История авиационного материаловедения как самостоятельной области исследования и научно-технического знания неразрывно связана с историей самого материаловедения. Как и большинство технических наук, самостоятельный статус материаловедение получило в начале второй половины ХХ века, до этого технические знания не являлись самостоятельной областью исследований и воспринимались как сфера приложения в инженерии естественнонаучных знаний. Такое изменение в осмыслении места научно-технического знания связано с бурным развитием технических наук, их большим удельным весом и ролью в научно-техническом прогрессе. У технических наук стала развиваться своя методология, отличающая их от естественнонаучных дисциплин. Это, прежде всего, развитие прикладного эксперимента и математического моделирования реальных физических процессов в технических устройствах и приспособлениях, отход от математической идеализации и попытка описать сложные процессы, не поддающиеся классическому математическому анализу, путём выдвижения узконаправленных гипотез и построения конкретных моделей.
Примерно в тот же период бурно развивалась авиационная техника, как военного, так и гражданского назначения. Уже тогда, в 50-60х годах ХХ века, авиация была одной из самых наукоёмких и капиталоёмких отраслей промышленности, для авиационной техники разрабатывались и применялись самые передовые технологии в области проектирования, разработки, производства, не говоря уже о технологиях в области приборостроения, электроники и электротехники, двигателей и пр., применяемых в летательных аппаратах. Многим известно, что эффективность применения авиационной техники полностью зависит от весового совершенства летательного аппарата, то есть чем меньше масса конструкции, тем больше масса полезной нагрузки. Использование материалов, обладающих высокими характеристиками прочности, усталостной прочности, жёсткости и малым весом является краеугольным камнем авиационной промышленности. И это касается не только материалов для применения непосредственно в конструкции летательного аппарата. Специальные материалы разрабатывались для авиационных двигателей, для приборов и различных систем авиационного назначения. И в тот момент, когда материаловедение обрело статус самостоятельной области научно-технического знания, такой же статус стал образовываться вокруг авиационного материаловедения. Для исследований авиационных материалов создавались целые исследовательские институты, в СССР ещё в 1932 году был основан Всесоюзный институт авиационных материалов, ныне известный как Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ).
Авиационная медицина
... области медицины приоритет в изучении ряда основных вопросов, явившихся базой для развития авиационной медицины, принадлежит русской медицине. Так, Я.Д.Захаров по ... газообмене при падении барометрического давления. Основными знаниями по вопросам регуляции кровообращения, необходимыми для анализа ... при правильной регламентации летной деятельности, при научно- обоснованных режимах труда, отдыха, питания и ...
В России он является головной государственной организацией, которая занимается научными исследованиями с целью создания современных авиационных материалов различного прикладного назначения: от прочных и лёгких материалов для конструкции летательного аппарата до жаропрочных металлических монокристаллов для лопаток компрессоров и турбин авиационных газотурбинных двигателей.
Можно сказать, что авиационное материаловедение идёт в авангарде всего материаловедения в целом. К авиационным материалам предъявляются крайне жёсткие требования: они должны обеспечивать достаточную прочность конструкции при воздействии значительных силовых нагрузок, повышенных и пониженных (до -253 °C) температур, коррозионно-активных сред, корпускулярных, электромагнитных, рентгеновских излучений и др., обладая при этом минимальным удельным весом. Большая часть материалов, разработанная по столь высоким требованиям, в дальнейшем может с успехом применяться в других отраслях промышленности и народного хозяйства: судостроении, атомной промышленности, транспортном, химическом, энергетическом машиностроении, медицине и т.д.
Глава 1. Место авиационного материаловедения в система технических наук
1.1. Понятие авиационного материаловедения
Чтобы разобраться с тем, что же такое авиационное материаловедение, какие цели преследует и какие задачи решает, необходимо разобраться с понятием самого материаловедения, поскольку, как было сказано выше, авиационное материаловедение идёт в авангарде всего материаловедения в целом.
- это наука о материалах, их строении и свойствах.
Авиационное материаловедение с точки зрения целей, задач, инструментов и методологии почти не отличается от материаловедения, однако объект исследования более конкретный – материалы, применяемые в авиационной технике. Вот основные сферы применяемости авиационных материалов и основные требования к ним:
- конструкция планера летательного аппарата; требования: высокая весовая эффективность (отношение прочности к удельному весу), широкий диапазон рабочих температур (от -80°C до 60 °С), внутри которого изменения механических и физических свойств не превышают допустимых пределов, низкий коэффициент линейного теплового расширения, высокая коррозионная стойкость при взаимодействии с окружающей средой и другими материалами, хорошая обрабатываемость, стойкость к усталости, высокая жёсткость;
- конструкция авиационных двигателей и прилегающих к ним зон конструкции планера; требования: как можно более низкий удельный вес, жаропрочность и жаростойкость, стойкость к вибрационным и акустическим нагрузкам;
- приборное оборудование и системы; требования: как можно более низкий удельный вес, широкий диапазон рабочих температур.
Можно выделить главное требование к авиационным материалам – как можно более низкий вес готового изделия при сохранении на требуемом уровне остальных свойств . Все эти характеристики обычно объединяются под термином «качество авиационных материалов». Туда ещё входят такие характеристики, как трещиностойкость, контролепригодность, технологичность и ремонтоспособность. В последнее время в показатель качества авиационных материалов стали входит различные показатели экономической эффективности, что связано с возросшими объёмами пассажиро- и грузоперевозок. Решение важнейших технических проблем, связанных с производством авиационной техники, уменьшением их массы, повышением надежности и работоспособности во многом зависят от развития авиационного материаловедения.
Материалы авиационных конструкций
... 600 °С) и отличная коррозионная стойкость. 1.2 Неметаллические материал авиационный сплав бериллий Композиционные материалы - это конструкционные материалы, состоящие из матрицы (основы) с распределённым в ней ... велась по принципу кооперации, закрепленному официальными договорами. Авиационный завод отливал металл и прокатывал листовой и прутковый материалы. В августе 1933 г. "электронная" мастерская ...
Понятие авиационного материаловедения можно сформулировать так: Авиационное материаловедение – область знаний о металлических и неметаллических материалах, применяемых в авиационной технике, об объективных закономерностях зависимости их свойств от структуры, химического состава, способов обработки и условий эксплуатации [1] .
1.2. Научная база авиационного материаловедения
Учитывая специфику авиационного материаловедения, объект исследования и требования, предъявляемые к нему, можно сделать вывод, что авиационное материаловедение базируется на более широком круге естественнонаучных и научно-технических дисциплин. Помимо указанных выше физики твёрдого тела, физической химии и электрохимии можно назвать:
- сопротивление материалов и теория прочности; особое место в исследованиях занимают механические свойства: зависимости напряжений в материале от деформаций, прочность, жёсткость, усталостные характеристики, жаропрочность, твёрдость;
- механика разрушения твёрдых тел; призвана давать возможность предсказывать развитие трещин в конструкции, влияние различного рода повреждений и дефектов и моделировать процесс разрушения конструкции;
- теория математического моделирования и численные методы; в последнее время с бурным развитием вычислительной техники появилась возможность моделировать сложные физические процессы с высокой степенью достоверности путём построения различных математических моделей, решаемых численными методами на ЭВМ, что недоступно классическому математическому анализу;
- радиационная химия; помимо вредных факторов агрессивной окружающей среды и большого перепада температур, на больших высотах присутствует повышенный фон электромагнитного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, гаммарадиации и корпускулярного излучения, что может оказывать воздействие на структуру и свойства материалов, а также на функционирование приборного оборудования и различных систем; кроме того, необходимо решать задачи защиты пассажиров и целевой нагрузки от излучения.
- теоретическая механика;
- строительная механика.
Также ещё можно добавить очевидные естественнонаучные представления о строении вещества и влиянии атомарной и молекулярной структуры на физические и химические свойства.
1.3. Цели, задачи и методология авиационного материаловедения
Соотнося цели общего материаловедения и специфику авиационного материаловедения, можно сформулировать следующие цели:
- разработка материалов, отвечающих всем требованиям, предъявляемым к авиационным материалам, в особенности – наименьший удельный вес;
- прогнозирование поведения и свойств авиационных материалов при различных условиях;
- создание научно-технического задела для реализации поставленных целей в будущем с учётом возможных изменений, связанных с развитием авиационных технологий и научно-техническим прогрессом.
Задачи авиационного материаловедения такие же, как и у общего материаловедения, а именно выявление зависимости между структурой материала и его свойствами, только спектр изучаемых свойств более специфический.
Конструкционные материалы в судостроении
... сопротивление коррозии. Мартенситностареющие стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении, в приборостроении для упругих ... о конструкционных материалах Конструкционные материалы, подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по ...
Методология авиационного материаловедения и общего материаловедения сводится к эксперименту и получению экспериментальных данных. К специфическим экспериментам, присущим авиационному материаловедению, можно отнести:
- прочностные испытания: испытание на растяжение и сжатие, сдвиг и изгиб;
- испытания на определение характеристик твёрдости и жёсткости;
- комплекс испытаний на определение характеристик жаропрочности и жаростойкости;
- испытания на усталость, вибрационную и акустическую стойкость.
В основном эти эксперименты нацелены на определение механических свойств изучаемых материалов, крайне важных для авиационных конструкций.
Экспериментальные данные подвергаются экспертизе и тщательному анализу. Выводятся эмпирические зависимости свойств от структуры путём анализа экспериментальной статистики. Затем формулируются гипотезы, которые потом подвергаются проверке. Проверка заключается в расчёте или моделировании изучаемых характеристик свойств материалов, после чего делаются выводы о достоверности той или иной гипотезы или модели. Похожий алгоритм можно встретить во многих других технических науках.
Глава 2. Становление и развитие авиационного материаловедения
2.1. Предпосылки появления авиационного материаловедения как науки
Как было сказано выше, авиационное материаловедение сформировалось в самостоятельную техническую науку лишь во второй половине ХХ века, однако истоки её уходят в далёкое прошлое. Материально-технической основой этой науки явилось развитие металлургии, машиностроения, строительства железных дорог, кораблей, оружия.
Автором первого энциклопедического труда по металлургии и горному делу был гениальный русский учёный М.В, Ломоносов (1711 – 1765 гг.).
Идеи Ломоносова в области металлургии определили научную мысль того времени на целое столетие. Первое определение понятия «металл» было дано Ломоносовым: «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно».
Основоположниками металловедения ХХ века явились выдающиеся русские металлурги – Павел Петрович Аносов (1797 – 1851 гг.) и Дмитрий Константинович Чернов (1839 – 1921 гг.).
Аносов, работая в течение многих лет (1817 – 1847 гг.) на Златоустовском металлургическом заводе, разработал технологию изготовления булатной стали, лучшей, чем сталь дамасских мастеров. Он пришёл к убеждению, что булатная сталь должна найти широкое применение не только для изготовления холодного оружия, но и для изготовления инструментов и деталей машин.
Открытие, имевшее большое значение в металлургии и металловедении, были сделаны Черновым, ещё при жизни прозванным «отцом металлографии». Работая на Обуховском сталелитейном заводе, Чернов в 1868 г. открыл критические точки, при которых происходят превращения стали при нагреве и охлаждении, и установил влияние этих превращений на её строение и свойства.
Это открытие позволило решить важнейший вопрос о термической обработке орудийных стволов и тем самым – задачу производства стальных орудий (вместо бронзовых).
Ы по материаловедению
... материалы , металлы и т.д.), так и аморфными ( синтетические смолы , стекло , пластмассы ) большинство твердых материалов являются многокомпонентными и многофазовый. К нетрадиционным в материаловедении принадлежит классификация по ... сплав — бронза. В 9-7 ст. до н. е. изобретен способ производства стали и примерно в 3 ст. до н. е. разработана ... материалы. По агрегатному состоянию материалы разделяют на ...
Кроме того, Черновым было открыто явление «термической усталости», установлены законы кристаллизации, описаны дефекты стального слитка и меры борьбы с ними, разработаны основы теории термической обработки стали.
Известный американский металлург, возглавлявший в течение многих лет американскую школу металловедов, Х. Хоу, выпуская в 1903 г. свой первый в мире курс металловедения («Железо, сталь и другие сплавы»), посвятил его Д.К. Чернову.
В Англии известный учёный Сорби несколько позже Аносова (1863 г.) применил микроскоп для исследования технического и метеоритного железа. Там же Гадфильд в 1888 г. опубликовал свои работы о легированных сталях. В 1989 г. известный английский исследователь Роберт Аустен, именем которого названа одна из структур стали (аустенит), опубликовал первое систематическое исследование сплавов железа с углеродом.
Во Франции продолжателем работ Чернова являлся крупнейший учёный Осмонд, который в лабораторных условиях определил критические точки Чернова и открыл точку магнитного превращения стали (1900 г.).
Работа Осмонда была значительно облегчена применением термоэлектрического пирометра (1885 г.) и современного металлографического микроскопа, создателем которых был известный французский физико-химик Ле-Шателье.
В Германии в области изучения природы и строения очень большого количества двойных сплавов известны опубликованные в 30-х годах ХХ века работы Таммана и учеников его школы. Свойства технических сплавов подробно изучались немецкими учёными Мартенсом, Гейном, Вюстом, и др.
Новый качественный сдвиг в дальнейшем развитии металловедения был достигнут благодаря трудам выдающегося учёного академика Н.С. Курнакова (1860 – 1941 гг.) – основателя новой отрасли химической науки, названной им физико-химическим анализом. Изученные и построенные им и его учениками диаграммы состояния многих металлических систем являются классическими и приводятся во всей мировой литературе по металловедению.
Начало эпохи авиации связывают с первым полётом самолёта братьев Райт в 1903 г. Можно смело утверждать, что с того момента и начало свою историю авиационное материаловедение. Именно тогда остро встал вопрос о достаточно прочных и лёгких материалах. Изначально конструктора не могли использовать металлы, поскольку тогда не были разработаны специальные сплавы, а существующие были слишком тяжёлыми. Тогда для конструкции планера широко использовалось дерево – достаточно прочный и лёгкий материал, дешёвый и легко поддающийся обработке. Недостатком его было неравномерное распределение прочности и сильное ухудшение качества при высокой влажности.
В 1919 году Г. Юнкерс совместно с О. Ройтером создал первый цельнодюралевый пассажирский 6-местный низкоплан Ю-13, получивший широкое применение во многих странах. В Советском Союзе первый цельнометаллический самолёт АНТ-2 был разработан и построен в ЦАГИ и совершил свой первый полёт в 1924 году. Газета «Правда» в то время писала: «Победа над дюралюминием не была бы полна, если бы она не завершилась серийным выпуском кольчугалюминиевых самолетов собственной советской конструкции… большая работа, в результате которой появилась возможность спокойно и уверенно сказать – да, мы можем, и будем строить советские металлические самолеты, – эта работа проделана».
«Сварка меди и её сплавов»
... сплавов. Вследствие недостаточной прочности технически чистую медь применяют редко в качестве конструкционного материала. Широкое распространение в промышленности имеют сплавы меди – латуни, бронзы. Латунями называют медные сплавы, ... свойствами меди. Сварка чистой меди существенно отличается от сварки сталей. Большие тепло- и температуропроводность создают высокие градиенты температуры и скорости ...
В области авиационных лёгких металлов и сплавов следует указать на труды Н.Н. Бекетова, который разработал промышленный метод получения алюминия (1865 г.), и П.П. Федотьева, создавшего теоретические основы электрометаллургии алюминия.
Крупнейшие теоретические исследования термической обработки алюминиевых сплавов были выполнены С.Т. Конобеевским. На основании многочисленных экспериментальных исследований им была разработана теория старения дуралюмина, являющаяся в настоящее время общепринятой.
На заре советской авиации произошло очень важное событие не только для авиационной промышленности того периода, но и для всей истории отечественной авиации – был издан приказ по народному комиссариату тяжелой промышленности СССР от 28 июня 1932 г. №435 об образовании Всесоюзного (ныне Всероссийского) научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ).
Из приказа: «На ВИАМ возложить: изучение авиационных материалов, изучение сырьевых баз, изыскание новых материалов и внедрение их в производство самолетов и моторов; разработку технологических процессов по производству и применению материалов и полуфабрикатов в моторо-, самолето-, дирижабле- и авиаприборостроении…». В тот же год на базе ВИАМа была организована лаборатория общего металловедения, коррозии металлов и их защиты (отделы: авиалеса, экспериментальной металлургии, цветных металлов, черных металлов, химико-технологический, химико-аналитический), а также разработана и внедрена в промышленность первая высокопрочная сталь «хромансиль» 30ХГСА с прочностью 1600-1700 МПа (И.И. Сидорин, Г.В. Акимов), что позволило освободиться от экспортных поставок. Разработана теория рекристаллизации алюминиевых сплавов (А.А. Бочвар).
Вот основные вехи разработок и развития ВИАМа в первые десятилетия его работы:[2]
- 1932-1950 гг., созданы основы теории многоэлектродной структурной коррозии металлов (Г.В. Акимов, В.П. Батраков);
- 1937 г., создана авиационная броня (С.Т. Кишкин, Н.М. Скляров), организована лаборатория авиационной брони;
- 1940 г., создан высокопрочный древесный композит дельта-древесина (Я.Д. Аврасин);
- 1942-1943 гг., созданы мягкие фибровые баки повышенной живучести (А.В. Ермолаев), внедрены в конструкциях боевых самолетов недешифруемые маскировочные лакокрасочные покрытия (В.В. Чеботаревский);
- 1942-1944 гг., созданы наплавочные сплавы для клапанов авиационных двигателей (А.Т. Туманов, В.П. Гречин, Г.В. Акимов, А.А. Киселев);
- 1944-1949 гг., создан комплекс материалов, технологий и методов контроля для атомной энергетики (Г.В. Акимов, С.Т. Кишкин, Р.С. Амбарцумян, А.А. Киселев, А.М. Глухов);
- 1945 г., за вклад в победу в Великой Отечественной войне институт награжден орденом Ленина;
- 1947 г., организованы лаборатории неметаллических материалов (М.В. Соболевский) и экспериментально-технологическая база (ЭТБ) неметаллов (Н.М. Новиков, М.В. Соболевский), создана отраслевая лаборатория стандартизации (М.Д. Глезер);
- 1948-1955 гг., разработана гетерофазная теория жаропрочности (С.Т. Кишкин), созданы литейные (С.Т. Кишкин) и деформируемые жаропрочные никелевые сплавы (Ф.Ф. Химушин, К.И. Терехов, Е.Ф. Трусова, Д.Е. Лифшиц, М.Я. Львовский) для газотурбинных двигателей;
- 1950-1960 гг., разработаны первые герметизирующие материалы (Н.Б. Барановская, Л.Е. Зельбет, Н.И. Руденко), разработаны технологии вакуумно- индукционной плавки, вакуумного дугового переплава жаропрочных сплавов и высокопрочных сталей (К.К. Чуприн, В.П. Гречин, Р.Е. Шалин, Б.С. Ломберг, П.И. Норин, Е.Б. Качанов).
10 стр., 4757 слов
Никель и никелевые сплавы
... магнитных материалов, сплавов с особыми физическими свойствами. Особенно большое значение имеет применение никеля в качестве легирующего элемента в специальных сталях и сплавах. О большом разнообразии составов никелевых сплавов свидетельствует ...
2.2. Авиационное материаловедение во второй половине ХХ века
В СССР и в России во второй половине ХХ века вся история авиационного материаловедения связана с историей ВИАМа. В это время авиационное материаловедение сформировалась как наука, и «цитаделью» этой науки в СССР и России был ВИАМ. Это время можно назвать эпохой расцвета авиационного материаловедения. Прежде всего, потому, что на эти годы пришёлся разгар холодной войны, а значит и технологической гонки между СССР и США, что подстёгивало развитие авиационных материалов. И как следствие – бурное развитие авиации всех уровней и назначений, что опять же увеличивало темпы и объёмы исследований и изысканий в области авиационного материаловедения.
Ознаменовалась эта эпоха созданием теории легирования высокопрочных алюминиевых сплавов. Над этой проблемой работали в течение 20 лет, начиная с 1950 года. Кроме того в этот период были заложены основы технологического процесса точного литья крупногабаритных деталей для изделий авиакосмической техники.
3 июня 1951 г. была создана первая в СССР лаборатория титановых сплавов, что послужило началом развития титана в стране. Основал эту лабораторию «отец отечественного титана», профессор, доктор технических наук, Сергей Георгиевич Глазунов (1908 – 2001 гг.).
Он внёс большой вклад в разработку технологии получения высококачественного титана из отечественных руд, технологии и оборудования для вакуумной дуговой плавки и фасонного литья, промышленной технологии производства титановых полуфабрикатов, а также в освоение титановых сплавов в авиационной и ракетно-космической отраслях промышленности. Под его руководством проведены фундаментальные исследования в области металловедения титана, на основе которых разработано более 30 титановых сплавов. На сегодняшний день, во много благодаря усилиям Глазунова, Россия является крупнейшим в мире производителем и поставщиком титана и титановых сплавов.
В период с 1955 по 1970 гг. велись работы по созданию бериллиевых сплавов, разработаны высокопрочные коррозионностойкие свариваемые стали для «стального» истребителя МиГ-25, а также разработана технология точного литья деталей из жаропрочных сплавов, созданы технологические процессы и оборудование для направленной кристаллизации и литья лопаток ГТД с монокристаллической структурой. Также в это время велись работы не только по металлам и конструкционным материалам, в частности были разработаны теоретические основы и созданы новые виды полимерных связующих, лакокрасочных материалов, клеев, герметиков, теплозащитных и эрозионностойких материалов, специальных покрытий, многофункциональных неметаллических (радиопрозрачных, радиопоглощающих) материалов.
В период с 1960 по 2000 гг. активно велись разработки в области неметаллических материалов различного назначения. Был разработан комплекс неметаллических материалов (высокопрочные стеклопластики, органические стекла, армирующие наполнители, радиотехнические материалы и др.), обеспечивающих изготовление конструкций для ракетной и авиационной техники. Была создана лаборатория полимерных композиционных материалов (КМ).
Разработаны основы материаловедения и технология нового класса конструкционных и многофункциональных КМ. Осуществлялось внедрение полимерных КМ в конструкции планеров самолетов Ан-124, Ан-225, МиГ-29, Ту-160, Су-26, лопастей и планера вертолетов Ка-32, Ка-50, Ми-26, статорных лопаток и корпусных деталей газотурбинных двигателей Д36, Д18, космических и ракетных комплексов, искусственных спутников Земли.
Развитие производства строительных материалов в России, и роль ...
... построения коммунистического общества. В.И.Куприянов 2 . Исторические этапы развития строительного материаловедения. Наука о материалах имеет глубочайшую историю развития. Истоком ее служат первые истинные ... достижением в области познания составов, внутренних взаимодействий и свойств веществ. Исследования, связанные с изучением внутреннего строения (структуры) материалов, развивались медленнее, ...
Кроме того, разработано более 100 пожаробезопасных материалов для интерьера всех типов пассажирских самолетов и вертолетов, что исключило случаи возгорания материалов интерьера. На сегодняшний день ВИАМ – единственная организация в странах СНГ, которая располагает всем комплексом испытательного оборудования по оценке пожаробезопасности материалов.
В этот период разработан комплекс уникальных материалов (волокна, теплозащита, клеи, углерод-углеродные материалы, лакокрасочные покрытия), а также средств неразрушающего контроля, обеспечивший создание многоразового космического корабля «Буран». К ним можно добавить создание высокотемпературных гидравлических жидкостей для сверхзвуковой авиации и взрывопожаробезопасных жидкостей для гражданской авиации, а также противообледенительных авиационных жидкостей.
Создана лаборатория защитных технологических и жаростойких эмалей. Разработаны основы синтеза и технология получения и нанесения нового класса высокотемпературных стеклокерамических покрытий и материалов. Осуществлено внедрение покрытий на заводах различных отраслей промышленности при производстве самолетов МиГ-25, Ил-76, Ан-22, Ту-160, Су-25, Су-27, МиГ-29, практически всех авиационных газотурбинных двигателей, жидкостных реактивных двигателей. Впервые в мировой практике созданы реакционноотверждаемые покрытия для теплозащиты МКК «Буран». Разработаны научные основы создания керамических, углеродкерамических и стеклокерамических композиционных материалов и покрытий.
Также в период до 2000 г. предложена и реализована концепция создания интеллектуальных и адаптирующихся полимерных композиционных материалов. Впервые в мировой практике выполнено крыло обратной стреловидности из адаптирующегося углепластика для самолета С-37. Начато широкое внедрение полимерных композитов в самолето- и вертолетостроение: Ту-204, Ил-96-300, Ту-334, Ил-114, Ка-62, С-37 и др.
В 1982 г. за заслуги в создании и обеспечении материалами новых образцов техники ВИАМ награжден орденом Октябрьской революции, а в 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ (Постановление Правительства РФ от 29.03.1994 г. № 247).
Этот статус подтвержден Постановлением Правительства РФ от 29.01.2000 г. № 159-Р и Распоряжением Правительства РФ от 31.12.04 г. № 1769-р.
Глава 3. Авиационное материаловедение сегодня
На сегодняшний день авиация – одна из самых наукоёмких и капиталоёмких отраслей промышленности в мире. Развитие авиационные техники продвигается не только в направлении технологического совершенства, но и в направлении совершенства эксплуатационного. В области гражданской авиации к самолётам предъявляются требования по увеличению срока службы до 50 лет, в то время как ещё в 80-х годах ХХ века срок службы был всего 10 лет. Кроме того, сформулированы строгие нормы по шуму, выбросам в атмосферу, эргономике и комфорта пассажиров. Претерпели изменения и концепции гражданских самолётов. Наиболее перспективные направления – это самолёты сверхвысокой дальности и сверхбольшой пассажировместимости.
Метатеоретический уровень научного знания и его структура
... в технических науках — фундаментальным физическим и математическим теориям, требованиям социальной значимости, практической целесообразности. Важным элементом метатеоретического знания является методология науки, а также философские основания науки. Существуют различные по содержанию виды философских оснований науки: ...
В связи с этим к авиационным материалам стали предъявляться, помимо уже существующих всю историю этой науки, новые требования:
- управляемая или направляемая жёсткость конструкций, позволяющая, например, создавать крыло большого удлинения, что может обеспечить высокую дальность полёта;
- значительный ресурс материалов для реализации новых требований по сроку службы самолётов;
- концепция безопасной повреждаемости, подразумевающая под собой управляемое разрушение материалов и конструкции планера в полёте, не приводящая к аварийной ситуации, с последующей заменой или ремонтом повреждённых узлов после полёта.
Кроме того, возросли требования к удельной прочности и удельной жёсткости материалов, их стойкости к старению, весовой отдаче, вибрационным, климатическим и термическим нагрузкам.
На сегодняшний день можно выделить несколько основных направлений исследований и разработок в области авиационного материаловедения:
- полимерные композиционные материалы, позволяющие изготавливать конструкции направленной или управляемой жёсткости с высокой весовой отдачей и удельной прочностью;
- высокопрочные легированные алюминиевые сплавы для изготовления ответственных высокоресурсных узлов и агрегатов;
- жаропрочные литейные и деформируемые сплавы и стали;
- материалы для теплозащиты и шумоизоляции;
- покрытия для защиты лопаток ГТД, антикоррозионные покрытия, покрытия для защиты КМ от ультрафиолетового излучения;
- исследования в области механики и прочности композиционных материалов с целью создания эффективных конструкций из КМ;
- исследования в области механики разрушения материалов с целью реализации концепции безопасной повреждаемости.
Благодаря изысканиям и разработкам в области авиационного материаловедения к сегодняшнему дню был совершён огромный скачок в качестве и свойствах различных материалов за всю историю промышленного производства.
Глава 4. Проблемы теории и эксперимента в авиационном материаловедении
4.1. Эмпирическое знание в авиационном материаловедении
Эмпирическое исследование базируется на практическом взаимодействии исследователя с объектом. Оно предполагает осуществление наблюдений и экспериментальную деятельность. Эмпирическое исследование ориентировано на изучение явлений и зависимостей между ними. Сущностные связи не выделяются в чистом виде, но они проявляются в явлениях.
Эмпирическое познание способно обнаружить действие объективного закона и фиксирует это в форме эмпирических зависимостей. Эмпирическая зависимость – результат индуктивного обобщения опыта и представляет собой вероятностно-истинное знание, то ест знание, достоверное лишь отчасти.
Техническое знание по преимуществу имеет эмпирический характер. Здесь понятия образуются на основе отражения предметов и их свойств в условиях непосредственной практики или эксперимента. Поскольку они предназначены для овеществления в технических объектах, каждая неточность грозит неприятностями. Отсюда – терминологическая строгость, проявлением которой следует считать тенденцию к машинному описанию технических объектов, такие точные методы фиксации технического знания, как графики, параметры процессов и явлений, схемы, справочные таблицы, чертежи, специальные записи в программах компьютеров, спецификации узлов и деталей, технические указания.
При изучении и выявлении зависимостей свойств материалов от их структуры авиационное материаловедение опирается исключительно на эксперимент. Построение различных теорий и гипотез, описывающих эти зависимости, сопровождается строгой проверкой экспериментом, зачастую многократной с последующим накоплением экспериментальной статистики. Фактически, такие гипотезы и теории, а также модели и зависимости, построенные и выявленные на их основе нужны лишь для проектирования и разработки новых материалов. И, тем не менее, результат этой работы снова подвергается проверке экспериментом, создаётся тем самым научный задел, который используется в дальнейшем для создания всё более совершенных материалов.
Таким образом, эмпирическое знание в авиационном материаловедении является основным. Эта наука, можно сказать, держится на эмпирическом знании. С каждым годом развития авиационного материаловедения накапливается огромное количество информации и знаний, большинство из которых – экспериментальная статистика, отсортированная в зависимости от структуры различных материалов.
4.2. Теоретическое знание в авиационном материаловедении
Теоретическое знание, в отличие от эмпирического, всегда достоверное. В теоретическом исследовании объект может изучаться только опосредовано, в мысленном эксперименте. При теоретических исследованиях применяется такой приём, как идеализация. Идеализированные объекты, в отличие от эмпирических, наделены признаками и свойствами, которых нет ни у одного реального объекта. Основа методологии теоретического познания базируется не только на построении идеализированного объекта. Подразумевается проведение мысленного эксперимента над идеализированным объектом, логические и исторические исследования.
На уровне теоретического познания происходит выделение сущностных связей в чистом виде. Сущность объекта – взаимодействие ряда законов, которым подчиняется этот объект. Задача теории заключается в том, чтобы, расчленив эту сложную сеть законов на компоненты, затем воссоздать шаг за шагом их взаимодействие и таким образом раскрыть сущность объекта. Теоретическое познание – сущностное познание, отвечающее на вопрос «почему», в отличие от эмпирического познания, отвечающего на вопрос «как». Оно отвечает на вопрос о внутренних причинах явлений, что в конечном счёте даёт возможность управлять изучаемыми явлениями и событиями, ускорять их приход или, наоборот, отдалять и предотвращать их, а также предсказывать принципиально новые факты.
Классические технические науки опираются на теоретические представления естественных наук. Причём базовая естественнонаучная теория может иметь феноменологический характер, но быть весьма полезной для технической теории в виду того, что для построения расчётных методов нужны прежде всего количественные зависимости, фиксируемые в математическом аппарате естественнонаучных теорий.
Исследование технических объектов приводит к формированию в технических науках специфических теоретических схем (связных совокупностей идеализированных объектов изучения), описывающих связи указанных характеристик для определённых классов технических устройств.
Теоретические исследование в технических науках направлено на построение таких моделей протекающих в инженерных объектах процессов, которые обеспечивают математическое описание и получение технического устройства. Исследовательские процедуры и теоретические схематизации технической науки позволяют осуществлять переход от структурно-морфологических изображений устройств, на которых разъясняется и анализируется физическая картина протекающих в них процессов в свете поставленной инженерной задачи, к их расчёту.
К теоретическому знанию в авиационном материаловедении можно отнести, прежде всего, его естественнонаучную базу: представления о строении вещества, молекулярную физику, квантовую физику, физическую химию. Эти науки предоставляют основные знания касательно структуры материалов и их базовых физических и химических свойств. Спорным вопросом является отнесение к теоретической области знания авиационного материаловедения различных математических моделей и гипотез, объясняющих и описывающих взаимосвязь структуры и свойств материалов. Они базируются на эмпирических данных из экспериментальной статистики, постоянно обновляются и подвергаются проверке и верификации. Их нельзя считать абсолютно достоверными, так как задача определения неких фундаментальных и феноменологических связей является непомерно сложной, и используется совокупность идеализаций на основе эмпирических исследований. Они тоже подвергаются проверке экспериментом, поскольку любая неточность или ошибка связана с техническим риском.
4.3. Соотношение теоретического и эмпирического знания в авиационном материаловедении, основные методологические проблемы
При всём своём различии, теоретический и эмпирический уровни познания взаимосвязаны, граница между ними условна и подвижна. Эмпирическое исследование, выявляя с помощью наблюдений и экспериментов новые данные, стимулирует теоретическое познание (которое их обобщает и объясняет), ставит перед ним новые, более сложные задачи. С другой стороны, теоретическое познание, развивая и конкретизируя на базе эмпирии новое собственное содержание, открывает новые, более широкие горизонты для эмпирического познания, ориентирует и направляет его в поисках новых фактов, способствует совершенствованию его методов и средств.
В авиационном материаловедении, как и в других технических науках, основная проблема заключается в том, что объект исследования реален, и не поддаётся идеализации, что существенно затрудняет выявление сущности изучаемого объекта. Естественнонаучная база, на которой держится авиационное материаловедение, не помогает разрешить эту проблему, так как теоретические знания, содержащиеся в этой базе – это идеализации, абстрактные формы и формализации. Они раскрывают сущностные взаимосвязи только в тех объектах, которые изучались в рамках этих естественных наук. А, как известно, эти объекты идеальны, то есть, упрощены таким образом, что позволяет провести их формализацию математическим языком. Во многих технических науках, в том числе и в рассматриваемой, это недопустимо, поскольку такая идеализация может привести к ошибке в расчётах и неточностям при прогнозировании свойств. Задача формализации и математического описания реальных объектов, изучаемых в технических науках, непомерно сложна для человека с точки зрения математики. А во многих случаях, поставленные задачи неразрешимы в пределах классического математического анализа.
Сначала эту проблему решали элементарным накоплением эмпирических данных. Для прогнозирования свойств новых материалов, их расчётов и проектирования использовались эмпирические зависимости. Для выявления этих зависимостей использовалась такая наука, как статистика, в то время ещё молодая (60-70е гг.).
Она позволяла собирать и систематизировать полученные в экспериментах данные, обобщать их и выявлять в них математические зависимости. Эти зависимости, конечно, не могли претендовать на выявление сущности, однако они предоставляли в той или иной мере достоверности необходимую информацию о связи между структурой материала и их свойствами, а самое главное, эта информация была проверенной экспериментом, и соответственно, была незаменимой на практике. Даже сейчас, когда существуют теоретические методики решения подобных задач, эмпирические данные пользуются в технических науках большим доверием.
Однако, как уже говорилось выше, эмпирическое и теоретическое познание взаимосвязаны, поэтому накопление большого объёма экспериментальных данных в материаловедении давало большую пищу для лучших умов этой науки. Научный интерес у исследователя всегда преобладал над прикладной подоплёкой знания, поэтому вопрос о природе выявленных закономерностей становился всё более острым.
Первой на помощь исследователям пришла тоже молодая тогда наука – численные методы. Она не только удачно дополняла математический аппарат статистики в области прогнозирования, но позволяла численно решать математические задачи, слишком сложные или не разрешимые для математического анализа. Кроме того, с бурным развитием вычислительной техники основы численных методов воплотились в вычислительных алгоритмах для ЭВМ, которые впоследствии развились до целых программно-вычислительных комплексов. Они позволяли в течении нескольких часов решать задачи, на ручное решение которым могли уйти месяцы или даже годы.
В дальнейшем учёным удалось успешно идеализировать реальные объекты исследования. В этом им помогла системотехника или теория систем – наука, которая продолжает развиваться и сейчас. Основная идея заключалась в следующем: любой реальный объект можно представить в виде совокупности идеальных объектов одинаковой или различной природы. Таким образом, получалась система из идеализированных объектов – модель. Задача сводилась к тому, чтобы правильно в рамках сформулированных гипотез построить разбиение на идеальные объекты и составить формализованные описания взаимосвязей между ними. Формализация заключалась в построении различных схем (структурных, функциональных, поточных) и их математическое описание.
Ввиду своей сложности, такие модели рассчитываются на ЭВМ. Самым популярным методом, который также широко применяется и в авиационном материаловедении, является метод моделирования конечными элементами. Этот метод с успехом применяется во всех технических науках, где приходится работать с процессами, протекающими в различных сплошных средах — металлах, газах, жидкостях и т.д.
На современном этапе появилось такое понятие, как вычислительный эксперимент, то есть эксперимент, который проводится с виртуальным объектом – составленной моделью изучаемого объекта в ЭВМ. Порой накоплению эмпирических данных в условиях современной экономической действительности мешает высокая стоимость большого количества материальных экспериментов. Экспериментальная статистика в этом случае накапливается путём многочисленного решения задачи моделирования изучаемых процессов и явлений. В этом случае возникает вопрос, к какому типу познания можно отнести вычислительный эксперимент. С одной стороны, это эксперимент, несмотря на то, что проводится он с виртуальной системой идеализированных объектов. И данные, которые получаются в ходе такого эксперимента, не претендуют на стопроцентную достоверность, поскольку достоверность в этом случае сильно зависит от достоверности построенной модели относительно реального изучаемого объекта. С другой стороны, используется широкий теоретический аппарат, как в ходе построения модели, так и в ходе её расчётов на ЭВМ. Ведь сама модель – это совокупность идеализаций, а связи между ними подчинены строгой формализации.
Таким образом, становлению авиационного материаловедения как науки поспособствовала практическая необходимость накопления большого количества эмпирических знаний. Как и в любой науке, эмпирическое всегда стимулирует теоретическое, что произошло и в авиационном материаловедении. Такой же путь прошли и проходят сейчас практически все технические науки. На данном этапе развитию авиационного материаловедения способствует необходимость создания всё более совершенных материалов для авиации, лёгких, прочных и надёжных. Решение этих задач приводит к накоплению знаний, которые впоследствии могут быть применены не только в материаловедении, но и в других науках, даже не связанных с техникой. Например, расширение познаний о строении вещества и свойствах различных материалов и твёрдых тел, полученных в ходе изысканий материаловедов, могут с успехом применяться геологами и при изучении и прогнозировании свойств почв, моделировании геологических и тектонических процессов.
Заключение
Область научно-технического знания, в отличие от естественнонаучного, мобильна и постоянно пополняется. Если в естественных науках новые разделы знания появляются редко, и чаще всего происходит уточнение или дополнение уже существующих разделов, то в технических науках как минимум каждый новый раздел появляется с каждой новой отраслью промышленности. Развитие научно-технического прогресса диктуется постоянным развитием потребностей человека. Создаются технические устройства, фундаментальной целью которых является обеспечение всё большей безопасности людей и улучшение качества жизни.
Однако нельзя останавливаться только на прикладных аспектах технических наук. Знания, которые в них генерируются, значительно пополняют базу знаний человечества об окружающем Мире и Вселенной. Технические науки также позволяют создавать инструменты для расширения горизонтов познания в области естественных наук.
Авиационное материаловедение, как и общее материаловедение, занимает одно из передовых мест среди технических наук. Промышленное производство немыслимо без разработок и изысканий в области этой науки. И хотя она сформировалась вместе со всеми техническими науками во второй половине ХХ века, материаловедение развивалось с момента появления промышленного производства, и уже тогда стала пополнять багаж знаний человечества.
Список использованных источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/fizika-i-aviatsiya/
1. Кальной И.И., Сандулов Ю.А. Философия для аспирантов: Учебник / Под ред. И.И. Кального. 3-е изд., стер. – СПБ.: Издательство «Лань», 2003. – 512 с. – (Учебники для вузов. Специальная литература.).
2. Голубинцев В.О., Данцев А.А. Любченко В.С. Философия: Учебник для технических направлений и специальностей вузов. – Южно-Российский Государственный Технический университет (НПИ), 2001. – 584с.
3. Кохановский В.П., Золотухина Е.В., Лешкевич Т.Г., Фатхи Т.Б. Филосо-фия для аспирантов: Учебное пособие. Изд. 2-е – Ростов н/Д: «Феникс», 2003. – 448 с. (Серия «Высшее образование».)
4. Войтов А.Г. Философия: Учебное пособие аспирантам. – М.: Издатель-ско-торговая корпорация «Дашков и К?», 2003. – 514 с.
5. История и философия науки (Философия науки): Учебное пособие / Е.Ю. Бельская (и др.); под ред. проф. Ю.В. Крянева, проф. Л.Е. Моториной. – 2-е изд., перераб и доп. – М.: Альфа-м: ИНФРА-М: – 2011. – 416 с.
6. Вуьф Б.К., Ромадин К.П. Авиационное материаловедение. – 3-е изд., пе-рераб и доп. – М.: Машиностроение. – 1967г. – 394с.
