КОГДА 'ДВА ДВА РАВНО ПЯТИ'

ВОЕННО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ КУРЬЕР № 43/2007

КОГДА "ДВА + ДВА РАВНО ПЯТИ"

Владимир ШЕНК

Бер-Шива, Израиль

ОТСУТСТВИЕ НЕОБХОДИМЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРЕДСТАВЛЯЕТ УГРОЗУ ДЛЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РФ

Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 гг. при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом композиционных материалов являются широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в XIX веке прокаткой слоистые материалы.

Грубо говоря, композиционные материалы представляют собой металлические или неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон дисперсных частиц и др.). При этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. Комбинируя объемное содержание, можно в зависимости от назначения получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Композиционные материалы, оказавшиеся и экономичными, и удобными в проектировании, сегодня используются везде - от производства игрушек и теннисных ракеток до применения в космических аппаратах (теплоизоляция, микросхемы и др.).

Особую роль в композиционных материалах играет так называемый синергический эффект. Существуют упрощенная и более сложная трактовки этого термина. Первая из них концепцию синергизма связывает с нарушением пропорциональности. Иногда данное понятие также называется эффектом "2+2=5", для того чтобы подчеркнуть, что эффект от суммы больше, чем сумма составляющих частей. При этом возникает дополнительная единица эффекта (1=5-4), что и обусловливается синергизмом. Вторая трактовка, применяемая при математических исследованиях нелинейных динамических систем, связывает синергический эффект с наличием особого рода нелинейной динамики развития рассматриваемых объектов.

О важности композиционных материалов для обороноспособности страны уже высказался вице-премьер РФ Сергей Иванов. По его словам, отсутствие необходимых композиционных материалов представляет угрозу для национальной безопасности РФ. Например, самолет С-37 выполнен по аэродинамической схеме "интегральный неустойчивый триплан" с высокорасположенным крылом обратной стреловидности, цельноповоротным ПГО и цельноповоротным задним хвостовым оперением относительно небольшой площади. Обеспечивается возможность выполнять динамическое торможение с выходом на углы атаки до 120° на скоростях от предельно малых до сверхзвуковых. При создании самолета реализована принципиально новая технология, позволяющая изготавливать детали обшивки в плоском виде, после чего формообразовывать их в поверхности двойной кривизны, имеющие сложную конфигурацию, и стыковать между собой с высокой точностью. Применение крупногабаритных панелей длиной до восьми метров позволило добиться чрезвычайно высокой гладкости поверхности самолета и свести к минимуму крепеж. Это не только облагородило аэродинамику и снизило массу планера, но и уменьшило его радиолокационную заметность. Конструкция планера на 13% по массе выполнена из композиционных материалов. В дальнейшем процент использования композиционных материалов должен быть существенно увеличен. На самолете применены принципиально новые "интеллектуальные" композиционные материалы для самоадаптирующихся и саморазгружающихся конструкций.

По данным журнала "Защита и безопасность", отличительными особенностями композиционных материалов, используемых в военной технике, являются:

- более высокая, чем у металлических сплавов, удельная прочность и жесткость, что позволяет снизить массу конструкции при прочих равных условиях;

- долговечность в эксплуатации; стойкость к воздействию окружающей среды;

- высокие тепло- и звукоизолирующие свойства, существенное гашение вибраций;

- технологичность конструкций, по сравнению с металлическими сплавами, снижение трудоемкости изготовления и энергозатрат в производстве в 1,5-2,0 раза;

- возможность включения в состав материала красящих пигментов, исключающих дополнительную окраску внешних поверхностей;

- простота ремонта конструкции при получении боевых повреждений и пр.

Например, с использованием композиционных систем на основе стеклопластика и керамики на одном из образцов военных гусеничных машин при сохранении основных общемашинных показателей и повышении защитных характеристик удалось снизить массу корпуса машины на 15-20%, а отдельных элементов корпуса - на 40% по сравнению с броневой сталью. При этом значительно уменьшилась и трудоемкость изготовления корпуса. Для изготовления металлического корпуса необходимы специальные приспособления, электро- и газосварочная аппаратура, штампы, прессы, рабочие высокой квалификации, а для изготовления корпуса из композиционных материалов требуется лишь теплое помещение, простейшая оснастка и формовщики достаточно низкой квалификации.

Проведенные исследования и натурные стрельбовые эксперименты подтвердили возможность создания корпусов и башен боевых машин легкой категории по массе (БМП, БТР, САО и др.) из композиционной брони на основе керамики и стеклопластиков. Это дает защиту от бронебойных пуль автоматического стрелкового оружия калибров 7,62 мм и 12,7 мм. С целью снижения вероятности поражения экипажей и уменьшения безвозвратных потерь боевой техники разработаны и испытаны подбои и экраны из тканей на основе сверхвысокомодульных арамидных волокон, которые показали высокую эффективность в части поглощения энергии и улавливания осколочных потоков, которые способны поразить экипаж, воспламенить топливо и вызвать детонацию боекомплекта.

Аналогичные материалы могут быть использованы в составе индивидуальной экипировки для защиты экипажей машин от осколков. Это противоосколочные жилеты, шлемы и накладки. Для уменьшения безвозвратных потерь боевых машин при пробитии броневой защиты целесообразно использовать наружные и внутренние топливные баки в безопасном исполнении. Такой бак состоит из внешней полиуретановой оболочки и наполнителя из открытопористого пенополиуретана. При повреждении эти баки не деформируются, в отличие от металлических, т. к. подвергаются только упругой деформации. Металлические баки разрушаются от гидроудара при их пробитии поражающими средствами: пулями автоматического стрелкового оружия, снарядами автоматических пушек, кумулятивной струей противотанковых гранат, артиллерийских и танковых кумулятивных снарядов, бронебойными подкалиберными снарядами танковых и противотанковых пушек.

Экспериментальные исследования показали, что при многочисленных натурных стрельбах всей номенклатурой перечисленных средств поражения при использовании баков на основе полиуретана и открытопористого наполнителя не было ни одного случая возгорания топлива и безвозвратной потери боевой машины. Поврежденный бак легко ремонтируется в полевых условиях без каких-либо специальных приспособлений. Технология изготовления бака предельно проста: на наполнитель требуемой формы напыляется полиуретан необходимой толщины. Уменьшение запаса топлива за счет наполнителя составляет менее 3%. Наличие открытых ячеек наполнителя позволяет легко заполнять бак топливом и полностью вырабатывать его в процессе эксплуатации. Бак снабжен топливной аппаратурой и обратными запорными клапанами, предотвращающими вытекание топлива при поражении бака. Бак сохраняет работоспособность при пробитии пулями стрелкового оружия вследствие эффекта "самозатягивания" пробоины.

Таким образом, использование композиционных материалов в конструкциях боевых машин позволит:

- уменьшить массу корпусов и башен при заданных требованиях по противопульной, противокумулятивной и противоснарядной стойкости или повысить ее при заданной массе;

- уменьшить трудовые и энергетические затраты при производстве боевых машин;

- повысить теплозащитные, звукоизолирующие и вибрационные характеристики конструкций;

- уменьшить вероятность поражения экипажей; снизить безвозвратные потери боевых машин;

- сократить затраты на содержание и обслуживание техники в процессе жизненного цикла;

- повысить ремонтопригодность техники при получении боевых повреждений;

- улучшить эргономические характеристики боевых машин.

Композиционные материалы могут быть использованы в машинах гражданского назначения: машинах МЧС, для перевозки ценностей и денег, особо опасных грузов, радиоактивных и отравляющих веществ, машинах для спецподразделений и т.д.

В развитых странах активно ведутся работы по созданию конструкций, выполненных с применением принципиально новых конструкционных материалов. Особенности этих материалов нашли отражение в терминах, применяемых для их описания: "адаптивные" (adaptive), активные (active), "разумные" (smart), "интеллектуальные" (intelligent). Разрабатываемые интеллектуальные композиционные материалы потенциально обладают уникальными возможностями. Помимо традиционных свойств, присущих конструкционным материалам, они должны приобретать способность к самодиагностике механического состояния, адаптации к внешним условиям эксплуатации, прогнозированию остаточного срока эксплуатации и т.д. Такой материал, по существу, является синтезом собственно материала, как правило, композиционного, и специализированной информационно-измерительной системы, снабженной сенсорными и исполнительными устройствами, системой управления на основе микропроцессорной техники.

Для изготовления сенсорных и исполнительных элементов могут применяться сплавы с памятью формы, пьезоэлектрики, магнитострикционные материалы, оптические волокна и другие функциональные материалы. Одно из перспективных направлений разработки композиционных материалов и конструкций связано с внедрением нанотехнологий. Предварительный анализ показывает, что интеллектуальные композиционные материалы найдут широкое применение в строительстве, на транспорте, в медицинской технике, судостроении. В настоящий момент наиболее заметные успехи в разработке композиционных материалов и конструкций на их основе достигнуты в аэрокосмической и военной технике.