Химия в бою

К важным преимуществам стеклопластиков, по сравнению с традиционными конструкционными материалами, зарубежные специалисты относят простоту изготовления корпусов ракетных двигателей. Считают, что круговая форма поперечных сечений двигателей ракет создает благоприятные возможности для механизации и автоматизации намотки стекловолокна и формирования оболочек корпуса ракет с применением программирования. Метод наметки позволяет обеспечить наибольшую прочность и жесткость изделия за счет ориентации армирующего стекловолокна в направлении действующих усилий. Другое важное преимущество метода намотки — стабильность свойств изготавливаемых конструкций по толщине и длине. Сам же процесс изготовления корпусов двигателей ракет напоминает намотку нити на шпульку в текстильном производстве.

Как же изготовляются корпуса двигателя для ракеты «Поларис»? Ровница (лента) из стекловолокон, толщина каждого из которых около 0,01 миллиметра, сматывается с катушки на оправку. Оправка обычно изготовляется из смеси песка и поливинилового спирта или из других легко разрушаемых материалов, причем ее размеры и конфигурация соответствуют внутренним размерам корпуса двигателя. Перед намоткой нити на оправку наклеивается слой теплозащитного покрытия. Ровница из стекловолокон, смачиваясь в ванне с эпоксидной смолой и частично вулканизированная, наматывается на вращающуюся оправку. С помощью программного устройства обеспечивается такая намотка ровницы, что достигается и требуемая прочность корпуса и могут быть оставлены необходимые монтажные отверстия.

После намотки ровницы корпус двигателя подвергается термической обработке, при которой происходит затвердевание эпоксидной смолы. Затем оправка осторожно разрушается и удаляется из корпуса камеры сгорания, а внешняя поверхность корпуса проходит механическую обработку. Толщина стенки стеклопластикового корпуса двигателя различная у различных типов ракет и ступеней. Например, для второй ступени ракет «Поларис» она 3,7–4,6, а для первой ступени 8 миллиметров.

Как видно, достоинств у стеклопластиков как материала для ракетной техники немало. Однако у читателя не должно складываться впечатления, что стеклопластики— наилучший конструкционный материал для производства ракет. И этому материалу, отмечают зарубежные специалисты, присущ, по крайней мере в настоящее время, ряд существенных недостатков, которые сдерживают его использование в ракетостроении. Еще много проблем, от решения которых зависит дальнейшее широкое внедрение стеклопластиков в практику твердотопливного ракетного двигателестроения, равно как и в другие области военной техники. Одна из них связана с ухудшением их прочностных характеристик с течением времени из-за старения связующего материала. В этом направлении, как сообщалось, ведутся интенсивные исследования.

Поиск химиков, технологов и других специалистов идет и по другим направлениям, в частности пытаются увеличить прочностные показатели стеклопластиков.

В этих исследованиях заинтересовано не только ракетостроение. Ведь стеклопластики находят все более широкое распространение и в кораблестроении, авиации и других областях техники.

НОВЫЙ ЧЕМПИОН — КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Во все времена материалы, используемые в технике, были одним из главных условий ее развития. Через деревянную соху, каменный топор, а затем железные орудия труда пролегал путь человечества к вершинам современной цивилизации. Стекло, сталь, алюминий, пластмассы— вот материалы, из которых строились последующие ступени научно-технического прогресса. Однако возможности подобных материалов небезграничны. Не случайно, когда речь заходит о реализации новых технических проектов, нередко указывают на то, что почти все эти возможности исчерпаны, нужны новые материалы. Но вот в середине шестидесятых годов на страницах научных журналов стали встречаться необычные термины: «монокристаллические нити», «композиционные материалы». Специалисты заговорили о новых перспективах развития авиационной, космической, ракетной и другой техники.

Композиционные, или, как их иногда еще называют, «композитные», — это значит составные, неоднородные, сборные, как бы специально конструируемые материалы. Их нет в природе. Они составляются искусственным путем из элементов, изготовляемых из различных материалов, и имеют упорядоченную, построенную по определенному замыслу внутреннюю структуру.

Простейшие композиционные материалы давно всем известны. Это прежде всего железобетон, состоящий из бетонной массы и скрепляющей ее стальной арматуры. Еще — текстолит, внутренняя структура которого представляет собой слои прочной ткани, скрепленные затвердевшей смолой. В последние годы, благодаря успехам химии, широко стал применяться «стеклопластик» — тоже составной, композиционный материал. Из «стекловолокна»— неорганического соперника нейлона и других высокопрочных синтетических волокон — методом «намотки» с последующей пропиткой полимеризуемыми, затвердевающими смолами изготавливаются сейчас даже крупные, высоконагруженные конструкции — корпуса ракет, катеров, части самолетов, вертолетов. В печати сообщалось, например, о первом полете экспериментального самолета, конструкция которого почти целиком выполнена из стеклопластиков. Однако особый, повышенный интерес специалистов вызывают не эти композиционные материалы, а другие. Они строятся на принципиально новой основе.

Наукой установлено, что применяемые в современной практике конструкционные материалы обеспечивают лишь 10–15 процентов своей идеальной, то есть теоретически достижимой прочности, твердости и других важных характеристик. Происходит это потому, что внутреннее строение этих материалов представляет собой неупорядоченную, хаотически сросшуюся при остывании расплава смесь кристаллических зерен. Таким структурам, содержащим к тому же примеси, присущи различного рода микродефекты. Если же материал подвергнуть тщательной очистке, а внутреннее строение образца «выправить», построив атомы металла в такую же строгую кристаллическую решетку, как, например, у драгоценных камней, то прочность его и другие свойства станут близкими к идеальным.

Однако получать целиком детали или их заготовки в виде монолитных кристаллов пока не удается. Чистые монокристаллы получают сейчас в ряде стран посредством весьма сложной технологии лишь в виде тончайших нитей, диаметром до 0,1 миллиметра и длиной до нескольких сантиметров. Зато прочность таких монокристаллических нитей на разрыв может достигать 1400 кг/мм2, что примерно в десять раз больше, чем у большинства конструкционных сталей. Идея создания новых композиционных материалов именно в том и состоит, чтобы использовать сверхпрочные монокристаллические нити в качестве арматуры применяемых сегодня конструкционных материалов, «укрепить» их нитями так же, как железная арматура укрепляет бетон. При этом матрицей, то есть связующей основой, служат различные металлы, керамика и другие материалы.

Конечно, прочностные характеристики созданных таким образом материалов оказываются ниже, чем у идеальных монокристаллов, но зато они могут быть значительно, при некоторых сочетаниях в несколько раз, выше, чем у обычных, исходных конструкционных материалов. Так, упрочение алюминиевых сплавов нитевидными кристаллами сапфира позволяет увеличить их прочность в 2–3 раза. С точки зрения ювелиров, сапфир — драгоценный камень, а для химика — это окись алюминия, из которой получаются нитевидные кристаллы высокой прочности. В лабораторных условиях, как указывает печать, удается получать также монокристаллы химически чистого алюминия, железа, окиси кремния, карбида бора и многих других элементов и их соединений.

В отличие от известных ранее волокнистых материалов нитевидные кристаллы в принципе могут обладать близкой к идеальной прочностью, поскольку у них отсутствуют ослабляющие микротрещины, резкие переходы в структуре и другие «дефекты». Поэтому-то специалисты четко разграничивают монокристаллические нити и прочие материалы, используемые ныне в качестве арматуры — стекловолокно, проволока.