CC BY
44
К 70-ЛЕТИЮ ВЕЛИКОЙ ПОБЕДЫ
УДК 666.162:629.12.011.83
Е.Г. Сентюрин1, И.В. Мекалина1, А.П. Петрова1, Ю.А. Фролков1 КАК СОЗДАВАЛАСЬ ПРОЗРАЧНАЯ АВИАЦИОННАЯ БРОНЯ
Создание прозрачной авиационной брони стало одной из ярких и славных страниц истории ВИАМ, авиации и науки. В период войны ее разработка имела стратегическое значение для авиации. Перед разработчиками ВИАМ была поставлена задача: в короткие сроки создать пулестойкое прозрачное стекло для самолетов. Ценой огромных усилий эта труднейшая задача была решена. Созданная в ВИАМ лаборатория самолетного остекления совершила настоящий гражданский подвиг. В сжатые сроки было создано и развернуто производство прозрачной брони не только для штурмовика Ил-2, но и для истребителей Як-1, Як-3, Як-9, Ла-5, Ла-1.
За разработку и освоение технологии прозрачной брони главным конструкторам, руководителям работ, а также сотрудникам производства в 1946 г. была присуждена Сталинская премия.
Созданная в начале войны, лаборатория самолетного остекления стала уникальным центром материаловедения и технологий авиационного остекления. Начало многих направлений глубоких научных исследований было положено благодаря практическим и экспериментальным исследованиям ВИАМ.
Ключевые слова: прозрачная авиационная броня, локальное поражение, ориентация органического стекла, термостабильные стекла, частично сшитая структура.
Creation of aviation armor became one of the glorious stages of the history of VIAM, aviation and science. In the war period, its development was of strategic importance for aviation. A special task was given to VIAM: bullet-resistant transparent glazing of aircraft should be developed within a short-time period. It was managed to solve this heavy task due to supreme effort. The laboratory for aircraft glazing established at VIAM had performed a real civil feat. A process for production of transparent armor not only for Il-2 attack aircraft, but also for Yak-1, Yak-3, Yak-9, La-5 and La-1 fighters was developed and commercialized on a tight timetable.
In 1946, the related chief designers, top managers and employees of production plants were awarded with Stalin prize for development and mastering of transparent armor production technology.
The laboratory for aircraft glazing established at the beginning of the war became a unique center of materials science and technologies of aviation glazing. A huge number of fundamental researches have their origin in practical and experimental activity of VIAM in this area.
Keywords: transparent aircraft armor, local damage, orientation of organic glass thermostable glass, partially cross-linked structure.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
В истории ВИАМ, авиации и науки в целом разработка авиационной брони занимает особое место. Как писал один из ее создателей, профессор Н.М. Скляров, сама идея «заковать в стальную броню «летающие этажерки», наполовину изготовленные из дерева и ткани» в те времена была неслыханно смелой. Дискуссии по поводу возможности существования прозрачной авиаброни велись еще в довоенное время. Многие авторитетные авиаконструкторы не верили в создание бронированного воздушного
судна и были убеждены, что броня утяжелит самолет, и это снизит его основные эксплуатационные характеристики. Тем не менее, в 1934 г. один из основателей ВИАМ И.И. Сидорин с присущей ему дальновидностью не стал отказываться от исследований в области этого, по мнению многих, бесперспективного направления. Собрав команду единомышленников, он продолжал работать по изысканию авиационной брони.
С началом войны ситуация кардинально изменилась. Советская армия несла колоссальные потери, на счету был каждый штурмовик. Совместными усилиями ВИАМ, конструкторского бюро и нескольких заводов в экстренном режиме развернулись экспериментальные работы по созданию бронированного сталью самолета [1-4]. Одним из способов повышения боевой живучести самолетов стала защита кресел пилота и экипажа от наиболее вероятных тыльных атак при помощи металлических бронеспинок. Однако штурмовые и разведывательные самолеты оставались уязвимыми для обстрела и через остекление.
Создание прозрачной авиационной брони стало стратегической задачей для авиаконструкторов военных лет. В мае 1942 г. руководство ВИАМ приняло решение организовать лабораторию самолетного остекления в г. Куйбышеве, куда был эвакуирован весь институт. Начальником лаборатории назначили доктора химических наук, Б.В. Ерофеева, его заместителем - М.М. Гудимова. В форме приказа (со всеми вытекающими последствиями по законам военного времени в случае его невыполнения) была поставлена задача: экстренно осуществить разработку прозрачной авиационной брони, в первую очередь для штурмовика Ил-2 (фашисты прозвали его «черной смертью»). Чтобы обеспечить защиту экипажа самолета от бронебойных пуль калибра 7,62 мм, броня должна была обладать максимальной пулестойкостью, а кроме того - высокими оптическими свойствами. Как совместить их - в этом и состояла главная сложность. Если стальная броня спинок кресел могла быть частично гетерогенной, то гомогенность прозрачной брони полностью исключалась [5, 6].
За короткие сроки были проведены широкие теоретические и экспериментальные исследования механизмов и особенностей взаимодействия снаряда с броней и его торможения. Одновременно завод №148 г. Дзержинска (ныне ОАО «Дзержинское оргстекло») работал над созданием технологий производства и модификации броне-стеклоблоков, отработкой которых занималась специальная межведомственная научно-исследовательская бригада «К-01» (руководитель М.М. Гудимов).
Защитные свойства прозрачной брони обеспечивала композиция с внешним слоем из закаленного силикатного стекла (сталинита) и внутренним слоем («подушкой») из органического полиметилметакрилатного стекла. Внешний слой способствовал раздроблению бронебойной пули, а внутренний - погашению кинетической энергии пули за счет высокой энергоемкости и вязкости. Но самое главное - удалось получить постоянное значение скорости распространения трещин (1600 м/с) в силикатном стекле, не зависящей от скорости снаряда и других условий опыта, а также от так называемого встречного разрушения, развивающегося в значительном удалении от внедряющегося снаряда, на границе стекло-склеивающий слой вследствие отражения от нее упругого импульса, который возбуждается при ударе снаряда о броню.
Экспериментально было установлено оптимальное соотношение между толщинами силикатного и органического стекла для достижения наивысшей пулестойкости. Толщина органического стекла должна была превосходить толщину силикатного в два раза, что соответствует эквивалентности их весовых характеристик в составе остекления. Кроме того, в случае локального поражения несколькими пулями одновременно броня должна частично сохранять свою прозрачность, обеспечивая тем самым возможность пилотирования самолета.
Для этого на сплошной слой «подушки» из органического стекла при помощи эластичной клеящей пленки крепили отдельные пластины или «таблетки» сталинита. Такая композиция называлась мозаичной или «таблетированной». Комплект брони штурмовика Ил-2 состоял из пяти частей - лобовой, левой и правой боковых и заголов-ных деталей. На каждую «подушку» из оргстекла наклеивали 17 «таблеток» сталинита; повреждение одной или нескольких пластин не нарушало прозрачность остального остекления (рис. 1). Таким образом, удалось совместить пулестойкость и высокие оптические свойства брони, опытные образцы которой, изготовленные на заводе №148, сразу устанавливали на боевые самолеты.
а) б)
Рис. 1. Самолет Ил-2 (а); прозрачная броня Ил-2 (б); прозрачная броня после испытаний (в)
Аналогичную броню одновременно разрабатывали и выпускали для истребителей Як-1, Як-3, Як-9, Ла-5, Ла-7 и попутно решали многие научные и технологические задачи. Обнаружили три вида дефектов прозрачной брони:
- оптические искажения;
- непроклеи и пузыри на границе склеиваемых слоев;
- трещины серебра в «подушке» из оргстекла.
Анализ причин возникновения дефектов позволил в короткие сроки разработать технологические методы повышения качества прозрачной авиационной брони. Устано-
вили, что оптические искажения обусловлены отступлением радиуса кривизны реальных пластин силикатного и органического стекол от их параллельности, а непроклеи и пузыри - деформацией оргстекла в эксплуатационных условиях перепада температур по толщине. Для расчета термических деформаций использовали формулу:
л l2 at
Д =---
8 h
где А - стрела прогиба, мм; l - размер квадратной пластины, мм; h - толщина пластины, мм; a -температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) оргстекла, К"1; t - разность температур наружной и внутренней поверхностей пластины, °C.
Поскольку значения ТКЛР органического (-85-10"6/ К"1) и силикатного (-90-10/К-1) стекла различаются на порядок, появление трещин серебра обусловлено высокой концентрацией остаточных растягивающих напряжений на поверхности оргстекла.
Дефекты прозрачной брони устранили модифицированием технологии производства - плоскопараллельным ориентированием пластин из оргстекла, их термообработкой, повышением эластичных свойств и толщины склеивающего слоя до 3 мм. Прозрачная броня иностранного производства представляла собой пакет силикатных стекол, склеенных в монолит, и по характеристикам уступала отечественной, которая обеспечивала пулестойкость при обстреле с дистанции 50 м. При всех равных условиях американская броня того же веса обеспечивала защиту только с дистанции 800 м [6, 8].
За разработку и освоение технологии прозрачной авиационной брони генеральные конструкторы C.B. Ильюшин, A.B. Яковлев и И.С. Лавочкин, специалисты ВИАМ Б.В. Ерофеев и М.М. Гудимов, а также четверо работников заводов №148 и К-4, обеспечивших серийное производство брони, были удостоены Сталинской премии.
Во время одного из своих визитов в ВИАМ главный маршал авиации Советского Союза П.С. Кутахов, осматривая стенд истории создания прозрачной брони, обмолвился, что он, «не будь ее во время войны, не разговаривал бы сейчас с сотрудниками ВИАМ». В одном из его боевых воздушных поединков именно броневое остекление на уровне головы остановило две вражеские крупнокалиберные пули, не долетевшие до цели несколько миллиметров. А скольким еще отважным советским летчикам прозрачная броня спасла жизнь!
С самого начала лаборатория самолетного остекления ВИАМ сделалась уникальным центром материаловедения и технологий конструкций авиационного остекления. Она позволила осуществить комплексное решение проблемы остекления - не только создать органические стекла и слоистые материалы на их основе, но и усилиями ведущих лабораторий ВИАМ разработать специальные герметики, клеи, крепежные ленты, прозрачные эластомеры, а также методы комплексного испытания всех материалов прозрачной брони. Стало доброй традицией проводить теоретические и научные исследования, а также работы по остеклению совместно с ОКБ, институтами и предприятиями авиационной и химической промышленности, Академии наук и Высшей школы [9-14].
В послевоенное время объем работ по остеклению и их значимость не уменьшились. Были созданы новые типы прозрачной авиационной брони для защиты самолетов: от бронебойных пуль калибра 12,7 мм, а также снарядов калибра >20 мм.
Практические, экспериментальные и технологические работы ВИАМ положили начало многим направлениям глубоких научных исследований.
В 50-е годы прошлого века сотрудники ВИАМ освоили технологию ориентации и создали ориентированное органическое стекло, являющееся основным материалом для остекления самолетов и в настоящее время. Такое стекло получают плоскостной вытяжкой или сжатием оргстекла при температуре высокоэластической деформации, что значительно повышает его пластические свойства:
- ударная вязкость увеличивается в 2 раза;
- относительное удлинение при разрыве - в 3-5 раз.
Ориентированное стекло в отличие от неориентированного при ударах разрушается локально и не образует трещин (рис. 2) [10, 15].
Рис. 2. Детали остекления из неориентированного и ориентированного стекол после испытаний на обстрел
Особую важность имело создание надежного теплостойкого остекления как для военных, так и пассажирских самолетов. Решением Правительства был организован специализированный совет по проблеме создания и выпуска в стране теплостойких и высокопрочных органических стекол, отвечающих запросам бурно развивающейся авиационной техники. Возглавил совет академик АН СССР В.А. Каргин - признанный лидер отечественной полимерной науки. В состав совета вошли ведущие научные организации Академии наук и химической промышленности. Головной организацией от авиационной промышленности стал ВИАМ. На него возложили координацию всех работ - от синтеза новых стекол, их производства и создания технологии упрочнения до формообразования и испытания деталей остекления [16, 17].
Разработанные органические стекла обеспечили надежное остекление военных и пассажирских самолетов. Созданное ВИАМ ориентированное стекло А0-120 в наши дни является основным материалом остекления большинства отечественных самолетов и вертолетов. Фторакрилатные стекла Э-2 и С0-200 до сих пор не имеют аналогов в мире по теплостойкости (180-200°С) (рис. 3).
Рис. 3. Самолет МиГ-25, способный развивать скорость более 2,8 М (температура на поверхности до 230°С), остекленный фторакрилатным оргстеклом Э-2
В настоящее время ВИАМ совместно с ФГУП «НИИ полимеров им. В.А. Карги-на» и предприятием ООО «Рошибус» осваивает экологически щадящее производство целого ряда новых экономичных, теплостойких, серебростойких стекол частично сшитой структуры АО-120С, А0-120СМ, ВОС-2АО и др., а также проводит широкие исследования по разработке и применению в авиационном остеклении атмосферостойко-го поликарбоната совместно с ОАО «Институт пластмасс» и ФГУП «ГНИИХТЭОС» [18-21].
ЛИТЕРАТУРА
1. Скляров Н.М. Путь длиной в 70 лет /Под общ. ред. E.H. Каблова. М. МИСиС-ВИАМ. 2002.
С. 44-45;195-197.
2. Каблов E.H. 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.
3. Каблов E.H. Современные материалы - основа инновационной модернизации России //Металлы Евра-
зии. 2012. №3. С. 10-15.
4. Каблов E.H. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2-14.
5. Гудимов М.М., Перов Б.В. Органическое стекло. М.: Химия. 1981. 216 с.
6. Гудимов М.М., Сентюрин Е.Г. Прозрачная броня и органические стекла /В кн.: Авиационные материа-
лы на рубеже XX-XXI веков: Науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 1994. С. 370-373.
7. Ерасов B.C., Нужный Г.А., Гриневич A.B., Терехин А.Л. Трещиностойкость авиационных материалов
в процессе испытания на усталость //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 01 (viam-works.ru).
8. Сентюрин Е.Г., Мекалина И.В., Тригуб Т.С., Климова С.Ф. Модифицированные органические стекла для перспективной авиационной техники //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №2. С. 2-4.
9. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Климова С.Ф., Богатов В.А. Новые «серебростойкие» органические стекла //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 45-48.
10. Мекалина И.В., Богатов В. А., Тригуб Т.С., Сентюрин Е.Г. Авиационные органические стекла //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 04.
11. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Тригуб Т.С., Айзатулина М.К. Авиационные органические стекла для самолетов и вертолетов, эксплуатирующихся в морских условиях //Пластические массы. 2013. №3. С. 63-64.
12. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Тригуб Т.С., Айзатулина М.К. Стойкость авиационных органических стекол к концентраторам напряжений //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №4. С. 30-33.
13. Крынин А.Г., Хохлов Ю.А., Богатов В.А., Кисляков П.П. Прозрачные интерференционные покрытия для функциональных материалов остекления //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 05.
14. Мекалина И.В., Тригуб Т.С., Богатов В.А., Сентюрин Е.Г. Новое высокотеплостойкое ориентированное оргстекло марки ВОС-2АО //Авиационные материалы и технологии. 2010. №3. С. 14-19.
15. Богатов В.А., Тригуб Т.С., Мекалина И.В., Айзатулина М.К. Оценка эксплуатационных характеристик новых теплостойких органических стекол ВОС-1 и ВОС-2 //Авиационные материалы и технологии. 2010. №1. С. 21-26.
16. Мекалина И.В., Тригуб Т.С., Петров A.A., Богатов В.А. Исследование технологических и эксплуатационных свойств новых теплостойких авиационных оргстекол //Пластические массы. 2013. №10. С. 58-60.
17. Петров A.A., Климова С.Ф., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Богатов В.А. Новые акрилатные органические стекла частично сшитой структуры //Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. XXVI. №4 (133). С. 70-72.
18. Горелов Ю.П., Мекалина И.В., Тригуб Т.С. и др. Химическое модифицирование прозрачных акри-латных полимеров для повышения эксплуатационных свойств деталей авиационного остекления //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 79-84.
19. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Богатов В.А. Новые конструкционные органические стекла //Вопросы оборонной техники. Сер. 15. 2009. №3-4. С. 33-39.
20. ВИАМ в годы Великой Отечественной войны /Авт.-сост. E.H. Каблов, А.П. Петрова, И.М. Демонис: Буклет. М.: ВИАМ. 2010.
21. Петров A.A., Мекалина И.В., Е.Г. Сентюрин, Богатов В.А. Исследование особенностей изготовления деталей остекления из частично сшитых органических стекол //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 32-34.
