О бронежилетах

Физически защитить человека и транспортные средства от поражающего действия пуль – задача важная и сложная. ЮУрГУ вот уже более двадцати лет занимается созданием средств защиты, где используются современные лёгкие материалы – например, сверхпрочные полимеры в виде волокон и тканей, а также керамика. Ещё в бытность свою Челябинским политехническим институтом наш вуз по заданию КБ имени академика А.Н. Туполева занимался исследованием повреждений композитных крыльев самолетов ударами бетонной крошки при взлёте и посадке. Это дало толчок к развитию в вузе нового направления – «Динамика защитных структур» и принесло веер новых интересных результатов.

Важные достоинства пластин из слоистых полимерных композитов – лёгкость и высокая прочность при нагружении в их плоскости. А вот поперечная прочность при растяжении и сдвиге у них низкая. Это следствие анизотропии композитов, тогда как традиционные металлические материалы обладают одинаковостью (изотропией) свойств в разных направлениях. При попадании пули в изделие из такого материала оно сравнительно легко пробивается, возникает дефект. Дальнейшая «судьба» ответственной композитной конструкции зависит от её остаточной прочности при наличии такого дефекта.

Совершенно очевидно, что правильно спроектированная конструкция должна выдерживать удар пули и не разрушаться далее при нормальной эксплуатации.

В процессе удара возникают большие давления, неупругие деформации, значительные перемещения, происходит местное разрушение – всё это делает решение задачи соударения тел одной из самых сложных в механике! Специалисты по динамике и прочности машин (а такая специальность есть в нашем университете) решают подобные задачи, проводя эксперименты и делая сложные расчёты. Не обладая современными вычислительными возможностями, учёные прежних лет проводили массовые эксперименты, проводя обстрелы проектируемых преград из реального оружия – что было и дорого, и долго. Современный учёный ориентируется на точные математические модели, которые проверяет простыми экспериментами, и только потом, получив «на кончике пера», а точнее, на дисплее компьютера, оптимальный проект, берётся его проверять экспериментально.

Когда мы этому научились, поняли, как поведёт себя сложное изделие при ударе, когда появились мощные суперкомпьютеры, стало возможным смоделировать, что будет с бойцом, если пуля попадёт в бронежилет. Люди устроены сложнее любой машины, запчасти к ним не выпускают – а значит, защита человека – дело сверхответственное. Требования к бронежилетам сейчас весьма высоки и отличаются от тех, что предъявлялись лет двадцать назад. Они, разумеется, должны защищать от поражающего действия холодного и огнестрельного оружия, хотя и не от любого и не на любом расстоянии, и при этом быть достаточно лёгкими, не стеснять движений. Чем выше требования к уровню защиты – тем тяжелее бронежилет, соответственно, нецелесообразно делать его таким же прочным, как танковая броня. От разного оружия – разные средства защиты. Помимо специальных тканей в них используются керамические, металлические элементы. То есть бронежилеты делают многослойными: верхние слои разрушают пулю, а нижние – «слоёный пирог» из ткани разной толщины – тормозят её бронебойный сердечник. То есть даже если пуля пробьёт верхний слой, в тело она не войдёт, и боец отделается локальным ушибом. Такая структура впервые в мировой практике разработана коллективом учёных нашего университета ещё двадцать лет назад и с тех пор широко применяется.

Для обеспечения прочности и лёгкости верхнего слоя наилучшим образом подходят керамические пластины – для них используются карбид кремния, карбид бора, корунд. При применении керамики и волокнистых композитов получаются бронежилеты рекордной лёгкости и прочности – но при этом дорогие. Если вместо керамики взять броневую сталь, изделие выйдет намного дешевле – но и гораздо тяжелее. Оптимизация структуры и массы – очень важная и сложная задача. Необходимо учитывать множество параметров. Чем выше масса бронежилета или брони боевой машины, тем ниже их скорость, тем уязвимее человек или техника. В наше время суперкомпьютер – отличный инструмент точных расчётов: он позволяет быстрее, эффективнее и дешевле провести работу, поскольку затрачивается меньше ресурсов. Словом, создание подобных сложных изделий требует не только современного оборудования для производства, но и больших вычислительных мощностей, и конечно, научных кадров самой высокой квалификации.

Об инженерах

Если двадцать лет назад вуз располагал кадровым потенциалом, но не имел мощных суперЭВМ, то теперь они есть. В суперкомпьютеры закладывают параметры модели, и она помогает найти решение задачи. Конечно, работать с такой техникой могут только специалисты, владеющие трёхмерным моделированием (проектированием), методом конечных элементов, компьютерными программами типа SolidWorks и ANSYS, позволяющими производить трёхмерное проектирование и анализ напряжённого (динамического и статического) состояния. Эти программы хорошо известны современным инженерам. Подготовленным специалистам с их помощью по плечу проектирование практически любых объектов. На мой взгляд, таких специалистов готовится немало. Яркий пример – выпускники нашей кафедры. Они – ядро всех расчётно-конструкторских подразделений университета, работающих по ряду наукоёмких проектов последнего времени. В то же время не сдаёт позиции «старая гвардия» специалистов. Этот сплав опыта и молодости, здоровых амбиций, энергии позволяет добиваться успехов. Воспитать молодые научные кадры и удержать их в университете непросто. Нужны не только моральные, но и материальные стимулы. ЮУрГУ эту задачу решает, работая по грантам, выигрывая конкурсы на проведение опытно-конструкторских работ. Для повышения квалификации молодых сотрудников очень важны и обучение за рубежом, участие в международных конференциях. В 2010 году правительство России утвердило постановление № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства». По этому постановлению в настоящее время ведутся работы как гражданской, так и оборонной тематики. В частности, сейчас группа учёных нашего университета трудится над созданием производства модельного ряда низкопольных трамвайных вагонов модульной конструкции. Проект предусматривает применение энерго- и ресурсосберегающих технологий. Ранее работа по этому направлению велась с Усть-Катавским вагоностроительным заводом, ныне – с ОАО «Уралтрансмаш» (входит в НПК «Уралвагонзавод»). В проекте используются конструкции из полимерных волокнистых материалов. В настоящее время научно-образовательные центры «Нанотехнологии», «Композитные материалы и конструкции» и «Экспериментальная механика», научным руководителем которых я являюсь, заняты как раз этой тематикой, а также той, о которой сказано выше. Работа по «трамвайному проекту» должна быть выполнена за три года. Мы также ведём работу по созданию защитных структур для плавающего бронеавтомобиля нового поколения в рамках гранта Российского научного фонда. Научная составляющая включается в доклады, статьи и диссертационные работы молодых исследователей. Это прекрасное сочетание личных научных и государственных интересов. Молодые учёные «остепеняются», могут заработать неплохие деньги, а государство получает решённые задачи и наукоёмкие изделия. По-моему, замечательный пример, как инженер может добиться успеха. А это очень важно – в последние годы наблюдался сильный перекос в предпочтениях абитуриентов: они выбирали экономические, юридические специальности, а в инженеры шли неохотно. Это тем более огорчает, что именно инженеры, конструкторы проектируют практически всё, что нас окружает: заводы и электростанции, здания и сооружения, автомобили и самолёты, телефоны и телевизоры... Порой возникает резонный вопрос: чем торговать, если ничего не производить? А сейчас санкции Запада заставляют работать активно, налаживать своё производство, утраченное в постсоветское время. Без научных разработок здесь не обойтись. Создание современных вещей очень сложно и включает большую интеллектуальную составляющую. Радует, что на заочном инженерно-экономическом факультете такого перекоса в сторону экономических специальностей нет. Мы чувствуем огромный интерес студентов к получению качественного инженерного образования. И это неслучайно: работа на современном производстве требует высокой квалификации. Хотелось бы, чтобы так было на всех факультетах технического профиля, чтобы абитуриенты проявляли значительный интерес к инженерным специальностям.

Считаю, что двухуровневая система подготовки «бакалавр – магистр» позволяет человеку выбрать траекторию обучения, которую, по мере изменения приоритетов, можно корректировать: получить базовое образование, а затем на его основе углублённо заниматься какой-либо определённой тематикой. Интерес школьников к техническим специальностям должен быть тем более высок, что хороших инженеров, в частности, в ракетно-космической отрасли, не хватает. А это не только высокая зарплата, но и престиж. Для привлечения молодых выпускников, на мой взгляд, требуются различные меры поддержки, в первую очередь со стороны государства: например, жильё для молодых специалистов, льготные кредиты.

Задачи дня – задачи будущего

Значение оборонной промышленности для безопасности страны не подлежит сомнению, поэтому нужны отличные инженеры – их нужно готовить для всех отраслей индустрии. Если не будет новых кадров, некому будет ковать щит Родины. Истина эта общеизвестна – но, к сожалению, её приходится повторять. Поэтому так велика роль качественного технического образования, которое, в частности, даёт специальность «Прикладная механика» на физическом факультете ЮУрГУ. Именно молодым кадрам уже сейчас и в будущем предстоит заниматься обеспечением безопасности страны, вопросами импортозамещения и решением многих других задач, которые ставит государство, диктует время.

Когда проектируется новое изделие, часто ставится условие: использовать только отечественные компоненты – но результат по характеристикам не должен уступать зарубежным аналогам. И мы решаем эти задачи. Например, упомянутые выше керамические элементы для бронежилетов, приходилось приобретать за рубежом. Технологии никто не продаёт – только готовые изделия. Это небезопасно для страны в целом: что будет, если прекратят поставки? Мой аспирант Олег Кудрявцев выиграл конкурс по программе УМНИК, разработал технологию производства сверхпрочной керамики с использованием нанокомпонентов. Другие мои аспиранты – Анастасия Игнатова, Александр Безмельницын, Александр Шакиров, Михаил Жихарев, Руслан Абдрахимов – проектируют оптимальные структуры для различных областей техники, применяя сверхлёгкие композитные и наноматериалы, эффективно используют современные экспериментальные и численные методы.

Приведу ещё один пример успешного решения задачи импортозамещения: завод «Уральские локомотивы» совместно с германской фирмой «Сименс» занимается производством скоростного поезда «Ласточка». Там широкое применение нашли композитные материалы и изделия, которые создаются челябинским предприятием «Полидор», где трудятся выпускники ЮУрГУ. Это базовое предприятие научно-образовательного центра «Композитные материалы и конструкции», исследовательская и лабораторная база которого находится в университете, а производственные мощности – на заводе «Полидор». Отмечу, что благодаря Центру управления проектами ЮУрГУ и его директору Александру Бежановичу Широкову нам обеспечен растущий поток заказов на расчётные и экспериментальные исследования, опытно-конструкторские работы. Уже сейчас нам не хватает конструкторов и расчётчиков!

Пользуясь возможностью, приглашаю студентов старших курсов аэрокосмического, механико-технологического, автотракторного, физического, энергетического, приборостроительного и других факультетов прийти в Центр управления проектами (аудитория 249 лабораторного корпуса), чтобы стать со временем членами нашего дружного творческого коллектива.

Уверен, сочетание грамотного менеджмента и творческих способностей студентов, молодых и опытных учёных и сотрудников ЮУрГУ – залог настоящих и будущих побед.

Важно, чтобы молодые люди сделали для себя выбор: качественное инженерное образование – это успех в жизни!