Использование композитных материалов делает конструкцию по меньшей мере на 30% легче металлической. Однако прочность и надежность должны быть подтверждены испытаниями. И только после подтверждения всех параметров начинается серийное производство.
Космос как задача
Транспортировка грузов и людей в космос по-прежнему является чрезвычайно дорогостоящим мероприятием. Ученые и инженеры десятилетиями боролись за каждый килограмм полезной нагрузки, работая над созданием компонентов из легких и прочных материалов. Вместе с НПЦ «Технология», входящим в госкорпорацию «Ростех», мы рассказываем, как собираются композитные покрытия современных российских ракет-носителей, как они нагреваются во время полета и почему срок службы космических аппаратов составляет менее пяти лет.
Запущенная в 1974 году программа «Энергия-Буран» была направлена на разработку космических кораблей многоразового использования и задумывалась как ответ на военно-гражданскую программу США «Спейс шаттл». В ноябре 1988 года советский космический корабль «Буран» успешно завершил свой первый полет вокруг Земли. Разработкой стекла, композитных конструкций и теплозащиты для космического аппарата занималась экспериментальная компания, известная сегодня как ОНПП «Технология».
К тому времени научный центр в Обнинске занимался разработкой новых материалов для аэрокосмической отрасли менее десяти лет. Первые созданные там композитные компоненты пошли на истребитель МиГ-29, первый советский широкофюзеляжный самолет Ил-36 и межпланетные станции «Венера-15» и «Венера-16», но сотрудники «Технологии» по-прежнему считают «Буран» новаторским проектом в нескольких областях (композиты, стекло и керамика). В Обнинске были собраны трехслойные композитные крылья для отсеков полезной нагрузки кораблей, каждый из которых был рассчитан на сто полетов.
Судьба распорядилась иначе: первый полет «Бурана» стал последним. Программа была прекращена в 1993 году, а космические аппараты были уничтожены, разобраны или превращены в музейные экспонаты в различном состоянии. Советские космические аппараты больше никогда не летали в космос. Однако технологии и новые материалы, использованные на «Буране», проложили путь для инноваций в будущих промышленных проектах.
При модернизации ракеты-носителя «Протон» в конце 1990-х годов компания «Технология» решила отказаться от стекловаты в пользу пластика, армированного углеродным волокном. Вес конструкции сразу же уменьшился на полторы тонны. На сегодняшний день существует четыре этапа модернизации головных обтекателей российских ракет-носителей: Металлические детали постепенно заменяются композитными, и на орбиту можно выводить все больше полезной нагрузки.
Корреспонденты N+1 побывали в Обнинске, чтобы посмотреть, как организовано производство композитных обтекателей, и своими глазами увидеть производство обтекателей полезной нагрузки для ракет-носителей «Протон-М», «Ангара-А5» и «Орёл». Особенно огромная печь, в которой компоненты «запекаются» до совершенства.
Выгнать воздух
К размерам помещений ОПП «Технология» нужно привыкнуть. Учитывая размеры продукции, буквально все, от цехов до коридоров, очень просторно. Люди в масках и перчатках постоянно работают над заготовками и компонентами для самолетов и ракет. В период самоизоляции работа здесь не стояла на месте. По словам представителя Ростеха, на заводе работает в общей сложности 2 756 человек, из них 830 — ученые.
На изготовление комплекта композитных деталей уходит не менее полутора месяцев. И начинается все всегда одинаково — будь то крыло самолета или секция ракеты — с создания мастер-модели, необходимой для изготовления инструмента, на который будет устанавливаться деталь. Мастер-модель является зеркальным отражением компонента. Примерный контур будущей детали выполнен из влагостойкого пластика.
Необработанная деталь проходит несколько стадий обработки на пятикоординатном фрезерном станке: черновую, получерновую, получистовую и чистовую. Это сводит к минимуму риск отслаивания или растрескивания пластика. «На черновой стадии фрезеровка может достигать пяти миллиметров, а на завершающих стадиях толщина снимается от одного до пяти миллиметров», — говорит Вадим Шогенов, заместитель директора по производству ООО НПК «Композит», пока станок методично прохаживается вдоль главной модели.
На первом этапе на обработанную основную модель с нанесенными рисками (линиями, определяющими габаритные размеры детали) накладываются слои углеродной ткани и пропитываются специальным связующим методом инжекции. Таким образом, изготавливается формованная оболочка инструмента, которая закрепляется на раме и проверяется на соответствие основной модели. Только после этого будущая деталь отправляется на покрытие.
Конструкция укладывается слоями, которые свариваются между собой с помощью клея на основе смолы. Для удаления лишнего воздуха из конструкции используются вакуумные трубки. Оставшиеся внутри пузырьки могут привести к дефектам, расслоению и снижению прочности детали. Последний этап производства — «литье» в гигантском автоклаве. Давление внутри аппарата составляет 6 атмосфер (6 килограммов на квадратный сантиметр), а температура — 165-175 градусов.
Существует альтернативный метод производства компонентов из пластика, армированного углеродным волокном, который не требует автоклавирования: процесс вакуумной диффузии. Мы говорили об этом в тексте о конструкции композитных крыльев для пассажирского самолета МС-21.
Внешний слой состоит из нескольких углеродных пучков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из 12 000 монофиламентных нитей, намотанных до определенной ширины и толщины. Наша цель — уместить 12 000 мононитей в заданном объеме. Чтобы не было ни одного воздушного пузырька. Для каждого типа углепластика и каждого типа волокон и связующего существуют строгие требования. Например, 60 процентов объема должно составлять углеродное волокно, а остальные 40 процентов — смола. При соблюдении этого требования и исключении пустот достигается максимальная производительность.
Процесс вакуумного впрыска происходит следующим образом: Волокна упаковываются в мешки, из них удаляется воздух, а затем заливается смола. Если компонент маленький и плоский, все в порядке. Однако аксиома 60/40 очень трудно достижима с помощью инъекций. Это связано с тем, что воздух, всасываемый вместе с жидкостью, трудно удалить, особенно в сложных конструкциях. Как показывает мировая практика, в процессе вакуумного впрыска теряется 10-15% прочности по сравнению с автоклавным литьем.
Слой на слой
Мы идем по высокому коридору, который, кажется, проходит через все здание, а затем входим в другую лабораторию. Внутри стоит сильный запах химикатов. Перед нами простирается нечто похожее на гигантский ткацкий станок. Именно здесь создается основной материал для облицовки. Углеродные волокна формируются в одноразовые полосы и пропитываются специальным связующим — создаются препреги.
С начала 2000-х годов научно-производственный комплекс Объединенной нефтехимической компании «Технологии» использует для производства препрегов импортные углеродные волокна, которые не могли угнаться за советскими разработками 1970-х и 1980-х годов. Иностранные волокна были не только дешевле, но и более прочными. Однако в 2017 году Росатом открыл завод по производству углеродных волокон. По данным Ростеха, они почти не уступают американским и японским аналогам. Космические конструкции уже давно изготавливаются из российских волокон — из них сделаны колпачки боеголовок «Ангары» и «Протона-М».
Тысячи волокнистых нитей, намотанных на катушки, наматываются на шпулю, пропускаются через гребенку и распрямляются. Каждый из них пропускается через ванну со связующим и пропитывается. Процесс повторяется снова — но промежутки в «расческе» становятся более узкими. Углеродные волокна перемещаются ближе друг к другу. Опять же, они пропитываются связующим веществом и помещаются под каландр, где склеиваются между собой. Затем полученная ткань отправляется на термическую фабрику, где препрег высушивается при температуре 100-120 градусов до достижения определенного липкого состояния.
Затем препрег защищается с обеих сторон защитной пленкой с одной стороны и силиконизированной бумагой с другой. Перед нанесением на инструмент рабочий снимает бумагу и кладет препрег на инструмент. После того, как он нанес его по желанию, он снимает фольгу.
Препреги выпускаются в виде однонаправленных углеродных волокон или тканых полотен — в зависимости от предполагаемой нагрузки. Однонаправленные волокна действуют на растяжение и сжатие, а сшитая структура — на сдвиг. Во время полета ракета подвергается скручивающим, сжимающим и изгибающим нагрузкам вдоль обтекателя полезной нагрузки. Поэтому конструкция головки имеет высокую жесткость в осевом направлении и немного меньшую жесткость в поперечном направлении.
Существует множество связующих для композитов: полиэстер, виниловый эфир, эпоксидная смола, дисималеимид и полиимид. Это различные классы вяжущих веществ с разными свойствами и характеристиками по прочности и рабочей температуре.
Температура в космосе составляет минус 100 градусов. Если это абсолютный вакуум, то это минус 150-160 градусов. Когда солнце поднимается на орбите, температура достигает 150-200 градусов. Поэтому материал должен выдерживать такие температуры и работать в диапазоне от минус 100 до плюс 150 градусов. Эпоксидные связующие являются лучшим выбором для таких экстремальных температур. Они могут свободно работать в диапазоне до 200 градусов и сохраняют свои свойства даже в космосе. Поэтому основными связующими для углепластиков, используемых в космической и аэрокосмической промышленности, в основном являются эпоксидные смолы.
Однако устройство еще нужно доставить с Земли в космос, а для этого его необходимо сильно разогнать. Возьмите сверхзвуковой истребитель, например, Су-57 или F-15. Когда самолет достигает сверхзвуковой скорости, температура на острых кромках составляет 175-200 градусов. Когда космический корабль спускается, температура еще выше — это следующий предел с точки зрения классификации материалов: биметаллические связующие, температура 200-250 градусов. Температура 250 градусов и немного выше — это полиимидные связующие.
