного выращивания металлические или полиметаллические изделия из проволоки с использованием электронного луча. В отличие от порошковых технологий, эта методика имеет ряд огромных преимуществ: прежде всего, изделия, полученные из проволоки, практически не имеют пор, поэтому их отличают более высокие усталостные и прочностные характеристики. Выполнение процесса в вакууме также позволяет предотвратить окисление получаемого металлического изделия. Другое немаловажное достоинство технологи — низкая себестоимость сырья.
Владимир Анатольевич Белобородов (слева), ведущий инженер ЛККМиК и Александр Андреевич Елисеев (справа), кандидат технических наук, научный сотрудник ЛККМиК
«Всего за последние несколько лет в институте сформирован мощный задел по этому направлению, — рассказывает заведующий лабораторией контроля качества материалов и конструкций кандидат физико-математических наук Валерий Евгеньевич Рубцов. — В рамках выполнения ФЦП созданы три установки электронно-лучевого аддитивного производства, две из которых являются крупногабаритными. Одна из крупногабаритных установок передана нашему индустриальному партнеру — ЗАО “Сеспель”, две другие сегодня с полной загрузкой работают в ИФПМ СО РАН».
Сейчас ученые совместно со специалистами чебоксарского предприятия по запросу АО РКЦ «Прогресс» разрабатывают аддитивную технологию изготовления криогенных шар-баллонов из титанового сплава ВТ6, предназначенных для хранения газов под высоким давлением. Подобные изделия являются очень востребованными и имеются на каждом космическом аппарате. Традиционная технология требует на изготовление одного шар-баллона от шести и более месяцев, новая же позволит сократить эти сроки до одной-двух недель. Произведенный в ИФПМ СО РАН прототип пятилитрового шар-баллона достойно выдержал испытания на прочность — давление больше 400 атмосфер. Следующим шагом станет производство изделия большего объема вместимостью 58 литров. Итогом этих работ должно стать создание и внедрение аддитивной технологии производства линейки шар-баллонов объемом от 5 до 130 литров на предприятии «Прогресс». За материаловедческую составляющую новой технологии отвечает аспирант лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях Кирилл Николаевич Калашников.
Важно отметить, что очень скоро различные детали и элементы конструкций можно будет получать не из одного материала (одного типа проволоки), а из нескольких. Под руководством кандидата технических наук Андрея Валерьевича Чумаевского сотрудниками молодежной лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях активно изучается возможность работы с разнородными материалами, что позволит получать полиметаллические изделия с уникальными свойствами, которые будут востребованы в космосе.
Уже сформирован ряд значимых задач и проектов, в которых будут участвовать исследователи из ИФПМ СО РАН. От РКЦ «»Прогресс» получено предложение о совместном создании нового ГОСТа по изготовлению изделий ракетно-космической техники по технологии проволочного электронно-лучевого аддитивного производства. С РКК «Энергия» согласовано техническое задание на выполнение научно-исследовательских работ, конечной целью которых является получение конструкций космического аппарата методом послойного выращивания и изучение возможности использования этой аддитивной технологии в условиях открытого космоса.
Институт ведет согласование технического задания на проведения в 2022 году космического эксперимента на борту МКС, который предполагает печать образцов за бортом станции. ИФПМ СО РАН должен будет разработать всю необходимую 3D-аппаратуру и программное обеспечение для нее.
Ольга Булгакова, пресс-служба ТНЦ СО РАН
Фото Алексея Вшивкова
