Опыт написания истории

Лаборатории армированных систем

Начало истории народа должно обозначаться какими-либо более явственными, уловимыми признаками. Их надобно искать прежде всего в памяти самого народа. Первое, что запомнил о себе народ, и должно указывать путь к началу его истории. Такое воспоминание не бывает случайным, беспричинным.

В.О.Ключевский

Поскольку первым из сотрудников ЛАС в Институте появился автор этого опуса, то историю лаборатории следует, наверное, начать с его появления. Это было в 64 году прошлого столетия. Я ещё работал в Сибирском отделении АН, в лаборатории, занимавшейся механикой ползучести. (В соседней лаборатории трудился АА Хвостунков, занимаясь примерно тем же.) Обстоятельства сложились так, что руководитель всего этого направления и мой учитель академик ЮН Работнов вынужден был возвращаться из Новосибирска в Москву, в университет; он убедил меня в том, что мне следовало бы тоже перебазироваться в Московский регион. Июньским днем 64 года мы встретились в ЦНИИЧермете с ГВ Курдюмовым, и вопрос о моём переходе в зарождавшийся тогда ИФТТ был решён.

В декабре того же года я, встретившись с ЮА Осипьяном в Москве, стал сотрудником Института и появился на следующий день в - забыл, как это называлось – в том домике на 2-ой площадке ФИХФ, где на 1 и 3 этажах размещался временно ИФТТ. Помню, что среди авторов институтской стенгазеты (для молодёжи: был такой жанр в те времена) первой мне бросилась в глаза фамилия Волкодава. Куда, думаю, попал, если здесь такие... Потом быстро выяснилось, что Гена Волкодав не так уж и страшен, скорее – наоборот, беззащитен. Вторым был ЕП Вольский. Почему-то подумалось, что это, может быть, тот самый Женька (я именно так подумал тогда) Вольский, с которым мы учились вместе в третьем или четвертом классе в конце войны или сразу после войны в донской станице Нижне-Чирской. Увидев затем Женю Вольского, засомневался: во-первых, усатый; во-вторых, спортивный босс в профкоме: в школе-то он, раз за разом бросал деревянную гранату себе под ноги, «нарываясь» на вскрик военрука: «Вольский! Ты мне взорвёшь весь взвод!» Взвод – третьеклассников... Тем не менее, Вольский оказался тем Вольским. Очень жаль, что заболел-то он совсем ещё молодым, и ему не довелось реализовать все свои возможности, а был он, несомненно, неординарным человеком и яркой личностью.

Но вернёмся в середину 60-х. Постепенно начала складываться неформальная группа (позже оформившаяся), ориентированная на изучение механических свойств конструкционных материалов. Первым присоединился ЛАС Кожевников, механик, я уверен, - лучший в Институте. Он играл в Лаборатории совершенно особую роль. Ниже пойдёт ещё речь о нем, сейчас же нужно сказать, что он принадлежит к тонкому слою интеллигенции, в точном русском понимании этого слова. Потом приехал из Новосибирска АА Хвостунков; появилась первая студентка-дипломница из МИФИ ИН Архангельская.

Я продолжал заниматься механикой ползучести, понимая в то же время, что в физическом институте это явно чужеродная тематика, и нужно как-то выползать из этой области. Году в 66-67, пытаясь объяснить некоторые особенности ползучести металлических сплавов неоднородностью в нагружаемом объёме, придумал совершенно немудрящую одномерную схему, моделирующую образец пучком «разно-ползущих» нитей. Это была, кажется, моя последняя работа по ползучести металлов. Появившийся примерно в то же время в Институте в качестве зам. директора ЧВ Копецкий попросил меня рассказать о своих работах. Когда я дошёл до той, последней, и нарисовал на доске этот пучок, он сказал: «Стоп! Дальше не надо. А не заняться ли вам композиционными материалами? Армированными нитями или волокнами?» Поскольку такие мысли бродили у меня, но я понимал, что для этого нужны были совсем не такие, что были тогда у меня силы, я сразу ответил, что это очень интересно, но силы-то где взять? Копецкий имел, с одной стороны, тонкое чутьё на новые направления в науке, а с другой стороны, - был большим мастером по наращиванию сил.

В это же самое время, в епархии Копецкого начинал работу по внутренне-окисленным сплавам АВ Серебряков, тоже приехавший из Новосибирска. Копецкий соорудил постановление ГКНТ о развитии работ «по композиционным материалам с волокнистым и дисперсным упрочнением», по которому Институт получил довольно большой фонд зарплаты (штатных единиц). Досталось что-то и нам с Серебряковым. Здесь кончается предыстория  и начинается, собственно, история лаборатории композитов, или, как её окрестил Копецкий, лаборатории армированных систем.

В то время наиболее активный центр этой науки был в Кембридже, где неподалёку от Крокодила, работал А. Келли, физик по образованию. Как он рассказывал мне много лет спустя, отношение большинства кембриджских физиков к его материаловедческой деятельности было довольно скептическим до тех пор, пока... Пока их самым активным образом не поддержал Джон Кокрофт (имя, не нуждающееся в представлении). Наука о композитах стала после этого вполне респектабельной (каковой она, впрочем, и была).

Активность Копецкого в сфере международных связей привела к моей командировке к Келли; по-началу она оформлялась в Кембридж (всё это долго-долго делалось в те времена), но Келли сместился в Национальную физическую лабораторию в Теддингтоне, и я оказался там. Забегая вперёд, скажу, что в Кембридже я всё-таки появился в 2002 г. в качестве иностранного члена Черчилль-колледжа. Но та, давняя поездка, дала мне очень много, поскольку я в течение почти целого года был в центре международной композитной активности. Кое-что и мне удалось там сделать и опубликовать тогда ещё в новом Journal of Materials Science, основанном Каном. Новым был не только журнал, но и термин Materials Science (материаловедение) столь громко прозвучал именно тогда.

В конце 69 года мы приняли два важных решения. Во-первых, расширили первоначальное направление нашей группы – начали активно заниматься не только механическим поведением неоднородных структур, но и технологией композитов, понимая, что в противном случае это была бы платоническая любовь, не могущая принести практически полезного продукта. Важным было понимание того, что композиты несли с собой новую инженерную идеологию: материал создавался вместе с элементом конструкции, элемент должен был вписываться в конструкцию так, чтобы эффективность всей системы была бы максимальной. В этом, собственно говоря, заключался композитный, междисциплинарный подход к объекту изучения и использования. Во-вторых, и это вытекало из первого, нужно было понимать потребности перспективной техники в композитах.

Впрочем, во втором деле помогала существовавшая в СССР система отслеживания результатов и тематики АН СССР. Нас быстро отследил военно-морской флот и озадачил в 1970 г. очень интересной целью создания корпусов аппаратов специального назначения. Энтузиастом применения современных композитов в морском деле был профессор капитан 1-ого ранга НГ Скрынский (1906-1983). Дело было интересным как в научном, так и в технологическом отношении.

Мы остановились тогда на композите с волокнами бора и матрицей алюминиевого сплава (бороалюминий). Это не было оптимальным в данном приложении, но с точки зрения быстроты решения и моделирования ситуаций – вполне удачным решением. В СССР примерно в 1971 г. были получены опытные партии волокон бора (АФ Жигач и АМ Цирлин, ГНИИХТЭОС); мы начали с ними активно сотрудничать. Наверное, помогли в понимании механического поведения этого необычного по тем временам объекта (сейчас его назвали бы, может быть, нанокристаллическим, но тогда такого слова не знали).

Бороалюминий сам по себе оказался ещё и прекрасным модельным материалом, экспериментируя с которым можно было понять основные особенности поведения композитов с металлической матрицей. В частности, важными оказались обнаруженные и объяснённые нами нелинейные зависимости прочности и сопротивления трещине композитов от содержания хрупкого волокна. Строго говоря, максимум на зависимости прочности от содержания волокна наблюдался и другими авторами до нас, но это относили, как правило, к экспериментальным ошибкам, поскольку наблюдения не укладывались в ходившую тогда примитивную оценку прочности путём линейного суммирования вклада матрицы и ещё чего-то, отдалённо напоминающего вклад волокна.

Интересно заметить, что подходы, которые мы тогда к этой задаче применили, были переоткрыты много лет спустя, а соответствующий аппарат развит значительно лучше, но новых эффектов это не дало. Особенно важным результатом той поры было обнаружение и описание эффекта повышения трещиностойкости композита с вязкой, пластичной матрицей при наполнении её хрупким волокном. Нам удалось определить условия, при которых этот эффект наблюдается. По существу, именно это делает композиты принципиально отличными от металлических сплавов, которые обычно теряют в трещиностойкости, становятся более хрупкими с ростом прочности. В композитах всё может быть наоборот, и это очень важно! Стоит заметить, что на этой стадии основные эксперименты с бороалюминием выполняли НМ Сорокин, ИН Архангельская; первый защитил первую в лаборатории кандидатскую диссертацию по композитной тематике (1977).

В это же время АА Хвостунков развивал газостатическую технологию получения бороалюминиевых оболочек и труб. Изменение кривизны поверхности заготовки в процессе её превращения в изделия требовало применения гидростатического давления, а прессование при температурах около 500^оС – газа в качестве рабочей среды. Надо сказать, что мы это делали практически одновременно с американцами, но те запатентовали процесс более проворно. Главным здесь, на каком-то этапе, было заполучить газостат подходящих размеров, которыми в СССР занимался могущественный ВНИИМЕТМАШ во главе с академиком АМ Целиковым. Это оборудование было жутко дорогим (плюс требовалось специальное помещение бóльших размеров, чем были в нашем автоклавном корпусе) и жутко дефицитным. Мы пошли по пути самоделок. Для получения достаточно больших натурных оболочек соорудили газостат из казенной части подаренного нам моряками ствола отстрелявшего своё орудия главного калибра линкора военных времен. Крышку газостата удерживал пресс в лаборатории ЕГ Понятовского. Сделали две или три оболочки благополучно (без взрыва), показали принципиальную возможность технологии и передали всю эту часть в институт Минсудпрома. Кстати, на каком-то этапе этот институт (ЦНИИ Прометей в Ленинграде) был подключён к этим работам. Вместе с ним мы сделали на меньших размеров газостате Хвостункова более сотни модельных оболочек, которые испытали в различных условиях. Образцы эти совершили примерно полугодовую экскурсию на экватор на специальном судне с тем, чтобы мы смогли убедиться в их коррозионной стойкости, разумеется, после соответствующих судпромовских мер защиты. Вся эта работа сыграла, быть может, не очень заметную, но весьма важную роль в формировании технической политики флота.

В то же самое время у нас развивалась газостатическая технология получения бороалюминиевых труб для использования в космической технике. Здесь весовая отдача особенно важна. Технология была сделана, на её основе в Минобщемаше была построена промышленная технология, которая где-то в начале 80-х заработала достаточно устойчиво. На бороалюминиевой ферме полетела тройка спутников новой навигационной системы, разработанной в КБ академика МФ Решетнёва. Только один запуск этой тройки спутников давал экономию массы на орбите (с соответствующим пополнением полезной нагрузкой), которая в пересчете на рубли составляла 250 000 (что тогда соответствовало такому же количеству более знакомых сегодня американских долларов). Дальнейшее использование бороалюминия в этом качестве уже было за пределами нашего внимания.

Мы понимали, однако, что более широкое и более эффективное использование такого типа композитов в ракетно-космической и авиационной отраслях требует упрощения и удешевления технологии. Работы Н.С. Саркисян и Ф.Х Сулейманова того времени указывали на более простой технологический путь получения композитов типа боралюминия. Этот путь не требовал дорогого газостатического оборудования  и был довольно быстро реализован усилиями, главным образом, В.П.Грязнова и М.В. Гелахова применительно к получению композитных труб. Эта технология была доведена в лаборатории до промышленного уровня и передана в НПО «Молния», где по инициативе главного конструктора планера самолета «Буран» А.В. Потопалова и технолога Л.К. Вшивкина, начал создаваться производственный участок, бывшей точной копией нашего. Если бы это было доведено до конца, экономия массы на одном самолете приближалась бы к 1 тонне, с соответствующим увеличением полезной нагрузки! Могла бы быть…

Точно такой же участок был полностью построен и запущен в КБ «Салют», входящем сегодня в ГРКЦ им. Хруничева (В.И. Михеев).

Но вернемся в начало 70-х годов, когда в лабораторию пришла группа молодежи – выпускников вузов. Из них нужно отметить В.М. Кийко, который поначалу предполагал заниматься структурой и механическим поведением биологических объектов, и, особенно, - В.И. Казьмина, умершего совсем молодым в 1986 г., но успевшего оставить яркий след в композитной технологии. Начиная свою работу, этот талантливый изобретательный человек пытался повторить технологию получения сапфировых волокон, уже опубликованную за несколько лет до этого двумя американцами в Nature. Дело продвигалось медленно, по-видимому, потому, что в лаборатории не было классического типа специалистов по росту кристаллов. Параллельно случился инцидент, который заставил нас уйти из Волкодавовой комнаты, оборудованной под водород (кажется, - вместе с Волкодавом). Мы там проводили некоторые процедуры с никелевым блоком, содержащим непрерывные каналы. Автор был огорчен и раздосадован в день нашего выдворения, но увидел на следующее утро, как расплав оксида влезает, подталкиваемый капиллярными силами, в каналы металлической матрицы и, кристаллизуясь там, превращается в монокристаллическое оксидное волокно. Через неделю после этого Володя Казьмин испытывал первые сапфир-молибденовые композитные образцы и убеждался, к удивлению всех, что прочность в композите полученных этим простым способом волокон, оказывалась примерно той же, что и прочность дорогих (в силу технологии) американских волокон (они до сих пор стоят 50-100 тыс. долларов за кг и поэтому не используются для конструкционных целей).

Получив этот результат, мы стали искать возможность развить успех, для этого нужны были люди, оборудование… Но реального отклика мы не получили тогда, может быть из-за слишком уж простого и неканонического пути, на который стали. Лишь один человек реально поддержал нас. Это был молодой тогда и амбициозный главный конструктор авиационных двигателей из КБ «Союз» О.Н. Фаворский (ныне академик, в недавнем прошлом – академик-секретарь Отделения энергетики РАН). Он смог принять на работу в свое КБ одного инженера (им был ВВ Кухаркин, незадолго до этого потерявший работу нач. мех. мастерских института) и 7-8 рабочих. Вся эта бригада была прикомандирована к нам. Усилиями этих людей, В.И. Казьмина и конструкторов КБ «Союз» (главным действующим лицом был авиационный инженер старого поколения и нового мышления ИА Коколевский) было спроектировано и изготовлено полупромышленное оборудование получения композитов методом внутренней кристаллизации (так мы назвали изобретенный нами метод). Однако получилось так, что во всей этой серии работ после смерти Казьмина смогли участвовать творчески лишь целевые аспиранты из Запорожья  А.М. Руднев и В.И. Глушко, да старожил лаборатории Л.С. Кожевников. Первые, успешно защитившись (1987, 1992), уехали домой, и стали иностранцами. К этому времени в КБ «Союз» сменилось руководство, а вместе с ним и отношение к разработке принципиально нового материала. Ситуация в стране вообще, как известно, изменилась, и для нас наступило глухое время.

Автор использовал это время для литературного труда – в 1997 г. в издательстве Elsevier вышла его книга Metal and Ceramic Based Composites (700 стр.); обобщая свой и чужой опыт и размышляя над будущим этого типа композитов, он пришел к выводу, что следует сконцентрироваться на наиболее важном технологическом направлении – конструкционных материалах для высоких и сверхвысоких температур. Почему? Во-первых, острая потребность в высоких температурах в тепловых машинах в связи с повышением их эффективности. Во-вторых, в этой области температур эти материалы конкурируют лишь между собой (интерметаллидная матрица здесь же), органика, ныне царствующая при обычных температурах, здесь, естественно, не живет. Последствия существенного повышения температуры конструкционных материалв, с сегодняшних 1050 – 1100^оС до 1400 – 1600^оС, могут быть весьма внушительными с экономической (экономия энергоресурсов), экологической (воздействие на среду с двух сторон – ограничение добычи нефти и газа и сокращение вредных выбросов) точек зрения, а также и с точки зрения мировой политики (борьба за нефть!).

Достичь указанных целей можно только решив огромное число научных, технологических и даже психологических проблем. Те, кто знает, что представляет собой рабочая лопатка современной турбины (охлаждаемая, со специальным «жаропонижающим» покрытием), понимают, что high tech бывает не только в компьютерах и коммуникационных технологиях. Что касается психологии, то она у массы турбинистов, достигших едва ли не совершенства в использовании суперсплавов, ведёт их очень часто к отказу восприятия чего-то слишком нового, сулящее большее, но неясного в плане повторения изощренной конструкции современной турбинной лопатки. А нужно ли повторять?

Позволю себе здесь сделать отступление, важное с точки зрения понимания будущего композитов. В 1976г. По инициативе О.М. Белоцерковского и с помощью Ю.Н. Работнова и Ю.А. Осипьяна была задумана кафедра механики композитов на ФАКИ ФИЗТЕХа, которую предложили организовать мне. В рамках этой организационной работы мне довелось делать доклад в каком-то большом факультетском собрании; в докладе была мысль о том, что современная инженерия в массе своей вообще не готова воспринять новую философию, связанную с применением композитов. В ответ на это из зала прозвучала высоким дишкантом фраза: «Правильно! Они все заражены металлизмом!». Я не распознал автора, но после доклада он подошел ко мне и я узнал М.В. Мельникова, бывшего в самые трудные и яркие годы ОКБ -1  в Подлипках  заместителем С.П. Королева. Мы проговорили часа полтора-два. Он, в частности, рассказал мне о «композитной», по сути – синергетической, идее так называемого триметалла, изобретенного, кажется, им самим. В заключение он спросил меня: «А знаете чем отличался СП от примерно равных ему по таланту и организаторским способностям других главных, генеральных конструкторов?» Все мои гипотезы не соответствовали действительности. Ответ Мельникова: «Он не соразмерял задачу, которую перед собой ставил, с остатком своей жизни!»

Много раз я потом  убеждался в правильности его диагноза (металлизм!); довелось убедиться и в точности его оценки главного в могучем таланте СП Королёва. Примерно в 80-м году я приехал к одному из самых выдающихся генеральных конструкторов советского ВПК 70-х годов с предложением использовать композиты в одной из частей его изделия. После весьма детального обсуждения, его резюме было таким: «Для использования композитов в той части, в которой вы предлагаете, моего участия не требуется; делайте это с соответствующими подразделениями предприятия. Изделие останется в том же классе. Но вот широкое использование ваших материалов требует моего активного участия. И это будет качественно новая машина. Но давайте посчитаем всё по времени, от решения ЦК до принятия на вооружение». Он прикинул все этапы работ, получалось примерно 25 лет, и эаключил: «Меня к этому времени уже не будет! Поэтому я этим заниматься не буду...»

Вернемся теперь к истории с высокотемпературными материалами. В 1996 году нам повезло: мы получили хорошее финансирование двух международных проектов по этой тематике, и 1997-2001 годы были весьма плодотворными в этом направлении. Удалось привлечь к этим работам целую группу очень активных людей из разных лабораторий института (А.А. Колчин, В.П. Коржов, В.Н. Курлов, Н.А. Прокопенко, М. Ю. Старостин). Особенно хочется сказать о Колчине, который целиком перешел в ЛАС и стал совершенно незаменимым человеком и Прокопенко. Вообще, Колчин – интеллигент и поэтому, может быть, не очень «светится» в Институте и явно недооценён этот талантливый человек. Н.А. Прокопенко, освободив меня от всей формалистики, связанной с проектами и фондами, обеспечила, по сути, успех многих начинаний. К одной из работ подключилась сильная группа из ВИАМа (С.Е.Салибеков, В.П. Бунтушкин, Н.В. Петрушин, Ю.А. Бондаренко), к другой – команда из МАТИ (ГА Фомина).

Но в лаборатории осталось лишь два человека, работавших ранее в этом направлении – Кожевников и Милейко. Был решен целый ряд научных и технологических задач. Наиболее важные их них:

1. Получено семейство монокристаллических оксидных волокон, в том числе – наиболее высоко температурных из известных к настоящему времени – алюминий – иттриевый гранат и муллит (соединение в системе Al₂O₃ – SiO₂). Интересно, что метод внутренней кристаллизации позволил получать монокристаллические волокна неконгруэнтно плавящихся оксидов (муллит) – этого никому не удавалось достичь, несмотря на все старания. В результате, лаборатория стала мировым лидером  в конструкционных материалах на основе оксидов (оценка А. Келли).

2. Показана технологическая возможность использования такого типа волокон в металлической, интерметаллидной и оксидной матрицах.

3. Получены образцы композитов с матрицей на основе никеля, работоспособные до температур 1150^оС. Показано, что верхний предел температуры использования может быть поднят ещё, по крайней мере, на 25^оС.

4. Обнаружен и объяснён количественно синергетический эффект в высокотемпературных композитах: чем лучше связь на границе раздела волокна и матрицы, тем прочнее оказывается волокно. Это открывает совершенно новые перспективы и, кстати сказать, перечёркивает выводы NASA о будущем композитов с оксидным волокном и металлической матрицей. Нужно только делать их не методом тыка, а, что называется, по науке.

Все это сегодняшний и завтрашний день лаборатории. А в прошлом, кроме того, о чём здесь говорилось, были и работы по пробиванию и легкой броне (О.А. Саркисян, И.Ф. Ландгров, С.Ф. Кондаков, Е.Д. Пантелеев), по механике трещин в неоднородной среде (В.В. Твардовский, В П. Коваленко), по технологии углерод-углеродного композита (А.А. Хвостунков, НИИГрафит – Е.И.Холодилова). Были сделанные в лаборатории боралюминиевые трубы с титановыми хвостовиками (ВИАМ – С.Е.Салибеков, В.М. Чубаров, КБ Антонова – И.М. Ромашко), которые были поставлены на заводскую машину «Руслан» в конструкцию шасси и успешно летали по всему миру…

Были работы по ВТСП – композитам, в которых активнейшим образом участвовал с И.Л. Аптекарь. В связи с этим вспоминается характерный эпизод. Как-то поздно вечером мы с ним остановились на обсуждении какой-то задачи, не решив ее. Остановились, потому что Аптекарю нужно было возвращаться домой, в Москву. На следующий день я пришел в Институт, как обычно, около 9 часов. И увидел буквально бегающего взад-вперед у двери моей комнаты Илью Львовича. «Я понял, как нужно это делать!» - закричал он, увидев меня.

Были и есть люди, о которых не сказано выше из-за ограниченных рамок этого опуса, но которые заслуживают добрых слов – А.Я. Мицкевич, флотский офицер, незадолго до этого появившийся у нас и ставший затем незаменимым (ВМФ!), Т.И. Боромыченко (талисман Лаборатории, и не только...), Н.В. Опилат, А.К. Егоров, Т.А. Чернова (единственный человек в Лаборатории, понимающий почерк автора), Т.В. Воротникова, В.Ф. Шилков, А.П. Юдов, Е.Г. Голофаст (1937 - 1977), А.А. Аникеев (1934 - 1999), А.И.Иванов, С.И. Гвоздева, В.М. Анищенков, В.М. Прокопенко и многие другие.

Непосредственно в Лаборатории подолгу работали многие сотрудники других организаций, в частности, - С. В. Трифонов и А.В.Зорина (НИАТ), И. Дымков (МВТУ), В.В. Кучкин и В.Г. Иванов (ЦНИИ Прометей), Д.Б. Скворцов (МХТИ им Менделеева), В.В. Сахаров и Н.В. Кондрашова (ВИАМ) и другие. Эти люди приносили свой опыт нам и, надеюсь, уносили с собой наш опыт.

С. Милейко

Зав. ЛАС

Февраль 2003г.

Кстати сказать, переоткрывание вообще характерно на определённой стадии развития той или иной науки, несмотря на существование в настоящее время мощного информационного поля, а может быть, вследствие громоздкости этого поля. Несколько лет назад мы сидели на одной международной конференции вместе с Б Харрисом (B Harris), многолетним редактором журнала Composites Science and Technology и обнаружили, что почти все молодые докладчики на том заселании рассказывали о своих новых результатах, нам с Харрисом давно известных.

Хвостунков так увлёкся проектированием и изготовлением самопальных газостатов, что порывался вступить в конкурентную борьбу с Целиковым. Удалось, тем не менее, убедить его в том, что мы должны делать только то, что другие ещё не умеют.