Новости

20 апреля, 2022 13:06

Сергей Сапожников: «Поддержка РНФ дает возможность планировать научную работу на больший срок»

Композиты обладают множеством преимуществ, которые делают их незаменимыми при создании самолетов и ракет. Однако главным препятствием для широкого использования этих материалов в авиастроении остается низкая ударопрочность. Вот уже несколько десятилетий группа Сергея Сапожникова, грантополучателя РНФ и профессора кафедры технической механики Южно-Уральского государственного университета, занимается поиском решения этой проблемы. С помощью математических моделей ученые исследуют механическое поведение композитов и помогают конструкторам улучшать характеристики летательных аппаратов.
Профессор кафедры технической механики Южно-Уральского государственного университета, грантополучатель РНФ Сергей Сапожников. Источник: пресс-служба ЮУрГУ

— О композитах в авиастроении говорится уже не первый год. Чем обусловлен такой к ним интерес? И какие ограничения существуют у текущих материалов, которые мы имеем?

— Алюминиевые сплавы, которые сейчас наиболее широко применяются в авиастроении, постепенно становятся вчерашним днем авиации. Их эра понемногу заканчивается. Переход в завтра — это работа только с волокнистыми композитами, в частности с углепластиком, органопластиком, боропластиком и другими материалами. Их главное преимущество — низкая плотность, высокая жесткость и, соответственно, высокая прочность вдоль волокон. Кроме того, они обеспечивают возможность гибко управлять механическими свойствами за счет укладки волокон в слоях в разных направлениях.

Источник: пресс-служба ЮУрГУ


В итоге конструкторы получают инструменты для более тонкого детализированного проектирования корпуса самолета. При этом экономия массы составляет 20–25 и более процентов по сравнению с алюминием. Это очень много. Освободившуюся массу можно заменить либо топливом — и дальше лететь, либо пассажирами — и получить большую прибыль. Собственно, это и определяет прогресс. Но, конечно, надо понимать: ничто не дается даром. У полимерных композитов есть и серьезный недостаток — низкая ударная стойкость. Это обратная сторона медали. Но с низкой ударной прочностью можно и нужно бороться, либо повышая ударопрочность, либо снижая последствия возникающих дефектов — разрывов волокон, расслоений. Без этого, к сожалению, выигрыш от этих 25 процентов веса невозможен.

— Выходит, алюминий по ударным характеристикам в сравнении с композитами лучше?

— Да, потому что алюминий — это изотропный пластичный материал: при ударе возникает небольшая вмятина и все. Если же по композиту попадает камушек, гравий или лед, то мы не видим дефект, потому что композит имеет твердую поверхность (хотя внутренние дефекты — расслоение, разрушение внутренних слоев — присутствуют). Подобные скрытые дефекты наиболее опасны, ведь когда мы не видим проблему, мы не знаем, как ее решать. Последствия могут быть крайне неприятными, потому что аварии самолетов никому не нужны.

— Расскажите, пожалуйста, над чем сейчас работает ваша научная группа?

— Научных направлений развития в нашей группе три. Первое — это прогнозирование последствий ударов, то, что называется в популярной литературе «ударная прочность слоистых композитов при высоко- и низкоскоростных ударах». Второе — это проектирование композитных псевдопластических структур, которые малочувствительны к дефектам ударной природы или наличию отверстий. И третье, самое новое — это фундаментальные аспекты деформирования и разрушения композитов при циклических нагрузках. Дело в том, что самолеты летают не один раз — взлетел и сел — а много десятков тысяч раз. И вот эта самая циклическая прочность, или то, что называется долговечностью (при наличии повреждений, конечно), остается малоизученной. При правильном проектировании у композитов такой чувствительности к циклическим нагрузкам практически нет, но если на это не обращать внимания совсем, то можно столкнуться с большими неприятностями. Допустим, сто полетов прошли нормально, а на сто первый раз конструкция разрушилась.

Источник: пресс-служба ЮУрГУ


Поэтому в нашей работе по гранту мы уделяем особое внимание циклическим нагрузкам, накоплению повреждений и снижению прочности. В каждом из вышеупомянутых направлений нам удалось добиться существенного прогресса. Это подтверждается публикациями в высокорейтинговых профильных журналах первого квартиля и топ-10. Мы рассматриваем наблюдаемые явления в композитах с самых разных сторон: разрабатываем новые модели деформирования и разрушения, изучаем механическое поведение материалов на современных установках, исследуем дефекты структуры с использованием электронных микроскопов, приборов акустической эмиссии, цифровой корреляции изображения. Наш научный «оркестр» мультиинструментален, и это дает нам возможность убедиться в достоверности результатов — что они справедливы и могут быть использованы другими.

— Вы могли бы рассказать о самых ярких результатах, которых удалось достичь?

— Через два года будет 50 лет, как я занимаюсь механикой композитов. Мы начали эту работу в 1974 году, когда я еще был студентом — работали с ОКБ Туполева, с ракетчиками из Миасса*. И уже в те времена композитные материалы и, в частности, углепластики начинали свой разбег. Их применяли в самолетах типа Ту-144, Ту-160, которые сейчас летают (уже новые Ту-160), в ракетной технике. Снижение массы конструкции в этой сфере покупается любой ценой, и поэтому композиты — материал номер один.

Не могу не отметить одну из последних работ, которую мы провели на фирме Туполева: ударопрочность закрылков самолетов Ту-204 и Ту-334 из органопластика. Мы начали заниматься этой областью примерно 30 лет назад и позднее на этой научной базе достигли больших успехов в разработке бронежилетов для защиты человека от пуль стрелкового оружия. В них как раз используются и композитные материалы, и керамика для защиты от пуль с термоупрочненными сердечниками. Кроме того, наш предыдущий грант РНФ от 2014 года был посвящен защите от высокоскоростных ударов. Там была тема плавающего бесшумного скоростного малозаметного бронеавтомобиля. Понимаете? Совершеннейшая красота! Мы получили столько научного удовольствия во время работы над проектом! Затем, в 2018 году, был переход на наш нынешний грант, по которому мы работаем вот уже пять лет. И в накопленном нами багаже знаний — и экспериментальном, и расчетном — одна грань дополняет другую.

Если говорить про гражданские самолеты — по ним, конечно, не стреляют, но по ним ударяют частички гравия со взлетно-посадочной полосы или град. В решении этой проблемы мы преуспели, потому что математические модели, которые разрабатывает наша научная группа, очень хорошо согласуются с экспериментами. В них мало свободных параметров (то есть тех, которые перед расчетами надо определять экспериментально), что крайне интересно для практических приложений.

Источник: пресс-служба ЮУрГУ


Когда в модели параметров несколько десятков, нужно полгода–год только собирать данные и лишь потом строить прогноз. У нас же это получается гораздо оперативнее. Более того, мы имеем хороший набор оборудования — как статические испытательные машины, так и вибростенды. Есть также баллистический стенд собственного изготовления: мы разгоняем в нем ударники до 900м/с и пробиваем композитные (и не только) преграды. Сочетание теоретических расчетов и экспериментальных данных позволяет получать результаты высокой достоверности.

Также мы разрабатываем математику расчетного инструментария, который позволяет прогнозировать поведение тех или иных элементов при ударных воздействиях. Возьмем, например, случай, когда птица или другой объект попадает в компрессор низкого давления у турбовентиляторного двигателя. Если происходит такое событие, то лопасть турбины может разрушиться и пробить корпус самолета. Этого допустить нельзя, потому что дальше — фюзеляж, дальше — пассажиры. Мы научились противостоять подобным высокоскоростным ударам, то есть прогнозировать поведение материалов, увеличивать или уменьшать толщины в нужных местах, менять направления укладки волокон, чтобы сквозного пробоя не произошло, а конструкция имела минимальный вес.

Если говорить о практическом приложении расчетов, то создаваемые нами математические модели могут быть востребованы при проектировании авиационных двигателей для отечественных самолетов: ПД-8 (с тягой 8 тонн), ПД-14 для ближнемагистральных самолетов типа Sukhoi SuperJet и даже для среднемагистральных самолетов, таких как МС-21. Еще в линейке есть ПД-35 тягой 35 тонн, это уже дальнемагистральный самолет. В условиях западных санкций работы, конечно, будут ускоряться. И я очень надеюсь, что мы снова полетим на отечественных самолетах, как это было раньше.

— Насколько мы близки к практическому приложению тех моделей, которые вы создаете?

— В данный момент в рамках Уральского межрегионального научно-образовательного центра мы работаем над перспективным проектом демонстратора технологий для одноступенчатой, полностью возвращаемой ракеты-носителя для доставки коммерческих грузов на низкие околоземные орбиты. Это возможно, только если корпус ракеты будет полностью из композитов — именно таких, которые мы разрабатываем: высокомодульных, высокопрочных, псевдопластических, гибридных, нечувствительных к концентраторам напряжений. Как я уже говорил, ракетостроение — это область, где снижение веса покупается любой ценой. В нашей работе мы выясняем, какие композиты, в каких местах и как использовать, как укладывать волокна, что это будет обеспечивать (какой выигрыш в весе и так далее). Наша задача — помочь конструкторам сделать самую легкую ракету с нужной грузоподъемностью и надежностью. Она ведь будет летать много — до сотни раз! То есть одноступенчатую и полностью возвращаемую: таких у нас пока нет, но уверен — будут.

— Есть ли у вас другие заинтересованные партнеры?

— Помимо Государственного ракетного центра, в рамках программы СПС-2 мы сотрудничаем с Центральным аэрогидродинамическим институтом имени Н. Е. Жуковского по применению композитов в конструкциях планера — сверхзвукового пассажирского самолета второго поколения, который имеет пробионическую структуру фюзеляжа. Так что заинтересованность у партнеров есть, но она, скажем так, не прямолинейная. То есть это не фирма «Су», «Ил» или «Як» — у нас в большей степени все же фундаментальная составляющая. Неважно, по какому гвоздю бьет молоток: главное, чтобы он хорошо бил. Говоря про бронежилетную тематику, у нас очень мощное внедрение есть уже давно. Успешно защищены десять кандидатских диссертаций и одна докторская. Мы больше двадцати пяти лет сотрудничаем с очень известной московской фирмой «ФОРТ Технология». Они делают лучшие в мире бронежилеты с нашей помощью. И здесь есть большое поле для развития.

Источник: пресс-служба ЮУрГУ


— Как вы оцениваете поддержку со стороны РНФ?

— РНФ нашу группу поддерживает на самом деле уже почти 10 лет — с 2014 года. Сначала это был трехлетний грант, а теперь уже пятилетний. Это гораздо интереснее, потому что он дает возможность планировать научную работу на больший срок, что крайне важно, в особенности для научной молодежи. Им надо думать не только о своем ближайшем будущем, но и на несколько лет вперед. В целом, мы видим большие перспективы сотрудничества с РНФ и благодарны за это. Мы неизменно перевыполняем отчетные показатели и обязательно будем подавать новые заявки на продолжение и расширение нашей тематики.
9 августа, 2022
РНФ объявляет прием заявок на шесть конкурсов
Российский научный фонд объявляет о начале приема заявок на шесть конкурсов. В их числе конкурс по...
9 августа, 2022
Позиция экспертных советов РНФ по вопросу биоэтики в исследованиях, поддержанных Фондом
Экспертные советы Российского научного фонда выражают свою позицию по этике использования животных...