|
|
Cоздание и освоение в СССР бакелитовой фанеры для авиастроения в 1930-1939 гг
В настоящее время одной из основных тенденций в мировом авиастроении является все более широкое использование слоистых пластиков в качестве конструкционного материала. Однако вопрос о начале их применения в историко-технической литературе практически не освещен. Ни в СССР, ни в других странах нет специальных исследований, посвященных данной теме.
В настоящей работе предпринимается попытка изучить начало процесса создания авиационной фанеры с использованием синтетических смол.
К началу 1930-х годов древесина оставалась одним из основных материалов в мировом авиастроении. Несмотря на освоение в производстве и широкое внедрение в практику строительства самолетов ряда эффективных металлических материалов, в изготовлении многих деталей и агрегатов планеров самолетов (особенно на легких и средних машинах) по-прежнему широко применялись древесные материалы. Это объясняется такими факторами как их малый удельный вес, наличие больших сырьевых ресурсов, значительные технологические возможности при обработке этих материалов. Кроме того, необходимо иметь в виду, что при характерных для исследуемого периода нагрузках на. элементы планера древесные материалы в значительной степени удовлетворяли требованиям конструкторов.
Наряду с положительными сторонами древесины как конструкционного материала для самолетостроения необходимо отметить и ее недостатки. К ним относятся: недостаточная стойкость к поражению грибком, горючесть. Существенным недостатком являлась и низкая водоупорность деревянных деталей и агрегатов.
По данным Всесоюзного научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) средняя влажность деревянных деталей и агрегатов самолетов в процессе эксплуатации составляла 15% вместо 5% по нормам[1, с.42]. Это приводило к ряду негативных последствий - повышению веса самолета, короблению агрегатов (и, как следствие, к ухудшению аэродинамических характеристик), снижению прочности и ресурса деталей и агрегатов.
Одной из основных причин отрицательного влияния влаги на деревянные детали и агрегаты являлось то, что к началу 1930-х годов для склеивания пользовались клеями исключительно белкового происхождения (желатиновыми, казеиновыми, альбуминовыми и их комбинациями).
В силу этих причин основное внимание материаловедов в работе по совершенствованию древесных авиационных материалов было сосредоточено на решении следующих вопросов:
К началу исследуемого периода советской авиационной промышленностью был выполнен ряд работ по этим направлениям. Были созданы эффективные антипирены и антисептики. Особенно значительная работа была проведена по клеящим веществам. В 1925 г. при Отделе испытаний авиационных материалов и конструкций ЦАГИ под руководством Н.Ф. Бочарова была создана единственная в то время в СССР группа по животным клеям[2]. Этой группой в 1925-1928 гг. были проведены широкие исследования по желатиновым, казеиновым и альбуминовым клеям, составлены и утверждены отраслевые стандарты на их компоненты, рецептуры их изготовления и методики по проведению испытаний клеевых соединений[3,4]. Все эти работы позволили вывести советскую авиационную технику на передовые рубежи.
В первой половине 1930-х годов в связи с прогрессом авиации клеи органического происхождения уже перестали удовлетворять возросшим требованиям. Так, например, если в первой половине 1920-х годов удельная нагрузка на крыло самолета -составляла 30-45 кг/см , то .к середине 1930-х годов этот параметр для легких и средних самолетов возрос до 70-90 кг/см[2] [5, с.336,337,428, 429], что потребовало применения материалов с повышенными механическими характеристиками. Полностью не была снята и проблема защиты деревянных деталей и агрегатов самолетов от воздействия влаги. Окраска самолетов не решала этой важной проблемы полностью и вела к росту веса конструкции. Оставалась недостаточной и водоупорность авиафанеры.
Согласно Техническим условиям (ТУ) на авиафанеру 1928г. водоупорность ее определялась как отношение удельного напряжение на сдвиг между отдельными слоями фанеры по клеевому слою в сухом состоянии и после 1 часа кипячения в воде[6]. По этим ТУ данный параметр должен был составлять не менее 46-47%. Таким образом, при использовании фанеры на белковых клеях конструкторам необходимо было считаться с существенным падением прочности материала под воздействием влаги.
Клеи были не только недостаточно высокого качества, но и вырабатывались они в недостаточном объеме. Об остроте этого вопроса свидетельствуют материалы 1-й Всесоюзной конференции по клеям, организованной Народным Комиссариатом лесной промышленности в Москве в июле 1933 г.[7]. По приводившимся на конференции данным заявки на клеи для фанерной промышленности удовлетворялись не более чем на 50-60%, что сдерживало развитие производства. Слабо были развернуты работы по поиску эффективных заменителей, не получала должного развития сырьевая база.
В этих условиях в организациях авиационной промышленности начались работы по поиску новых клеящих веществ с улучшенными свойствами. В ВИАМе совместно с Институтом сои, расположенном в Краснодарском крае, был разработан клей на основе казеина сои и клещевины. Не уступая по прочности склейки клею на основе молочного казеина, он, однако, не решал проблему водоупорности[8]. По этой причине заменитель не нашел применения в авиапромышленности. Велись в ВИАМе работы и по использованию в качестве клеящих веществ естественных смол (в частности, канифоли), но к успеху и эти работы не привели[9].
Мировой опыт свидетельствовал, что решить проблему изготовления водоупорной и стойкой к поражению грибком авиафанеры при использовании клеев органического происхождения невозможно. Необходимы были новые, нетрадиционные подходы.
С конца 1920-х годов в США и Германии начались работы по использованию в качестве клеящих веществ искусственных смол. Особенно интенсивно проводились эксперименты с фенол-формальдегидными, крезол-формальдегидными и мочевино-формальдегидными смолами.
Научные основы синтеза и использования фенол-йюрмальдегид- ных смол были заложены в 1909-1910 гг. Л. Бакеландом[10, с. 108- 109]. Он установил, что при нагревании данного класса смол они последовательно проходят состояния, названные им А (Резол), В (Резитол) и С (Резит). Последнее состояние - твердое и термостойкое. По имени исследователя класс этих смол был назван бакелитовыми.
Впервые бакелитовая клеящая пленка на бумажной основе начала выпускаться в промышленных масштабах в Эссене (Германия) фирмой "Гольдшмидт" под маркой "Тего-лейм-фильм". Начало ее выпуска относится к 1930 г. В 1938 г. в США (позже, чем в СССР) началось производство пленки под маркой "Глюфильм". Фанера, склеенная бакелитовой пленкой, впервые в авиастроении начала применяться с начала 1930-х годов на самолетах, выпускавшихся фирмами "Хейнкель" и "Мессершмидт"[11, с.11].
К началу 1930-х годов бакелитовая смола выпускалась исключительно на предприятиях электропромышленности (в частности на Московском заводе "Изолит") и применялась как изолятор-наполнитель в электрооборудовании и для склеивания гетинакса и текстолита.
В нашей стране работы по использованию бакелитовых смол в качестве клеящего вещества для авиафанеры начались в 1930 г. с испытаний импортной германской пленки. Параллельно они велись в ВИАМе, Центральной лаборатории Фанеротреста и в Западном научно-исследовательском институте лесного хозяйства и лесной промышленности в Ленинграде[12]. Опыты показали большую перспективность нового вещества, его явное превосходство над традиционными клеями. Но при этом стоимость бакелитовой фанеры оказалась очень высокой. Из-за этого обстоятельства работы по бакелитовой пленке в дальнейшем проводились только в ВИАМе в интересах авиапромышленности.
В процессе создания советской бакелитовой пленки сотрудникам ВИАМ совместно с другими организациями пришлось решать целый ряд. сложных технических проблем. Укажем на основные из них, от которых зависело создание нового материала:
1. Синтез специальной быстрополимеризующейся фенол-формаль- дегидной смолы. Опыты, проведенные в 1931-1933 гг. со смолами, серийно изготавливавшимися заводом "Изолит" показали, что они не могут быть использованы в качестве- клеящей основы для пленки. В начале 1934 г. под руководством сотрудника ВИАМ Я.Д. Аврасина была синтезирована смола ВФ-1 (ВИАМ-фенольная № I) с необходимыми свойствами. Эта смола и стала основой для выпуска бакелитовых пленок. В дальнейшем именно она стала использоваться для изготовления советских древесных пластиков.
2. Создание специальной бумаги - основы для пленки. Это была не менее сложная проблема. В СССР не производилась достаточно тонкая, легкая и прочная бумага с хорошей впитывающей способностью. О том, что это была одна из важнейших проблем,говорит такой факт: в процессе опытных запрессовок фанеры на германской пленке "Тего-лейм-фильм" в 1933 г. получалась прочность склейки порядка 30-40 кг/см2. При полузаводских испытаниях первых образцов отечественной пленки в 1933 г. этот параметр был не более 21-23 кг/см2, что объяснялось использованием значительно худшей бумаги-основы[13, с.22].
В 1934 г. ВИАМ сформулировал технические условия на бумагу - основу для бакелитовой пленки[21]. Первоначально работы по ее освоению проводились на бумажной фабрике "Коммунар" под Ленинградом. К началу 1940 г. на этом предприятии было налажено ее массовое производство[22]. В 1940 г. изготовление бумаги было перенесено на Марийский целлюлозно-бумажный комбинат (город Волжск), построенный специально для изготовления технических сортов бумаги. В 1941-1942 гг. комбинат производил уже до 300 тонн бумаги в год, полностью удовлетворяя потребности в ней[14].
3. Разработка технологического процесса производства бакелитовой фанеры. Работы в этом направлении начались летом 1933 г. изготовлением первых опытных партий фанеры на Старо-Русском фанерном комбинате[15, с, 19].
В декабре 1939 г. на основании обобщения опыта работы ВИАМ и предприятий, освоивших выпуск нового материала, Центральная лаборатория Фанеротреста утвердила окончательный технологический регламент на изготовление бакелитовой фанеры[16].
Таким образом, в течение 1930-1939 гг. был создан и освоен в производстве новый клеящий материал для авиафанеры - бакелитовая пленка на основе фенол-формальдегидной смолы. Тем самым была решена проблема получения высокопрочной, огнеупорной и водостойкой фанеры.
Представление о росте качественных характеристик авиафанеры при использовании бакелитовой пленки дает таблица ниже (для 3-х миллиметровой березовой фанеры)[6; 17; 18].
Из анализа таблицы видно, что рост качественных показателей при переходе на склейку авиафанеры бакелитовой пленкой составил по механической прочности - 8%, по водоупорности - 95%.
Очевидные преимущества бакелитовой авиафанеры перед традиционной привлекли к ней пристальное внимание конструкторов. В СССР в самолетостроении в качестве конструкционного материала бакелитовая фанера впервые была применена в 1935 г. в процессе строительства самолетов Р-5 в варианте "ССС" (иногда этот самолет назывался ЗС). Самолет Р-5, запущенный в серийное производство в 1928 г., к середине 1930-х годов стал отставать от требований ВВС и подвергся значительной модернизации (установка дополнительных зализов и обтекателей, усиление вооружения...) [5, с.482]. Одним из мероприятий по совершенствованию машины и было применение бакелитовой авиафанеры. Всего было построено 5 самолетов с применением нового материала. После года эксплуатации в сложных метеорологических условиях в районе Ленинграда был проведен их осмотр, который не выявил повреждений, короблений или повышенной влажности деревянных деталей и агрегатов. В конце 1937 г. было построено 10 самолетов типа МБР-2 для проверки качества бакелитовой авиафанеры в условиях эксплуатации на море. Испытания также дали положительный результат[22].
Первым советским самолетом, который был специально спроектирован с учетом использования в конструкции планера бакелитовой фанеры, был почтово-пассажирский самолет "Сталь-11" конструкции А.И. Путилова. Соотношение материалов на данной машине было следующее[19]: нержавеющая сталь - 40%; бакелитовая фанера - 30%; прочие стали - 10%; прочие материалы - 20%.
Отличительной особенностью данного самолета было то, что на нем была применена также бакелизованная фанера (то есть авиафанера, дополнительно оклеенная с наружной стороны бакелитовой пленкой). Сочетание бакелитовой фанеры и нержавеющей стали позволило создать очень прочную и жесткую конструкцию. Первые летные испытания самолета состоялись осенью 1936 г.[5, с.534].
Высокие эксплуатационные свойства нового материала и большой интерес, проявленный к нему конструкторами, поставили в повестку дня его широкое производство. Еще в феврале 1936 г. было принято специальное решение по производству бакелитовой фанеры, после чего ее производство стало стремительно расти. При непосредственном участии представителей ВИАМ Я.Д. Аврасина и К.П.Горского оно было освоено на Старо-Русском, Мантуровском, Парфинском, Усть-Ижорском фанерных заводах, Черниковском и Муромском фанерных комбинатах. Были подключены и более мелкие производители.
В таблице ниже показана динамика производства бакелитовой авиафанеры, для сравнения приведено производство обычной фанеры высшего качества[20]:
Архивные материалы, хранящиеся в Центральном государственном архиве народного хозяйства СССР (ЦГАНХ), позволяют сделать вывод, что в исследуемый период производство бакелитовой авиафанеры было наиболее динамичной отраслью нашей лесной промышленности.
Накопленный опыт и создание производственного потенциала при освоении бакелитовой пленки и авиафанеры на ее основе позволил советской авиационной промышленности на рубеже 1930-1940-х годов в короткие сроки создать и внедрить в практику авиастроения еще более эффективный материал - слоистый древесный пластик "дельта-древесина".
В период Великой Отечественной войны, когда были временно потеряны производственные мощности по выпуску цветных металлов и сплавов для авиации, возможность производить в массовом порядке высококачественные древесные конструкционные материалы сыграла исключительную роль в обеспечении выпуска боевой техники.
ВЫВОДЫ
В.В. Спиридонов Литература и источники
|