Предприниматель из Новосибирска, решивший превратить хобби в успешный бизнес, и государственная корпорация, открывшая для себя новое направление работы. Что их связывает? В обоих случаях речь идет о применении в судостроении перспективных материалов – полимерных композитов.
Когда-то СССР был одним из лидеров мирового судостроения, причем не только традиционного, но и инновационного: советские конструкторы шли в ногу, а иногда вовсе опережали конкурентов. Теперь многое приходится восстанавливать. Однако интерес к современным технологиям растет как у крупных игроков, создающих большие военные и гражданские корабли, так и у новичков, специализирующихся на малых катерах и лодках.
Бизнес как увлечение
Новосибирец Владислав Матюшин много лет увлекается рыбалкой. «Раньше у меня был 6-метровый катер из фанеры. Классика жанра, но я с ним намучался. Где-нибудь стукнешь, не увидишь камень, все – корпус поврежден, – говорит он. – Решил сделать идеальную лодку, такую, что подойдет именно мне. Выбрал в качестве основного материала полиэтилен высокой плотности (ПЭВП). - Я занимаюсь полимерами с 2000-х: переработкой вторсырья, литьем изделий. Так что тема не была новой.
Почти все в его лодке сделано из пластика. Чтобы уменьшить число швов на корпусе, сначала листы полиэтилена сворачивают в трубы и сваривают между собой, затем по чертежам вырезают на станке детали. Для усиления транца (плоского среза кормовой части) и для настила используется фанера. Производство таких лодок – это новый бизнес Владислава Матюшина. «По весу они разные: от 60 до 600 кг. Вместимость может достигать шести человек», – говорит он.
Одно из преимуществ пластиковых катеров и лодок – они лучше скользят по воде. Имея малый коэффициент трения, легко передвигаются по мелководью и травяным зарослям, хорошо маневрируют. Кроме того, если с дерева тину приходится счищать щеткой, то полиэтиленовые борта достаточно протереть тряпкой.
ПЭВП имеет ряд свойств, которые объясняют его широкий диапазон применения. Например, устойчивость к окислителям, усадке при нагреве и охлаждении. Не нужны какие-либо особо сложные условия хранения, а покраска – только декоративная.
«Наши лодки предназначены для охоты, рыбалки, отдыха и путешествий, – говорит Владислав Матюшин. – Например, есть катер, изготовленный специально для горных рек – ему не страшны камни, а винт спрятан «внутрь», чтобы его было сложно погнуть».
Жизнестойкость подтверждена испытаниями. «При температуре –27 °С мы брали кусок полиэтилена, гнули его, ходили по нему, но он все равно сохранял форму. Цепляли лодку к машине и катали по снежному насту – ничего не происходило. Если вы что-то подобное сотворите с алюминиевой или деревянной лодкой, то придется ее чинить или выкидывать», – говорит предприниматель.
От самолета до корабля
Полимеры и полимерные композиты в судостроении часто называют материалами XXI века. Но в действительности их начали активно использовать еще в середине прошлого столетия, примерно тогда же, когда в авиации. Хотя в последнем случае процесс шел быстрее: вес авиалайнера имеет кратно большее значение, в небе борьба идет буквально за каждый грамм. Замена традиционных материалов (там, где это возможно) на пластики и композиты позволяет снизить расход топлива, увеличить дальность полета и грузоподъемность.
Из пластиков и композитов делают не только суда индивидуального использования (рыбацкие лодки, яхты, байдарки и т. д.), но и детали больших кораблей, например надстройки. Это конструкции, находящиеся выше верхней палубы (как правило, в них располагаются каюты, а в надстройках боевых судов – различные виды вооружений).
«Башни артиллерийских установок размещаются непосредственно на палубе и закрываются вместе со стволами стеклопластиковыми панелями. Стволы орудий находятся внутри стеклопластикового короба и выдвигаются только на период стрельб. В отдельных блоках, являющихся частью надстройки корабля, располагается радиолокационное оборудование, и использование ПКМ (полимерных композиционных материалов. – Прим. ред.) при их изготовлении обеспечивает полную интеграцию всех антенн систем радиолокации и связи», – приводит примеры Владимир Нелюб, директор межотраслевого инжинирингового центра «Композиты России» МГТУ им Н.Э. Баумана в своей статье о применении ПКМ в судостроении.
Как и в случае с авиацией, главное достоинство новых материалов здесь – малый вес при сопоставимых с конкурентами показателях прочности. Наиболее важно это качество для больших судов и военных кораблей, поэтому изначально полимеры и ПКМ использовались именно здесь. То, что процесс дошел до «индивидуального» сегмента – свидетельство его масштаба.
Во многом ускорил внедрение полимеров и ПКМ в судостроении Фолклендский конфликт 1982 года между Великобританией и Аргентиной. Он показал, что корабли, корпуса которых изготовлены из новых материалов, существенно менее уязвимы для противника. Они имеют низкое инфракрасное и оптическое излучение и поэтому остаются незамеченными противником. «Такие решения получили название Stealth-технологии», – отмечает Владимир Нелюб.
В нашей стране первые корабельные надстройки из ПКМ начали устанавливать не на боевых, а на научно-исследовательских кораблях, например на судне «Изумруд». Его построили, в том числе, для испытания новых материалов в различных условиях – «Изумруд» ходил в полугодовые рейсы в тропики.
«Было много интересного, и к себе мы чувствовали интерес: своими глазами видел английскую газету с сообщением: «Сегодня через Гибралтарский пролив прошло новое советское шпионское судно «Изумруд», – вспоминал в одном из своих интервью Евгений Сентюрин, участник проекта, начальник сектора Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) по органическим стеклам и технологиям их применения.
«В СССР композиционное судостроение было широко развито. Впереди всей планеты шли в ряде областей. Даже Великобританию опережали, владычицу морей», – говорит Михаил Франц, директор инжиниринговой компании «Нептун-Судомонтаж». Потом, в 1990-х, по понятным причинам было не до прорывных разработок. Теперь приходится догонять.
Выбираем российское?
В апреле на Средне-Невском судостроительном заводе (входит в состав ОСК) торжественно спустили на воду тральщик «Иван Антонов» с корпусом из монолитного стеклопластика – третий корабль проекта 12700 «Александрит». Такие суда должны составить основу минно-тральных сил всех флотов. «Они стали первой крупной серией для корабелов», – заявил президент ОСК Алексей Рахманов. Он подчеркнул, что выполнение разовых заказов увеличивает риски для экономики заводов и российские кораблестроители сегодня как никогда нуждаются в серийном строительстве. Но пока даже для лидеров отрасли это скорее исключение, чем правило.
Еще одна проблема – доступ к качественному сырью. В России есть несколько производителей, выпускающих стекловолокно, например «Стеклонит» или UMATEX Group (входит в госкорпорацию «Росатом»), и есть несколько иностранных компаний, поставляющих свою продукцию.
«По углетканям ситуация сложнее. Они используются преимущественно в военных проектах. Раньше ткани были исключительно иностранными. В прошлом году у нас началось производство углеродного волокна на современном заводе в Елабуге. Но нужно время, чтобы провести испытания, получить сертификаты, которые позволяли бы использовать наш материал при изготовлении судов», – говорит Виктор Малецкий, эксперт по текстильным структурам UMATEX Group. Этот этап займет год-два, его еще только предстоит пережить.
Также необходимы качественные связующие материалы. Обычно в большинстве отраслей промышленности для создания композитных деталей используются в первую очередь эпоксидные смолы. «Но мы выпускаем углеродное волокно с замасливателем. Это как грунт для краски. В прошлом году был разработан замасливатель для винилэфирных смол, которые применяются в судостроении. У них есть ряд преимуществ по сравнению с эпоксидными: они немножко дешевле, лучше устойчивы к воздействию воды. Чем больше размер корабля, тем выше расход связующего. Этот вопрос очень важен», – отмечает Виктор Малецкий.
Дефицит сырья для композитов может быть проблемой, но помогает импортозамещение
Дефицит импортного сырья может стать огромной проблемой. Он приводит в качестве примера авиастроение. В отрасли раньше использовались материалы иностранного производителя, преимущественно компании Porcher. Но после начала санкционной кампании стран Запада поставки необходимого сырья в Россию прекратились, а замены ему на рынке не было. Отрасль оказалась на грани кризиса. В судостроении проблемы те же, хотя, учитывая объемы потребления, вопрос пока так остро не стоит.
«Но может оказаться так, что завтра вы придете на работу делать свою лодку, а делать будет не из чего. Не потому, что не смогли купить, а потому, что не продают. Это очень неприятная ситуация. Решить ее может только импортозамещение – это не лозунг, а реальность. И в этом смысле санкции нам, можно сказать, помогают», – говорит Виктор Малецкий.
От Северной Европы до Дальнего Востока
Когда-то корабли делали только из дерева. Потом в судостроении наступил «железный век». Сегодня сложно сказать, что какой-то один материал доминирует – есть нюансы, влияющие на возможность использования того или иного решения.
«Например, стальные судна небольшого размера, до 15 м в длину, будут очень тяжелыми. По своим характеристикам они сильно проигрывают композитным», – говорит Владимир Чулков, технический директор компании «Псковская лодочная верфь». По своим характеристикам наиболее близок к ПКМ алюминиевый сплав. Но судно из такого материала, как правило, стоит дороже, поскольку оно более трудоемкое в производстве. «Кроме того, композит позволяет воспроизводить сложнейшие формы всех корпусов или рубок. Из алюминия или стали зачастую невозможно делать такие формы», – говорит Владимир Чулков.
Процесс производства выглядит следующим образом. Сначала делают матрицу – форму будущего изделия. Это самый сложный этап: матрица должна быть предельно точной, она будет использоваться многократно. В форму (кстати, тоже композитную) укладывается стеклоткань и пропитывается полиэфирной смолой с отвердителями. Можно использовать углеволокно, но оно стоит в 15–20 раз дороже. «Этот материал применяется только там, где, помимо большой прочности, нужна высокая жесткость, в некоторых деталях надстроек, например», – говорит Виктор Малецкий.
Когда все застынет, деталь готова. Ее свойства во многом зависят от качества несущего материала. Правильный корпус должен состоять из стекло- или углепластика, но некоторые производители для снижения цены внедряют в состав МДФ (материал из древесной стружки). Это приводит к сокращению времени службы, а правильные суда могут эксплуатироваться 50 лет и более.
Срок изготовления детали зависит от ее размера. «Например, корпус 8-метровой или 10-метровой лодки формуется за день. Сегодня это жидкая смола и стеклоткань в рулонах, а завтра – практически готовая лодка», – говорит Владимир Чулков. Главная сложность – добиться хорошей агдезии (то есть соединения) друг с другом слоев стеклопластика в детали.
Формовка происходит послойно, предыдущие слои нужно тщательно зашкурить перед следующим этапом. К сожалению, нарушение технологии выявить сложно – только инструментальными методами, ни осмотр, ни простукивание не помогут.
Конструкции крупногабаритных панелей чаще всего делают трехслойными: два тонких несущих слоя и сотовый заполнитель (например, пенополистирол). В состав «начинки» могут вводиться различные наполнители (от каучука до графита), что позволяет на выходе получать материалы с разными характеристиками (например, акустическими или теплоизоляционными).
Области применения новых материалов в судостроении самые разные. «Например, в 2000-х была разработала технология металлокомпозита для изготовления надстроек скоростных катамаранов. Она позволила получить легкие и прочные конструкции, близкие к качествам авиационного фюзеляжа, но при этом дешевые. Была такая обширная программа при московском мэре Юрии Лужкове: планировалась постройка порядка 50 судов. В итоге был построен, правда, только опытный образец, но он находится в эксплуатации до сих пор и очень хорошо себя показал», – говорит Михаил Франц.
Сейчас в работе инжинирингового центра «Композиты России» и компании «Нептун-Судомонтаж» новый проект, связанный с созданием скоростных судов для рек Сибири и Дальнего Востока. Не секрет, что в России целый ряд удаленных районов имеют надежную связь с Большой землей только в период навигации.
Между тем условия эксплуатации на боковых и малых реках Сибири и Дальнего Востока являются сложными: габариты судового хода имеют глубину до 1,25 м, ширину – до 29 м. К этому можно добавить большое количество перекатов, существенные колебания уровней воды на разных участках, высокие скорости течения. Таких кораблей чрезвычайно мало.
Именно для этих условий прорабатывается проект скоростного катамарана – однопалубного двухкорпусного судна с кормовым расположением машинного отделения. Строить корабль предлагается из высокопрочных сталей (корпус) и полимерных композитов (все верхние строения). В качестве примера такого сочетания могут служить конструкции скоростных судов датской верфи Danish Yachts, в которых наряду с металлом широко применяется углепластик.
Все такие разные
Специалисты говорят, что суда, выполненные из разных материалов, отличаются друг от друга поведением на воде. Толщина борта из алюминия, как правило, тоньше, чем у пластика. Для судна малого размера это существенный фактор: управлять им, скорее всего, будет проще. Плюс ко всему производитель всегда говорит о том, какой мотор можно установить на конкретную лодку.
«В случае с небольшой лодкой привыкнуть к нюансам можно за несколько часов. Другое дело, если человек решил приобрести 15-метровый катер – тут, конечно, нужна тренировка. Не говоря уже о более серьезных судах», – говорит Артем Михайлов, преподаватель Центра морского права и владелец мастерской «Водомоторник».
Лодки и корабли из ПКМ, как правило, более ремонтопригодны, чем их аналоги. Но важно следовать рекомендациям производителя даже в том случае, если у вас совсем маленькая лодка. Понятно, что чем больше и дороже судно само по себе, тем больше внимания обычно уделяют его обслуживанию.
«Бывает, особенно у нас в России, что люди не особо следят за технической составляющей. В итоге может случиться все что угодно вплоть до того, что лодки разваливаются на ходу», – отмечает Артем Михайлов.
Кроме того, нужно грамотно подготовить судно к зимнему сезонному хранению. «Как минимум нужно укрыть ваше плавсредство от прямых солнечных лучшей, просушить. По опыту в 99% случаев неисправности возникают по вине владельца. Причем в основном именно из-за неправильного хранения, а не эксплуатации», – говорит Артем Михайлов. И это универсальный совет – один из немногих случаев, когда материал, из которого сделано судно, решающего значения вообще не имеет.
Читайте здесь Обзор новейших разработок в области нефтехимии - электробус, умные очки, футбольное поле и другие!
А здесь можно узнать про то, как создавалась сложнейшая сеть тоннелей на БАМе - КОСМИЧЕСКИЕ ВОРОТА БАМА!
Друзья! Нам очень важно понимать, что мы пишем нужные и полезные статьи - пожалуйста, делитесь с нами вашими комментариями, что вы думаете, чтобы вы хотели еще прочитать о научных изобретениях, химических процессах и продуктах! А еще мы пишем о том, как нефтехимия влияет на окружающую среду - будьте с нами! На нашем канале интересно!
Всегда ваши, команда Химиков)