|
|
Исследование начального периода создания и освоения конструкционных стеклопластиков для самолетостроения (1945-1955 гг.)
На протяжении длительного периода времени к авиационным конструкционным материалам предъявлялись главным образом требования, относящиеся к их механическим характеристикам и коррозионной стойкости. По отношению к древесным конструкционным материалам эти требования дополнялись требованиями по высокой стойкости к воздействию огня и атмосферной влаги. В основном в этих рамках и шло развитие авиационного материаловедения до середины 1940-х годов.
Дальнейшее развитие авиационной техники начиная со второй половины 1940-х годов поставило перед материаловедами новые масштабные задачи. Связаны они были со значительными качественными преобразованиями в облике и характеристиках новых самолетов. Среди факторов, оказавших наибольшее воздействие на развитие уже внедренных в практику самолетостроения, и на появление новых конструкционных материалов, следует отметить следующие: переход авиации на реактивную тягу, неуклонный рост скоростей самолетов (и, следовательно, постоянный рост нагрузок на планер) и широкое внедрение бортовых радиотехнических систем, особенно систем радиолокационных.
Каждый из этих факторов требовал постоянного внимания к подбору соответствующих конструкционных материалов, которые могли бы обеспечить переход авиации на новый качественный уровень развития Например, при переходе авиации на реактивную тягу в процессе разработки реактивных двигателей одним из важнейших вопросов был вопрос о подборе материала для изготовления лопаток турбин. Материал, предназначенный для этих целей помимо малого удельного веса, высокой прочности и жаропрочности должен еще обладать минимальной ползучестью и способностью длительно работать под воздействием вибрации, хорошо ее поглощать.
Рост скоростей самолетов, связанный с переходом на реактивную тягу, привел к появлению нового явления - нагреву отдельных участков поверхности планера в процессе его обтекания воздушным потоком. Особенно сильному нагреву подвергаются такие участки планера как носовой обтекатель, передние кромки крыльев, стабилизаторов, киля. Эта проблема поставила в повестку дня создание новых материалов, способных длительное время сохранять высокие механические характеристики при воздействии температуры. Без наличия таких материалов освоения новых диапазонов скоростей было бы невозможно.
И, наконец, огромное воздействие на дальнейшее развитие авиации и на появление специальных конструкционных материалов оказало широкое внедрение бортовой радиоэлектроники. Развитие приемопередающей радиотехники и, особенно, локаторной радиотехники потребовало для изготовления антенных обтекателей создания материала со специфическими радиотехническими свойствами. Задача создания такого материала осложнялась тем обстоятельством, что по условиям компоновки и обеспечения надлежащего функционирования локаторов на самолетах они должны были располагаться преимущественно в носовой (наиболее термонапряженной) зоне самолета.
Таким образом, к середине 1940-х годов в авиастроении возникла настоятельная необходимость в разработке нового класса конструкционных материалов, отвечающих возросшим требованиям. И такие материалы были созданы и внедрены в практику самолетостроения. Основой для данного класса материалов стали стекловолокна.
Еще в 1930-е годы во всем мире, и в СССР в том числе, был проведен большой комплекс исследований по изучению свойств стекловолокон и стеклотканей на их основе. Основанием для столь пристального внимания ученых к этим волокнам было огромное значение их теоретической прочности (в сравнении с другими волокнами). Об этом свидетельствуют данные, приведенные в таблице ниже[1, с.8]:
Однако необходимо иметь в виду, что в данной таблице приведено именно теоретическое значение механических свойств стекловолокон. Фактическая прочность этих волокон существенно ниже из-за наличия дефектов в них. На сегодня предел прочности (фактически достигнутый) для высокомодульных стекловолокон составляет 450-550 кГ/см2. В процессе текстильной переработки стекловолокон в стеклоткань их прочность еще более понижается, в силу чего большое значение имеет правильный выбор типа переплетения стеклоткани.
В результате проведенных научных исследований была установлена непосредственная связь между прочностью стекловолокна и наличием дефектов в нем, механизм снижения прочности стекловолокон при их текстильной переработке в ткани. При исследованиях был установлен характер взаимодействия между стеклотканью и связующим на границе раздела и разработаны специальные вещества (замасливатели) для повышения адгезии связующего к наполнителю. Весь этот комплекс научных исследований и создал основы для разработки конструкционных стеклопластиков.
Научные исследования показали также, что для обеспечения высоких механических свойств стекловолокон крайне важное значение имеет состав стекла, из которого они изготавливаются. Было установлено, что стеклоткани, изготовленные из стекла безщелочного состава (с содержанием щелочи менее 2%) по сравнению со стек-лотканями из высокощелочного стекла (с содержанием щелочи 16%), имеют более высокие характеристики по механическим свойствам и по стойкости к воздействию температуры и атмосферной влаги[2].
В Советском Союзе работы над стекловолокнами и стеклотканями на их основе начались в 1937году. Но разработанные в это время материалы не могли быть использованы для изготовления конструкционных стеклопластиков так как они вырабатывались из стекла высокощелочного состава и стеклоткани изготавливались исключительно гарнитурного типа переплетения, которое в наибольшей степени снижало прочностные свойства стекловолокон. В предвоенный период стеклоткани применялись лишь в качестве тепло-, электроизоляционных материалов.
Помимо создания в нашей стране неплохого задела по исследованиям стекловолокон и стеклотканей, был создан и производственный потенциал по изготовлению нового материала. Во Владимирской области в городе Гусь-Хрустальный работало специализированное предприятие, где перед Великой Отечественной войной было освоено промышленное производство стеклотканей.
В эти же годы начинаются большие работы по применению стеклотканей в авиационной промышленности. Проводились они во Всесоюзном научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ), но с началом военных действий в 1941 году они были свернуты и возобновились только после окончания войны. Однако, к середине 1940-х годов стеклоткани уже достаточно широко применялись в авиастроении. К этому времени были разработаны и внедрены следующие материалы на основе стеклотканей:
Необходимо иметь в виду, что все эти материалы изготавливались из стеклотканей гарнитурного типа переплетения, не отвечавших повышенным требованиям для создания высокопрочных конструкционный стеклопластиков[3].
Кроме наличия достаточно развитой производственной и научной базы в области стеклотканей, еще одним фактором, способствовавшим быстрому внедрению нового прогрессивного материала в авиастроение стало то, что к середине 1940-х годов в советской авиапромышленности был накоплен большой положительный опыт разработки и применения слоистых конструкционных материалов, аналогичных по структуре стеклопластикам. Ранее в ВИАМ-е были разработаны и широко применялись тестолит и асботекстолит, а в качестве конструкционных материалов бакелитовая фанера (для изготовления силовых обшивок) и древесные слоистые пластики (для изготовления силовых деталей планера самолета)[4, 5]. При этом крайне важно отметить, что к работам по созданию конструкционного стеклотекстолита приступил в начале 1946 года при непосредственном участии и под руководством Я.Д. Аврасина коллектив той же лаборатории ВИАМ, который ранее разрабатывал данные конструкционные слоистые материалы. Это обеспечило преемственность в работе и быстрое ведение всех исследований.
Подводя итоги сказанному, можно отметить, что к концу 1940-х годов ни сами стеклоткани, ни слоистые конструкционные материалы в нашей авиапромышленности не были новинками. На базе этого накопленного опыта и начались в ВИАМ-е работы по созданию конструкционных стеклопластиков.
В ходе работ по созданию этого материала помимо решения традиционных вопросов обеспечения высокой механической прочности и теплостойкости необходимо было обеспечить и его определенные радиотехнические характеристики (так называемую "радиопрозрачность" Это была принципиально новая задача. Необходимо было обосновать выбор таких радиотехнических свойств стеклопластиков, которые в максимальной степени обеспечивали прохождение радиоволн. Исследования, проведенные в институте, показали, что в качестве критериев "радиопрозрачности" могут быть использованы такие параметры как диэлектрическая проницаемость материала и тангенс угла диэлектрических потерь. Данные параметры должны были иметь не только минимальное значение, но и быть стабильными во всем эксплуатационном диапазоне воздействия температуры и влажности.
Как уже отмечалось, впервые работы по созданию конструкционных стеклопластиков были внесены в план института в 1946 году и проводились в лаборатории № 10. Первым итогом исследований было создание специального стеклопластика для агрегатов топливных систем реактивных двигателей[6]. В это же время был создан лис-товой стеклотекстолит КАСТ-В (а затем КАСТ-ВС) на фенолформальдегидном связующем, которые используются и по настоящее время. При создании этого материала была использована смола марки ВФ-1 (ВИАМ-фенольная № I), синтезированная в институте еще в середине 1930-х годов Я.Д. Аврасиным и использовавшаяся до этого времени для производства бакелитовой фанеры и древесных пластиков. Промышленное изготовление стеклотекстолита типа КАСТ началось в 1949 году на заводе "Карболит" в подмосковном городе Орехово-Зуево[7].
В первой половине 1950—х годов в ВИАМ—е были разработаны стеклотекстолита радиотехнического назначения ФН (на фурфурольном связующем), ВФТ (на модифицированной фенол-формальдегидной смоле) и семейство стеклотекстолитов типов 39-ЭБС и СТ-911 (на полиэфиракрилатном связующем, которые успешно применяются в авиастроении до настоящего времени. Основой для успешного синтеза полиэфиракрилатного связующего послужили работы, проведенные в ВИАМ-е А.А. Берлиным и его сотрудниками по синтезу химических продуктов ТГМ-9, МГФ-9 и 1МГФ-П[8]. Наполнителями для этих стеклопластиков служили стеклоткани марок АСТТ(б) и АСТТ(б)-С2 изготовленные из стекловолокон низкощелочного состава и имевших, соответственно, гарнитурное и сатиновое типы переплетения.
Сравнительные характеристики данных стеклотекстолитов приведены в таблице ниже (для стеклотекстолитов на тканях сатинового типа переплетения)[9, 10, 11]:
Таким образом, в СССР был создан новый класс конструкционных материалов для авиастроения, отвечающих возросшим требованиям развития техники.
Помимо успешного решения задачи создания перспективного материала со специальными радиотехническими свойствами о выходе на новый, более высокий уровень прочностных характеристик свидетельствует сравнений удельных механических характеристик стеклотестолитов и ранее разработанных и внедренных конструкционных материалов, приведенное в Таблице № 3[12, с.6, 7]:
Из данных таблицы наглядно видно, что по удельным характеристикам радиотехнический конструкционный стеклотекстолит вполне конкурентоспособен в сравнении с традиционными металлическими конструкционными материалами.
Но при сопоставлении прочностных параметров металлических материалов и стеклотекстолитов необходимо иметь в виду не только специфические радиотехнические свойства последних, но и их высокие технологические качества. Разработанные в ВИАМ-е методы получения деталей и агрегатов планера самолета (прессование, автоклавное формование и т.д.) сделали возможным изготовление качественных крупногабаритных деталей с поверхностями двойной кривизны, что практически невозможно при использовании традиционных металлических материалов[13]. Важным результатом исследований в области технологии стало также создание трехслойных конструкций с сотовым заполнителем, состоящих из стеклопластиковых обшивок и сотового тканевого заполнителя[14].
Вопрос о первых практических применениях нового материала в конструкциях самолетов не прост. В соответствующей историко-технической литературе, посвященной самолетостроению вопрос о применяемых конструкционных материалах обычно рассматривается в общем плане. Работ, посвященных специально истории авиационных радиосистем (откуда можно было бы почерпнуть сведения о разработкахспециальных материалов) практически нет.
Можно отметить следующие первые конструкции советских самолетов, в которых применялись радиотехнические конструкционные стеклопластики: МИГ-17, МИГ-17СП (проходили испытания в 1950-1951гг.); самолет И-320Р (закончен постройкой в конце 1949г.) самолет ЯК-50 (проходил летные испытания с 15.07.1949г. по 30.05.1950г.); самолет ЛА-200 (построен в 1949г., первый полет совершил 9 сентября 1949г.); самолет ЛА-200Б (проходил испытания с 3 по 9 июля 1952г.)[15].
Я.Д. Аврасин, В.В. Спиридонов Литература и источники
|