авиационные материалы

авиацио́нные материа́лы — материалы, применяемые в летательных аппаратах. В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы неконструкционного назначения, определяющими параметрами которых являются специфические физико-химические свойства. По своей природе А. м. подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные; по условиям эксплуатации — на жаропрочные, для работы при низких температурах, тепло-, износо-, коррозионно-, топливо-, масло-, огнестойкие и т. д. Отдельные классы А. м., в свою очередь, подразделяются на многочисленные группы: металлические А. м. — на металлические сплавы и покрытия металлов; неметаллические А. м. — на пластики конструкционного и радиотехнического назначения, волокнистые материалы, лакокрасочные материалы и эмали, клеи, смазочные материалы, оптические материалы, декоративные материалы, керамические и металлокерамические материалы, эластомерные материалы, рабочие жидкости бортовых систем, радиопрозрачные и радиопоглощающие материалы и др. Композиционные материалы по своей природе подразделяются на волокнистые, слоистые, порошковые и смешанного типа; по виду матрицы — на материалы с металлическими и неметаллическими матрицами и полиматричные материалы.

Уже за три столетия до создания первых летательных аппаратов тяжелее воздуха люди понимали, что необходимые для них материалы должны отвечать определенному требованию — сочетанию лёгкости и прочности. Однако разработкой таких материалов не занимались, и для постройки (1883) первого в России самолёта А. Ф. Можайский использовал обычные материалы: сталь, шёлк, льняной линь и т. п. Но в начале XX в., когда в России появились заводы для строительства самолётов, А. м. были выделены в отдельную группу материалов; начали публиковаться научные работы отечественных учёных в области А. м. Основными А. м. тогда были древесина (сосна, липа, тополь и др.), одной из важных характеристик которой считалась способность надёжно держать гвозди. Для обтяжки крыльев и поверхностей применялись ткани (перкаль, шёлк), прорезиненные или с водонепроницаемым покрытием, например лаками. Алюминий только осваивался промышленностью и применялся в виде отдельных отливок, листов и тянутого материала для капотов двигателей и обшивки гондол. Некоторые детали самолётов изготавливали из магналия (сплав 90—98% алюминия и магния). Но в силу исторически сложившихся традиций и реальных возможностей строительства самолётов основным конструкционным материалом в отечественном авиастроении оставалась древесина, которая широко использовалась вплоть до окончания Великой Отечественной войны.

В начале 20-х гг. в конструкции отечественных самолётов появился алюминий, обладающий по сравнению с другими применяемыми в то время материалами наибольшей удельной прочностью и большей долговечностью. С 1920 в Московском высшем техническом училище, Центральном аэрогидродинамическом институте и на некоторых предприятиях проводились разработки алюминиевых сплавов. Для решения задачи строительства цельнометаллических самолётов и организации в стране производства алюминиевых сплавов в 1922 в Центральном аэрогидродинамическом институте была образована Комиссия по постройке металлических самолётов, председателем которой был назначен А. Н. Туполев.

Для обеспечения самолётостроения качественными металлическими и неметаллическими материалами 6 октября 1925 коллегия Центрального аэрогидродинамического института приняла решение о создании Отдела испытаний авиационных материалов и конструкций. В 1928—29 наряду с алюминием в опытных самолётах начали использовать более прочный материал — сталь. Возникла потребность в высокопрочных сталях без дорогих импортируемых легирующих элементов — молибдена и никеля. Возрастающая роль А. м. в создании передовой авиации потребовала организации научно-исследовательского центра по А. м. В 1932 в составе Главного управления авиационной промышленности был организован Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ). В 1934—35 в ВИАМ были проведены исследования среднеуглеродистой стали с марганцем, хромом и кремнием. Дальнейшие изыскания привели к созданию в 1936—38 первой отечественной самолётной высокопрочной стали, получившей название хромансиль. Хромансиль и сейчас успешно применяется для силовых конструкций самолётов всех типов (в США авиационные стали разработаны и внедрены только после 1952). Прочность современных отечественных конструкционных деформируемых сталей достигает 2000 МПа и более. В начале 30-х гг. были разработаны «электроны» — лёгкие магниевые сплавы для самолётов, дающие экономию массы по сравнению с алюминием на ¹/₅—¹/₃.

В годы Великой Отечественной войны одной из важнейших стала задача повышения боевой живучести самолётов. Важную роль в решении этой задачи сыграла разработанная в ВИАМ авиационная броня. Во время войны в ВИАМ были разработаны и другие уникальные для того времени А. м.; жаропрочные стали для клапанов без дефицитного кобальта; прозрачная броня из органического стекла для остекления самолётов; специальная фибра для топливных баков с протектором из резины, затягивающей пробоины; маскирующие покрытия для самолётов, которые не обнаруживались при инфракрасной аэрофотосъёмке, сливаясь с фоном местности.

Послевоенное развитие авиационной техники выдвинуло задачу создания А. м. для реактивной и высотной авиации Для решения этой задачи в конце 40-х — начале 50-х гг. были созданы и освоены деформируемые жаропрочные сплавы. Одновременно ВИАМ по предложению С. Т. Кишкина начал разрабатывать для лопаток турбин высокотемпературных реактивных двигателей литейные жаропрочные сплавы, обладающие рядом преимуществ перед деформируемыми (можно ввести больше легирующих элементов, отливать полые охлаждаемые лопатки, скорость диффузии в литейных сплавах меньше, а стабильность структуры больше). Температурный уровень жаропрочности отечественных жаропрочных сплавов возрос с 800 до 1050°С при напряжении 140 МПа за 100 ч.

В конце 40-х гг. ВИАМ разработал высокопрочные мартенситно-стареющие коррозионно- и жаростойкие стали и стали переходного класса с низким содержанием углерода. В тот же период сотрудниками ВИАМ были разработаны и внедрены в конструкцию самолётов высокопрочные деформируемые алюминиевый сплавы, а в конце 50-х — начале 60-х гг. — литейные алюминиевые сплавы, у которых легированием редкоземельными элементами или оптимизацией химического состава была достигнута высокая прочность при температурах до 400°С. Прочность современных алюминиевый сплавов достигает 750 МПа для деформируемых и 550 МПа для литейных.

Повышение уровня рабочих напряжений, температур и требований к удельной прочности и весовой отдаче самолётов привели к внедрению в авиацию в 50-х гг. титановых сплавов, характеризующихся удачным сочетанием небольшой плотности, высокой прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости и превосходящих по удельной прочности большинство других сплавов. Прочность современных титановых сплавов достигает 1600 МПа. В 50-х же гг. в авиастроении начали применяться бериллиевые сплавы, которые по прочности и некоторым другим свойствам в ряде случаев превосходят алюминиевые и титановые сплавы. Находят применение в авиации медные сплавы, получают распространение сплавы на основе тугоплавких металлов.

Улучшение характеристик А. м. шло в основном по пути использования для легирования или в качестве основы всё более широкого набора химических элементов. Это в свою очередь требовало совершенствования существовавших и разработки новых технологических процессов и оборудования. Для этих целей в 1961 был создан Всесоюзный институт лёгких сплавов (ВИЛС).

Послевоенное развитие авиации потребовало создания и неметаллических А. м. с различными специфическими свойствами. В конце 40-х — начале 50-х гг. были начаты разработки полимеров как основы широкой гаммы неметаллических материалов для реактивной авиации: конструкционных пластиков и пенопластов (см. Пеноматериалы), эластомеров и резин для уплотнений, герметиков, клеёв, рабочих жидкостей гидросистем, материалов остекления (см. Стекло в авиастроении), теплозащитных материалов, теплоизоляционных материалов, звукопоглощающих материалов, облицовочных материалов. В 50—60-х гг. были созданы полимеры, ставшие основой многих теплостойких неметаллических А. м., нашедших широкое применение в авиации. В 30-х гг. были начаты разработки вибропоглощающих вязкоупругих материалов для снижения виброперегрузок на участках, примыкающих к двигателю, гашения шума, излучаемого обшивкой, повышения усталостной долговечности деталей и т. д. Ужесточение требований к пожаробезопасности самолётов в 50—60-х гг. привело к созданию полимерных А. м. с пониженной горючестью.

В 60-х гг. были начаты работы по созданию и применению конструкционных композиционных материалов, сложно армированных различными упрочнителями, вводимыми извне или образующимися в материале (например, в электрических жаропрочных сплавах направленной кристаллизации и в самоармируемых полимерах), имеющих более высокие удельные прочность и жёсткость, чем классические материалы. Разработаны новые технологические процессы, обеспечивающие высокое качество и чистоту А. м.: выплавка металла в специальных средах, регламентированная и направленная кристаллизация, использование эффекта сверхпластичности, порошковая (гранульная) металлургия (см. Порошковые материалы, Гранулируемые сплавы, Дисперсноупрочнённые материалы) с использованием высокоскоростной кристаллизации, газо- и гидростатическое прессование и др. Большая роль в использовании порошковой (гранульной) металлургии для получения А. м. принадлежит ВИЛС. Для повышения безопасности полётов во всепогодных условиях разработаны материалы и методы защиты от грозовых разрядов и разрядов зарядов статического электричества. Насыщенность современных летательных аппаратов радиоэлектронной аппаратурой обусловила разработку материалов, защищающих электронные системы от интерференции электромагнитного излучения. Стремление повысить боевую живучесть самолётов и вертолётов привело к созданию новых видов А. м., обеспечивающих стойкость к поражающим факторам систем оружия и пониженный уровень демаскирующих сигналов, воспринимаемых радиолокационными, инфракрасными, акустическими, оптическими и другими системами обнаружения. Для защиты кабины пилота, двигателя и важных систем самолёта разработаны новые виды брони — металлическая, керамическая, пластмассовая, комбинированная.

Для обеспечения оптимальных условий обзора и защиты от факторов окружающей среды созданы надёжные теплостойкие материалы остекления самолётов. Разработаны остекление с поляризующими фильтрами и фотохромное стекло для регулирования светопропускания, стекло, защищающее пилота от светового излучения ядерных взрывов и др. С повышением скоростей и усилением интенсивности воздушного движения непрерывно возрастает опасность столкновения самолёта с птицами, поэтому ведётся поиск материалов и конструкций остекления, способных выдерживать такие столкновения.

Появление радиолокационных станций обнаружения привело к созданию радиопоглощающих материалов, обеспечивающих уменьшение эффективной отражающей поверхности летательного аппарата с целью их противорадиолокационной маскировки. Для защиты антенн самолётных радиолокационных станций от воздействия аэродинамических и термомеханических нагрузок разработаны радиопрозрачные материалы с покрытиями, защищающими от пылевой и дождевой эрозии, а для новейших самолётных многомодовых радиолокационных станций с интегральными системами типа «обтекатель — антенна» — радиопрозрачные материалы, включающие элементы радиотехнических систем (волноводные фазовращатели и т. д.). Появление инфракрасных систем обнаружения, пеленгации и автоматического сопровождения привело к разработке как инфракрасных прозрачных материалов, используемых в качестве преломляющих сред, так и к созданию инфракрасных поглощающих материалов для маскировки летательных аппаратов.

Разрабатываются материалы и методы защиты от поражающего фактора ядерных взрывов — электромагнитного импульса, который приводит к появлению на обшивке самолёта поверхностных токов силой 5—10 кА с частотой 1—10 МГц и соответствующих электрических и магнитных полей, выводящих из строя радиоэлектронную аппаратуру. Для защиты летательного аппарата от рентгеновского излучения ядерного взрыва создаются экранирующие материалы.

Дальнейшее развитие А. м. определяется требованиями прогресса науки и техники. Ведущиеся исследования по применению водорода в качестве авиационного топлива охватывают и разработку А. м., способных работать в среде водорода и продуктов его сгорания, открываются перспективы улучшения свойств А. м. за счёт космической технологии, основанной на особенностях протекания в невесомости таких физико-химических явлений, как диффузия, поверхностное натяжение, теплоперенос, кристаллизация и др. Непрерывный прогресс в области А. м. является одной из основ дальнейшего развития авиации.

Р. Е. Шалин.