Вклад ВИАМ в разработку легких сплавов и борьбу с коррозией изделий ракетно-космической техники

Введение

Космос привлекал ученых, изобретателей и философов еще с древних времен. Но только в ХХ в. с развитием ракетной техники человечество открыло для себя космические полеты. Освоение космоса в прошлом столетии стало основой развития современной науки и техники, а также разработок и исследований во многих областях, таких как машиностроение, приборостроение, информационные технологии, материаловедение и др.

Основоположником мировой космонавтики был русский и советский ученый и изобретатель Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935), изложивший в своих работах технические основы ракетной техники. Ученым была предложена идея многоступенчатых ракет, когда происходит отделение отработавшей части ракеты, что в результате позволяет достичь большей скорости, чем могла бы обеспечить одноступенчатая ракета при равных условиях.

Но первую ракету запустили отнюдь не соотечественники К.Э. Циолковского. Немецкий конструктор Вернер фон Браун в годы Второй мировой войны возглавлял ракетную программу Германии. Им была разработана первая баллистическая ракета дальнего действия Фау-2, которая была принята на вооружение вермахта.

После окончания войны между бывшими союзниками возникли противоречия. СССР и США вступили в противостояние, вылившееся в гонку вооружений. Главной целью военного соперничества стало развитие ядерного оружия, а средством его доставки – ракеты. Так началась охота за немецкой ракетой Фау-2.

После капитуляции Германии из ее столицы в США были вывезены ракеты Фау-2, чертежи и запчасти, а также главный конструктор Вернер фон Браун. Сам конструктор получил американское гражданство и продолжил свою работу в ракетной отрасли, но уже в интересах другого государства.

Советскому Союзу остались лишь некоторые части немецкой ракеты, без чертежей и документации. Для восстановления технологии производства ракеты Правительством СССР было дано распоряжение о создании опытно-конструкторского бюро ОКБ-1, а его начальником назначен Сергей Павлович Королев.

Немалую часть чертежей советским инженерам удалось восстановить по сохранившимся запчастям ракеты Фау-2. Но для создания аналога ракеты необходимо было решить достаточно сложные задачи со значительным объемом работ: 86 марок стали, 56 марок цветных металлов, 159 неметаллических материалов требовали создания отечественных аналогов. Принимая во внимание то, что в Германии ракета Фау-2 создавалась при ограниченном лимите времени и нехватке дефицитных материалов, прежде всего резинотехнических, а также цветных металлов и легирующих элементов для сталей, качество применяемых материалов было невысоким, что крайне негативно сказывалось на надежности всей ракеты.

При подготовке немецкой ракеты к летным испытаниям советские инженеры столкнулись с такими проблемами, как негерметичность, невысокое качество материалов и покрытий, различные технологические и конструктивные недоработки. Поэтому при разработке советской ракеты Р-1 (аналога немецкой ракеты Фау-2) перспективными направлениями стали: обеспечение продолжительного хранения конструкции, разработка методов защиты металлических конструкций от коррозии, исследования коррозионной стойкости конструкций [1–4].

Во Всесоюзном научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ) сразу же приступили к выполнению поставленных задач по тематике ракеты Р-1, чему способствовала передача институту в 1946 г. нескольких производственных площадок для организации экспериментально-технологической базы.

В результате работ по созданию ракеты Р-1 (по подобию ракеты Фау-2) при участии ВИАМ был создан 21 отечественный аналог для 59 марок цветных металлов, заменены 86 немецких марок сталей на 32 отечественные, 87 типов неметаллических марок – на 48 отечественных. Проведенная работа обеспечила технологичность и надежность всего изделия [1–4].

«Холодная война» коснулась не только военной сферы. Противостояние СССР и США проявлялось и в ракетно-космической отрасли. Успех в этом направлении имел не только технологическое, но и идеологическое значение. Противоборствующие стороны стремились к первенству в покорении космического пространства.

Лидерство в разработках и испытаниях космической техники требовало новых решений. Дальность полета боевых ракет и масса полезной нагрузки космических аппаратов зависели от многих факторов – например, от стартовой массы ракеты. Для ее снижения необходимо было использовать металлы с небольшой массой, которые в свою очередь должны были иметь достаточно хорошие прочностные характеристики, чтобы выдерживать заданную нагрузку. Таким образом, широкое применение в ракетной технике нашли легкие сплавы.

Применение легких сплавов

в изделиях ракетно-космической техники

В ВИАМ разрабатываются высокопрочные, жаропрочные, литейные и интерметаллидные титановые сплавы; магниевые и алюминиевые литейные и деформируемые сплавы, а также бериллиевые сплавы.

Алюминий – самый распространенный металл в авиастроении, не зря получивший название «крылатый металл» и нашедший широкое применение в авиастроении, а затем и в космической технике благодаря своим высоким конструкционным свойствам. Алюминий поддается штамповке, имеет хорошую удельную прочность, высокие антикоррозионные свойства.

Титановые сплавы широко используют в ракетостроении, так как они обладают прочностью, сопоставимой со стальными сплавами, но имеют более низкую массу. Титановые сплавы также обладают высокой коррозионной стойкостью.

Бериллий является абсолютным рекордсменом по удельной жесткости (E/d=16000 км (усл. ед.)) среди других металлов. Сочетание высокого значения модуля упругости и минимальной массы дает бериллию выигрыш по удельной жесткости в ~6,5 раза по сравнению со сталью [5].

Магниевые сплавы – как наиболее легкие из конструкционных материалов на металлической основе – тоже получили широкое применение в авиакосмической технике. Использование магниевых сплавов в конструкциях летательных и космических аппаратов обеспечило снижение их массы, улучшив при этом их летные характеристики (увеличив дальность и скорость полета, массу полезной нагрузки и т. д.).

Легкие сплавы, применяемые в конструкциях

летательных и космических аппаратов

Первый искусственный спутник Земли был запущен в СССР 4 октября 1957 г. Конструкция его корпуса представляла собой две силовые полусферические оболочки из алюминиевого сплава АМг6. Алюминиевый деформируемый сплав, обладающий хорошей технологичностью, высоким уровнем пластичности и удельной прочности, был разработан под руководством академика Иосифа Наумовича Фридляндера (рис. 1).

Рис. 1. Спутник №1

В космическом корабле «Восток» (рис. 2), на котором Юрий Алексеевич Гагарин совершил свой первый космический полет, использовались сплавы, разработанные в ВИАМ, а именно: из деформируемого сплава АМг6 были изготовлены корпус спускаемого аппарата и приборный отсек, алюминиевые сплавы АМг2 и АМг3 использовались в трубопроводах, сплавы Д16, Д19, АК6 и АК8 – в силовом наборе, титановые сплавы ВТ6 и ВТ14 – в шаровых баллонах высокого давления, магниевый деформируемый сплав МА8 применялся для изготовления фермы приборного отсека [5–7].

Рис. 2. Космический корабль «Восток-1»

Для системы жизнеобеспечения пилотируемых космических кораблей из алюминиевого сплава В124 центробежным способом литья изготавливались отливки для деталей типа «крыльчатка» (рис. 3).

Рис. 3. Крыльчатка

В советских программах по освоению космического пространства и планет солнечной системы на таких аппаратах, как «Восход», «Венера», «Союз», «Луна» (рис. 4, а, б, в, е), использовались легкие металлы, применялись деформируемые магниевые сплавы МА12, МА14, МА15, МА2-1 для изготовления полуфабрикатов. Следует особо отметить жаропрочный магниевый сплав ВМД-10, который использовали для головных частей разгонного блока «Фрегат», силового набора аппаратов «Венера» и «Марс» (рис. 4, б, г, д), а также для изготовления свариваемого приборного контейнера космического аппарата «ОКО» космической системы предупреждения ракетного нападения (КСПРН) (рис. 4, ж) [8, 9].

В конструкциях космических аппаратов «Луна», «Венера» и «Марс» (рис. 4, а, б, д) широко применялись титановые сплавы ВТ14, ВТ6С, ВТ16 и ВТ2св, что позволило значительно снизить их массу.

На межпланетных станциях серии «Венера», начиная с модификации «Венера-9», широко использовался алюминий-бериллиевый сплав АБМ1, из которого изготавливались фермы крепления панелей солнечных батарей.

Рис. 4. Применение магниевых и титановых сплавов в конструкциях космических аппаратов: космический корабль «Восход» (а); космический аппарат «Венера» (б); космический корабль «Союз» (в); разгонный блок «Фрегат» (г); космический аппарат «Марс» (д); космический аппарат «Луна» (е); КСПРН «ОКО» (ж)

Космический корабль «Астрон» (рис. 5), созданный на базе космического аппарата «Венера», имел титановые шар-баллоны из сплава ВТ23, изготовленные способом сверхпластической деформации. Титановый сплав ВТ23 был выбран также в качестве материала для топливных баков ракеты-носителя проекта «Вега» [10, 11].

Рис. 5. Космический корабль «Астрон»

На НПО им. С.А. Лавочкина использовали сплав ВТ6С при изготовлении шаровых баллонов высокого давления.

Значение знаменитой «семерки» легендарного российского конструктора С.П. Королёва (рис. 6) – двухступенчатой межконтинентальной баллистической ракеты, на базе которой было создано семейство ракет-носителей, сложно переоценить. С помощью этого изделия в космос были выведены множество искусственных спутников Земли и все ракеты с советскими космонавтами. В конструкции ракеты Р-7 использовался магниевый сплав МА2-1. Из титанового сплава ОТ4 для двигателя ракеты РД-108 изготовлены сопловые насадки в камере сгорания, а также из него выполнена рубашка охлаждения. В рулевых двигателях использовались титановые гофрированные проставки из сплава ВТ1 [12–14].

Рис. 6. Ракета-носитель Р-7 с космическим кораблем «Восток»

Советская космическая программа «Энергия–Буран» (рис. 7) по разработке многоразовой транспортной космической системы, проводимая в качестве ответа на разработку США многоразового транспортного космического корабля Space Shuttle, заключалась в создании орбитального космического корабля и ракеты-носителя. Разработкой многоразового корабля занималось НПО «Молния» (главный конструктор Г.Е. Лозино-Лозинский). В многоразовом планере были использованы следующие материалы:

– алюминиевый сплав Д16ч. – для шпангоутов и обшивки, носовой части фюзеляжа;

– титановый сплав ВТ23 – для частей крыла планера, рам остекления кабины, стыковочных узлов, шпангоутов;

– титановый сплав ОТ4 – для частей крыла планера;

– алюминий-бериллиевый сплав АБМ – для трубчатых тяг ферменных конструкций фюзеляжа, сварных раскосов, трансмиссионных валов, силового каркаса тормозных дисков.

Рис. 7. Программа «Энергия–Буран»

Государственный ракетный центр им. В.П. Макеева – один из крупнейших научно-конструкторских центров России по созданию ракетно-космической техники, в основе деятельности которого лежит разработка баллистических ракет морского базирования (рис. 8). В конструкторском бюро занимаются созданием баллистических ракет морского и подводного базирования на подводных лодках, обеспечивая сохранение стратегического ядерного паритета в противостоянии с США, а также применением алюминий-литиевого сплава 1421 в головной части ракеты для крепления боевых блоков [7]. Сплав имеет хорошую свариваемость всеми видами сварки и обладает высокой коррозионной стойкостью.

Рис. 8. Старт ракеты с подводной лодки

Преодоление космическими аппаратами земного тяготения, сопротивления плотных слоев атмосферы и достижение орбитальных скоростей – весьма энергозатратный процесс. Одной из определяющих летно-технических характеристик ракеты является тяговооруженность – отношение тяги к массе ракеты. Тяга в свою очередь зависит от конструкции ракетного двигателя и энергетических характеристик топлива. Разработка жидких ракетных топлив продолжалась в течение длительного периода, и в настоящее время известны топлива с наибольшим энергетическим потенциалом. Но энергетические показатели – не единственный критерий при выборе топлива. Важное значение (для различных задач) имеют также плотность его компонентов, возможность длительного хранения в баках ракеты, самовоспламеняемость компонентов при контакте друг с другом, устойчивость горения, стоимость, экологичность и т. д. Поэтому при решении задач проектирования ракеты часто выбирались не самые выскоэнергетические топлива, а топлива, обеспечивающие выполнение условий хранения и пр. Так было с несимметричным диметилгидразином (НДМГ) и азотным тетраоксидом (АТ) в качестве горючего и окислителя соответственно. Это ракетное топливо имеет хорошую плотность, возможность длительного хранения в заправленном виде, высокую устойчивость горения, а его компоненты самовоспламеняются при контакте. Но компоненты этого топлива чрезвычайно токсичны, а азотная кислота, помимо прочего, еще и крайне агрессивна к конструкционным материалам. Для АТ приходилось специально подбирать материалы для бака окислителя, труб пневмогидросистемы, камер жидкостных реактивных двигателей. Но даже самые стойкие сорта нержавеющей стали разрушались при длительном контакте с азотной кислотой.

Специалистами лаборатории коррозии и защиты металлических материалов ВИАМ был разработан ингибитор, вводимый в топливо, который снижал его коррозионную активность, что позволило широко применять пару НДМГ+АТ и обеспечило ресурс топливных баков не менее 25 лет [15].

Рис. 9. Памятник первому человеку в космосе – Ю.А. Гагарину (г. Москва)

В 1980 г. в Москве состоялось торжественное открытие монумента в честь первого летчика-космонавта Ю.А. Гагарина (рис. 9). В качестве материала был выбран титановый сплав ВТ5Л, изделия из которого имеют хорошую блестящую поверхность. Для листов, закрывающих постамент использовали сплав ОТ4-0, который имел схожую цветовую гамму со сплавом ВТ5Л [1].

Результаты разработок

С конца 1950-х гг. и до настоящего времени в ВИАМ разработано и внедрено множество легких сплавов и систем антикоррозионной защиты, имеющих колоссальное значение в отечественном ракетостроении и позволивших на практике реализовать космические проекты.

Разработаны и успешно применены в конструкциях и узлах космической техники:

– магниевые сплавы – МА12, МА14, МА15, МА2-1, ВМД10 (МА22) и др.;

– титановые сплавы – ВТ14, ВТ6С, ВТ16, ВТ2св, ВТ22, ВТ23, ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-0 и др.;

– алюминиевые сплавы – АМг2, АМг3, Д16, Д19, АК6, АК8,1201, Д16ч., В93п.ч., а также алюминий-бериллиевый сплав АБМ1;

– ингибиторы, уменьшающие коррозионную активность ракетных топлив.

Обсуждение и заключения

Сотрудники ВИАМ, работавшие над созданием титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов, внесли огромный вклад в развитие ракетно-космической техники. Применение сплавов легких металлов позволило решить задачи повышения прочности и обеспечения наименьшей массы космических аппаратов, коррозионной стойкости и сопротивления металлов агрессивной среде ракетных топлив. Сотрудники института тесно сотрудничали с ведущими ракетно-космическими предприятиями страны: РКК «Энергия» им. С.П. Королева (ранее ОКБ-1), НПП «Звезда», ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, НПО им. С.А. Лавочкина, НПО «Молния», ГРЦ им. В.П. Макеева и др.

С самого основания института авиационных материалов и до наших дней специалисты ВИАМ решают вопросы уменьшения влияния коррозии изделий авиационно-космической техники, разрабатывают высокопрочные, жаропрочные, литейные и конструкционные, интерметаллидные и специальные титановые сплавы, а также литейные и деформируемые магниевые, алюминиевые и бериллиевые сплавы.

Утверждение академика Евгения Николаевича Каблова о том, что ВИАМ открыл для страны космос, не является преувеличением. Колоссальный труд проектировщиков, конструкторов, исследователей, космонавтов и многих других работников ракетно-космической отрасли не имел бы практического применения без возможности осуществления своих смелых идей с помощью материалов, разработанных в институте.

Благодарности

Авторы статьи выражают благодарность за помощь в подготовке статьи и предоставление материалов сотрудникам НИО «Титановые, магниевые, бериллиевые и алюминиевые сплавы»: С.В. Путырскому, Н.А. Ночовной, Е.Ф. Волковой, И.Ю. Мухиной, А.В. Трапезникову, В.В. Сидельникову, Н.Е. Блиновой, Н.В. Дынину.