Химия в бою

СТЕКЛОПЛАСТИКИ НА РАКЕТАХ

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.