CC BY
91
УДК 629.7:666.001.5(091)
Е.Г. Сентюрин1, И.В. Мекалина1, М.К. Айзатулина1, Ю.А. Исаенкова1
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ МАТЕРИАЛОВ САМОЛЕТНОГО ОСТЕКЛЕНИЯ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ
(к 75-летию лаборатории полимерных материалов со специальными свойствами)
DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-3-81-86
Описаны результаты работ с момента образования «Лаборатории самолетного остекления» в мае 1942 г. до настоящего времени - с начала создания и применения прозрачной брони, создания теплостойких конструкционных оргстекол линейного строения до современных частично сшитых оргстекол, освоенных промышленностью, а также будущих теплостойких стекол, атмосферостойкого поликарбоната и слоистых материалов остекления.
Описаны результаты работ с 1964 г. до наших дней по созданию и применению в авиакосмической отрасли непрозрачных термопластов: литьевых, термоэластопластов, стекло-, угле- и органопластов, виб-ропоглощающих и тканепленочночных материалов, пенополиимидов, фторопластов.
Ключевые слова: броня, полиметилметакрилат, ориентация, отжиг, термостабильность, термопласты.
The results of work have been described since the establishment of the «Laboratory of aircraft glazing» in May 1942 up to the present time. These results include the following information: from the beginning of production and application of transparent armor; development of structural heat-resistant organic glasses of the linear structure up to modern partially cross-linked organic glasses mastered by industry, future heat-resistant glasses, weather-resistant polycarbonate and laminated glazing materials.
The results of work on production and application of nontransparent thermoplastics as follows: molding, thermoplastic elastomers, glass, coal and organic plastics, vibration-absorbing materials, foamed polyimides, fluorine plastics in the aerospace industry have been described since 1964 to our days.
Keywords: armor, poly methyl methacrylate, orientation, annealing, thermal stability, thermoplastics.
"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: [email protected]
В настоящее время еще мало открытых публикаций об особенностях развития науки и технологий создания и применения конструкционных термопластов - от решения частных практических задач к общим научным основам авиационного материаловедения по применению термопластов [1, 2].
В данной статье показано, как в начале работы ВИАМ по созданию прозрачной авиационной брони были разработаны различные виды прозрачных термопластов - полиметилметакрилат-ных органических стекол для авиационного остекления, а также как на основе этих работ создан широкий круг авиационных термопластов конструкционного и функционального назначения [3-6].
В июне 2017 г. ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ отметило 85-летний юбилей со дня образования. Среди многих проблем авиационного материаловедения, решавшихся в ВИАМ, создание авиационной брони стало одной из ярких и славных страниц в истории института, авиации и науки.
Многие авторитетные авиационные конструкторы предвоенных лет не верили в возможность
создания бронированного самолета, видели в бронировании только утяжеление и ущерб главным качествам самолета. Тем не менее в 1934 г. основатель ВИАМ И.И. Сидорин со свойственной ему прозорливой дальновидностью поставил задачу по изысканию авиационной брони.
Усилиями созданной в ВИАМ группы специалистов совместно с работниками заводов и конструкторских бюро казавшиеся нереальными задачи стального бронирования первого штурмовика Ил-2 уже в начале войны были решены [7]. Особое место в изысканиях института по проблеме боевой живучести самолетов занимает прозрачная броня.
В начале войны кабины пилотов были негерметичными, щитки и колпаки из оргстекол предназначались для защиты глаз и лица летчика. В некоторых случаях для удобства пилотирования на самолетах вообще не было остекления [8].
Работы по прозрачному бронированию самолетов были начаты уже в первый год Великой Отечественной войны. В мае 1942 г. руководством ВИАМ было принято решение о создании лаборатории «Самолетное остекление» в
Рис. 1. Начальник лаборатории, д.х.н., профессор Б.В. Ерофеев
г. Куйбышеве, куда ВИАМ был эвакуирован в начале войны. Начальником лаборатории был назначен доктор химических наук, профессор Б.В. Ерофеев (рис. 1), его заместителем -М.М. Гудимов (рис. 2). Главной задачей лаборатории в период войны стало создание прозрачной брони, в первую очередь для самолета-штурмовика Ил-2. Требовалось создать защиту от бронебойных пуль калибра 7,62 мм. Сложность состояла в том, что броня должна была обладать не только пулестойкостью, но и высокими оптическими свойствами.
Потребовалось проведение широких экспериментальных и теоретических исследований, которые позволили выявить особенности взаимодействия снаряда и брони, установить механизмы внедрения снаряда в бронестеклоблок и его торможения. Параллельно шла напряженная работа по созданию, изготовлению и совершенствованию бронеблоков на заводе «Рулон» в г. Дзержинске (впоследствии ОАО «Дзержинское оргстекло»).
Если для стальной бронезащиты принцип гетерогенности использовался частично в броневых спинках, то в прозрачной броне он являлся единственным средством для решения поставленной задачи. Для освоения выпуска прозрачной брони на заводе была создана межведомственная научно-исследовательская бригада «К-01», работу которой возглавил зам. начальника лаборатории «Самолетное остекление» ВИАМ - М.М. Гудимов.
Защитные свойства прозрачной брони обеспечивались конструкцией, состоящей из бронеэкра-на - закаленного силикатного стекла («сталинит») и тыльного слоя - «подушки» из органического полиметилметакрилатного стекла. Задачей бронеэкрана являлось раздробление бронебойной пули - «подушка» гасила кинетическую энергию пули за счет высокой энергоемкости и вязкости.
Необходимо было также решить проблему локальности при поражении брони, что должно было обеспечивать защиту от поражения одно-
Рис. 2. Заместитель начальника лаборатории М.М. Гудимов
временно несколькими пулями, но при этом частично сохранять прозрачность и возможность пилотирования.
Комплект брони штурмовика Ил-2 состоял из пяти деталей. На «подушки» деталей из оргстекла наклеивалось 17 пластин из закаленного силикатного стекла. При разрушении одной, двух и даже более силикатных пластин сохранялась прозрачность остальных частей остекления. Таким образом была решена задача - совместить высокую пулестойкость и идеальную прозрачность остекления. Опытные образцы брони, изготовленные на заводе, сразу же устанавливали на боевые самолеты. Параллельно с созданием и выпуском прозрачной брони для самолета Ил-2 (рис. 3) велись работы по созданию и прозрачному бронированию самолетов-истребителей Як-1, Як-3, Як-9, Ла-5, Ла-7.
Рис. 3. Самолет Ил-2
Для обеспечения бронирования самолетов пришлось решать многие научные и технологические задачи, которые в дальнейшем - по мере развития и усложнения авиационной техники -стали началом развития самостоятельных научных направлений авиационного материаловедения и технологий.
Анализ всех возможных причин образования дефектов в бронестеклах позволил найти технологические приемы, решить в короткие сроки все задачи, связанные с созданием качественной прозрачной авиационной брони. Это стало началом
Рис. 4. Коллектив лаборатории авиационного остекления и термопластов (1982 г.)
планомерных работ, которые получили развитие при создании деталей остекления, материалов и конструкций остекления по мере усложнения требований к остеклению новых самолетов.
За разработку и освоение прозрачной брони для самолетов генеральных конструкторов С.В. Ильюшина, А.С. Яковлева и С.А. Лавочкина двум сотрудникам ВИАМ - Б.В. Ерофееву и М.М. Гудимову, а также четырем сотрудникам завода №148 была присуждена Сталинская премия.
С первых дней создания в ВИАМ лаборатории «Самолетное остекление» она стала центром создания материалов и технологий для конструкций авиационного остекления. Только в ВИАМ стало возможным не только комплексное решение проблем остекления в направлении создания оргстекол и слоистых материалов на их основе, но и творческое участие в работе специализированных лабораторий и организаций по созданию специальных герметиков, клеев, крепежных лент, прозрачных эластомеров, лакокрасочных материалов, методов испытаний всех материалов остекления. Стало нормой проведение всех работ по остеклению с участием ОКБ, институтов и предприятий авиационной и химической промышленности, Академии наук и высшей школы.
В послевоенное время объем работ по остеклению и их значимость не уменьшились. По инициативе ВИАМ было создано специальное конструкторское бюро (ГСПКБ), призванное решать вопросы конструирования бронеостекления, которое позже было реорганизовано в Научно -исследовательский институт технического стекла (АО «НИТС»).
Для обеспечения непрерывного производства исходных химических продуктов при заводе «Оргстекло» был создан филиал ГосНИИОХТ -ведущего института по разработке и производству химически опасных веществ. В настоящее время это ФГУП «НИИ полимеров им. академика В.А. Каргина» с опытным заводом.
В связи с созданием самолетов со скоростями полета, превышающими скорость звука, на всех самолетах начали применяться герметичные кабины. Органическое стекло, применяемое для остекления герметичных кабин, становится типичным конструкционным материалом [9].
Длительное время для остекления самолетов использовалось пластифицированное органическое стекло (СОЛ - ныне оргстекло марки СО-95). Оргстекло СОЛ с рабочими температурами в интервале ±60°С успешно применяется для остекления самолетов со скоростью полета до 1 М. Начиная с 1954 г., в соответствии с Постановлением Правительства, при ведущей роли ВИАМ были созданы и исследованы десятки составов теплостойких стекол, паспортизированы пять марок теплостойких стекол СТ-1 (СО-120), 2-55 (СО-140), ТСТ-1, Т-255 и Э-2. В этих работах постоянное участие принимал академик В.А. Кар-гин. Так, практические результаты исследований и внедрения новых стекол в авиации, осуществлявшихся сотрудниками ВИАМ (рис. 4), стали основой теоретического обоснования в работах В.А. Каргина, посвященных связи молекулярного и надмолекулярного строения полимеров с их физическими свойствами, особенностям их стеклообразного (вынужденно эластического) и высокоэластического состояний [10].
Основы науки о полимерах были практически реализованы при создании теплостойких органических стекол, впервые использованных в авиации в качестве конструкционных материалов. В дальнейшем, с учетом теоретических положений об ориентационных явлениях в полимерах, впервые в нашей стране в ВИАМ разработана, а в дальнейшем широко реализована в промышленности технология ориентации органических стекол.
Ориентированное стекло в отличие от неориентированного при локальном ударе разрушается без трещин - образуется локальное отверстие. Ориентированные стекла получали методом
плоскостного растяжения. В этих работах участвовали ведущие инженеры и научные сотрудники лаборатории, сотрудники НИАТ, ОКБ и заводов. Работы по ориентации были обобщены в докторской диссертации Б.В. Перова [11].
Разработанные органические стекла и технологические процессы их переработки позволили решить важнейшую задачу своевременного обеспечения всех летательных аппаратов остеклением с рабочими температурами до 200°С, а при необходимости и выше. Наиболее теплостойкое фтор-акрилатное стекло Э-2 по всем показателям превосходило все зарубежные оргстекла и позволило создать остекление самолета МиГ-25, на котором был установлен мировой рекорд скорости. Специалистам ВИАМ совместно с конструкторами и технологами завода «Оргстекло» приходилось участвовать в решении конструктивных задач, корректировать технологию изготовления деталей остекления и их конструкцию по результатам испытания деталей и опыта эксплуатации. Для получения деталей двойной кривизны из оргстекла Э-2, впервые в отечественной практике требовалось проводить полимеризацию высокотоксичного мономера в смонтированных по окончательному профилю деталей формах из полированного силикатного стекла.
Авиационная техника эксплуатируется в достаточно жестких условиях - начиная с 1969 г. в течение 7 лет было зафиксировано 32 случая растрескивания стекол в условиях полета. Для предотвращения случаев растрескивания деталей остекления на основе стекла Э-2 и продления их ресурса на срок более 5 лет, был проведен комплекс работ по созданию новых технологических процессов и материалов, изготовлены детали остекления для стендовых и летных испытаний, а также эксплуатации.
Заводом «Оргстекло» и НИИ полимеров была усовершенствована технология изготовления мономера стекла Э-2. Получен мономер первого сорта для изготовления стекла Э-2 с повышенной термостабильностью для получения стекла Э-2 в ориентированном состоянии и формования криволинейных заготовок остекления из листового
I
стекла. Ориентированное стекло Э-2У превосходит неориентированное по физико-механическим свойствам и стойкости к растрескиванию при тепловом ударе, рекомендовано взамен неориентированного для многослойного остекления.
Показано, что отжиг и полировка оргстекол позволяют повысить физико-механические свойства стекол и стойкость к поверхностному растрескиванию. Рекомендовано ввести отжиг и полировку оргстекол в процессе их эксплуатации для увеличения ресурса.
Разработаны слоистые материалы из ориентированного и неориентированного стекла Э-2 для изготовления формованных боковых козырько-вых и лобовых частей фонаря с применением заливочных слоев. Опыт создания остекления самолета МиГ-25 был учтен при создании остекления самолетов МиГ-31, Ту-144, Ту-160 и др. Для самолета МиГ-31 (рис. 5) на основе стекла Э-2 было разработано еще более теплостойкое сополимер-ное стекло СО-200.
Созданные в лаборатории органические стекла и технологии актуальны и в настоящее время, являются научной основой при создании остекления отечественной авиационной техники [12].
Помимо проблем остекления, решались и задачи по созданию специальных светофильтрующих покрытий для обеспечения регулируемой способности отражения и поглощения различных видов излучения. Специалисты ВИАМ внесли большой вклад в совместные с НПП «Звезда» работы по созданию светофильтров и остекления гермошлемов космонавтов (рис. 6 и 7).
В 1964 г. в лаборатории остекления было открыто новое научное направление - «Разработка и применение термопластичных материалов в авиакосмической отрасли», а также инициированы работы по созданию, изучению свойств, переработке и применению в авиационной технике различных типов термопластичных материалов для интерьера и внутреннего оборудования самолетов, приборов и агрегатов.
Проведены важные работы по модификации и изучению свойств фторопластов, созданию технологических процессов изготовления фторопластовых
Рис. 5. Самолет МиГ-31
рукавов для топливных систем, работоспособных при температурах от -200 до +250°С в агрессивных средах, что позволило увеличить ресурс рукавов с 10 до 500 ч и более. В лаборатории были начаты и продолжаются работы по изготовлению и внедрению авиационных деталей из термопластов методами литья и экструзии, по нанесению защитных и декоративных покрытий методом напыления.
Произошедшие в стране в конце 1990-х годов политико-экономические изменения отразились на объемах производства авиационной техники. Прекратилась работа многих предприятий химического производства. Из-за отсутствия полномасштабных заказов снизилось качество основных авиационных органических стекол С0-120 и А0-120, полностью прекратилось производство стекла Э-2.
Для решения возникших проблем было предложено в рамках государственно-частного партнерства организовать научно-производственную кооперацию на базе соглашения между ФГУП «ВИАМ», ФГУП «НИИ полимеров им. академика В.А. Каргина» и предприятием по производству ориентированного стекла ООО «Рошибус». Это предложение было поддержано и реализовано под руководством Генерального директора ФГУП «ВИАМ» академика Е.Н. Каблова.
Ученые и молодые сотрудники объединенной лаборатории «Полимерные материалы со специальными свойствами» в XXI веке продолжают развивать исследования по основным направлениям создания и применения авиационных конструкционных термопластов, начало которым положено в XX веке.
Современные материалы остекления
В результате совместных исследований ФГУП «ВИАМ», ФГУП «НИИ полимеров им. академика В.А. Каргина» и ООО «Рошибус» разработано и
организовано производство оргстекол частично сшитой структуры типа АО-120С с повышенной «серебростойкостью» для замены стекла А0-120, а также стекло ВОС-2АО для замены теплостойкого стекла Э-2 [13-15].
В лаборатории успешно развивается научное направление по ионно-плазменной обработке полимерных материалов. С использованием этого метода наносят тепло- и радиозащитные покрытия на акрилатные и поликарбонатные стекла для слоистых многофункциональных материалов -теплоотражающее, радиопоглощающее и электро-обогреваемое остекление, электрохромный пленочный материал [16].
Совместно с АО «Институт Пластмасс» проведен комплекс работ по созданию нового атмосфе-ростойкого оптически прозрачного поликарбоната марки ВТП-8/ПК-ЭА-7,0 (ТУ2256-539-00209349-2015), а также по разработке технологии его формования для использования при создании перспективных образцов военной и гражданской авиационной техники.
Конструкционные непрозрачные термопласты
В последние годы в лаборатории разработаны функциональные материалы, многие из которых нашли применение в промышленности: литьевые термопласты и термоэластопласты, термопластичные стекло-, угле- и органопласты, пенополиими-ды. Разработан ряд вибропоглощающих материалов и фторопластов, а также тканепленочные материалы для средств спасения.
В рамках научно-технической политики по стратегическому развитию с 2002 г. реализуется предложенное академиком Е.Н. Кабловым и поддержанное Президентом Российской Федерации В.В. Путиным направление создания в институтах малотоннажных высокотехнологичных производств материалов и компонентов.
Так, разработанная в лаборатории полировочная паста марки ВИАМ-3 для органического стекла [17] нашла широкое применение на многих предприятиях авиационной и других отраслей промышленности. В лаборатории организован производственный участок по ее изготовлению мощностью до 2000 кг/год.
Лаборатория поставляет образцы из непрозрачных термопластов, таких как литьевые полиамиды марок ПА 610 и ПА-12, окрашенные в различные цвета; листовой стеклопластик КТМС-1П со связующим на основе полисульфона; заготовки из пенополиимида ВКП-5 и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
3. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.
4. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение в XXI веке. Перспективы и задачи // Авиационные материалы. Избранные труды ВИАМ 1932-2002. М.: МИСИС-ВИАМ. 2002. С. 23-47.
5. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2-14.
6. Каблов Е.Н. Роль химии в создании материалов нового поколения для сложных технических систем // ХХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии: докл. в 5 т. УрО РАН. 2016. T. 1. С. 25-26.
7. Скляров Н.М. Путь длиною в 70 лет - от древесины до суперматериалов. М.: МИСИС-ВИАМ, 2002. С. 370-373.
8. Левадный Н.Д. 80 лет для ВВС: от И-5 до МиГ-31. К 80-летию военного представительства на Нижегородском авиастроительном заводе «Сокол» / Нижегородский авиастроительный завод «Сокол». Нижний Новгород, 2012. С. 30-49.
9. Сентюрин Е.Г., Богатов В.А., Петрова А.П., Мека-лина И.В. Гудимов М.М. 100 лет со дня рождения выдающегося ученого и организатора науки. М.: ВИАМ, 2013. 25 с.
10. Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. М.: Химия, 1967. 228 с.
11. Гудимов М.М., Перов Б.В. Органическое стекло. М.: Химия, 1981. 216 с.
12. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Климова С.Ф., Бога-тов В.А. Новые «серебростойкие» органические стекла // Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 45-48.
13. Богатов В.А., Тригуб Т.С., Мекалина И.В., Айзату-лина М.К. Оценка эксплуатационных характеристик новых теплостойких органических стекол ВОС-1 и ВОС-2 // Авиационные материалы и технологии. 2010. №1. С. 21-26.
14. Петров А.А., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Бога-тов В.А. Исследование особенностей изготовления деталей остекления из частично сшитых органических стекол // Авиационные материалы и технологии. 2013. №2 С. 32-34.
15. Мекалина И.В., Тригуб Т.С., Богатов В.А., Сентю-рин Е.Г. Новое высокотеплостойкое ориентированное оргстекло марки ВОС-2АО // Авиационные материалы и технологии. 2010. №3. С. 14-19.
16. Приемопередающее устройство: пат. 2203804 Рос. Федерация; заявл. 19.12.00; опубл. 10.05.03.
17. Приемопередающее устройство: пат. 20011003081/04 Рос. Федерация; заявл. 09.01.01; опубл.10.03.03.
