На суше, под водой и в космосе

 

С того момента когда первые топливные элементы вышли из стен исследовательских лабораторий и получили практическое применение, не прошло и десяти лет. Тем не менее за это время созданы такие образцы, которые довольно успешно конкурируют с другими источниками электроэнергии. Так, в армиях США и ряда других стран НАТО они используются для электропитания радиотехнических средств связи, электронных систем управления и наблюдения, средств инфракрасной техники, самодвижущихся орудий. Топливные элементы служат бортовыми источниками электропитания космических летательных аппаратов и некоторых боевых и специальных машин.

Основное внимание американские военные энергетики уделяют низкотемпературным водородо-воздушным топливным элементам. На рис. 13 показан переносный электрохимический агрегат такого типа мощностью 200 ватт. Горючим для него служит водород, получаемый из бор-гидрида натрия, а окислителем — воздух. Общий вес агрегата не превышает 11 килограммов. В печати отмечалось, что агрегат прост в обслуживании, так как почти не имеет вращающихся частей, бесшумен, компактен. Его используют в сухопутных войсках для электропитания аппаратуры и зарядки аккумуляторов.

 

 

^{Рис. 13. Переносный электрохимический агрегат мощностью 200 ватт}

 

Возможности водородо-кислородных элементов, отмечают специалисты, тесно связаны с источниками получения водорода. В связи с этим уделяется большое внимание разработке устройств, которые обеспечат получение водорода из распространенных топлив: гидразина, керосина, метана и других.

Разработанный фирмой «Шелл» электрохимический агрегат имеет мощность 5 киловатт и с запасом топлива на 12 часов непрерывной работы весит около 700 килограммов. Топливом для него служит метиловый спирт, из которого в специальном устройстве образуется водород, поступающий после очистки и охлаждения в батарею из топливных элементов. В качестве окислителя используется воздух.

Другой электрохимический агрегат такой же мощности разработан по заказу инженерного корпуса армии США. В его состав кроме топливных элементов входят водородный генератор и преобразователь постоянного тока напряжением 28 вольт в переменный ток 120 вольт. Вес агрегата 505 килограммов. Исходным топливом принят гидразин, а окислителем — воздух. Чистый водород получается из гидразина в водородном генераторе производительностью 4 куб. метра в час. Кислород добывается прямо из атмосферного воздуха, который сжимается, очищается от азота и углекислого газа и подается в топливные элементы. На базе этого агрегата создан опытный образец войскового электроподъемника, энергетическая установка которого состоит из восьми блоков по 5 киловатт каждый.

В печати сообщалось об исследованиях, связанных с созданием биохимического топливного элемента. Здесь в качестве исходного продукта для горючего могут применяться соки кокосового ореха, сахарного тростника, бананов, фруктов и даже обычных листьев и травы. С помощью биологического катализатора — особых бактерий— соки превращаются в муравьиную кислоту, которая используется как топливо. Такой элемент предназначен для использования в джунглях, вдалеке от баз снабжения. Указывалось, что он может работать в течение более 1000 часов, вырабатывая мощность до 380 ватт на килограмм веса.

В свое время в печати сообщалось, что американские специалисты предпринимали попытки использовать топливные элементы для энергоснабжения космических аппаратов. Так, космические корабли «Джемини» были оснащены водородо-кислородными элементами весом 65,7 килограмма. Их максимальная мощность достигала 2 киловатт. Известно, что в полете «Джемини-5» топливные элементы, однако, не полностью себя оправдали из-за неполадок и отказов вспомогательного оборудования.

Серия электрохимических агрегатов номинальной мощностью от 20 до 2500 ватт разработана во Франции. Топливные элементы этих агрегатов, указывалось в печати, по своим характеристикам несколько уступают американским. Например, вес агрегата мощностью 2500 ватт 500 килограмм, в то время как такой вес имеет американский агрегат мощностью 5000 ватт.

Зарубежные специалисты отмечают, что разработка и совершенствование электрохимических агрегатов сопряжены с весьма значительными технологическими и конструктивными трудностями. Они пока не дают возможности создать агрегаты достаточно большой мощности, пригодные, скажем, для замены двигателей внутреннего сгорания в автомобилях. Тем не менее работы в этом направлении интенсивно ведутся в разных странах.

Еще сложнее построить энергетическую установку на топливных элементах для подводного корабля. Полагают, что мощность такой установки должна составлять не менее 1000 киловатт. Для сравнения укажем, что автомобилю грузоподъемностью около 1 тонны необходим электрохимический агрегат мощностью хотя бы 20 киловатт, то есть в 50 раз меньше. Сообщалось, что за разработку водородо-кислородных элементов специально для подводной лодки взялась шведская фирма ASEA. В качестве топлива выбран аммиак, окислителем служит жидкий кислород. Батарея из 200 отдельных блоков топливных элементов мощностью 1 киловатт каждый позволит, по мнению конструкторов, обеспечить подводное плавание корабля в течение месяца.

 

«Барьеры» применимости

 

Несмотря на свои заманчивые качества, топливные элементы все же не вышли пока еще из «младенческого возраста», их применение ограничено. Какие же «барьеры» мешают широкому использованию топливных элементов, успешной конкуренции с источниками электроэнергии других типов?

Конечно, как и всякое техническое средство, топливные элементы кроме достоинств имеют и недостатки, снижающие их «конкурентоспособность». К недостаткам топливных элементов относят, к примеру, то, что они вырабатывают лишь постоянный ток. Там, где требуется ток переменный, необходимо дополнительно иметь преобразователи постоянного тока в переменный. У топливных элементов напряжение зависит от величины потребляемого тока. Практически оно может падать до половины номинального. А это требует применения специальных устройств регулирования, дополнительных переключающих аппаратов. Наконец, для изготовления электродов топливных элементов требуются дорогостоящие и дефицитные материалы, такие, как платина, золото, палладий, серебро, используемые в качестве катализаторов химических реакций.

В области топливных элементов, отмечалось в печати, существуют и сложные, не решенные еще научные и инженерно-технические проблемы. В частности, указывают на так называемую проблему поляризации — изменения электрических потенциалов на электродах под влиянием прохождения постоянного тока, который вызывает изменения концентрации электролита, химического состава и поверхности электродов. Решение этой проблемы в конечном итоге сводится к получению высоких коэффициентов полезного действия, но до конца все факторы, определяющие поляризацию, еще не изучены.

С проблемой поляризации непосредственно связывают проблему электродов. Дело в том, что для того, чтобы быстро протекали электрохимические реакции, электроды, с одной стороны, должны обладать большой активностью и электропроводностью, а с другой — быть инертными по отношению к электролиту, топливу, окислителю и продуктам реакции. Помимо этого электроды должны сохранять свои физико-химические свойства, коррозионную и механическую стойкость в течение всего срока службы элемента, исчисляемого тысячами часов. Эти противоречивые требования пока еще весьма трудно выполнить.

Не менее сложной и трудной проблемой считают зарубежные специалисты подбор дешевых и распространенных видов топлива. Сейчас используют сравнительно дорогие виды топлива — чистый водород, гидразин, метанол, аммиак. Они-то в известной мере и сдерживают широкое применение топливных элементов.

И все же специалисты оптимистично смотрят на будущее топливных элементов, считают, что они определенно займут прочное место в малой энергетике. Ожидают, что в ближайшие годы единичная мощность электрохимических агрегатов будет интенсивно возрастать и к 1980 году может составить 1000 киловатт при эффективном КПД до 60 процентов, а стоимость одного киловатта мощности будет в два и более раз меньше, чем на электромашинных агрегатах.

Подобные прогнозы основаны на том, что электрохимия превращается в одну из важнейших отраслей химической науки. Ее последующие достижения действительно могут оказать большое влияние на развитие современной техники, а значит, и военного дела.

 

РАКЕТЫ И КОРРОЗИЯ

 

 

_{Инженер-полковник В. МАЛИКОВ, профессор, доктор технических наук}

 

Каждый видел металл, покрытый ржавчиной. Но не все знают, что ржавление и другие виды коррозии уничтожают более 10 процентов металла, производимого в мире за год. Это больше годового производства металла в Швеции, Финляндии, Италии и Бельгии, вместе взятых. Борьба с коррозией стала серьезнейшей проблемой современной науки и техники. Существует она и в военном деле. Ведь коррозия ведет не только к потерям металла. Даже незначительные коррозионные повреждения деталей механизмов, узлов, агрегатов способны снизить точность и надежность их действия, а значит, и боеготовность техники. Вот почему издавна во всех армиях затрачивают огромные усилия на осмотр, чистку, смазку и окраску техники, оружия. О максимально возможном предупреждении коррозии пекутся конструкторы, создавая танки, орудия, боевые корабли.

Борьба с коррозией не миновала и ракетную технику. На первых порах, когда ракетное оружие было еще молодым, для борьбы с коррозией зарубежные специалисты привлекали лишь методы, общепринятые в технике, — использовали материалы, устойчивые к коррозии, окраску, смазку деталей и узлов. Однако скоро выяснилось, что этого недостаточно, нужны мероприятия, учитывающие специфику эксплуатации и боевого использования ракет. Ведь для ракеты, как изделия тонкостенного, чаще всего металлического, коррозия особенно опасна. И, как отмечалось в печати, в наибольшей степени это касается ракет, содержащихся в шахтах в состоянии готовности к пуску. По образному выражению одного из зарубежных специалистов, эффект воздействия коррозии на ракету вполне сравним с прямым попаданием снаряда.

 

Ракета и ее враги

 

В шахты — многометровые углубления в грунте — помещают, как известно, баллистические ракеты стратегического назначения. Это обеспечивает скрытность их позиций. Ракета в шахте в меньшей степени подвержена действию поражающих факторов ядерного взрыва и обычных снарядов, бомб. Наконец, шахты защищают ракеты и от ветра, солнца, атмосферных осадков, резких колебаний температуры. Но пути коррозии при этом еще не закрыты. Исследования, проведенные американскими специалистами, показали, что мощным источником ее служит высокая влажность воздуха в шахте.

Процесс разъедания металла под действием влажного воздуха в химии и технике именуют атмосферной коррозией. Степень ее может быть разной — от возникновения пленки окисла на поверхности металла, когда влажность воздуха невелика, и до серьезных повреждений под сплошной пленкой конденсата влаги.

Если в конденсате растворяются агрессивные вещества, которые образуются при разложении лакокрасочных покрытий, смазочных материалов, старении резины, то атмосферная коррозия переходит в химическую, более интенсивную. В журнале «Милитэри инжениринг» отмечалось, что возможные проливы, даже микроскопические утечки и испарения компонентов ракетного топлива, при соответствующих условиях температуры и влажности в шахте также способны вызывать серьезные коррозионные разрушения металлических конструкций, электронных и электрических систем ракеты.

Коррозионные процессы всех видов значительно ускоряются под действием так называемых блуждающих токов, возникающих в железобетонных сооружениях и грунтовых породах. Возникают они в однопроводных кабельных линиях, когда электрические установки постоянного тока заземлены, а также при электросварочных работах. Радиус действия блуждающих токов иногда доходит до нескольких километров, а величина их может достигать 20 и более ампер.

Блуждающие токи, отмечалось в печати, существенно влияют на коррозию арматуры железобетонной конструкции шахты. Поврежденная коррозией арматура теряет прочность, и в бетоне возникают растяжения, которые вызывают его разрушение — в шахтном стволе, на оголовке появляются трещины. По мнению зарубежных специалистов, коррозия, вызываемая блуждающими токами, опасна вдвойне, потому что она нарушает гидроизоляцию шахты, например за счет коррозии сварных швов, а это ведет к росту влажности воздуха и, следовательно, к более интенсивной атмосферной и химической коррозии.

В журнале «Хитинг, пайпинг энд эйр кондишенинг» сообщалось, например, что при хранении заправленных топливом американских ракет «Титан-2» наблюдались случаи протекания ракетного окислителя — четырехокиси азота — через микроскопические отверстия в сварных швах и механических соединениях баков. Четырехокись азота вступала в химическую реакцию с влагой окружающего воздуха, и образовывалась жидкая азотная кислота. Капли кислоты постепенно увеличивались, кислота химически взаимодействовала с металлом бака, и ракеты выходили из строя, так как в баках появлялась течь.

Вначале для борьбы с подобной коррозией специалисты пытались усилить герметизацию сварных швов и соединений баков — на них наносили слой эпоксидных смол, создавали другие химические покрытия. Течь окислителя снизилась, но коррозия полностью не прекратилась. Положительные результаты были достигнуты лишь после того, как в ракетных шахтах установили специально разработанные системы для осушки воздуха.

 

Два пути

 

В настоящее время борьба с коррозией ракет считается за рубежом одним из важнейших вопросов повышения эффективности стратегического ракетного оружия. В связи с этим империалистические военные круги, делающие в своих агрессивных планах крупную ставку на стратегические ракеты, вынуждены привлекать к решению «коррозионных» проблем ученых и специалистов различного профиля. На основе выполненных ими исследований и опыта эксплуатации ракет «Атлас», «Титан-1», «Титан-2» и «Минитмен» наметились общие меры защиты ракет и шахтных пусковых установок от коррозионного разрушения.

Условно в зарубежной печати эти меры подразделяют на конструктивно-технологические и микроклиматические. Первые предусматривают широкое использование в ракетостроении таких устойчивых к коррозии металлов, как титан, цирконий, ниобий, тантал, и сплавов на их основе, а также пластических масс, стойких к воздействию агрессивных сред. Для предупреждения коррозионного растрескивания ответственных деталей ракет, изготовляемых из легированных сталей и высокопрочных сплавов, по сообщению журнала «Металл инжениринг куотерли», рекомендуют использовать специальные методы обработки, которые в значительной степени повышают поверхностную прочность деталей.

Сюда же относится и применение поверхностных покрытий металлов цинком, кадмием, оловом, медью, латунью, никелем, хромом, серебром, платиной, окисными и фосфатными пленками, горячераспыленными винилами, вулканизированными фенолами, эпоксидными смолами и, наконец, лаками, красками и смазками, обладающими высокой стойкостью к разложению под влиянием агрессивных компонентов шахтной среды.

Второе направление борьбы с коррозией ракет — микроклиматические мероприятия. Они предусматривают искусственное создание таких условий хранения и содержания ракет в готовности к пуску, которые бы исключали или сводили к минимуму коррозионные процессы. Главное здесь, как считают, — герметизация шахт. У ракет «Титан-2» и «Минитмен» она обеспечивается подпором воздуха, применением воздухо- и водонепроницаемых уплотнений защитных крыш, гидроизоляцией шахтных стволов и оголовков.

Гидроизоляцию осуществляют одним или несколькими слоями водонепроницаемых материалов, широкий выбор которых предоставляет современная химия. В шахтах для ракет «Минитмен», например, на наружную поверхность металлического гидроизоляционного слоя наносят пленочные покрытия из эпоксидных смол, растворенных в органических кислотах. В других подземных сооружениях боевых позиций используются пленочные покрытия из стеклопластиков.

Необходимую чистоту атмосферы в шахтах для ракет «Минитмен» обеспечивают приточно-вытяжные системы вентиляции и системы кондиционирования воздуха. Механические вентиляторы периодически отсасывают и выбрасывают из шахты загрязненный воздух и нагнетают свежую порцию из атмосферы. При этом система кондиционирования обеспечивает постоянный температурно-влажностный режим шахты, автоматически регулируя температуру и относительную влажность воздуха в необходимых пределах. Для дополнительной осушки воздуха в системе кондиционирования предусмотрены съемные мешочные адсорберы (поглотители влаги) с продолжительностью функционирования до трех лет.

Контрольно-измерительные приборы системы кондиционирования удерживают температуру в шахте в пределах плюс 16 ± 5 градусов и относительную влажность воздуха не более 60 процентов. Этот режим контролируется в семи характерных точках системой автоматического оповещения. Она подает сигналы на панели управления, если значения температуры и скорости потока воздуха в помещениях шахты выходят за пределы установленных норм.

Как сообщалось в журнале «Хитинг, пайпинг энд эр кондишенинг», при разработке системы осушки воздуха для подземных шахт ракет «Титан-2» в качестве прототипа приняли систему осушки воздуха на судах торгового флота. Здесь в качестве рабочего тела используют хлористый литий с высокой гигроскопичностью.

Микроклимат шахт с температурой от 16 до 21 градуса при относительной влажности воздуха не более 32 процентов, по мнению американских специалистов, в значительной мере уменьшает коррозионное разрушение ракет «Титан-2» из-за возможного просачивания четырехокиси азота из баков и воздействия на ракету агрессивных компонентов шахтной среды. Сообщалось, что за счет применения системы осушки воздуха в шахте образование течей в баках ракеты «Титан-2» сократилось с 20 до трех в месяц.

Для защиты металлоконструкций шахтных пусковых установок ракет от воздействия блуждающих токов за рубежом применяют изолирующие покрытия, гидравлическую и электрическую изоляцию, отсасывающие фидеры и специальные устройства для электродренажа. Однако наиболее эффективным методом противокоррозийной защиты металлоконструкций шахт считается катодная поляризация — метод, хорошо известный в электрохимии.

Исследования показали, что если два металла находятся в контакте и один из них легче корродирует, растворяется в данном растворе, то он становится анодом (положительно заряженным) и разрушается, а второй металл — катодом (отрицательно заряженным) и совсем не корродирует. Исходя из этого, к металлической поверхности, которую хотят сохранить, скажем, к борту корабля, прикрепляют листы легко корродирующего металла — специально «на съедение» коррозии.

Еще более эффективен способ, когда защищаемой от коррозии поверхности металла (катоду) «навязывается» отрицательный потенциал от постороннего источника тока. Именно так и поступают, сообщалось в печати, защищая шахтные металлоконструкции от коррозии. Принципиальная схема катодной защиты шахт для ракет «Минитмен» посторонним источником тока приведена на рис. 14. От отрицательного полюса источника тока 5, через провод 6 отрицательные заряды поступают в места присоединения дренажа 7 на ствол шахты 3 и текут по нему, попадая через дефектные места сооружения

в грунтовый массив. Из грунтового массива ток течет на анодное заземление 5, откуда по проводу 9 возвращается к положительному полюсу источника тока 5 Несмотря на дороговизну катодной защиты, она себя, по мнению американских специалистов, вполне оправдывает, так как в качестве вспомогательных электродов (анодов), которые преднамеренно отдаются коррозии на разрушение, используются полосы из дешевых металлов. В зарубежной печати утверждается, что катодная защита может оказаться весьма эффективной для коррозионной защиты самих ракет и некоторых агрегатов технологического оборудования.

 

 

^{Рис. 14. Принципиальная схема катодной защиты шахт для ракет «Минитмен»:}

^{1 — крыша шахты; 2 — оголовок; 3 — ствол шахты; 4 — система амортизации ракеты; 5 — источник тока; 6 — провод; 7 — дренажное устройство; 8 — анодное заземление; 9 — провод}

 

Следует заметить, что катодная защита находит применение не только при строительстве новых шахт, но и в шахтах для ракет «Титан-2» и «Минитмен-1», уже имеющих значительные коррозионные повреждения. Отмечалось, что она позволяет стабилизировать эти повреждения и приостановить процесс дальнейшего коррозионного разрушения металлических конструкций шахт.

 

«Сторожа» коррозии

 

Как видно, предоставляемый современной наукой арсенал средств защиты стратегических ракет и их шахтных установок от коррозии довольно велик. И тем не менее, отмечается в зарубежной печати, при этом еще не удается полностью исключить заботы о коррозии. За процессами возможного разрушения металлов от действия агрессивных сред в шахтах приходится постоянно следить.

На пусковых установках ракет «Титан-2» и «Минитмен» для оценки состояния внутренней атмосферы используется, например, визуальный химический способ. Он основан на свойстве особого вещества — силикагеля изменять окраску при увеличении влажности окружающей среды сверх определенного уровня. Проверку коррозионного состояния ракет осуществляют с помощью металлического индикатора в виде тонкой металлической пластинки, на которую нанесен молекулярный по толщине слой другого металла, весьма чувствительного к коррозии. Процесс корродирования пластинки дает возможность косвенно определить суммарное воздействие агрессивной среды шахты на чувствительные элементы ракеты. Но и эти способы, как сообщалось в печати, стремятся заменить дистанционными электрическими системами, обеспечивающими непрерывное и более точное наблюдение за микроклиматом шахт и состоянием ракет.

Таковы некоторые проблемы защиты ракет от коррозии. А поскольку важнейшее слово в борьбе с ней принадлежит химии, ее по праву можно считать одной из ближайших союзниц и помощниц ракетной техники.

 

СТЕКЛОПЛАСТИКИ НА РАКЕТАХ

 

 

_{Инженер-капитан 3 ранга, кандидат военных наук В. ЕЛИСЕЕВ, инженер-майор Ф. ЛАДЫГИН}

 

Пожалуй, ни один вид техники так быстро не видоизменяется, не модернизируется, как военная техника. Естественно, касается этот процесс и ракетного вооружения. Один из весьма важных факторов совершенствования ракет, указывается в печати, — улучшение их летно-технических характеристик, и прежде всего увеличение веса боевой части и дальности стрельбы при заданном стартовом весе ракеты, либо, наоборот, — уменьшение стартового веса и габаритов ракеты при неизменном весе боевой части и дальности стрельбы. Решать подобные задачи можно различными способами, однако главным специалисты считают уменьшение веса конструкции ракеты, или, иначе, — ее «пассивного веса».

Взаимосвязь пассивного веса ракеты и дальности стрельбы, зависящей от скорости в конце активного участка траектории полета (после выгорания топлива), установлена основоположником ракетостроения К. Э. Циолковским в его классической формуле:

 

где V — скорость в конце активного участка траектории полета;

С — эффективная скорость истечения газов;

G_CT —стартовый вес ракеты;

G_T —вес топлива.

Влияние веса конструкции ракеты на дальность стрельбы в зарубежной литературе иллюстрировалось следующим примером: если уменьшить вес конструкции последней, третьей ступени американской стратегической ракеты «Минитмен» только на 1 килограмм, то дальность стрельбы увеличивается на 16 километров. Именно поэтому с самого начала развития ракетной техники конструкторы уделяют большое внимание использованию таких конструктивных решений и конструкционных материалов, которые позволяют добиться максимально возможного снижения пассивного веса ракеты. С этой целью, сообщала печать, для наиболее ответственных узлов и элементов ракеты в последнее время используют высокопрочные конструкционные материалы, среди которых особое место занимают так называемые композиционные материалы. К ним относятся материалы, состоящие из связующего вещества — матрицы, армированной, то есть усиленной, высокопрочными волокнами, частицами или нитевидными кристаллами. В качестве матрицы могут быть использованы металлы (сплавы, стали) и неметаллические связующие вещества — смолы. Более подробно о композиционных материалах рассказывается в следующей главе книги. Здесь же мы остановимся лишь на одной их разновидности — стеклопластиках, получающих в последние годы за рубежом все более широкое применение для изготовления силовых элементов конструкций ракет.

Стеклопластики — это искусственные материалы. Они состоят из стекловолокон, обеспечивающих образцу механическую прочность, и матрицы, служащей для скрепления стекловолокон. В США в ракетной технике используются обычно стекловолокна марок Е и S-994, в состав которых в различных пропорциях входят окиси кремния, магния, бора, натрия, калия, а в качестве матрицы— различные связующие смолы, чаще всего эпоксидные. Относительная доля стекловолокна в стеклопластике около 80 процентов, остальное приходится на долю связующих смол.

Плотность стеклопластика невелика — около 2 г/см³, а предел прочности на растяжение достигает 100 кг/мм² и более. К этому следует добавить немагнитность, хорошие тепло-, звуко- и электроизоляционные свойства в сочетании с высокой коррозионной и химической стойкостью к морской воде, растворителям и другим агрессивным средам. Подобные качества стеклопластиков и определяют уверенность зарубежных специалистов в способности этих синтетических материалов успешно конкурировать с традиционными конструкционными материалами— сталями и высокопрочными сплавами. Уже в настоящее время в американском ракетостроении стеклопластики используются при изготовлении баллонов для хранения на борту ракет газов высокого давления, носовых конусов боевых частей баллистических ракет. Из них изготовляются отсеки корпуса второй ступени ракеты-носителя «Сатурн-1» между баком с окислителем и баком с горючим. На некоторых типах зарубежных зенитных ракет из стеклопластиков изготовлены управляющие поверхности, стабилизаторы, пусковые трубо-контейнеры. Стеклопластиковый корпус имеет, в частности, твердотопливная противоракета «Спринт».

Однако наибольшее распространение, отмечает печать, стеклопластики получили при изготовлении корпусов двигателей стратегических ракет, работающих на твердом топливе. Из них изготовлены, например, корпуса двигателей третьих ступеней американских ракет «Минитмен», размещаемых в шахтных пусковых установках, второй ступени ракеты «Поларис» А-2 и обеих ступеней ракеты «Поларис» А-3, которыми вооружены атомные ракетные подводные лодки. Сообщалось, что стеклопластики применяются также для корпусов двигателей разрабатываемых стратегических ракет «Минитмен-3» и морской ракеты «Посейдон», которыми в США плакируют заменить ракеты устаревших модификаций.

В других странах стеклопластики также довольно широко используются в ракетной технике. Во Франции, например, из стеклопластиков намечено изготовлять корпуса двигателя второй ступени создаваемой в настоящее время стратегической ракеты, предназначенной для вооружения подводных лодок. В печати приводились сведения об использовании стеклопластиков и в ракетостроении Англии, Швеции.

Столь широкое использование стеклопластиков объясняют рядом их важных преимуществ перед традиционными высокопрочными конструкционными материалами— легированными сталями, титановыми и алюминиевыми сплавами. Стеклопластики, например, обладают значительно большей удельной прочностью, то есть отношением предела текучести материала к его удельному весу. Сообщалось, что у высокопрочных сталей удельная прочность не превышает 2,5 × 10⁶ см, а у наиболее прочных титановых сплавов — 3 × 10⁶ см, тогда как у стеклопластиков, из которых изготовляются корпуса двигателей ракет «Минитмен» и «Поларис», удельная прочность равна 5 × 10⁶ см. Это позволяет при заданных нагрузках, действующих на корпус ракеты в полете и во время транспортировки, используя стеклопластик, значительно сократить пассивный вес конструкции ракеты.

На силовую конструкцию ракеты в разных направлениях действуют различные по величине нагрузки и усилия. Поэтому металлические корпуса ракет, имеющие равную прочность во всех направлениях, используются, как считают, неэффективно. Из стеклопластиков же можно изготовить такие конструкции, которые в различных направлениях имеют различную прочность пропорционально действующим нагрузкам. Это также дает некоторый выигрыш в весе.

Подобный эффект снижения веса конструкции двигателя при использовании стеклопластиков виден на примере различных модификаций ракет «Поларис». Достигнутое при модернизации этих ракет увеличение дальности стрельбы с 2200 км («Поларис» А-1) до 2800 км («Поларис» А-2), а затем до 4600 км («Поларис» А-3) стало возможным, отмечала печать, прежде всего за счет уменьшения пассивного веса конструкции ракеты при замене сталей стеклопластиками.

Корпуса двигателей обеих ступеней ракеты «Поларис» А-1 изготовлялись из высокопрочной стали. На «Поларисе» А-2 корпус второй ступени был изготовлен из стеклопластика. При этом вес корпуса (без теплозащитного покрытия) был уменьшен на 27 процентов. При использовании для корпусов обеих ступеней ракеты «Поларис» А-3 более прочного стеклопластика было достигнуто следующее уменьшение веса корпусов двигателей этой ракеты по сравнению с предшествующими модификациями (без учета веса теплозащитного покрытия): по второй ступени — в 2,5 раза по сравнению с «Поларис» А-1 и в 1,8 раза по сравнению с «Поларис» А-2, а по первой ступени — в два раза по сравнению с «Поларис» А-1. Такое уменьшение веса корпусов было достигнуто при одновременном увеличении до 10 процентов их длины.

Следует заметить, что с учетом веса теплозащитного покрытия корпуса двигателя полное уменьшение веса конструкции ступени ракеты несколько меньше указанного. Это объясняется тем, что для защиты стеклопластикового корпуса от воздействия высоконагретых газов при сгорании твердого топлива (3000 градусов и более) требуется большая толщина теплозащитного покрытия внутренней стенки камеры сгорания. Однако и здесь в борьбе за уменьшение пассивного веса ракеты у конструкторов нашелся выход. Снижения доли веса теплозащитного покрытия в весе всей ракеты удалось достигнуть, передав роль этого покрытия в течение большей части времени работы двигателя самому топливу.

Дело в том, что в американских твердотопливных ракетных двигателях горение в топливном заряде происходит первоначально по внутреннему каналу. И лишь в последние секунды работы двигателя его корпус от воздействия больших температур предохраняет слой теплоизоляции из различных резиноподобных веществ, иногда с наполнителями в виде угольной и графитовой ткани. Толщина этого покрытия зависит от теплопроводности теплозащитного материала и температурной стойкости конструкционного материала, из которого изготовлен корпус двигателя. А поскольку стеклопластики, применяемые для твердотопливных ракет, сохраняют прочностные свойства при температурах до 100–150 градусов, то есть меньших, чем высокопрочные стали и титановые сплавы, то для них и теплозащитные покрытия требуются несколько большей толщины и, следовательно, несколько большего веса. Однако, несмотря на это, замена современными стеклопластиками сталей позволяет, как указывалось в печати, уменьшить полный вес двигателя, не снаряженного топливом, почти в 1,5–2 раза, а по сравнению с титановыми сплавами — на 10–20 процентов.

К важным преимуществам стеклопластиков, по сравнению с традиционными конструкционными материалами, зарубежные специалисты относят простоту изготовления корпусов ракетных двигателей. Считают, что круговая форма поперечных сечений двигателей ракет создает благоприятные возможности для механизации и автоматизации намотки стекловолокна и формирования оболочек корпуса ракет с применением программирования. Метод наметки позволяет обеспечить наибольшую прочность и жесткость изделия за счет ориентации армирующего стекловолокна в направлении действующих усилий. Другое важное преимущество метода намотки — стабильность свойств изготавливаемых конструкций по толщине и длине. Сам же процесс изготовления корпусов двигателей ракет напоминает намотку нити на шпульку в текстильном производстве.

Как же изготовляются корпуса двигателя для ракеты «Поларис»? Ровница (лента) из стекловолокон, толщина каждого из которых около 0,01 миллиметра, сматывается с катушки на оправку. Оправка обычно изготовляется из смеси песка и поливинилового спирта или из других легко разрушаемых материалов, причем ее размеры и конфигурация соответствуют внутренним размерам корпуса двигателя. Перед намоткой нити на оправку наклеивается слой теплозащитного покрытия. Ровница из стекловолокон, смачиваясь в ванне с эпоксидной смолой и частично вулканизированная, наматывается на вращающуюся оправку. С помощью программного устройства обеспечивается такая намотка ровницы, что достигается и требуемая прочность корпуса и могут быть оставлены необходимые монтажные отверстия.

После намотки ровницы корпус двигателя подвергается термической обработке, при которой происходит затвердевание эпоксидной смолы. Затем оправка осторожно разрушается и удаляется из корпуса камеры сгорания, а внешняя поверхность корпуса проходит механическую обработку. Толщина стенки стеклопластикового корпуса двигателя различная у различных типов ракет и ступеней. Например, для второй ступени ракет «Поларис» она 3,7–4,6, а для первой ступени 8 миллиметров.

Как видно, достоинств у стеклопластиков как материала для ракетной техники немало. Однако у читателя не должно складываться впечатления, что стеклопластики— наилучший конструкционный материал для производства ракет. И этому материалу, отмечают зарубежные специалисты, присущ, по крайней мере в настоящее время, ряд существенных недостатков, которые сдерживают его использование в ракетостроении. Еще много проблем, от решения которых зависит дальнейшее широкое внедрение стеклопластиков в практику твердотопливного ракетного двигателестроения, равно как и в другие области военной техники. Одна из них связана с ухудшением их прочностных характеристик с течением времени из-за старения связующего материала. В этом направлении, как сообщалось, ведутся интенсивные исследования.

Поиск химиков, технологов и других специалистов идет и по другим направлениям, в частности пытаются увеличить прочностные показатели стеклопластиков.

В этих исследованиях заинтересовано не только ракетостроение. Ведь стеклопластики находят все более широкое распространение и в кораблестроении, авиации и других областях техники.

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: