Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Ключевые аспекты и современные тенденции

Аэрокосмическая и оборонная промышленность (АКО) всегда находились на передовой технологических инноваций. От разработки радиолокационных систем во время Второй мировой войны до современных стелс-самолетов, эти отрасли непрерывно сдвигали границы технологий.

Одной из ключевых областей, в которые аэрокосмические и оборонные компании инвестируют, является микроэлектроника. Микроэлектроника играет ключевую роль в аэрокосмических и оборонных приложениях, где ограничения по размеру, весу и мощности имеют решающее значение.

Истребитель Lockheed Martin F-35A Lightning II - пример передовой техники аэрокосмической промышленности

Структура и ключевые направления аэрокосмической промышленности

Авиационная и ракетно-космическая промышленность (АРКП) является наукоемкой высокотехнологичной отраслью, требующей больших научно-технических разработок и больших капиталовложений. В структуре отрасли выделяют самолето- и вертолетостроение, ракетостроение, производство космических летательных аппаратов, производство двигателей, авиационное приборостроение и др. Полным набором подотраслей обладают лишь несколько экономически высокоразвитых стран.

Производство ракетно-космической техники (РКТ): ракет носителей и космических аппаратов, двигателей и двигательных установок, а также инфраструктуры обеспечения космической деятельности существенно отличается от производства других изделий машиностроения. Это объясняется тем, что продукция РКТ по своей конструкции является оригинальными и сложными изделиями, технологические процессы для изготовления деталей РКТ, процессы их сборки и испытаний часто не имеют аналогов. Все это требует наличия на предприятиях соответствующего трудового потенциала.

Перспективными для долгосрочного развития промышленности представляются авиалайнеры и космическая техника, достаточных для получения приемлемых прибылей. В мире существуют только три центра - Россия, США и ЕС, - имеющие научно-исследовательскую и экспериментальную базу, конструкторские бюро и промышленные предприятия, которые обеспечивают разработку и производство авиационной и космической техники в широком спектре потребностей мирового рынка.

Основные задачи ракетно-космической отрасли

• Разработка, производство, запуск, эксплуатация космических аппаратов различного назначения.
• Развитие космодромов.
• Инвестиции в космической отрасли.
• Регулирование деятельности организаций космической отрасли.
• Международное сотрудничество в области освоения космоса и запуска космических аппаратов.
• Использование результатов космической деятельности.

Только промышленно развитые страны способны производить все виды ее продукции. Для сравнения - средняя стоимость 1 кг автомобиля составляет 20 долл. США, в то время, как средняя стоимость 1 кг магистрального пассажирского самолета составляет 1000 долл.

Все производства АРКП - наукоемкие трудоемкие с высокой долей в составе персонала инженерно-технических работников и высококвалифицированных рабочих. Высокая наукоемкость производственного процесса обусловлена сложностью продукции, которая выпускается в небольших количествах (авиалайнеров в мире - около 1 тыс. ед. в год, вертолетов - 600-1000 ед.). А высокая степень капиталоемкости отрасли определяет высокую ее монополизацию.

Ракета Ariane 6 на стартовой площадке

Микроэлектроника в аэрокосмической и оборонной промышленности

Микроэлектроника играет ключевую роль в аэрокосмических и оборонных приложениях, где ограничения по размеру, весу и мощности имеют решающее значение. Одной из ключевых областей, в которые аэрокосмические и оборонные компании инвестируют в микроэлектронику, является разработка миниатюризированных датчиков и исполнительных механизмов. Эти устройства необходимы для сбора данных, мониторинга условий окружающей среды и управления различными системами на борту самолетов и космических аппаратов. Кроме того, интеграция микроэлектроники позволила достичь значительного прогресса в автономности и искусственном интеллекте (ИИ) в системах аэрокосмической отрасли и обороны.

Помимо прогресса в области аппаратного обеспечения, аэрокосмические и оборонные компании также используют микроэлектронику для усиления кибербезопасности и защиты данных. С увеличением связности современных самолетов и оборонных систем кибербезопасность стала приоритетом. Программное обеспечение также играет критическую роль в современных системах аэрокосмической отрасли и обороны, с микроэлектроникой, позволяющей разрабатывать сложные алгоритмы и вычислительные модели.

Значение микроэлектроники в аэрокосмической отрасли и обороне также имеет последствия для национальной безопасности и экономической конкурентоспособности. Кроме того, растущая коммерциализация космоса и распространение спутников создали новые возможности для аэрокосмических и оборонных компаний использовать микроэлектронику.

Интеграция микроэлектроники в системы аэрокосмической отрасли и обороны не лишена своих вызовов. Жесткие условия эксплуатации, с которыми сталкиваются в аэрокосмической отрасли и оборонных приложениях, такие как экстремальные температуры, радиация и вибрация, предъявляют значительные требования к надежности и долговечности микроэлектронных компонентов.

Вызовы и риски, связанные с микроэлектроникой

• Перебои в цепочке поставок: Стихийные бедствия, кибератаки и транспортные узкие места могут иметь далеко идущие последствия.
• Защита интеллектуальной собственности: Защита конфиденциальной информации и собственных разработок на протяжении всей цепочки поставок критически важна для защиты от подделок, кражи и несанкционированного воспроизведения.
• Контроль качества и надежность: Обеспечение качества и надежности компонентов на протяжении всей цепочки поставок существенно для предотвращения сбоев системы или неисправностей, которые могут поставить под угрозу критически важные операции.
• Соблюдение нормативных требований и экспортный контроль: Соблюдение законов об экспортном контроле, существенно для предотвращения несанкционированной передачи чувствительных технологий или компонентов.
• Кибербезопасность и защита данных: Уязвимости в программном обеспечении, коммуникационных сетях и встроенных системах могут быть использованы злоумышленниками для нарушения конфиденциальности, целостности или доступности критически важной информации или операций.
• Управление затратами: Миниатюризация и увеличение сложности в микроэлектронике могут привести к росту производственных затрат.
• Спрос на рынке и волатильность: Экономические колебания и изменения в оборонных бюджетах могут значительно повлиять на спрос на продукцию аэрокосмической и оборонной отрасли, включая те, которые включают микроэлектронику.
• Глобальная конкуренция: Аэрокосмическая и оборонная промышленность сталкивается с мощной глобальной конкуренцией, не только от традиционных соперников, но и от новых игроков в регионах, таких как Азия.
• Новые технологии: Компаниям также необходимо учитывать новые технологии, такие как искусственный интеллект, квантовые вычисления и передовые материалы, которые могут потенциально изменить роль и значение микроэлектроники в их продуктах.

Применение печатных плат в оборонной и аэрокосмической промышленности

Без качественных электронных компонентов невозможна реализация никаких проектов, связанных с космосом и оборонкой. Сегодня сложнейшей электроникой буквально напичканы не только космические станции, спутники, подводные лодки и самолеты, но даже танки и БМП, не говоря про высокоточные ракетные комплексы и прочие виды наступательного и сдерживающего вооружения. И в каждом из этих чудес современной техники "базой" являются именно платы.

В зависимости от методов производства, применяемых материалов подложки и других особенностей, изделия подразделяют на различные виды. И классификаций этих несколько. Если рассматривать количество слоев металлической фольги, выделяют следующие типы:

• Однослойные: Самый простой вариант. Они отличаются несложным процессом производства. Применяется в бытовых приборах, игрушках. При такой конструкции покрытие из фольги со всеми компонентами располагается на одной стороне платы.
• Двухслойные: Как понятно из названия, фольга с проводниками расположена с обеих сторон. Такой тип используется в бытовых приборах, измерительной технике и пр. Кроме того, двухслойные варианты применяются в более серьезной отрасли промышленности - военной.
• Многослойные: Самый сложный тип. При таком устройстве в плате размещается несколько слоев пластин. А фольгированное покрытие с проводниками имеется в каждом слое изоляции. Слои склеиваются между собой специальным способом. Их количество может достигать нескольких десятков. Многослойные платы применяются в космической и оборонной промышленности, так как обладают отличными эксплуатационными характеристиками. При этом их стоимость может достигать очень высоких отметок.

Гибкие платы могут быть использованы в различных климатических условиях, так как их можно изготовить водонепроницаемыми и противоударными. Лучшие характеристики предыдущих видов сочетает в себе гибко-жесткие платы. Однако они гораздо сложнее в изготовлении. При их производстве гибкую плату усиливают жесткой пластиной в нужном месте. Это дает более надежное электрическое соединение. Такая печатная плата долговечна и, вместе с тем, имеет малые габариты. Именно этот тип предпочтительно применять для критически важных отраслей.

Особенности производства плат для военной и космической промышленности

К платам, применяем в таких областях, как оборона, авиация и космическая промышленности, предъявляются гораздо более жесткие требования. Качественные печатные платы должны быть разработаны с чрезвычайно высокой точностью. Компоненты, применяемые в военных приборах и технике, изготавливают с использованием материалов, которые демонстрирую высокий уровень надежности. Они должны выдерживать колоссальный уровень токовой нагрузки.

Производство печатных плат для аэрокосмической отрасли

Авиационная промышленность: Составная часть АКО

Авиационная промышленность - это составная часть авиакосмической промышленности (вторая составляющая - ракетно-космическая промышленность) в которой осуществляются разработка, производство, испытания, ремонт и утилизация авиационной техники, продажа и послепродажное (гарантийное) обслуживание, а также расследования лётных происшествий.

Мировая авиационная промышленность развивается очень быстро. Это можно объяснить тем, что данная отрасль машиностроения очень важная для военно-промышленного комплекса страны.

Производственное оборудование авиационно-космической промышленности соответствует сложности ее продукции. В ней широко применяются и новейшие станки, и ручной труд искусных мастеров. Напротив, производству самолетов до сих пор присущи те же способы работы с листовым металлом, что применялись в самолетостроении 1930-х годов.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы предшествуют выпуску всех новых типов продукции авиационно-космической промышленности, кроме малых самолетов гражданской авиации (их производство часто заимствует результаты изысканий из других областей техники).

Авиационная промышленность формировалась первоначально как военная отрасль и лишь со временем стали производиться и гражданские самолеты (крупные пассажирские авиалайнеры и небольшие самолеты и вертолеты, необходимые для нужд народного хозяйства). В настоящее время самолеты и вертолеты делают более 20 стран мира, но лидируют в мировом авиастроении США.

Авиакосмическая промышленность США

Авиационная промышленность США (составляющая часть аэрокосмической и оборонной (индустрия A&D) промышленности) по уровню развития передовых технологий, масштабам и объёму производства, номенклатуре выпускаемой продукции и числу занятых в производстве занимает первое место в мире. Развитию американской авиационной промышленности в значительной степени способствуют масштабные государственные заказы.

В США официальная правительственная поддержка осуществляется путём бюджетного финансирования разработок новых технологий. По данным Института Бейкера (США), около 50% всех государственных субсидий приходится на авиакосмическую отрасль. В результате в этой отрасли около 70% общего объема затрат на НИОКР (около 20 млрд. долл.

Авиакосмическая промышленность США сосредоточена в основном в Южной Калифорнии, где военная промышленность в годы Второй мировой войны разрослась здесь до крупных размеров и сложилась в разветвлённый многоотраслевой комплекс. С 1985 года доля авиапрома США на мировом рынке продаж упала с 72 % до 56 %, главной причиной этого стала конкуренция европейского консорциума Airbus.

Ведущие фирмы США производят разную по назначению военную и гражданскую авиатехнику («Боинг» («Boeing») и «Макдоннел» («Me Donnell Douglas») - преимущественно авиалайнеры, «Локхид Мартин» («Lockheed Martin») и «Нортроп Грумман» («Northrop Grumman») - военную технику и т. д. Их роль в мировом авиастроении очень велика. На вооружении большинства стран НАТО в Западной Европе находится авиатехника США.

В авиакосмической промышленности США численность работающих в 3 раза больше, чем в странах Западной Европы. На эту страну приходится 54% продаж авиационной техники в мире.

Инфографика по аэрокосмической и оборонной промышленности

Ионно-вакуумные технологии в авиационно-космической промышленности

Технология ионной химико-термической обработки стальных поверхностей широко востребована в авиационно-космической промышленности. В конструкциях перспективной авиационно-космической техники военного и гражданского назначения используется множество изделий, работающих в критических условиях. Состояние поверхностного слоя материала, применяемого в деталях и сборочных единицах, представляет собой важный фактор, определяющий эксплуатационные характеристики изделия. Это вызвано тем, что разрушение конструкционного материала детали обычно начинается с её поверхности, а это приводит не только к потере необходимой прочности, но и к ухудшению условий нормальной работоспособности детали.

Упрочнение поверхностного слоя конструкционного материала позволяет решить многие важнейшие технические задачи, связанные не только с сохранением, но и кратным увеличением эксплуатационной надежности изделия.

Ионно-вакуумное азотирование - один из эффективных и распространенных технологических методов поверхностного упрочнения, повышающих сопротивление изнашиванию изделий, которые эксплуатируются при контактных, ударных и знакопеременных нагрузках. Данный способ обладает целым рядом преимуществ по сравнению с традиционным газовым азотированием: возможность регулирования параметров обработки в широком интервале режимов; высокую скорость насыщения; получение диффузионных слоев заданного фазового состава и строения; высокий класс чистоты поверхности; большую экономичность процесса.

Технологии ионно-вакуумного азотирования внедрены на многие предприятия авиационно-космической промышленности.

На сегодняшний день решена проблема небольшого эксплуатационного ресурса мелкомодульных деталей. В 2016 году сотрудниками компании «Ионные технологии» проведён конструкторско-технологический анализ возможности применения ионных покрытий для упрочнения мелкомодульных зубчатых передач. В ходе проведения совместных НИОКР были разработаны новые технологии упрочнения такого типа деталей, внесены изменения в конструкторскую документацию и разработаны новые требования к азотированному слою зубчатого зацепления.

Перспективы развития аэрокосмической промышленности: инновации и вызовы

Тенденции и перспективы

В условиях роста новой экономики основные факторы производства и базовые промышленные технологии становятся доступными для всех стран, интегрирующихся в глобальную экономику. Основой конкурентных преимуществ для национальных экономик и транснациональных корпораций становятся эффективная глобальная система менеджмента, удобство совершения транзакций, скорость и качество доставки материальной продукции.

Раньше основной функцией АКП было обеспечение национальной безопасности. О значимости отрасли для решения этой задачи свидетельствует тот факт, что в 1984 г. в структуре заказов Министерства обороны США доля АКП составила 37 %. Теперь АКП развивается, прежде всего, как средство коммуникаций, обеспечивающее материальную базу для информационных технологий новой экономики.

Сейчас АКП из «черной дыры» мировой экономики превратилась в технологическую базу экономического роста. В частности, это проявилось в изменении структуры заказов. В частности, в США с 1987 по 1996 г. в общем объеме продаж АКП доля заказов Министерства обороны сократилась с 56 до 34 %. В европейском АКП доля военных заказов в 1980-е гг. достигала 75 %, а уже в 1990-е гг. На сегодняшний день годовой доход мировой АКП составляет около 180 млрд долл. США. Это примерно 0,6 % мирового ВВП. Однако данная цифра не в полной мере демонстрирует значимость отрасли для мировой экономики.

Современная роль АКП в развитии новой экономики во многом совпадает с той, которую в середине XIX в. сыграли железные дороги и телеграф. Именно с помощью этих высоких технологий времен начала промышленной революции была значительно снижена стоимость и оперативность транспортных и информационных коммуникаций. Тем самым были интегрированы национальные рынки различных государств.

Для обеспечения конкурентоспособности национальной промышленности в США была проведена реструктуризация тех отраслей, которые стали частью глобальной экономики. Решение этой задачи потребовало от государственных органов коренного пересмотра трактовок антимонопольного законодательства и разрешения активного процесса слияний и поглощений. Так, по мнению председателя корпорации «Локхид Мартин» Н. Огестайна, высказанному по поводу слияния его компании с «Нортроп Грумман», «объединение крупных и здоровых в экономическом плане» фирм не вступает в противоречие с антимонопольным законодательством и не вызовет негативной реакции, в том числе в Европе.

В АКП ведущие фирмы тратят на НИОКР до 10 % своих доходов. А в секторах с мелкосерийным и единичным производством этот показатель оказывается намного выше. В результате реструктуризации в США осталось только две корпорации, обладающие полным профилем технологий АКП - «Боинг» и «Локхид Мартин».

Процесс старения персонала представляет собой серьезнейшую проблему, которая, как ожидается, будет осложнять перспективы американского космического ведомства NASA и в целом аэрокосмической промышленности США на ближайшие 5-10 лет. В своем выступлении перед группой представляющих промышленность экспертов бывший глава американского космического ведомства Ч. Болден обратился к ним с просьбой задуматься над тем, как управлению NASA решить проблему «седеющей рабочей силы».

Аэрокосмическая и оборонная промышленность являются, пожалуй, двумя самыми приоритетными для нашей страны направлениями. На этих направлениях каждая допущенная управленческая или производственная ошибка могут привести к самым негативным и непредсказуемым результатам. Процессы, протекающие в мировой экономике, в настоящее время заставляют оборонную и аэрокосмическую промышленность постоянно изменяться, подстраиваясь под государственные нужды.