Космос как задача. Из чего и как делают обшивку головной части российских ракет-носителей
Авторы статьи Дмитрий Левин, Елизавета Кочергина / источник nplus1
Выводить груз и людей в космос — до сих пор чрезвычайно дорогое удовольствие. Ученые и инженеры не один десяток лет бьются за каждый килограмм полезной нагрузки, работая над созданием деталей из легких и прочных материалов. Совместно с ОНПП «Технология», которое входит в Госкорпорацию «Ростех», рассказываем, как собираются головные композитные обтекатели современных российских ракет-носителей, до скольки сотен градусов Цельсия они разогреваются в полете и почему срок службы космических аппаратов раньше не превышал пяти лет.
Программа «Энергия — Буран», запущенная в 1974 году, предполагала создание многоразовых космических кораблей и должна была стать ответом на американскую гражданско-военную программу «Space Shuttle». Уже в ноябре 1988 года советский орбитальный космоплан «Буран» успешно совершил первый полет вокруг Земли. Разработкой остекления, композитных конструкций и теплозащиты для корабля занималось экспериментальное предприятие, сегодня известное как ОНПП «Технология».
К тому моменту научный центр, располагающийся в Обнинске, работал над созданием новых материалов, предназначенных для авиации и космоса, меньше десяти лет. Первые детали из созданных там композитов получили истребитель МиГ-29, первый советский широкофюзеляжный самолет Ил-36 и межпланетные станции «Венера-15» и «Венера-16». Тем не менее, знаковой работой сразу по нескольким направлениям (композиты, стекло и керамика) сотрудники «Технологии» до сих пор считают именно «Буран». В Обнинске собирали трехслойные композитные створки отсека полезного груза для кораблей, каждый из которых был рассчитан на сто полетов.
Судьба распорядилась иначе: первый полет «Бурана» стал последним. Программа была закрыта в 1993 году, а корабли в разной степени готовности — уничтожены, разобраны или превращены в музейные экспонаты. Советские космопланы больше ни разу не летали в космос. Тем не менее, реализованные в «Буране» технологии и новые материалы, подготовили почву для инноваций в будущих проектах отрасли.
Когда в конце 1990-х «Технология» занялась модернизацией ракеты-носителя «Протон», специалисты решили отказаться от стеклопластика в пользу углепластика. Масса конструкции тут же сократилась на полторы тонны. На сегодняшний день головные обтекатели отечественных ракет-носителей прошли четыре этапа модернизации: металлические детали постепенно заменяются композитными, и на орбиту можно выводить все больше полезной нагрузки.
Миниатюрный «Протон-М» в одном из кабинетов НПК «Композит» ОНПП «Технология»
Корреспонденты N + 1 отправились в Обнинск, чтобы посмотреть, как устроена композитная обшивка, и своими глазами увидеть производство обечаек ракет-носителей «Протон-М», «Ангара-А5» и «Орёл». В частности, огромную печь, где детали «запекаются» до готовности.
Выгнать воздух
К масштабам объектов ОНПП «Технология» приходится привыкать. Учитывая габариты изделий, буквально все, от цехов до коридоров, сделано очень просторным. У заготовок и деталей самолетов и ракет кропотливо трудятся люди в масках и перчатках. На время режима самоизоляции работа здесь не прекращалась. Всего на предприятии, по словам представителя «Ростеха», занято 2756 человек, из которых 830 — ученые.
Изготовление одного комплекта композитных деталей занимает не менее полутора месяцев. И начинается — не важно, будет это крыло самолета или часть ракеты — всегда одинаково: с подготовки мастер-модели, необходимой чтобы изготовить оснастку на которой будет выкладываться деталь. Мастер-модель – зеркальная копия этой детали. Из пластика, который не впитывает влагу, формируется примерный контур будущего изделия.
Мастер-модель детали самолета или ракеты проходит через несколько этапов фрезеровки, чтобы добиться максимальной точности геометрии.
Заготовка проходит несколько этапов обработки на пятикоординатном фрезерном станке: черновую, получерновую, получистовую и чистовую. Так вероятность оставить на пластике сколы и трещины сводится к минимуму. «На этапе черновой обработки фрезеровка до пяти миллиметров может доходить, тогда как на финальных этапах снимается толщина от одного до пяти сотых миллиметра», — рассказывает заместитель директора НПК «Композит» ОНПП «Технология» по производству Вадим Шогенов, пока станок методично гуляет вдоль мастер-модели.
На первом этапе на обработанную мастер-модель с нанесенными рисками (линиями, определяющими габаритные размеры детали) выкладываются слои углеродной ткани и пропитываются специальным связующим методом инфузии. Так изготавливается формообразующая оболочка оснастки, которая соединяется с каркасом и проверяется на соответствие мастер-модели. Только после этого будущая деталь отправляется на выкладку обшивки.
Вакуумный шланг откачивает из препрега (углеродной ткани, пропитанной связывающим веществом) лишний воздух. На заднем плане — фрагменты установки для выкладки, которые прилегают к изделию.
Конструкция выкладывается слоями, которые скрепляются между собой связующим полимерным веществом. С помощью вакуумных шлангов из конструкции устраняют лишний воздух. Оставшиеся внутри пузырьки могут привести к появлению дефектов, расслоению и уменьшению прочности детали. Завершающий этап производства — «формование» в гигантском автоклаве. Давление внутри установки составляет 6 атмосфер (6 килограмм на квадратный сантиметр), а температура — 165-175 градусов.
Под писк сирены деталь заезжает в жерло автоклава. Там она будет «запекаться» в течение 12-14 часов.
Существует альтернативный способ изготовления деталей из углепластика, который не предполагает использования автоклава — метод вакуумной диффузии. О нем мы рассказывали в тексте, посвященном изготовлению композитного крыла пассажирского самолета МС-21.
Почему автоклав, а не вакуумная инфузия?
Слой обшивки состоит из множества углеродных жгутов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из 12000 моноволокон, раскатанных на определенную ширину и толщину. Наша задача – 12 тысяч моноволокон уместить в определенный объем. Да так, чтобы не было ни одного пузырька воздуха. Каждому типу углепластика, каждому типу волокна и связующего вещества соответствуют жесткие требования. Например, 60 процентов объема должно занимать углеродное волокно, а оставшиеся 40 процентов – связующее вещество. Если выполнить это условие и не допустить пустот, можно добиться максимальных характеристик.
Метод вакуумной инфузии предполагает следующее: волокна упаковываются в пакеты, откуда откачивается воздух и следом заливается связующее. Когда деталь маленькая, плоская – все хорошо. Но постулат 60/40 инфузией очень сложно обеспечить. Потому что воздух, зашедший вместе с жидкостью, трудноудалим особенно в сложных конструкциях. Как показывает мировая практика, при использовании метода вакуумной инфузии теряется процентов 10-15 прочности по отношения к автоклавному формованию.
А что такое автоклавный метод? К препрегам, пропитанным связующим, прикладывается температура. Инфузия тоже позволяет так сделать, но при использовании автоклава дополнительно подается давление – и конструкция уплотняется. Тем самым автоматически выполняются два условия: конструктив получается абсолютно без воздуха, пустоты исключены. Плюс, при помощи давления и всех технологических параметров можно управлять процентным содержанием волокна и связующего.
Заместитель директора НПК «Композит» ОНПП «Технология» Николай Выморков
Изготовление одного комплекта деталей головного обтекателя ракеты обходится в десятки миллионов рублей. В стоимость, помимо дорогих компонентов, входит необходимость разрабатывать новые материалы и связующие вещества, поясняет Вадим Шогенов. В среднем за год ОНПП «Технология» получает порядка 30 патентов.
Слой на слой
По коридору с высокими потолками, который будто насквозь проходит через все здание, мы перемещаемся в другой цех. Внутри стоит резкий химический запах. Перед нами раскинулось нечто напоминающее гигантский ткацкий станок. Здесь создается ключевой материал для изготовления обшивки. Углеродные волокна формируют в однонаправленные ленты и пропитывают специальным связующим – изготавливают препреги.
С начала 2000-х для производства препрегов научно-производственный комплекс ОНПП «Технологии» использовал импортные углеродные волокна, с которыми не могли на равных тягаться советские разработки 1970-1980-х годов. Зарубежное волокно не только обходилось дешевле, но и обладало большей прочностью. Однако в 2017 году Росатом запустил завод по производству углеродных волокон. В «Ростехе» говорят, что они практически не уступают американским и японским аналогам. Уже некоторое время конструкции для космоса производятся с применением российских волокон — из них выполнены головные обтекатели «Ангары» и «Протон-М».
Катушки с углеродными нитями, которые позже станут одним целым.
Тысячи нитей волокна, намотанные на катушки, заводятся в шпулярник, проходят через «гребенку» и распрямляются. Каждая из них проводится через ванну со связующим веществом и пропитывается. Процесс повторяется еще раз — но зазоры в «гребенке» становятся меньше. Углеродные нити плотнее водятся друг с другом. В очередной раз пропитавшись связующим веществом, они отправляются под каландр и окончательно соединяются друг с другом. Получившаяся ткань отправляется в термошахту, где при температуре 100-120 градусов происходит просушка препрега до определенной липкости.
Углеродные нити распрямляются и проходят через ванну, наполненную связующим веществом.
Готовый препрег оберегают с обеих сторон защитными слоями: с одной стороны ткани находится специализированная пленка, с другой — силиконизированная бумага. Перед нанесением на оснастку сотрудник удаляет бумагу и укладывает препрег на оснастку. Затем, расположив его необходимым образом, он удаляет пленку.
Препреги изготавливаются из однонаправленных углеродных волокон или на основе ткани – это зависит от предполагаемой нагрузки. На растяжение и сжатие работают однонаправленные волокна, тогда как на сдвиг – перекрестная структура. Во время полета ракета испытывает скручивающие, сжимающие и изгибающие нагрузки по длине головного обтекателя. Поэтому конструкция головного обтекателя обладает высокой жесткостью в осевом направлении и чуть меньше – в поперечном.
Какие связующие вещества подходят для космоса?
Связующих для изготовления композиционных материалов много: полиэфирные, винилэфирные, эпоксидные, бисмалеимидные и полиимидные. Это разные классы связующих с отличными друг от друга свойствами и характеристиками по прочности и температуре эксплуатации.
Космос — это температура от минус 100 градусов. Если полный вакуум, то минус 150-160 градусов. Если на орбите взошло Солнце, температура достигает 150-200 градусов. Соответственно, материал должен выдерживать эти температуры и работать в диапазоне от минус 100 до плюс 150 градусов. Самый оптимальный вариант для данных перепадов температур – это эпоксидные связующие. Они свободно работают в диапазоне до 200 градусов, хорошо сохраняя свои свойства даже в космическом пространстве. И поэтому основными связующими для изготовления углепластика, который используется и в космосе, и в авиации, главным образом являются эпоксидные.
Однако аппарат еще нужно доставить с Земли в космос и для этого сильно разогнаться. Если взять просто истребитель сверхзвуковой, то рабочая температура для, например, Су-57 или F-15, когда самолет выходит на сверхзвук, на острых кромках устанавливается температура 175-200 градусов. При спуске космического аппарата температура еще больше – это следующий рубеж по градации материалов: бисмалеимидные связующие, температура 200-250 градусов. Температура 250 градусов и немножко выше – это полиимидные связующие.
В зависимости от того, для чего предназначен ваш космический аппарат, условия меняются. Для части ракеты, которая взлетает, будут одни условия. Для той, что садится, – другие.
Заместитель директора НПК «Композит» ОНПП «Технология» Николай Выморков
Задача головных обтекателей ракет-носителей – на момент старта и до вывода в космическое пространство – это защита космического аппарата от всех внешних факторов. Максимальной температурой головного обтекателя считается 175 градусов Цельсия по поверхности. На самом кончике показатели другие. «Буквально через две-три минуты скорость полета увеличивается, – говорит Выморков. – Соответственно, температура в конусной части может вырастать и до 500, и до 600 градусов Цельсия». На самые «горячие» участки головного обтекателя наносят дополнительную теплозащиту, обеспечивающую сохранение свойств материала.
Однако обшивка головной части состоит не только из десятков слоев углеволокна. Аккурат между углепластиковыми обшивками располагается еще один компонент – алюминиевый сотовый заполнитель. Взяв в руки фрагмент заполнителя, Вадим Шогенов сперва легко растягивает его, превращая металлический брусок в «пчелиные соты», а затем безуспешно пытается эти соты сплющить. «Нагрузка именно на сжатие идет. Он прочный, как будто целиком металлический, но здесь-то у нас воздух и пустота. — Шогенов указывает на шестиугольные отверстия по всей площади материала — Это облегчает конструкцию, и намного — когда предприятие сделало первый обтекатель для “Протона-М”, выигрыш в весе составил порядка полутора тонн». Сотовые заполнители бывают самых разных форм и размеров. Каждый подгоняется под конкретную часть обшивки.
Шестиугольные отверстия покрывают всю площадь алюминиевого заполнителя, позволяя существенно облегчить будущую конструкцию.
Раньше срок службы космических аппаратов не превышал пяти лет. Как только система охлаждения, убранная в герметичный корпус, выходила из строя (например, из-за столкновения с маленьким астероидом), неизбежно переставала функционировать вся система. В конце 1990-х в обиход вошла новая система охлаждения: корпуса начали изготавливать с использованием тепловых панелей, представляющих собой трехслойные сотовые панели с размещенными внутри тепловыми трубами. Наполненные аммиаком тепловые трубки, пропущенные сквозь алюминиевый сотовый заполнитель, отдавали тепло от работающих приборов в космос. Благодаря тому, что система перестала быть герметичной, вывести аппарат из строя уже не так просто.
Усиление и никакого брака
На определенных участках головного обтекателя необходимо обеспечить повышенную прочность и жёсткость конструкции. Если в среднем обшивка состоит из 30-40 слоев углепластика, то на местах дополнительного усиления — крепления и технических отверстий — выкладывается 15-20 дополнительных слоев.
Двигательный отсек пилотируемого космического корабля «Орёл», покрытый фильтровальной тканью. Сотрудники могут наносить на нее элементы разметки, не рискуя нарушить целостность корпуса.
Распределение слоев Шогенов демонстрирует на корпусе двигательного отсека многоразового пилотируемого корабля «Орёл» (бывшая «Федерация»). Тут все так же, как у «Протона-М» или «Ангары»: угольные обшивки и алюминиевый сотовый заполнитель внутри. Однако у отсека «Орла» конусная часть соединяется с цилиндрической, а вокруг отверстий соты по периметру забиты пастой. Она позволяет надежно зафиксировать необходимые конструкции и элементы. Повредить корпус в этих местах значительно сложнее.
Почему углепластик?
У алюминия КЛТР (коэффициент линейного теплового расширения – прим. N + 1) 22 на 10-6. У стали – порядка 7-8×10-6. Титан – четверка. Уголь – в диапазоне от 0 до 2×10-6. Углепластик применяется, чтобы обеспечить минимальный КЛТР во всех направлениях – не только в обшивке, но и в размеростабильных конструкциях.
Применение композитов позволяет сделать конструкцию как минимум на 30 процентов легче по отношению к металлической. Но прочностные характеристики и надежность должны подтвердить испытания. И только после подтверждения всех параметров будет запущена серия.
Заместитель директора НПК «Композит» ОНПП «Технология» Николай Выморков
Невооруженным взглядом заметно, что в местах усиления корпус немного выступает наружу. По словам Шогенова, здесь количество слоев углепластика доходит до 80. В результате элемент, который будет закреплен в этом месте, не сместится под воздействием нагрузок и не повлияет на ход полета.
Обшивка обечайки ракеты-носителя в разрезе.
Когда речь заходит о дефектах, в «Ростехе» утверждают, что их нет. «Брак не допускается ввиду того, что у нас каждая операция и каждый переход контролируется ОТК (отделом технического контроля — прим. N + 1), и любое несоответствие выявляется сразу же», — объясняет Вадим Шогенов. После выкладки заготовка проходит неразрушающий контроль и при обнаружении дефектов дальше уже не проходит.
На финальном этапе контроля готовые детали прозванивают ультразвуком. Мы решили самостоятельно попытаться обнаружить в обечайках дефекты. Оказалось, что это не так просто: размеры изделий не позволяют справиться с этим за один рабочий день. Как правило, сотрудники в течение нескольких дней кропотливо проверяют каждый миллиметр детали.
Сотрудники несколько дней проверяют внушительные элементы обечайки головного обтекателя, чтобы не допустить ни одного дефекта.
Настроив прибор по контрольному образцу, необходимо медленно проводить им вдоль поверхности. Обнаружив дефект, прибор начинает визжать. На контрольных образцах с дефектами машинка исправно подавала сигнал, однако на готовых обечайках, которые я прозванивал около 10 минут, обнаружить брак не удалось. После тот же участок детали на всякий случай прозвонила сотрудница одного из научно-производственных комплексов ОНПП «Технология» и отчиталась о ее качестве по форме.
