Каблов Евгений Николаевич (ред.), «Доспехи для Бурана. Материалы и технологии ВИАМ для МКС "Энергия-Буран"»

 
 


Навигация:
Формирование облика советской многоразовой космической системы
ВИАМ утвержден «головным исполнителем по созданию специальных теплозащитных и жаропрочных материалов
Создание «плитки» из ультратонкого кварцевого волокна
Фетровая подложка плитки и средство неразрушающего контроля — присоска
Пассивные системы терморегулирования (терморегулирующие лакокрасочные покрытия)
Кварцевое волокно — сырьё для изготовления плиток
Отказ от американского пути создания эрозионностойких покрытий для плиточной теплозащиты
Как приклеивали фетровый демпфер и теплозащитную плитку на корпус
Вакуумные мешки
Гаечный ключ и ремонтные технологии
Уникальные материлы для «Бурана»
Охлаждение створок грузового отсека ОК «Буран»
Как охлаждали «Буран»
Стяжные болты и силовые тяги из высокожаропрочного никелевого сплава ЭП962-ИД
Твёрдосмазывающие антифрикционные покрытия
Обеспечить заданный весовой лимит тормозного колеса возможно при условии применения бериллия и углеродного фрикционного материала
Материалы полётов «Бор-4» легли в основу технических заключений головных институтов к первому полёту «Бурана»
Особенности полёта орбитального самолёта в атмосфере

Формирование облика советской многоразовой космической системы

Предложения по созданию советской МКС были сформулированы ещё в 1974—1975 годах. Первоначально программа предусматривала разработку серии унифицированных ракет-носителей для развёртывания лунной базы, но после уточнения программы приоритетным направлением было признано создание в интересах Министерства обороны СССР многоразовой космической системы, аналогичной по своим характеристикам американской системе спейс-шаттл. Сразу же после принятия Постановления министр авиационной промышленности П.В. Дементьев выпустил 15 марта 1976 года приказ по министерству, определивший сроки и спектр задач, которые предстояло решить при создании отечественной многоразовой космической системы. Уже на стадии постановки задачи было ясно: МКС будет сочетать в себе свойства обычного атмосферного самолёта и орбитального космического корабля, что, естественно, вызывало дополнительные трудности при проектировании. После выхода Постановления работы развернулись очень широко.
В Постановлении говорилось о создании многоразовой космической системы, включающей в себя: разгонные ступени; орбитальный корабль; межорбитальный буксир-корабль; комплекс управления системой; стартово-посадочный комплекс и другие наземные устройства. Всё это должно было обеспечить вывод полезных грузов массой до 30 т на орбиту высотой 200 км и возвращение с орбиты грузов до 20 т. В соответствии с Постановлением заказчиком МКС выступило Министерство обороны, а ответственным за создание МКС назначили Министерство общего машиностроения. Министерству авиационной промышленности поручили все работы по созданию планера орбитального корабля (ОК), средств его воздушной транспортировки и посадочного комплекса. декабря 1976 года комиссия Президиума Совета Министров СССР по военно-промышленным вопросам утвердила порядок кооперации основных исполнителей. Эскизный проект МКС утвердил Генеральный конструктор НПО «Энергия» академик В.П. Глушко. Уже в марте 1978 года был готов технический проект и начался выпуск технической документации.
Работа над обликом корабля была направлена на решение в первую очередь следующих задач: выбор принципиальных схем орбитального корабля (ОК); создание многоразовой теплозащитной системы; энергетическая и конструктивная независимость систем ракеты и орбитального корабля. Стартовая масса «Бурана» составила 107 т, отсек полезного груза позволял разместить объекты длиной до 17 м и диаметром до 4,5 м. ОК имел диапазон рабочих орбит на высотах 200 и 1000 км и расчётную продолжительность полёта от 7 до 30 суток. В носовой части корабля находилась герметичная кабина общим объёмом 73 кубических метра, в которой размещались экипаж и основная часть оборудования. Особенно остро встал вопрос подбора материалов. В дополнение к обычным авиационным требованиям: прочности, невысокой удельной массе, коррозионной стойкости, технологичности — добавлялось требование по способности материалов работать в очень широком диапазоне температур — от криогенных -130°С до «плазменных» +1600°С, а то и выше. Конечно, такие требования предъявлялись не ко всем материалам, а в основном к материалам теплозащиты и лишь некоторых внешних конструктивных элементов, но от этого задача не становилась проще.
Решать проблему предстояло Всесоюзному институту авиационных материалов, что, впрочем, естественно: ВИАМ был (и остаётся по сей день) головным предприятием по разработке, испытаниям и паспортизации материалов как для авиации, так и для космоса. ВИАМ совместно с соисполнителями успешно решил все поставленные перед ним материаловедческие и технологические проблемы. Так, с внешней стороны орбитальный корабль «Буран» покрыт специальным многоразовым теплозащитным покрытием двух типов в зависимости от места установки. Наиболее теплонапряжённые участки корпуса (кромки крыла, носовой кок) защитили разработанным ВИАМом, НПО «Молния» и НИИГрафит углеродным композиционным материалом «Гравимол». Остальные участки планера покрыли разработанными в ВИАМе плитками на основе пустотелых кварцевых волокон. Общее количество плиток разного формата составило 38 600 шт.
Для наземных испытаний «Бурана» специально построили около 100 экспериментальных установок, 7 комплексных моделирующих стендов, 5 летающих лабораторий и 6 полноразмерных макетов орбитальных кораблей. (Подробнее см.: «Многоразовая космическая система «Энергия — Буран», М. НПП «ОмВ—Луч». 2004 г., 356 с.»). Когда в НПО «Молния» приступили к созданию «Бурана», специалисты ВИАМа уже вели разработки теплоизоляционных материалов. Основой таких материалов были нитевидные кристаллы некоторых тугоплавких соединений: карбида и нитрида кремния, оксида алюминия и других.
Буквально с первых шагов работы над материалами для «Бурана», а это была далеко не только теплозащита, практически всё, из чего была сделана «птичка», либо разработано в ВИАМе, либо прошло здесь испытания и паспортизацию, стало ясно, что проблема может быть решена только в комплексе. Ведь недостаточно разработать теплозащитный материал, надо создать технологию его изготовления в заводских условиях, надо придумать, какой формы должны быть элементы теплозащиты, надо суметь сделать плитку такой, чтобы она обеспечивала не только тепловую защиту несущих конструкций корабля, но и его аэродинамику. Надо придумать, каким образом закрепить теплозащиту на металлических конструкциях планера, это тоже задача не тривиальная: коэффициенты температурного расширения металла и плитки существенно разные, и плитка не должна отрываться от корпуса. Вот и появилась задача создания специальных фетров-подложек. Размеры и форма плитки должны быть такими, чтобы при нагреве (и соответственно расширении) соседние плитки не разрушили друг друга, а при охлаждении между ними не оказались бы слишком большие зазоры. Эту задачу можно решить, установив между плитками деформируемые вкладыши, но их на тот момент и в помине не было, предстояло их создать буквально с нуля.
Уже в самом начале проектирования «Бурана» было понятно, что наиболее нагруженными в тепловом отношении станут носовой обтекатель и передние кромки крыльев. И как вскоре стало ясно, для обеспечения их правильной формы нужен относительно тонкий, весьма термостойкий, лёгкий и прочный материал. Для окантовок иллюминаторов нужен металл — какой? В начале работы было сделано несколько предложений, но прошло, разумеется, только одно. А ещё металл потребовался для изготовления тормозов.
На корабле был устроен довольно обширный отсек полезного груза. Материал для его створок должен был быть очень лёгким, жёстким, прочным, сохранять работоспособность при низких космических температурах и прочность при повышении температуры во время входа аппарата в атмосферу. И также, практически с первых дней работы над проектом, было понятно, что для закрепления теплозащиты на корпусе корабля не годятся механические крепёжные детали, подходит только клей. Но подходящего клея тогда не было, и хотя некоторые исследования в сходных направлениях проходили, готовый вариант отсутствовал. Для защиты конструкции от влаги нужны были гидрофобизаторы, ведь космический самолёт на Земле может элементарно попасть под дождь, а, кроме того, простое изменение влажности воздуха способно напитать пористую плитку влагой. Поверх теплозащиты нужно нанести дополнительное покрытие, защищающее материал от эрозии да и просто придающее ему гладкость. И это далеко не полный перечень задач, которые встали перед Институтом авиационных материалов. Надо сказать, что все эти задачи были решены.

До выхода Постановления по многоразовой космической системе неоднократно проводились совещания, на которых в моём присутствии М.В. Келдыш убеждал руководство Министерства обороны в необходимости создания МКС. Основным доводом, оправдывающим нежелание создания МКС, у Министерства обороны было утверждение, что такой вес — 30 тонн — они и ракетой забросят, куда нужно. М.В. Келдыш возражал, утверждая, что если ядерный заряд на Москву будет сброшен где-то в зоне Архангельска, то сбить его будет невозможно. Тогда этот аргумент М.В. Келдыша не был принят во внимание, и только после нырка шаттла до высоты 80 км над Москвой Постановлению по МКС был дан форсированный ход. При этом быстро определили, что МОМ будет отвечать за ракету-носитель, МАП — за «птичку», как тогда, соблюдая секретность, называли в открытую будущий «Буран».

ВИАМ утвержден «головным исполнителем по созданию специальных теплозащитных и жаропрочных материалов

Во исполнение Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 17 февраля 1976 г. № 132-51 приказами Министерства авиационной промышленности в 1977 году ВИАМ был утвержден «головным исполнителем по созданию специальных теплозащитных и жаропрочных материалов». В том же году ВИАМу было поручено «изготовить теплоизоляционные материалы и тугоплавкие металлы, элементы из теплозащитных и жаропрочных конструкционных материалов для установки на "Бор-4"».
В 1978 году ВИАМу поставлена задача «совместно с НИАТ организовать на Воскресенском филиале выполнение работ по изготовлению деталей и узлов конструкций из сплава АБМ-1 и их доставку Тушинскому машиностроительному заводу».
В 1979 году институту поручено «рассмотреть и согласовать элементы конструкций из материала углерод-углерод и совместно с Тушинским машиностроительным заводом представить предложения по организации производства деталей из углерод-углеродных материалов».
В 1981 году—«обеспечить согласование технических условий, разработку и поставку Тушинскому машиностроительному заводу материалов для производства элементов теплозащитного покрытия (тетраборида кремния, фетров ATM-16, ATM-19, препрега для ATM-16ПКП и ATM-19ПКП, пенопластовых плит)».
В 1983 году ВИАМу ставится задача «завершить разработку и передачу предприятиям-соисполнителям работ директивной технологической документации для освоения специальных технологических процессов и материалов».
В 1985 году во исполнение решения Комиссии Президиума СМ СССР по военно-промышленным вопросам ВИАМу надлежит «разработать и внедрить технологии изготовления деталей модели “Бор-6” из теплозащитного материала ТСПК-101 с пониженной температурой формирования». В том же году во исполнение Постановления СМ СССР от 25.09.1985 г. ВИАМ назначается головной организацией «по разработке технологии и нанесению светофильтрующего покрытия на остекление скафандра, выработке рекомендаций по применению титановых сплавов для изготовления баллонов сжатого воздуха и нанесению оплётки на баллоны, выработке рекомендаций по применению конструкционных материалов для автономного скафандра и установки маневрирования».

Создание «плитки» из ультратонкого кварцевого волокна

Цель ставилась однозначно: в кратчайшие сроки создать широко известную теперь «плитку» из ультратонкого кварцевого волокна и организовать её производство. Сложность состояла в том, что к началу проектирования «Бурана» в стране не было необходимого сырья—высокотемпературного, особо чистого, супертонкого (диаметром 1,5-2 мкм) кварцевого волокна, работоспособного при температурах до 1250°С. 12 апреля 1977 года в ВИАМе был издан приказ о создании теплозащиты для «Бурана». К декабрю того же года Иван Степанович Силаев (в то время заместитель министра авиационной промышленности) поставил перед институтом задачу выпустить первые сто плиток. Впрочем, создать плитку—это даже не половина дела, хотя и важнейшая его часть.
Перед институтом стояла задача построить полноценную систему тепловой защиты многоразового космического корабля, решив при этом комплекс частных, но от этого ничуть не менее сложных проблем, начиная от создания клеёв и подложек, внешних покрытий, защищающих материал от влаги и атмосферных воздействий, заканчивая раскроем отдельных деталей и организацией послеполётного ремонта и восстановления покрытий. Поскольку материал теплозащитных плиток должен быть предельно лёгким (волокнам в нём отводилось менее 10% объёма, остальное занимали поры), сложнейшей проблемой было обеспечение его достаточной механической прочности. Для этого нужно было выполнить непростое условие—в местах соприкосновения волокон друг с другом осуществить их соединение, чтобы они в результате образовали единый жёсткий пространственный каркас. Пришлось разрабатывать принципиально новые связующие и технологии изготовления плитки. Более того, для обеспечения её работоспособности потребовалось создать эрозионностойкое влагозащитное покрытие с высокой степенью черноты (более 0,8) для снижения температуры поверхности. А затем — высокотемпературные клеи и демпфирующие подложки (фетры) для закрепления теплозащитных плиток (ТЗП) на алюминиевой обшивке «Бурана».
Надо отдать должное Г.Е. Лозино-Лозинскому: вначале — еженедельно, а затем — каждые две недели он собирал специалистов ВИАМа для детального обсуждения хода работ и организации необходимой помощи при возникновении трудностей. Итогом работы стали новые теплозащитные материалы (ТЗМ) на основе нитевидных кристаллов нитрида кремния, кварцевых волокон и волокон оксида алюминия (ТЗМК-10/2,5 и ТЗМК-25), работоспособные до температуры 1250°С. При очень невысокой плотности (соответственно 0,15 и 0,25 г/см3) они обладают также очень низкой теплопроводностью. Теплозащита многоразового космического корабля предназначена для работы в зоне воздействия высокотемпературного воздушного потока, который может вызвать разрушение поверхности плиток. В связи с этим каждый элемент требовалось снабдить наружным покрытием, которое обеспечивало необходимые оптические характеристики для переизлучения теплового потока, эрозионную защиту и защиту от попадания в плитку воды и влаги. Для этого в институте разработаны покрытия двух типов: «чёрные» ЭВ-4-4М1У-3 и ЭВ-4 с высокой излучательной способностью - для защиты нижней части планера от наибольших тепловых нагрузок при спуске в плотную атмосферу и «белое» ЭВС-6, ограничивающее температуру нагрева верхней части планера от солнечного излучения в орбитальном полёте. Ничуть не менее сложной задачей была защита плитки от насыщения её водой.
Материал плитки имеет высокую пористость и гидрофилен по своей природе, он может сорбировать до 70% влаги (по массе). Понятно, что это не только приводит к недопустимому повышению массы и может вызвать чрезмерное утяжеление изделия, но и ухудшает все рабочие параметры ТЗП. При выходе изделия на орбиту вследствие интенсивного испарения влаги покрытие просто разрушится вместе с верхним слоем плитки. Допустить этого ни в коем случае нельзя. И эту задачу в ВИАМе удалось решить. Были разработаны гидрофобизаторы К-21 и К-21ИТ и капиллярная установка для их нанесения на плитку. Вторым этапом стала разработка гидрофобизатора и способа его нанесения на ТЗП непосредственно на изделии, без термообработки.
Для объёмной гидрофобизации плитки непосредственно на изделии была отработана технология с использованием паровой фазы химических соединений с невысокой температурой кипения, большой летучестью и упругостью паров. После гидрофобизации на поверхность силикатного покрытия плитки дополнительно наносилась лаковая плёнка для защиты от атмосферных осадков, сублимирующаяся при температуре выше 300°С и не влияющая при сублимации на силикатное покрытие плитки. В процессе сублимации с поверхности плитки все загрязнения неизвестного состава улетучивались.
Поскольку теплозащитный материал и обшивка изделия имеют сильно отличающиеся коэффициенты линейного расширения, крепление его непосредственно к обшивке привело бы к появлению в конструкции напряжений и самопроизвольному разрушению плитки. Поэтому плитку не устанавливали непосредственно на металл корпуса, а крепили к обшивке через демпфирующую подложку-фетр. Для его создания были разработаны термостойкие органические волокна типа фенилон, терлон, аримид и лола. Из этих волокон (в различных сочетаниях) специалисты нашего института создали несколько совершенно уникальных материалов. В качестве демпфирующей подложки использован фетр ATM-15, для вкладышей, обеспечивающих допустимую температуру в зазорах между элементами ТЗП, — ATM-16, а для зон планера, где температура не превышает 370°С,—гибкое теплозащитное покрытие ATM-19. Разумеется, и для этих материалов разработана гидрофобизация, а для материала ATM-19 — эрозионностойкое покрытие.
Для склеивания материалов в теплозащитном элементе и крепления теплозащитных материалов к обшивке изделия совместно с ГНИИХТЭОС мы создали клей-герметик холодного отверждения Эластосил 137-175М, имеющий в отверждённом виде удлинение выше 100% и диапазон рабочих температур от -130 до +350°С. Уникальная тепловая защита многоразового космического корабля «Буран» была сформирована на его поверхности под руководством специалистов ВИАМа на Тушинском машиностроительном заводе при участии сотрудников НПО «Молния» и ОНПП «Технология». По целому ряду характеристик (прочность плитки, аэродинамическое качество, степень черноты и каталитичность покрытия) она значительно превосходила американский аналог, разработанный для системы «Спейс Шатгл». Из 38 600 плиток теплозащиты «Бурана» лишь единицы были повреждены или утеряны при посадке, тогда как в первом полёте шаттла было потеряно значительно большее количество плиток.

Фетровая подложка плитки и средство неразрушающего контроля — присоска

Когда Лозино-Лозинскому показали первый образец нетканого материала демпфирующей подложки плитки, он сказал: «Эдуард Константинович, и вы думаете, что на этот материал, напоминающий толстое шерстяное одеяло, можно крепить плитку?» Я ответил, что вижу единственный выход — подобрать пропитку и калибровать до требуемой толщины при температуре под плитами пресса. Глеб Евгеньевич согласился, и работы по этому направлению продолжались уже в части выбора волокон, пропитывающего состава и режимов калибрования. Калиброванный фетр приклеивался к обшивке, покрытой грунтом ЭП-0214. Вообще, этот грунт трёхкомпонентный и состоит из полуфабриката (суспензии пигментов и наполнителей в растворе эпоксидной смолы), раствора каучука и отвердителя.
На одном из совещаний было принято решение поставлять грунт в виде двух компонентов: сразу на Опытном заводе ГИПИ ЛКП вводить в полуфабрикат раствор каучука, а при окраске вводить только отвердитель. Но, вероятно, нечётко прошла команда, и Опытный завод ГИПИ ЛКП поставил трёхкомпонентную грунтовку. Военное представительство заставило вернуть грунтовку обратно с тем, чтобы она была поставлена в виде двухкомпонентной. Когда грунтовку возвратили на Опытный завод, все попытки размешать полуфабрикат, затаренный в круглые 8-килограммовые банки, оказались безуспешными. Тогда было принято решение слить в мешалку раствор эпоксидной смолы, перевернуть банки, вырезать дно у каждой и сбросить в мешалку осевший на дно не размешивающийся осадок из пигментов и наполнителей. Затем в мешалку добавлялось соответствующее количество раствора каучука. Такой двухкомпонентной грунтовкой ЭП-0214 покрывалась вся наружная поверхность планера, и после её сушки наклеивались по разметке фетр-вкладыш и фетр-подложка с плиткой.
После оклейки всей внешней поверхности МКС «Буран» плитками, естественно, возник вопрос, насколько прочно приклеена плитка к фетру-подложке и фетр-подложка к грунтовке ЭП-0214. Конечно, средства неразрушающего контроля были, но возникали сомнения в правильности этих показателей, так как цена вопроса была исключительно высокой. Меня самого этот вопрос очень сильно беспокоил, и я вспомнил, что некоторые аксессуары в ванных комнатах крепятся к кафелю на присосках, и сказал об этом Лозино-Лозинскому. Он эту идею воспринял и реализовал. И появилась полная уверенность в качестве приклеивания, так как с помощью присосок определялась прочность приклейки каждой плитки.

Пассивные системы терморегулирования (терморегулирующие лакокрасочные покрытия)

Поддержание теплового баланса космического корабля «Буран» организовали с помощью пассивных систем терморегулирования (терморегулирующие лакокрасочные покрытия). Известно, что они существенно дешевле, а во многих случаях и надёжнее активных систем. Терморегулирующие покрытия (ТРП), разработанные ВИАМом, в зависимости от радиационных оптических характеристик (поглощательной, отражательной и излучательной способности солнечной радиации) подразделяются на классы: «солнечные отражатели» — цвет белый, «истинные отражатели» — цвет серебристый, «истинные поглотители» — цвет чёрный или тёмно-серый.
Специально для космического аппарата «Буран» (для внутренней поверхности створок отсека полезного груза и панелей РТО) В.А. Молотовой и Н.Е. Маловой были разработаны ТРП класса «солнечные отражатели» — эмаль КО-5191А и бензоспиртостойкая эмаль КО-5258 (для комплекта оборудования космонавтов: шлем, ранец). На некоторые элементы конструкции эмаль КО-5191А наносилась на Новосибирском авиационном заводе под руководством В.А. Молотовой и Н.Е. Маловой.
Для элементов конструкции шасси и панели под ЭВТИ ими же были рекомендованы ТРП класса «истинные отражатели» — эмали ВЭ-30 серебристая и ВЭ-50Э (с повышенной бензостойкостью), разработанные специально для «Бурана». На сотовых конструкциях «Бурана» (кожух PH-ВТ) и щитках элерона применены ТРП класса «истинные поглотители» — эмали КО-818«К», КО-819, КО-819А и ВЭ-38 со стабильными показателями при длительном термостарении при температуре до 800°С.

Кварцевое волокно — сырьё для изготовления плиток

Было ясно, что для изготовления плитки многоразового использования нужен кварц высокой чистоты, не менее 99,97. Такого кварца в СССР не было. Для начала пришлось закупить во Франции тонну кварцевых волокон, изготовленных из бразильского кварца. Но строить такую серьёзную и на тот момент совершенно секретную работу на импортном материале было нельзя. Поэтому Министерство геологии получило задание найти в нашей стране месторождение кварца подходящей чистоты. И оно было найдено—Кыштымское месторождение (Южный Урал). И только после этого во ВНИИСПВе (Институт стеклопластиков и стекловолокна в д. Андреевка, под Крюковом. — Прим. ред.) приступили к работам по изготовлению кварцевого волокна диаметром 3 мкм и организации его тоннажного производства. Необходимые для этого кварцевые штабики диаметром ~200 мкм вытягивали в Гусь-Хрустальном.
Первые плитки получились хорошие, однако через некоторое время пошёл сплошной брак. Оказалось, что весьма важным была не только чистота исходного материала и чистота работы с ним, но и условия обжига. Когда в обжиговую печь попадали примеси, грубо говоря, когда плитку ставили в «грязную» печку, всё усаживалось и рассыпалось. Между прочим, проблема с чистотой материалов и соблюдением чистоты в технологии была и при работе с покрытиями. Борьба шла за то, чтобы в покрытиях не было примесей, которые могли бы повлиять на свойства и плитки, и самого покрытия, но одновременно присутствовали бы вещества (или вещество), защищающие плитку. Таким соединением оказался тетраборид кремния.

Отказ от американского пути создания эрозионностойких покрытий для плиточной теплозащиты

Мне предстояло срочно решить, по какому направлению идти при разработке эрозионностойких покрытий для отечественной плиточной теплозащиты «Бурана»: взять американский вариант или продолжить исследования двухслойных покрытий, предложенных нами Г.Е. Лозино-Лозинскому на еженедельных совещаниях в его кабинете по средам. В ВИАМе А.Ю. Берсеневым с сотрудниками были проведены эксперименты по варке реакционно отверждаемого стекла. Эксперименты подтвердили наши предположения о нестабильности его свойств и состава из-за высокого содержания борного ангидрида. Другим противопоказанием были очевидные трудности организации промышленного производства этого стекла. В нашей стране не имелось соответствующих производств, специалистов, а главное — людей, заинтересованных в сложной и ответственной работе по поставке Тушинскому машиностроительному заводу (ТМЗ), которому было поручено изготовление «Бурана», крупных промышленных партий реакционно отверждаемого стекла. Кроме того, разработка технологии получения этого стекла в лабораторных условиях, как и последующие создание и организация его серийного производства, потребовали бы очень много времени, могли привести к срыву всех сроков изготовления «Бурана».
В институте имелась американская плитка с покрытием на основе реакционно отверждаемого стекла. Внешний вид покрытия не создавал впечатления о высоком качестве и однородности защитного слоя. Покрытие шероховатое, пористое, поверхность неровная, разнотонная по цвету, углы плитки с усадками. Все эти факторы подвигнул и меня на принятие рискованного решения: во-первых, отказаться от американской технологии получения реакционно отверждаемого стекла и покрытия на его основе и, во-вторых, разработать составы и технологии отечественных покрытий для плиточной теплозащиты «Бурана».
Американцы много писали о необходимости соблюдать высокую степень чистоты при производстве теплозащитных плиток из кварцевого волокна. Для обеспечения чистоты в производственных помещениях они использовали комплекс мероприятий: спецодежду и обувь, многократную мокрую уборку, специальную футеровку и безопасные нагреватели в печах, контроль атмосферы печей и др. В радиусе около километра от завода, где изготавливалась «Колумбия», были удалены все цветы и скошены травы, дающие пыльцу при цветении.
Необходимость соблюдать чистоту связана с влиянием загрязнений на кристаллизацию кварцевого стекла при нагревании. Эта проблема очень скоро появилась и у нас. Для повышения технологической культуры исследований в помещениях лаборатории были вывешены красочные плакаты с призывами соблюдать высокую чистоту в помещениях, а сотрудники проходили регулярный инструктаж по правилам соблюдения чистоты при проведении экспериментальных работ. Были приобретены специальные кварцевые колпаки и контейнеры, в которых проводился обжиг покрытий. По этой причине эксперименты значительно усложнялись, требовалось больше времени. Скоро от этих способов защиты отказались, доказав, что кристобалит в покрытиях и плитках не образуется, если используются сырьевые материалы высокой чистоты (бесщелочные стёкла, деионизированная вода и т.д.).

Как приклеивали фетровый демпфер и теплозащитную плитку на корпус

Мы уже говорили, что крепить плитку непосредственно на металлические конструкции корабля нельзя. В качестве демпфера использовали специальный фетр. Сначала на корпусе аппарата делали точную разметку расположения плиток (каждой плитке присваивали уникальный номер). По этой разметке приклеивали полосы фетра-вкладыша так, что они перекрывали границы расположения соседних плиток, а под средними частями плиток оставались свободные места-«гнёзда». Получалась своеобразная фетровая сеть с гнёздами. Затем на каждую плитку со стороны, которая примыкает к корпусу корабля, приклеивали фетровую подложку по размеру чуть меньше, чем плитка, но точно совпадающую с соответствующим гнездом. Края плитки оставались свободными, но, когда плитку ставили на предназначенное ей место, подложка попадала в «гнездо», а края плитки прижимались к уже приклеенной к корпусу фетровой сети вкладышей, имеющей несколько большую толщину, чем подложка.
Ещё раз отметим, что на «Буране» почти не было одинаковых плиток, каждая была оригинальной по форме, имела свою толщину, кривизну поверхности. Соседние плитки должны были совпадать как по форме сопрягаемых поверхностей, так и по толщинам, ступеньки в сочленениях более 0,1 мм были недопустимы. Не только изготовить, но и просто спроектировать их было очень сложно. Наверное, впервые в отечественной практике было использовано компьютерное проектирование такого огромного количества разнообразных деталей, как теплозащитные плитки для «Бурана». Вероятно, иной подход был попросту невозможен, ведь только на плитки пришлось бы выпустить более сорока тысяч (!) чертежей.
Кстати, к вопросу о бесполезности проекта «Буран»: именно такая безбумажная технология сейчас широко используется в авиационной промышленности. Например, истребители ОКБ им. Сухого проектируют в Москве, а делают на Дальнем Востоке. Возить чертежи на такие расстояния долго и дорого, да и внесение любых изменений потянет за собой потерю времени. А освоенная ещё на «Буране» технология компьютерного проектирования позволяет работать синхронно и в КБ, и на серийном заводе. Конечно, конструкторские технологии с тех пор ушли довольно далеко, но приобретённый опыт пригодился.
Но вернёмся к установке плиток на корпус. Казалось бы, всё просто, все плитки и «гнёзда» пронумерованы, знай себе наклеивай. Однако сложностей хватало и в этом процессе. Прежде всего, нужно было разработать термостойкий клей. Но одной термостойкости недостаточно, клей не должен был вызывать коррозию в металлической конструкции, не должен был изменять свойства плитки и фетра, а кроме того, он должен был быть удобным в использовании, технологичным.
Производство клея организовали на опытном химическом заводе ГНИХТЭОС в Данкове Липецкой области. Коль скоро речь зашла о клее, то нужно заметить, что клеевых соединений в «Буране» было исключительно много. Вся теплозащита крепилась на клее, многочисленные сотовые конструкции тоже делались по технологии склеивания. Да и сама технология приклеивания плитки к корпусу тоже была уникальной и весьма оригинальной. Плитка не должна впитывать воду, так как впитывание может привести к увеличению массы летательного аппарата, отрыву плиток в виброакустической среде или повреждению покрытия при замерзании воды. Плитка на 93% состоит из пустот. Для закрытия пустот и упрочнения приклеиваемой поверхности плитки применяли смесь кремнезоля с порошком аморфного оксида кремния. Процесс упрочнения приводит к повышению плотности поверхности материала плитки, которая приклеивается к фетру, и, следовательно, прочности крепления теплозащиты к поверхности орбитального корабля.
Клей для «Бурана» получил название «Эластосил 137-175М». Он отверждался при комнатной температуре, имел в отверждённом виде удлинение выше 100% и диапазон рабочих температур от -130 до +350°С. Высокая эластичность клея предотвращала возможное разрушение фетра и плитки во время его отверждения. Как уже говорилось, выпускали клей в Данкове и упаковывали его в специальные тубы. Это было очень удобно в технологическом плане и для изготовления, и для последующего применения.

Вакуумные мешки

Мы разработали исключительно интересную технологию приклеивания плитки к корпусу. В большинстве точек фюзеляжа «Бурана» прижать плитку к металлу было невозможно — отсутствовали точки, в которые можно было бы «упереться». Тогда мы решили прижимать плитки, используя вакуум. Делалось это так: к металлической поверхности корпуса, специальным образом загрунтованной и окрашенной, по контуру приклеивали горловину вакуумного мешка, под которым размещались плитки. Затем из мешка откачивали воздух, и наружное давление плотно прижимало плитку к поверхности корабля. После соответствующей выдержки вакуум отключали и мешки удаляли. Вот здесь и срабатывала предварительная подготовка поверхности под края мешков: с поверхности, к которой приклеивали мешки, нужно было полностью удалить клей, чтобы он не повредил фетр и плитки, которые будут приклеиваться на эти места. Это оказалось не очень просто, но сотрудники института справились и с этой работой.
Клеи расфасовывали в специальные герметично закрывающиеся тубы, чтобы исключить контакт с воздухом. Когда же клей наносили на поверхность, он контактировал с влагой, содержащейся в воздухе, и начинался процесс отверждения. Кстати, было разработано несколько вариантов клея. Один — штатный, который использовали в нормальном технологическом режиме установки плиток. Время образования завулканизованной плёнки на поверхности клея, препятствующей получению качественного соединения при штатной температуре, 50 минут. За это время на монтаже успевали нанести клей на определённый участок (под несколько плиток, поскольку клеить их по одной нерационально, да и очень долго), уложить в необходимом порядке все плитки, закрыть их вакуумным мешком и прижать на 18 часов. Именно за такое время клей набирает свои рабочие параметры. Другой вариант — ремонтный. Для ремонта была важна более высокая скорость отверждения. Специалистам ВИАМа и ГНИХТЭОСа удалось создать состав, который отверждался всего за 20 минут. Наконец, был создан и ещё один вариант — с увеличенным временем отверждения. Этот состав мог потребоваться в тех случаях, когда температура была несколько выше расчётной. Жизнеспособность этого состава в открытом виде при нормальной температуре была существенно выше, чем у «стандарта», — почти два часа. Если же на монтаже температура оказывалась выше нормативной, то такой «долгоиграющий» клей работал так же, как стандартный.

Гаечный ключ и ремонтные технологии

При разработке такого сложного изделия, как корабль «Буран», приходится принимать в расчёт самые невероятные ситуации. Например, для «Бурана» была разработана технология восстановления теплозащиты в космосе на случай выбивания плитки на взлёте или при попадании микрометеорита либо космического мусора. Но иногда сама жизнь заставляет разрабатывать приёмы и технологические операции, необходимость которых не приходила в голову никому.
Вот конкретный случай, произошедший уже на Байконуре. Створки отсека полезного груза (ОПГ) не предполагалось ремонтировать. Посудите сами, что может произойти со створкой — это огромная деталь, и единственная мыслимая возможность её повреждения — на стадии транспортировки корабля на космодром. Тогда створка просто меняется целиком. Но случилось иначе. Корабль стоял в цехе на космодроме и проходил последние предполётные подготовительные операции. Вокруг корабля были установлены леса для монтажа внешних элементов. И вот с этих самых лесов кто-то из рабочих случайно роняет довольно массивный гаечный ключ. И конечно, по закону бутерброда этот ключ падает прямёхонько на створку ОПГ и пробивает её насквозь. Заметим, что толщина обшивки составляет всего 0,4 мм. Отверстие было относительно небольшое, поэтому приняли решение попробовать отремонтировать створку на месте. Но технологии ремонта для углепластиковых створок тогда не было, пришлось придумывать её на месте. На Байконуре в это время работали сотрудники ВИАМа — Галина Андриановна Иванова, Лариса Павловна Козлова, Игорь Владимирович Соболев. В режиме телефонных консультаций с ВИАМом они быстро придумали технологию восстановления створки. Створка была трёхслойной: два слоя обшивки — наружный и внутренний, а между ними — специальные соты.
Технология получилась такой. Повреждённый участок небольшой фрезой вырезали из створки вместе с сотами. Затем в отверстие вкладывали заранее смазанный клеем вырезанный точно по размеру фрагмент сот с уже приклеенной обшивкой. На всё это хозяйство накладывали два слоя пропитанной связующим углеродной ленты и приклеивали. Главная сложность была в том, что в покрытии створки по краям отверстия нужно было сделать углубление всего 0,02 мм и в это углубление точно уложить углеродную ленту. При этом требовалось добиться того, чтобы на поверхности створки не было ступеньки, а адгезионной прочности по обшивке было достаточно, чтобы включить отремонтированный элемент в работу конструкции.

Уникальные материлы для «Бурана»

Г.Е. Лозино-Лозинский принял решение, что носовой обтекатель корабля мы будем делать точно по технологии американцев, но из наших материалов. Поэтому заготовку из углепластика формировали в термопечи вакуумным способом. В качестве армирующих наполнителей использовали ткань ТКК2. Но для материала требовалась высокая прочность на межслоевой сдвиг, поэтому, чтобы создать поперечные связи в заготовке, решили её предварительно прошивать. Обратились во ВНИИВ, и там для нас разработали специальную углеродную нить, которую можно было использовать в ручных прошивных машинках. Ткань была углеродная, с покрытием карбида кремния, а в качестве связующего использовали бакелитовый лак ЛБС — это фенольный лак, один из первых бакелитовых лаков. Нам к тому времени были известны все данные по его коксуемости, то есть были более или менее отработаны режимы карбонизации и свойства образующегося при этом кокса.
Обтекатель делали по препреговой технологии: ткань сначала пропитывали связующим ЛБС, затем производили выкладку и прошивку специальной нитью. На этом этапе за изготовление заготовки, её формование, прошивку, карбонизацию, методы контроля и т.д. отвечал ВИАМ. Мы работали в теснейшей кооперации с НИАТом, специалисты которого разрабатывали необходимую технологическую оснастку. Её, кстати, нужно было ещё изготовить, испытать и наладить, и наши коллеги с этим неплохо справились. Они же написали директивный технологический процесс, который затем передали на Московский электродный завод, где было организовано производство. Созданный в результате наших усилий материал получил название ГРАВИМОЛ — по начальным буквам слов «ГРАфит», «ВИам» и «МОЛния» (см. «Наука и жизнь» №6, 2007 г. — Прим. ред.)
А вот для передних кромок крыльев «Бурана» Главный конструктор потребовал разработать иной углеродный материал, не прошитый, а многослойный объёмного плетения. Практически таких тканей не было. ВИАМ разработал на этот материал техническое задание, и по этому ТЗ ВНИИВ создал новую ткань, из которой и формировали заготовки кромок крыльев. Это уже был не слоёный пирог из тонких тканей, а единый многослойный объёмный материал толщиной слоя около 2,5 мм. В качестве связующего там применялось жидкофазное связующее ФН, а сама пропитка проводилась под давлением в герметичных формах. За формирование и карбонизацию материала отвечали ВИАМ и НИАТ. Все последующие переделы были уже в руках НИИГрафита.
Материал, с которым приходилось тогда работать, очень непростой. Например, одной из задач при его создании было получение заранее заданной пористости. Мало того что пористость была регламентирована, нужно было ещё сделать так, чтобы поры в готовом материале были открытыми. В противном случае делалось невозможным пироуплотнение материала. Открытые поры нужны были и для проведения боросилицирования. Словом, только с открытыми порами можно было эффективно провести окончательную обработку материала. ВИАМу удалось найти такие режимы, хотя времени ушло на это немало. В конечном итоге в материале содержалось и нужное количество кокса (он образуется на стадии карбонизации), и необходимое количество пироуглерода, образующегося в процессе пироуплотнения. Материал был создан, но проблемы на этом не кончились.
Надо сказать, что во время работы над материалом регулярно проводились оперативные совещания (обычно оперативка проходила еженедельно по четвергам). Проводил их первый заместитель министра авиационной промышленности Аполлон Сергеевич Сысцов. Оперативки проходили и в ВИАМе, и в НИИГрафите, и на НПО «Молния». Особенно остро обсуждались неполадки, а они случались. Впрочем, это естественно: материалы были новые, технологическое их освоение шло параллельно с разработкой.
Одна из таких запомнившихся нештатных ситуаций возникла при изготовлении передних кромок крыльев. Это довольно большие тонкостенные детали, а требования к точности изготовления очень высокие. И вот изготовленную точно по чертежам и в полном соответствии с разработанной технологией деталь снимают с оснастки, а она «раскрывается», то есть меняет форму и уже, конечно, никаким чертежам не соответствует. Стали разбираться, в чём причина, и довольно быстро поняли, что «раскрывают» её термические напряжения, которые возникают в материале в процессе высокотемпературной обработки. Пробовали разные варианты, вплоть до изменения конструкции оснастки, однако решение пришло неожиданно, причём очень простое. Деталь на время термообработки обмотали углеродным волокном ВМН-4, и последние высокотемпературные операции проводили в таком закреплённом, «заневоленном» состоянии, как в смирительной рубашке. После этого створки выходили, полностью соответствующие чертежам.
Долго и трудно решали проблему так называемого самозалечивания стеклообразного покрытия. Небольшие дефекты покрытия — царапины, мелкие трещины — должны довольно быстро и без следа затягиваться. В итоге ВИАМом совместно с НИИГрафитом такое комплексное покрытие было создано. Нижний слой разработан в ВИАМе, а верхний — в НИИГрафите. Это хороший пример правильного сотрудничества. В принципе и та и другая организация могла создать покрытие и сама, но в кооперации сделать это было легче и быстрее. Впрочем, это вообще особенность работы над материалами для «Бурана», главным всё время был результат.
Передние кромки крыльев «Бурана» при входе в атмосферу испытывают колоссальные тепловые и механические нагрузки. Передняя кромка крыла состоит из нескольких элементов. Кстати, стоит отметить оригинальность конструкции: она спроектирована так, что элементы монтируются последовательно, и каждый последующий небольшой своей частью перекрывает зазор между секциями. Тем не менее абсолютной плотности при монтаже добиться невозможно, поэтому потребовалось разработать уплотнительный материал, способный выдержать такую высокую температуру, ведь стояла задача отсечь проникновение плазмы во внутренние полости крыла. Если бы плазма туда попала, полёт неминуемо закончился бы катастрофой. Шнуровые уплотнения из кварцевых нитей не выдерживали температуры, раскручивались и не обеспечивали необходимую заполняемость зазоров.
Требовался тонковолокнистый упругоподатливый материал, которому можно придать форму жгута. Такой материал был найден. Основу его составляли длинноволокнистые — до 5 мм — нитевидные кристаллы БЮ диаметром 0,1—0,5 мм, выращиваемые на углеродной подложке из газовой фазы (пар—жидкость, твёрдое тело). На основе этих кристаллов получали водную пульпу, а затем «бумагу» толщиной ~50 мкм, которую свёртывали в жгут требуемой толщины и оплетали кварцевой нитью для сохранения формы. Такой жгут марки ШТКл-15 выдерживал температуру >1650°С и полностью исключал возможность проникновения плазмы и теплового потока во внутреннюю полость крыла. Материал был очень пористый — доля пустот достигала в нём 95%. И всё бы хорошо, но сделать уплотнение герметичным никак не удавалось.
При укладке бумаги или жгута в зазор не достигались полное его заполнение и нужная плотность. И всё же решение было найдено и, как часто бывает, — очень простое. Жгут, скатанный из термостойкой бумаги, попробовали намочить обычной водой. Получилась эдакая мягкая, как пластилин, «колбаска». Поскольку пористость была очень высокая, «колбаска» оказалась весьма пластичной и податливой. Во влажном состоянии получившиеся жгуты укладывали в зазор, детали стягивали, и материал, обжимаясь, плотно и надёжно закупоривал зазор. Далее вода испарялась, а структура материала полностью восстанавливалась. Этот уникальный материал применялся только на «Буране».

Сколько всего было создано материалов для «Бурана», как ни странно, почти невозможно сосчитать. Только основных было не менее 130, а ведь очень много делалось ещё, как говорится, по мелочи. Была масса вспомогательных материалов, были материалы, которые не пошли в конструкцию, но остались как задел на будущее, было множество материалов, которые нашли применение не только в космической и авиационной технике, — взять хотя бы те же высокотемпературные клеи и герметики. Интересную задачу пришлось решить, разрабатывая внутреннее покрытие створок шасси. По расчётам, получалось, что температура внутренней поверхности створки может подняться до такого уровня, что резина колёс окажется перегретой. Это, конечно, недопустимо, но и «раздувать» теплозащиту створок было по многим причинам невозможно.
Решение нашли такое: для покрытия внутренних поверхностей створок создали эпоксидно-полиамидную эмаль с чрезвычайно низким коэффициентом излучения — порядка 0,2, а для внешней поверхности — термостойкую кремнийорганическую эмаль с очень высоким коэффициентом излучения, но с малым коэффициентом поглощения. В результате получалось, что внешняя поверхность относительно мало энергии поглощала, зато много излучала, а внутренняя — наоборот, практически не излучала. Колёса оставались целыми на всём протяжении испытаний «Бурана».
Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский на первом совещании, проведённом им в ВИАМе, говоря о подходе к созданию МКС, отчётливо (правильнее сказать, в мягкой форме, но весьма жёстко) дал понять, что решения должны быть смелыми и нестандартными, что «спокойные» варианты его не устроят. Так и получилось, многие конструктивные решения и многие решения по материалам оказались с точки зрения стандартных подходов за гранью разумного риска.

Охлаждение створок грузового отсека ОК «Буран»

Створки грузового отсека ОК «Буран» являются самой крупной силовой конструкцией из композиционных материалов, изготовленной в России. Две симметричные створки, составляющие верхнюю поворачивающуюся и раскрывающуюся часть фюзеляжа, навешены на шарнирных узлах по бортам орбитального корабля и в закрытом положении смыкаются в его верхней части. При открытых створках в фюзеляже сверху образуется отсек длиной 18,5 м и шириной до 5,5 м. Общая площадь конструкций створок составляет 144 м2. Теплостойкость гибридного композита, используемого в конструкции створок по рекомендациям института и состоящего из углепластика КМУ-4.008П и «Органита-4», составляла 150°С. Но реальная максимальная температура, до которой материал нагревался, составляла 170°С.
Нормальная логика требовала модификации материала и повышения теплостойкости на 20 градусов. Однако, проанализировав цикл изменения температуры обшивки, мы поняли, что после входа в атмосферу, полёта до аэродрома и посадки слой обшивки, о котором мы говорим, не нагревается даже до 150°С. Нагрев его до 170°С происходит после посадки, когда аппарат уже стоит на Земле. Масса обшивки, нагретая во время входа в атмосферу, отдаёт тепло во внешнее пространство и во внутренние слои, но нагрузка-то уже с конструктивных элементов снята, а та статическая нагрузка, которая остаётся на изделии, стоящем на стоянке, легко воспринимается материалом и при 170°С. Это не только дало экономию по времени, но и позволило использовать очень хороший материал, не увеличивая затрат на его улучшение. Сейчас об этом говорить легко, но тогда нужно было брать на себя ответственность, и давалось это не просто.

Как охлаждали «Буран»

При посадке «Бурана» на Землю необходимо было быстро, практически мгновенно, снизить температуру внутри самолёта. Иначе существовала вероятность пожара, так как пары остатков топлива скапливались во внутреннем объёме и достаточно было искры, чтобы произошло возгорание. Чтобы «мгновенно» остудить самолёт, была спроектирована разветвлённая система воздуховодов. Как только «Буран» садился на Землю, к нему присоединяли установку, нагнетающую охлаждённый воздух. Воздух нужно было быстро подать к большому числу объектов внутри самолёта, поэтому система воздуховодов имела древообразную структуру с диаметром «веток» от 300 до 20 мм и общей протяжённостью десятки метров.
Первая конструкция воздуховода была выполнена из алюминиевого сплава, который на первый взгляд удовлетворял всем необходимым требованиям: прочный, лёгкий, не накапливающий статического электричества. Часть такого тонкостенного алюминиевого воздуховода была уже встроена в «Буран», когда произошёл случай, который попадает под категорию «нет худа без добра». В цехе, где находились подготовленные к монтажу элементы воздуховода, рабочий положил или уронил на воздуховод какой-то предмет (по легенде — сел на него). Воздуховод «схлопнулся», и восстановить его форму не представлялось возможным. Уязвимость при смятии ставила под сомнение работоспособность алюминиевого воздуховода при эксплуатации. Увеличивать толщину стенки было нельзя, это привело бы к недопустимому увеличению веса. «Срочно искать замену алюминию» — такое поручение получил заместитель начальника ВИАМа Б.В. Перов на очередном «сысовнике», которые каждую среду проводил министр Аполлон Сергеевич Сысцов по вопросам «Бурана».
Б.В. Перов предложил использовать новый в то время полимерный материал—органопластик на основе арамидного волокна. Удивительная способность отличала органопластик: при изгибе материал мог деформироваться, не разрушаясь, как и алюминий, но после снятия нагрузки восстанавливал свою форму без ущерба для внешнего вида и эксплуатационных качеств. Как конструкционный материал, органопластик был очень привлекателен для изготовления воздуховодов: в 2 раза легче алюминиевого сплава, прочный, устойчивый к ударным и эрозионным воздействиям. Но, чтобы окончательно одержать победу над своим конкурентом — алюминиевым сплавом, органопластик должен был преодолеть два своих недостатка: электризуемость в потоке воздуха и отсутствие герметичности. Решить эти задачи удалось в процессе отработки технологии изготовления воздуховодов.
Герметичность воздуховодов была обеспечена за счет введения в органопластик тонкого слоя (40 мкм) герметичного пленочного связующего. Это позволило полностью исключить потери воздуха при охлаждении самолета. Чтобы воздуховод не накапливал статического электричества, использовали металлизированную лавсановую пленку, которую наносили на поверхность органопластика при его формовании. Воздуховоды из органопластика изготавливали методом намотки лент препрега шириной 25—40 мм. Чтобы соединить воздуховоды между собой, обматывали их стыки тканой лентой из арамидного волокна СВМ, которую предварительно пропитывали клеем холодного отверждения.
При разработке органопластика для системы охлаждения космического самолета «Буран» были решены задачи обеспечения прочности и жёсткости воздуховода при толщине стенки 0,3—0,4 мм, вопросы его герметичности, отсутствия электризуемости, а главное — была обеспечена гарантия сохранения формы и работоспособности воздуховода при случайных механических воздействиях в процессе изготовления, монтажа и эксплуатации. Система воздуховодов из органопластика для охлаждения «Бурана» на период создания не имела аналогов в отрасли, а использование органопластика вместо алюминиевых сплавов позволило снизить вес космического самолета «Буран» на 50 кг.

Стяжные болты и силовые тяги из высокожаропрочного никелевого сплава ЭП962-ИД

... при изготовлении «Бурана» потребовались обладающие высокой прочностью стяжные болты и силовые тяги. Однако, как и ко многим другим деталям, к ним были предъявлены дополнительные требования: высокая прочность при растяжении в сочетании с достаточной пластичностью, высокими показателями жаропрочности и сопротивления малоцикловой усталости. Этот комплекс свойств должен был обеспечить надёжную работоспособность в процессе эксплуатации при температурах 550—750°С. Подходящий материал, рекомендованный для тяжелонагруженных деталей, был разработан в ВИАМе в 1980-х годах. Это был жаропрочный никелевый сплав ЭП962-ИД (авторы: Б.С. Ломберг, В.Г. Галкина, В.Г. Скляренко), содержащий 45% упрочняющей у'-фазы. Но до этого его использовали только для штамповки дисков газотурбинных двигателей (ГТД). По прочностным характеристикам (ств=155—160 кг/мм2) сплав ЭП962-ИД превосходил все существующие в то время жаропрочные сплавы (ов=120—125 кг/мм2), применявшиеся для изготовления болтов. Исходя из заданных конструкторами размеров стяжных болтов и силовых тяг следовало получить пруток диаметром 35 мм, а детали, изготовленные из него, должны были работать при 600°С и выдерживать значительные механические напряжения.
Для решения этой трудной задачи на Ступинском металлургическом комбинате (СМК) была сформирована комплексная бригада. От ВИАМа в ней участвовали: Б.С. Ломберг, В.Г. Галкина, Д.Е. Герасимов, Ю.В. Малашенко, от СМК — М.П. Юшкин, Н.С. Рахманов, A.B. Кащеева, 82 Н.П. Панин. Перед нами была поставлена задача—разработать и освоить в промышленности технологию получения прутков из сплава ЭП962-ИД, в сжатые сроки осуществить поставку требуемого количества прутков основному изготовителю орбитального корабля «Буран» НПО «Молния». Особенности деформации сплава ЭП962-ИД при получении заготовок дисков были известны достаточно хорошо. Диски делали методом осадки с последующей штамповкой на вертикальных прессах. Прутки же из существующих сплавов изготавливали методом ковки или прокатки в зависимости от требуемых размеров и марки сплава. Однако применить эти методы для производства прутков из высокопрочного сплава ЭП962-ИД не представлялось возможным. Для изготовления прутков из этого сплава нам впервые удалось разработать современную технологию их получения методом прессования на горизонтальных прессах на Ступинском металлургическом комбинате.
Помимо разработки нового способа деформации при изготовлении прутков потребовалось разработать специальные режимы термообработки, которые должны были обеспечить получение стяжных болтов и силовых тяг, отвечающих требованиям технического задания. В результате большого объема работ, проведённых как в институте, так и на СМК, режимы термической обработки были отработаны и внедрены. До этого в металлургической практике из высокопрочных сплавов прутки для заготовок высоконагруженных деталей не изготавливали. Коллективу авторов сплава и сотрудникам СМК удалось решить эту, казалось бы, частную, но, тем не менее, весьма непростую задачу. Так появилась и была освоена промышленная технология деформации и термообработки прутков диаметром 35—45 мм из высокожаропрочного никелевого сплава ЭП962-ИД. В соответствии с разработанной технической документацией была изготовлена и в установленные сроки поставлена на НПО «Молния» партия (600 кг) высококачественных прутков. Стяжные болты и силовые тяги из сплава ЭП962-ИД успешно выдержали стендовые и полетные испытания, что обеспечило надежный полёт «Бурана».

Твёрдосмазывающие антифрикционные покрытия

Для разработки антифрикционных композиционных покрытий были изучены отечественные и зарубежные образцы различных износостойких материалов и твёрдосмазывающих антифрикционных покрытий. Сотрудники ВИАМа доктор технических наук Леон Аветикович Чатынян и кандидат технических наук Валентина Ивановна Жизнякова предложили создать композицию, состоящую из трёхслойного покрытия. На основе их предложения была принята к разработке модель многослойного покрытия, в которой каждому слою отводилась своя функциональная роль при взаимодействии с сопряжённой поверхностью. В качестве первого слоя было решено использовать тантал, который при нанесении электроискровым методом повысит твёрдость поверхности и обеспечит нужную её шероховатость. Второй слой было решено создать из мягкого серебра, нанесённого методом электролитического осаждения. Третьим слоем должна быть антифрикционная твёрдая смазка на основе дисульфида молибдена. Метод электроискрового легирования металлических поверхностей был разработан сотрудниками ВИАМа — кандидатом технических наук Н.И. Лазаренко и ведущим инженером В.П. Разумовым. Второй слой состоит из мягкого серебра, нанесённого на тантал методом электролитического осаждения по технологии, разработанной сотрудниками ВИАМа. Тантал при трении в вакууме с серебряным покрытием обладает высокими антифрикционными свойствами. Третьим слоем антифрикционного композиционного покрытия было решено использовать плёнкообразующий состав ВАП-2. Покрытие применяется в узлах трения-скольжения для снижения трения и износа, а в номинально неподвижных вибронагруженных сочленениях — для предотвращения схватывания и фреттинг-коррозии. Покрытие ВАП-2 имеет высокие физико-механические свойства и работоспособно на воздухе и в вакууме при температуре от -130 до +250°С и удельных нагрузках до 20,0 кгс/мм2.
На основе принятой модели многослойного покрытия в лабораторных условиях ВИАМа начались отработка составов покрытий, разработка технологии послойного нанесения покрытий и исследование уровня свойств композиций. Серебряные покрытия при воздействии трущейся пары заполняют все неровности, шероховатые участки твёрдых покрытий и прочно удерживаются на поверхности. При трении в результате контактного взаимодействия мягких легкоплавких металлов с твёрдыми сплавами 85 образуются новые соединения, обладающие более высокими смазывающими свойствами. Указанный принцип создания композиционных покрытий позволил определить оптимальный состав и предложить пары трения с покрытием для работы на воздухе и в вакууме. Тантал при трении в вакууме с серебряным покрытием обладает высокими антифрикционными свойствами, в этом случае серебро не взаимодействует с танталом и является хорошей смазкой.
При работе на воздухе серебряные покрытия при трении показали более высокое значение коэффициента трения, чем при трении в вакууме. Отработаны технологические режимы изготовления суспензии плёнкообразующего состава твёрдосмазочного покрытия ВАП-2. Суспензия представляет собой раствор дисульфида молибдена в эпоксидном связующем. Покрытие ВАП-2 имеет гладкую матовую поверхность тёмно-серого цвета. Толщина покрытия от 10 до 25 мкм. Покрытие имеет хорошую адгезию к металлу, хорошо сопротивляется удару, эластично (не растрескивается при изгибе вокруг стержня диаметром 1 мм). Прочность при прямом и обратном ударе составляет 50 кгхсм. Прочность при обратном ударе после выдержки в жидком азоте снижается до 40 кгхсм.

Обеспечить заданный весовой лимит тормозного колеса возможно при условии применения бериллия и углеродного фрикционного материала

Многоразовый космический корабль становится по-настоящему многоразовым только тогда, когда у него есть средства, обеспечивающие безопасную многократную посадку. Очевидно, что таким средством является шасси. Конструктивно шасси такого рода аппаратов сходно с шасси тяжёлых самолётов. Однако посадочная скорость аппарата типа «Буран» весьма высока, и для его безопасной и надёжной остановки требуются весьма эффективные тормозные механизмы. Для их изготовления использовано несколько материалов, но основой каркаса тормозных дисков стал бериллий. Следует заметить, что решение это было неоднозначным из-за его (бериллия) определённой токсичности и малой ударной вязкости. Однако помимо прочего к тормозным механизмам предъявлялись исключительно жёсткие требования по весу. Обеспечить заданный весовой лимит тормозного колеса было возможно только при условии применения бериллия и углеродного фрикционного материала.
Идея была поддержана Г.Е. Лозино-Лозинским (он ссылался на американскую фирму «Гудрич», которая работала над созданием тормозных колёс для «Колумбии»), а также ведущими специалистами ВИАМа (В.А. Засыпкиным, И.Н. Фридляндером, К.П. Яценко, В.И. Колесниковой). После многократного обсуждения всех технических вопросов предложенная заводом (г. Усть-Каменогорск) конструкция тормозных дисков с использованием бериллия была утверждена, и работа развернулась по ряду направлений. Было поручено: Усть-Каменогорскому металлургическому комбинату — отработать технологический процесс получения заготовок для дисков методом прессования из бериллиевого порошка; Воскресенскому филиалу ВИАМа (пос. Фаустово, Московская область) — организовать механическое производство 93 каркасов тормозных дисков и их сборку с углеродными секторами; предприятию «Рубин» — создать участок по испытаниям тормозного колеса КТ-182, обеспечив необходимые требования по технике безопасности; институту НИИГрафит и МЭЗ — изготовить по заводской документации сектора из углеродного фрикционного материала «Термар ТД».
В филиале ВИАМа было смонтировано уникальное оборудование термического, гальванического и механического участков, созданы участок неразрушающего контроля и служба ОТК. Для программы строительства серии кораблей «Буран» изготовили около 400 каркасов бериллиевых дисков с защитной системой (всего 10 комплектов). Образцы из каждого диска должны были храниться на заводах-изготовителях до окончания срока службы каждого диска. Но началась вся эта работа для сотрудников Института авиационных материалов с выбора необходимого сорта бериллия. Чтобы получить данные, пригодные для проектирования деталей и узлов конструкционного назначения из бериллиевых материалов, пришлось провести обширные исследования их механических и теплофизических характеристик.

Полученные при решении задач материалы и технологии широко используются в народном хозяйстве: термообработанная пассивная плёнка + высокотемпературная ресурсная эмаль ЭВВФ-4 внедрены в атомной промышленности; пластины, фольга используются в рентгеновских аппаратах и для входных окон в медицинском и специальном приборостроении (разработанная система защиты обеспечивает их экологическую чистоту — серийно выпускается около 1500 шт. в год); применение системы покрытий позволяет проводить объёмную штамповку изделий из бериллия без металлических чехлов — это предохраняет сотрудников от вредных выбросов, приводит к повышению КИМ металла, снижению трудоёмкости процесса. Кроме того, система защиты нашла применение в облегчённых крупногабаритных оптических зеркалах для космической оптико-электронной аппаратуры. Таким образом, бериллий выдвигается в ряд важнейших конструкционных материалов.

Материалы полётов «Бор-4» легли в основу технических заключений головных институтов к первому полёту «Бурана»

Выдающимся достижением учёных и инженеров ВИАМа было создание для «Бурана» абсолютно всей номенклатуры материалов надёжного и технологичного многоразового теплозащитного покрытия различных типов. Это и лёгкая керамическая плитка из материала ТЗМК-10, и демпфирующие подложки АТМ-15 и АТМ-16, и гибкая теплозащита АТМ-19, покрывающие основную поверхность корабля, клей-герметик «Эластосил 137-175М» с модификациями М1 и М2 для крепления теплозащиты. Конечно, следует отметить и выдающиеся результаты, полученные в содружестве с НПО «Молния» и НИИГрафит при создании жаростойкого композиционного материала Гравимол и Гравимол-М типа «углерод-углерод».
После первого этапа работ по паспортизации перечисленных материалов была разработана программа наземных испытаний, целью которой стала имитация факторов космического полёта и условий входа в атмосферу. Опытные образцы покрытий испытывали в тепловакуумных плазменных установках, исследовали на воздействие акустических и вибрационных нагрузок.
Третьим этапом стали лётные испытания в диапазоне до- и сверхзвуковых скоростей, которые проводили на самолётах-лабораториях Ил-18 и МиГ-25. Образцы устанавливались на наружной поверхности в зоне высоких скоростных напоров и акустических нагрузок от двигателя.
Наконец, четвёртым этапом стали испытания в космосе на летающих беспилотных орбитальных моделях «Бор-4», которые должны были подтвердить работоспособность элементов теплозащиты в условиях реального полёта по траектории, близкой к траектории «Бурана». «Бор-4» представлял собой беспилотный экспериментальный аппарат, являющийся уменьшенной копией орбитального самолёта «Спираль» в масштабе 1:2. Он имел длину 3,859 м, размах крыла 2,8 м (в промежуточном положении раскладки консолей), стартовую массу около 1450 кг, массу 1074 кг на орбите и 795 кг после возвращения. Носовой обтекатель «Бор-4» был изготовлен в соответствии с требованиями технологической документации для «Бурана». Впрочем, и все остальные теплозащитные материалы и технология их крепления на фюзеляже и крыльях «Бор-4» полностью соответствовали «бурановской».
В начале марта 1983 года я в составе группы военпредов, осуществлявших научно-техническое сопровождение работ по «Бурану» в ВИАМе, ЦАГИ, НПО «Молния» и на Тушинском машиностроительном заводе, выехал на полигон «Капустин Яр» для участия в предполётной подготовке «Бор-4». От ВИАМа на полигоне уже находился ведущий инженер А.Ю. Берсенев. Задача была не из легких. На «чёрных» покрытиях теплозащитных плиток появились трещины, нужно было их выявить, оценить характер и размеры, а главное, подготовить решение о возможности запуска аппарата в космос. Аналогичная задача была поставлена нашим коллегам из НПО «Молния», Тушинского машиностроительного завода и ЦАГИ. Оценив состояние теплозащиты, проанализировав соответствие «дефектов» результатам, полученным при стендовых испытаниях, мы пришли к выводу, что существующие нарушения сплошности покрытия на некоторых теплозащитных плитках не могут привести к нештатным ситуациям. С этим решением я и мой коллега из военного представительства при НПО «Молния» были приглашены на заседание Государственной комиссии по испытаниям «Бор-4», которое вел её председатель, генерал-лейтенант авиации Герман Степанович Титов. Выслушав доклады, он сказал: «Вы несёте персональную ответственность за это решение, испытание теплозащиты — главная цель этого полёта».
16 марта 1983 года с полигона «Капустин Яр» был произведён пуск лёгкой двухступенчатой ракеты-носителя «Космос-ЗМ» (К65М-РБ5) с «Бор-4» в качестве полезной нагрузки. Это был второй запуск «Бор-4» («Космос-1445») с посадкой в районе Кокосовых островов в Индийском океане. Пуск и полёт прошли успешно, и по результатам натурных исследований проблема теплозащиты «Бурана» была решена окончательно. Материалы полётов «Бор-4» легли в основу технических заключений головных институтов к первому полёту «Бурана». Результатами работ можно назвать и то, что, в отличие от американцев, мы практически обошлись без потерь теплозащиты: если «Колумбия» в своём первом полёте 12 апреля 1981 года потеряла около 30 плиток, то «Буран» — восемь (включая два мата гибкой теплозащиты на верхней поверхности левой консоли крыла). Работы военных представительств, как и всех участников проекта «Буран», были высоко оценены руководством страны.

Особенности полёта орбитального самолёта в атмосфере

Некоторые авиастроители и сейчас считают, что орбитальный самолёт в атмосфере всегда летает по-самолётному, традиционно закладывая виражи, задирая либо опуская нос при наборе высоты или снижении. На самом же деле при входе в атмосферу «Буран» строит свою траекторию очень «бережно» и осторожно, ему просто запрещено так маневрировать. Он сохраняет расчётный угол атаки, на который поставлен весовой балансировкой и положением щитков. Этот угол необычно велик для самолёта, он больше 30 градусов. Нижняя поверхность машины служит как бы гигантским щитом, встречающим тепловые нагрузки и тормозящим действие атмосферы. Самолёт не парит, как обычно, он словно скользит с пологой горы, погружаясь в атмосферу. Чтобы управлять этим скольжением, переходить из слоя в слой, то есть по-разному тормозить и, значит, нацеливаться на разные районы посадки, «Буран» меняет свою подъёмную силу, поворачиваясь вокруг вектора скорости. Этот своеобразный крен обеспечивается координированным разворотом вокруг двух осей самолёта: движением по крену и по курсу. В начальный момент входа этот разворот обеспечивают ракетные двигатели ориентации, затем подключаются элевоны (закрылки), которые вместе с рулём направления и позднее с подфюзеляжным щитком обеспечивают управление в нижних слоях атмосферы, когда перед посадкой самолёт маневрирует традиционным способом.
У руля направления на киле есть одна необычная функция: он ещё и воздушный тормоз. Для этого он «расщепляется» на две створки, и они раскрываются по обе стороны киля. «Буран» не может включить двигатель и уйти на второй круг, промахнувшись мимо посадочной полосы. Он должен только всё время гасить свою кинетическую энергию, но так, чтобы всегда оставался небольшой её запас, уменьшаемый по мере подлёта к аэродрому. В процессе полёта, начиная со схода с орбиты, три бортовые вычислительные системы прогнозируют точку посадки и сообщают потребные управляющие воздействия в штатных и нештатных ситуациях. Все эти системы заранее исследуются и моделируются на наземном полномасштабном имитационном стенде.
При создании «Бурана» впервые пришлось решать проблему многоразовой теплозащиты. Все предыдущие спускаемые аппараты имели одноразовое «жертвенное» покрытие, которое частично разрушалось и тем самым спасало конструкцию от перегрева. Такое одноразовое покрытие имело и теплоизоляционный подслой, препятствующий быстрому подводу тепла к защищаемой поверхности аппарата. А что если всю теплозащиту строить на теплоизоляции? Для этого нужно, чтобы теплоизоляция в начале нагрева выдерживала высокие теплопотоки и не разрушалась. Оказалось, что российский уровень материаловедения позволил это сделать почти на всей поверхности, за исключением самых горячих щелей между элевонами, где пришлось поставить одноразовые панели. В других горячих зонах (на носках фюзеляжа и крыльев) при температурах выше 1600°С удалось применить многоразовые обтекатели. Это был прорыв в новые области тепловой защиты.
О трудных проблемах выбора и испытаний материалов теплозащиты, уплотнений, клеёв и герметиков, об обеспечении теплопрочностных характеристик можно говорить особо, так же как о технологии монтажа и испытаний теплозащиты. Ну кто из нас мог, например, предположить, что для сложных плиток на краях агрегатов, рулей и элевонов наиболее трудной окажется проблема вибропрочности при акустических нагрузках: во время работы двигателей носителя и в моменты «гудения» в воздушном потоке, обтекающем самолёт при спуске с орбиты, уровень шума превышает 168 дБ. 15 ноября 1988 года орбитальный самолёт, завершая космический полёт, вошёл в атмосферу, успешно сделал необходимые манёвры и совершил автоматическую посадку на полосу аэродрома с точностью до нескольких метров при бушевавшем тогда в Казахстане шквальном ветре с порывами до 10 м/с.