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 
   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 
   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.
 
Автор: Ольга Булгакова, пресс-служба ТНЦ СО РАН.
 
Фото Алексея Вшивкова.

Источники

Томские ученые - космосу
Наука в Сибири (sbras.info), 19/04/2021

Похожие новости

  • 18/06/2020

    Цитируемые ученые ТПУ: ториевый реактор, циркониевая керамика и скаффолды, покрытые пленкой оксида графена

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за май. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 38, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 4,507.
    827
  • 04/09/2019

    Цитируемые ученые ТПУ: катализаторы из золота и оболочки для ТВЭЛов

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за летний период. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 75, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 9,405 (Green Chemistry, Q1).
    1800
  • 12/04/2019

    Томские разработки помогают исследовать космос

    ​Проект «Космический урок», спутники, передовые технологии для летательных аппаратов и даже граничащие с фантастикой идеи лунных заправок – во всем этом можно найти томский след. Ученые наших вузов и НИИ десятки лет генерируют и воплощают в жизнь уникальные идеи, делающие космос ближе и понятнее.
    1478
  • 18/03/2021

    Учёные расширят перечень пригодных для 3D-печати материалов

    Ученые Томского государственного университета и ИФПМ СО РАН предложили новый способ 3D-принтинга, который позволяет использовать ранее недоступные для этого материалы: металлы, металлокерамику и даже высокоэнергетические материалы.
    626
  • 12/11/2019

    В Томске создадут новые высокотехнологичные производства

    ​Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) в кооперации с ведущими университетами и промышленными предприятиями России стал победителем конкурса на право получения субсидий для реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичных производств в рамках постановления Правительства РФ.
    943
  • 09/12/2019

    НГТУ НЭТИ представит свои разработки на «ВУЗПРОМЭКСПО—2019»

    ​11 декабря в Москве стартует Национальная выставка «ВУЗПРОМЭКСПО—2019», которая демонстрирует результаты реализации государственных и федеральных целевых программ в сфере науки и промышленности.  Инженеры и ученые НГТУ НЭТИ представят установку для in-situ исследования эволюции структуры металлов и сплавов в процессе сухого трения скольжения, которая предположительно будет использоваться в работах Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»).
    1067
  • 09/04/2019

    Три экспериментальные разработки томских ученых проверят на МКС

    ​Институт физики прочности и материаловедения СО РАН и РКК «Энергия» вместе с ТПУ и ТГУ готовят эксперименты, которые проведут на Международной космической станции. Как сообщили НИА Томск в пресс-службе администрации Томской области, ученые ИФПМ СО РАН и ТПУ завершили разработку конструкторской документации для изготовления российского 3D-принтера, который сможет работать в космосе и изготавливать детали из полимерного волокна на борту МКС.
    1057
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    923
  • 14/02/2017

    Томский ученый Илья Романченко - о физике и разработках

    ​​​Томский физик Илья Романченко получил премию президента в области науки и инноваций для молодых ученых за 2016 год. В интервью РИА Томск он рассказал о том, как его работа может помочь в борьбе против раковых клеток и террористов, почему в физике недостаточно просто выучить формулы, а также на что он собирается потратить 2,5 миллиона рублей.
    4575
  • 07/05/2018

    Томские ученые разрабатывают материал для производства имплантатов

    ​Ученые томского Института физики прочности и материаловедения СО РАН работают над получением биоинертных сплавов с низким модулем упругости для производства медицинских имплантатов. Сегодня самый распространенный материал для имплантатов - технически чистый титан, модуль упругости которого составляет около 120 гигапаскалей.
    1236