CC BY-NC
195
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУКЦИЯ СУДОВ
В.С. Никитин, В.Н. Половинкин
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТОВ В ЗАРУБЕЖНОМ ПОДВОДНОМ КОРАБЛЕСТРОЕНИИ
Объект и цель научной работы. Объектом исследования являются современное состояние и перспективы внедрения композитов в зарубежное подводное кораблестроение. Цель статьи - обоснование перспектив применения композитов в подводном кораблестроении, а также освещение различных технологических и конструктивных решений, применяемых на зарубежных подводных лодках при создании надстроек, ограждений выдвижных устройств, обтекателей акустических антенн, гребных винтов и других конструктивных элементов с использованием композитных материалов.
Материалы и методы. Использованы методы системного анализа и системного подхода, а также принцип исторической преемственности.
Основные результаты. Исследованы тенденции внедрения композитов в зарубежное подводное кораблестроение, определен перечень тех узлов конструкций подводных лодок, которые предпочтительно выполнять из композитов, отражены наиболее распространенные конструктивные решения.
Заключение. Сформулированы научно обоснованные выводы и прогнозы дальнейшего применения композитов в подводном кораблестроении.
Ключевые слова: подводные лодки, композиты, подводное кораблестроение, технологии изготовления деталей из композитов, технологии крепления, полимерные композиционные материалы, инфузия, прямые методы формования.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Для цитирования: Никитин В.С., Половинкин В.Н. Современное состояние и перспективы применения композитов в зарубежном подводном кораблестроении. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 4(382): 57-74.
УДК 620.22-419.8:623.827(1-87) БОТ: 10.24937/2542-2324-2017-4-382-57-74
SHIP DESIGN AND STRUCTURE
V. Nikitin, V. Polovinkin
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
STATE OF THE ART AND PROSPECTS OF COMPOSITES IN FOREIGN SUBMARINE SHIPBUILDING
Object and purpose of research. The object of this study is the state of the art and the prospect of composites in foreign submarine shipbuilding. The purpose of this paper is to justify the prospects of composite materials in submarine shipbuilding, as well as to describe various technological and design solutions adopted in superstructures, sails, bow domes, tail cones and other structural elements of foreign submarines where composites are used.
Materials and methods. This paper follows the methods of system analysis and system approach, as well as the principle of historical succession.
Main results. The paper studies the trends of introducing the composites to foreign submarine shipbuilding, enumerates the structural joints of the submarines that are preferable to be made of composites, as well as describes the most common design solutions.
Conclusion. The paper formulates scientifically justified conclusions and predictions for further application of composites in submarine shipbuilding.
Key words: submarines, composites, submarine shipbuilding, manufacturing technologies for composite parts, fastening technologies, polymeric composite materials, infusion, compression moulding methods.
Author declares lack of the possible conflicts of interests.
For citations: Nikitin V., Polovinkin V. State of the art and prospects of composites in foreign submarine shipbuilding. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 4(382): 57-74. (in Russian).
УДК 620.22-419.8:623.827(1-87) DOI: 10.24937/2542-2324-2017-4-382-57-74
Использование композитов в мировом судостроении началось значительно раньше, чем в других отраслях - с конца 40-х гг. XX века, т.е. практически с начала промышленного выпуска компонентов стеклопластика. Побудительным мотивом в данном случае явились уникальные эксплуатационные свойства композиционных материалов (КМ): коррозионная стойкость и простота ремонта.
В дальнейшем судостроители научились использовать несомненные конструкционные преимущества КМ, такие как высокие удельные механические характеристики, возможность их регулирования, замена нескольких деталей одной, т.е. уменьшение узлов соединения, что в условиях герметичности особенно актуально, а также технологические преимущества: возможность изготовления сложных форм, исключение операции покраски при введении пигмента в связующее и др.
Кроме того, современные композитные конструкции морского судостроения, как правило, в два раза легче стальных, что позволяет, соответственно, сократить примерно на 50 % расход топлива или увеличить грузоподъемность (водоизмещение) судна. По оценкам специалистов стоимость 25-летнего жизненного цикла судна из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на €47,8 млн ниже, чем судна из алюминия, и на €149 млн ниже, чем судна из стали. Сравнение
механических характеристик отдельных КМ и металлов отражено в табл. 1.
Следует также отметить, что наиболее высокие требования по размерной точности, а также размерной или геометрической стабильности, предъявляемые в процессе эксплуатации к современному высокоточному оборудованию, удается выполнить, используя только композиты на основе высокомодульных углеродных волокон, имеющих высокие жесткостные характеристики и близкий к нулю коэффициент термического расширения.
История применения КМ в зарубежном подводном кораблестроении также насчитывает более 50 лет. Впервые стеклопластик в подводном кораблестроении был применен в США в 1954 г. в рамках программы по увеличению сроков эксплуатации подводных кораблей. В качестве эксперимента на подводной лодке (ПЛ) и55 НаИЪеак (55-352) (типа Ва1ао) было установлено ограждение выдвижных устройств (ОВУ) из стеклопластика. Затем этот материал получил распространение в подводном кораблестроении Франции, Великобритании, Германии, Швеции, Испании, Японии.
Сегодня практически все ведущие страны мира включили композиты (композиционные материалы) в национальные перечни «критических технологий». Широкое использование КМ в подводном кораблестроении в первую очередь обосновывается
Таблица 1. Сравнение механических характеристик композитных материалов и металлов
Table 1. Comparison of mechanical parameters for composite materials and metals
Металлы Волокнистые ПКМ
Свойства Al сплав (2024) Ti сплав (ВТ 6) Сталь (30ХГСА) Стеклопластики Углепластики Органопластики
Удельный вес, р, г/см3 2,8 4,5 7,8 1,6-2,2 1,3-1,9 1,2-1,35
Предел прочности при раст., а', МПа 450 1100 800-1200 340-1700 780-1700 780-1500
Модуль упругости при раст., Е+, ГПа 70 115 200 50-60 120-220 60-80
Относительное удлинение, 8, % 11-15 10-13 10 0,5-2,8 0,4-1 2-7
их уникальными достоинствами, к которым специалисты, как правило, относят:
■ малый удельный вес (малую удельную массу)
при относительно высокой прочности;
■ сравнительно невысокую стоимость;
■ коррозионную стойкость;
■ немагнитность;
■ возможность получать материал с требуемыми
характеристиками, например с заданными акустическими свойствами и др.
Коррозионная стойкость - несомненное преимущество композитов перед сталью и другмим сплавами в морской воде. Не меньшее значение для военного кораблестроения имеет возможность снижения магнитной, радарной и инфракрасной сигнатур, а также улучшенные характеристики тепло-и звукоизоляции конструкций из КМ.
Подчеркнем, что именно высокая прочность КМ, коррозионная стойкость наряду с их универсальными акустическими и немагнитными свойствами и предопределяет их столь широкое распространение в подводном кораблестроении.
Основной акустической характеристикой, которая определяет рассеяние колебательной энергии (вибрации) в материале и конструкции, является коэффициент потерь п (коэффициент внутренних потерь). Коэффициент потерь показывает, какая часть энергии вибрации переходит в тепловую энергию и безвозвратно рассеивается, не преобразовываясь в шум. Для обычных недемпфированных металлов коэффициент потерь достигает значений от 0,001 до 0,005. При этом максимально теоретически возможная величина коэффициента потерь равна 1,0, но в реальных конструкциях из металлов без применения вибропоглощающих покрытий величина коэффициента потерь может иметь значение от 0,005 до 0,05. Коэффициент потерь наиболее распространенных в подводном кораблестроении КМ в конструкциях может достигать 0,2 и более.
В начале 1960 г. объектом, для которого в США в первую очередь предлагалось использовать КМ, были обтекатели акустических антенн ПЛ и обтекатели выдвижных устройств. Основной причиной внедрения такого решения является акустическая прозрачность стеклопластика. С этого момента обтекатели акустических антенн всех зарубежных ПЛ, включая атомные многоцелевые и стратегические подводные корабли, выполняются только из КМ. Например, на рис. 1 приведен вид сбоку носового обтекателя атомной подводной лодки (ПЛА) Virginia. Это стеклопластиковый носовой обтекатель без ребер жесткости длиной 6 м, опорным
диаметром 8 м и массой около 25 т. Следует отметить, что компания Seeman Composites Inc. для ПЛА типа Virginia изготавливает из КМ несколько крупных конструктивных элементов. Самый масштабный - это комплекс бортовой антенны LWWAA, состоящий из трех частей: двух боковых обтекателей и центральной части - обтекателя и фундамента-пластины.
Крупнейшими в мире носовыми обтекателями, выполненными из КМ, являются обтекатели атомной подводной лодки с баллистическими ракетами (ПЛАРБ) типа Ohio, имеющие опорный диаметр 10,3 м, длину 7,8 м и массу около 20 т. Носовые обтекатели ПЛА и ПЛАРБ ВМС США с 2001 г. поставляет компания Goodrich. Данной компанией разработана система материалов типа RHO-COR,
Рис. 1. Носовой обтекатель атомной подводной лодки Virginia: 1 - носовой обтекатель; 2 - обтекатель «подбородочной» антенны
Fig. 1. Sonar dome of USS Virginia (SSN-774): 1 - bow dome; 2 - «chin» sonar array fairing
I
Преформа
Смола Катализатор
Форма закрывается перед пропиткой
Рис. 3. Схема процесса пропитки под давлением (технология RTM)
Fig. 3. Resin Transfer Molding (RTM) procedure
Ввод связующего
Давление под вакуумом
Вакуумный мешок Связующее Дренажный слой / Наполнитель
^акуум /
Остатки \_\ .. связующего
■нминнвнн
Рис. 4. Схема пропитки методом вакуумной инфузии (технология VARTM)
Fig. 4. Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) procedure
Слой покрытия
Пакет препрега
Форма, обработанная антиадгезионным -■— составом
Разделительная пленка Воздухо-смоляной пропускающий слой
Вакуумный пакет
К вакуумному насосу
Рис. 5. Схема пропитки пленочным связующим (технология RFI)
Fig. 5. Resin Film Infusion (RFI) procedure
представляющая собой комбинацию из синтетического каучука с улучшенными акустическими свойствами и стеклопластика с увеличенной прочностью на основе препрегов E-glass, а также технология изготовления обтекателей VARTM (технология инфу-зионной пропитки). Время всего цикла пропитки при использовании технологии VARTM практически полностью определяется тем временем, которое требуется на приготовление вакуумного мешка, и зависит от квалификации и количества сборщиков.
Однако следует отметить, что уже в 50-е гг. прошлого столетия, например, в США были развернуты первые работы по изготовлению из КМ отдельных элементов конструкций надстроек и ОВУ перспективных ПЛ. Процесс внедрения КМ за рубежом оказался исключительно динамичным, и уже к началу 1990 г. изготовление многих элементов ПЛ из КМ стало для зарубежного подводного кораблестроения типовым, безальтернативным решением. Сегодня США и Европа применяют в 20 и 10 раз соответственно больше композитов в военном кораблестроении, чем наша страна.
В настоящее время спектр применения КМ в зарубежном подводном кораблестроении чрезвычайно широк. Например, из КМ изготавливаются элементы надстроек, обтекатели акустических антенн, рули, стабилизаторы, гребные винты, фрагменты линий валов, ракетные шахты, обтекатели подъемно-мачтовых устройств, емкости для хранения сжатого воздуха, конструкции отдельных корабельных боевых и технических средств и т.д.
За это время были отработаны как высокоэффективные технологии создания конструкций из этих материалов, так и производственные технологии крепления пластиковых конструкций с металлическими конструкциями на различных проектах ПЛ. Отдельные технологии, применяемые при производстве полимерных КМ и конструкций, отражены на рис. 2 (см. вклейку).
В зависимости от требуемой формы конструкции, ее геометрии и размерных характеристик в зарубежном подводном кораблестроении чаще всего применяются следующие методы получения композитных материалов и конструкций:
■ автоклавное изготовление (впервые автоклав был применен в конце 1960-х гг. при изготовлении носовых обтекателей серии ПЛА типа Sturgen. Эта же технология использовалась позже, при постройке серии ПЛА типа Los Angeles);
■ струйное нанесение;
■ RFL, resin film infusion - инфузия смолы, находящейся в пленочном виде;
■ RTM, resin transfer molding - подача смолы под давлением, в том числе с созданием вакуума (VARTM, vacuum-assisted RTM);
■ намотка (для осесимметричных конструкций);
■ пултрузия - изготовление профильных изделий путем протягивания через профильные отверстия (для конструкций, имеющих постоянное поперечное сечение) и др.
Одним из существенных недостатков ПКМ является их высокая стоимость, которая во многом определяется длительностью процесса их формования, ограниченной жизнеспособностью получаемых препрегов и дороговизной технологического оборудования (наиболее дорогостоящим является автоклавное оборудование, необходимое для отверждения). Разработка новых технологий, которые исключают необходимость использования автоклавного оборудования и изготовления препрега, является очень актуальной задачей.
Альтернативой препрегово-автоклавной технологии изготовления деталей из ПКМ, а также технологии контактного формования стали так называемые «прямые» процессы (Direct processes). Их суть заключается в совмещении операций пропитки наполнителя связующим и формования детали, что приводит к сокращению временного цикла изготовления детали, энерго- и трудозатрат и, как следствие, удешевлению технологии. В настоящее время существуют три основных технологии получения деталей из ПКМ таким способом:
■ пропитка под давлением (Resin Transfer Molding - RTM);
■ инфузионная пропитка под вакуумом (Vacuum Infusion - VARTM);
■ пропитка пленочным связующим (Resin Film Infusion - RFI).
Схемы отмеченных технологий отражены ниже, на рис. 3-5.
Способ пропитки под давлением широко применяется для изготовления таких деталей, как лопасти винтовентиляторных двигателей, лопатки турбореактивных двигателей, монолитные обтекатели, элементы механизации крыла, различные детали сложной формы и т.д.
В настоящее время технология вакуумной ин-фузии является главной альтернативой технологии контактного формования, в том числе в судостроении, а также как в надводном, так и в подводном кораблестроении. Например, ведущие мировые компании ведут научно-исследовательские работы, направленные на изучение возможности изготовления силовых и особо ответственных конструкций по технологии вакуумной инфузии.
Помимо технологий пропитки под давлением и вакуумной инфузии в зарубежном подводном кораблестроении применяется технология пропитки пленочными связующими (технология RFI). В ней так же, как и в технологиях RTM и VARTM, процесс пропитки наполнителя связующим совмещен с процессом формования детали. Однако в случае технологии RFI пропитка наполнителя осуществляется не в продольном, а в поперечном направлении, что значительно сокращает путь, который необходимо преодолеть связующему, и время пропитки. Суть способа RFI заключается в следующем:
■ на оснастку выкладываются слои армирующего наполнителя и связующего в виде пленки.
Таблица 2. Сравнительная оценка технологий пропитки пленочным связующим (RFI) при использовании различного оборудования для отверждения
Table 2. Comparative assessment of resin film infusion (RFI technologies) for different hardening tools
Метод формования Препрег RFI RFI
Оборудование, используемое для отверждения деталей из ПКМ Автоклав Автоклав Печь
Суммарная трудоемкость изготовления, чел.-ч.: 10,233 4,941 4,941
■ трудоемкость изготовления полуфабриката 1,333 0,111 0,111
■ трудоемкость процесса выкладки и сборки технологического пакета
Энергозатраты, кВт/ч: 624 601,67 61,67
■ на изготовление полуфабриката 90 1,67 1,67
■ на формование 480 600 60
Суммарные затраты, руб. 4639,92 3291,69 1401,69
Рис. 6. Способы соединения композитных и металлических конструкций:
А - механический способ; Б - физико-химический способ;
1 - крепежный элемент;
2 - зажим между слоями;
3 - конструкция типа «сэндвич»;
4 - клеевое соединение;
5 - металлическая вставка
Fig. 6. Methods of fastening composite elements to metal structures: A - mechanical method; B - physical & chemical method;
1 - fastener;
2 - clamp between layers;
3 - sandwich-type structure;
4 - adhesive fastening;
5 - metal insert
При этом выкладка может происходить как послойно, так и готовыми пакетами;
■ формируется технологический пакет (дренажные и разделительные слои, вакуумный мешок и т.д.);
■ проводится режим формования в печи под действием вакуума или в автоклаве при избыточном давлении (рис. 5).
В табл. 2 представлена сравнительная оценка технологий пропитки пленочным связующим (КР1) при использовании различного оборудования для отверждения.
На рис. 6-8 отражены способы соединения композитных и металлических конструкций, наиболее распространенные в подводном кораблестроении.
На зарубежных ПЛ в последнее время в качестве крепежных элементов для соединения секций из КМ и опорных металлических конструкций в основном используются вытяжные заклепки. Для их установки применяется специальный инструмент, например, «пистолеты». Однако имеют место и традиционные болтовые и клеевые соединения, а также их комбинации. На рис. 8 приведены схемы вытяжных заклепок и последовательность их установки.
Рис. 7. Способ стыковки кромок стеклопластиковых секций при помощи накладной планки:
1 - стеклопластиковые секции надстройки;
2 - упорная крепежная рама; 3 - соединительный элемент; 4 - накладная планка;
5 - крепежный элемент
Fig. 7. Coupling method for edges of GRP sections by means of the overlapping pad: 1 - GRP sections of superstructure; 2 - bearing frame; 3 - connecting element; 4 - overlapping pad; 5 - fastener
Рис. 8. Схемы вытяжных заклепок и процесса их установки: 1 - головка сердечника; 2 - сердечник; 3 - втулка заклепки; 4 - буртик заклепки;
5 - склепанные материалы; 6 - толщина материалов; 7 - точка излома; 8 - оторванный стержень;
9 - зажимные канавки; 10 - удерживающие канавки Fig. 8. Pop rivets and their installation: 1 - head of core; 2 - core; 3 - bushing; 4 - bead; 5 - riveted materials;
6 - thickness of materials; 7 - breaking point; 8 - torn-off rod; 9 - clamping grooves; 10 - holding grooves
Композиты или КМ, применяемые в подводном кораблестроении - это, прежде всего, многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, которые обладают высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ в КМ приводит к созданию принципиально нового материала, эксплуатационные свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам, и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.
В зависимости от материала матрицы композиционные материалы можно разделить на следующие основные группы:
■ с металлической матрицей - металлические КМ;
■ с полимерной матрицей - полимерные КМ;
■ с резиновой матрицей - резиновые КМ;
■ с керамической матрицей - керамические КМ и др. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов.
Наиболее распространенные матрицы отражены на рис. 9.
В качестве армирующих наполнителей для композитов, применяемых в военном кораблестроении, могут быть использованы такие виды волокон, как арамидное, базальтовое, полимерное, натуральное, стекловолокно, углеволокно и др.
С конца XX века в подводном кораблестроении находят широкое применение так называемые волокна третьего поколения. К таким волокнам относятся:
■ синтетические: ароматические (пара-, мета-) полиамиды, полиэтиленовые с высокой молекулярной массой, полибензоксазольные, поли-бензимидазольные, углеродные;
■ неорганические: новые виды стеклянных волокон, керамические;
■ наноразмерные и нанонаполненные волокна.
В последние десятилетия прошлого века появились углеродные волокна с прочностью ~5 ГПа (~3 Н/текс) и модулем упругости 800 ГПа (~400 Н/текс), стеклянные волокна нового поколения (прочность ~4 ГПа, 1,6 Н/текс), модуль упруго-
Рис. 9. Типы матриц кораблестроительных композитных материалов
Fig. 9. Types of matrices applied in shipbuilding composites
сти 90 ГПа (35 Н/текс), керамические волокна (прочность ~3 ГПа, 1 Н/текс), модуль упругости 400 ГПа (~100 Н/текс).
Наиболее распространенными типами армирующих волокон в зарубежном подводном кораб-лестролении являются стеклянные, углеродные и арамидные волокна (кевлар). Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочни-телем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d ~ 10-103, и с непрерывным волокном, в которых l/d = œ. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон составляет от долей до сотен мкм. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.
Характеристики отдельных армирующих материалов представлены на рис. 10.
По структуре композиты делятся на несколько основных классов:
■ волокнистые;
■ слоистые;
■ дисперсноупрочненные;
■ упрочненные частицами;
■ нанокомпозиты.
КМ по структуре армирования могут быть как состоящими из однородных слоев волокон, так и многослойными. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают требуемые механические характеристики материала, например прочность, жесткость и т. д. При этом матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической окружающей стреды. Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Следовательно, характеристики создаваемого изделия и его эксплуатационных свойств в первую очередь
зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения. Механические свойства и другие эксплуатационные характеристики КМ зависят от свойств слоя волокон, поверхностного взаимодействия слоя волокон и смолы, количества слоев волокон в соединении, а также от ориентации слоев волокон в соединении.
Важно в очередной раз подчеркнуть, что физико-механические свойства КМ могут изменяться в широких пределах в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления. В результате этого открывается уникальная возможность конструирования материалов с заданными свойствами.
По типу арматуры и ее ориентации КМ подразделяют на две основные группы: изотропные и ани-
зотропные. Изотропные КМ имеют одинаковые свойства во всех направлениях. К этой группе относят КМ с порошкообразными наполнителями. У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмернонаправ-ленные. В последнее время в кораблестроении находят широкое применение так называемые гибридные композиционные материалы, содержащие в своем составе три и более компонентов.
По способу получения металлические КМ делят на литейные и деформируемые, полимерные и резиновые КМ - на литейные и прессованные.
По назначению КМ разделяют на общеконструкционные, термостойкие, пористые, фрикционные и антифрикционные.
£
ад
S 20
о
^ 1S о
1б g 14
ц
tí 12
и
^ 10
£ S
от
б 4
2 0
12З
Specific modulus, 10 in 4 5 6 7 8 9 10
Aramid (Kevlar)
О
О
S-Glass
О
E-Glass Steel wires
О
Aluminium (in bulk) О Steel(in bulk)
.3
ЧО
h V Si
I- б Ig я
Carbon (high strength) g
О
Boron S "v (on tungsten) [ \
Beryllium U Graphite
(high modulus)
I- 5
о
Ь 4 "3
U fp 3 M
- 2 - 1 0
12 1б 20 24 Specific modulus, 10S cm
a
u H
0
1
(Г1
о a с ,
i
-с -
<0 £
и PPE
Ar amid
s S-Glass Carbon-HS PES
Steel PA
10
15 20
Удлинение, %
н К
о
0
1
g : р
с
i -с
S £
50 100 150 200
Модуль упругости, Н/текс
« 1500
5
« 1200
а
6 900
ез
к
б00
300 0
0,5
1,5
A Carbo n
/ E-( jlass
/ / ----- Aluminium
--—' para-A tramid
A
2,5 3 3,5 Удлинение, %
Рис. 10. Характеристики отдельных армирующих материалов. Связь между удельной прочностью и модулем упругости высокоэффективных волокон. Кривые «нагрузка - растяжение» композита на основе высокоэффективных волокон в эпоксидной матрице
Fig. 10. Parameters of separate reinforcing materials. Specific strength vs Young's modulus of highly efficient fibers. Load-tension curves for a composite based on highly efficient fibers in epoxy matrix
0
4
3
1
0
0
4
S
0
5
3 4
3
1
0
1
2
0
Рис. 11. Классификация комбинированных композиционных материалов по видам и расположению компонентов
Fig. 11. Classification of combined composite materials by type and arrangement of components
Рис. 12. Классификация комбинированных композиционных материалов по схемам армирования
Fig. 12. Classification of combined composite materials by reinforcement layouts
Выполненный анализ свидетельствует, что многие из приведенных выше типов КМ в той или иной степени нашли применение в зарубежном подводном кораблестроении.
Примеры ориентации различных наполнителей в полимерных КМ, формирование сэндвич-панелей, классификация комбинированных КМ по видам и расположению компонентов, а также классификация КМ по схемам армирования приведены на рис. 11-12.
В зарубежном подводном кораблестроении в максимальной степени получили распространение стеклопластики и, реже, углепластики на основе пара-арамида (кевлара). Стеклопластики и углепла-
стики - это полимерные композиты, в которых в качестве компаунда чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы, так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол). В качестве армирующего наполнителя для стеклопластиков используют стеклянные волокна, а для углепластиков - углеродные волокна. Смола, как пластичная основа, обладает невысокими прочностными характеристиками, но она способна принимать любую форму. Соединение пластичной основы и ткани либо отдельных волокон способствует созданию КМ, обладающего требуемыми прочностными характеристиками. Характеристики стеклопластиков на основе различных
Таблица 3. Характеристики стеклопластиков на основе различных смол
Table 3. Parameters of GRPs based on various resins
Наименование показателя Единица Значение показателя для стеклопластиков на основе различных смол
измерения Полиэфирная Эпоксидная Фенолформальдегидная
Плотность г/см3 1,4-1,75 1,6-1,9 1,5-1,8
Прочность при растяжении МПа 140-450 400-600 300-500
Прочность при статическом изгибе МПа 150-500 400-800 200-600
Прочность при сжатии МПа 150-300 200-400 100-300
Модуль упругости при растяжении МПа 11-25 22-32 18-25
смол представлены в табл. 3, характеристики некоторых видов волокон - в табл. 4.
Широкое использование стеклопластика, особенно при создании элементов надстроек ПЛ и ОВУ, определяется следующими факторами:
■ коррозионная стойкость стеклопластиковых конструкций значительно выше, чем у стальных. Они не требуют защиты от коррозии, что существенно снижает стоимость жизненного цикла перспективных ПЛ. Например, по данным фирм HDW, Коекиш8 и др., стоимость технического обслуживания конструкций из стеклопластика в 6-10 раз ниже стоимости обслуживания таких же конструкций из стали. Композитные конструкции также имеют больший срок службы (свыше 40 лет);
■ масса стеклопластиковых конструкций заметно меньше, чем у стальных, что положительно влияет на увеличение массы полезной нагрузки корабля;
■ стеклопластик не создает магнитного поля, что положительно влияет на скрытность подвод-
ных кораблей по магнитному полю, особенно в верхней полусфере;
■ стеклопластиковые конструкции имеют большой коэффициент внутренних потерь и менее подвержены возбуждению под воздействием набегающего потока (эти материалы, например, меньше излучают энергию в низкочастотном диапазоне);
■ многослойные стеклопластиковые конструкции при соответствующем подборе наполнителя могут эффективно поглощать излучение гидролокаторов, что в принципе позволяет отказаться от нанесения противолокационного покрытия на надстройку и ОВУ;
■ КМ позволяют сравнительно легко с технологической точки зрения создавать конструкции с плавными обводами, что улучшает обтекание и способствует как снижению шумности, так и уменьшению сопротивления движению.
В рамках проекта Advanced Sail («Усовершенствованный обтекатель рубки») в США разработана новая конструкция ОВУ, которая будет установле-
Таблица 4. Прочностные характеристики некоторых видов волокон
Table 4. Strength parameters of certain fiber types
Вид нити Удельная плотность, г/см3 Упругость, ГПа Предельная прочность на разрыв, ГПа Разрывное удлинение % Энергия разрыва, МДж/м3
Полиамидное волокно Найлон 6,6 1,1 5 0,9 18 80
Кеу1аг 49тм - суперпрочное волокно ароматического полиамида 1,4 130 3,6 3 50
Высокопрочная стальная нить 7,8 200 3 2 6
Рис. 13.
Композитные элементы подводных лодок типа Virginia
Fig. 13. Composite structural parts of Virginia type submarines
Носовой обтекатель ОВУ
Экономия веса: 2268 кг Экономия средств: $ 150 000
Обтекатель носовой оконечности
Lkc: 22 148 кг '^\уко прозрачность, защита антенны ГАС
10,4 м
Крышки люков ОВУ (из ПКМ)
Кормовой обтекатель
ПКМ типа SCRIMP или IBMP заменяет никелево-медную оболочку. Экономия средств: $ 1 млн (оценочно)
Кормовой обтекатель
Легкие антенны ГАС с широкой апертурой (по три с каждого борта) обеспечивают боевую работу ключевых акустических средств обнаружения
на на ПЛА типа Virginia четвертой подсерии Block IV SSN 792 - SSN 801 (ввод в состав ВМС в 20202024 гг.). Конструкторы планируют создание ОВУ увеличенного объема «лимузинного» типа, подобное по форме ОВУ, применяемому на отечественных ПЛА разработки ОАО «СПМБ «Малахит», но выполненное из композитных материалов.
В процессе исследований и разработок проводились оценки различных возможных вариантов конструкции, при этом в целях сокращения временных и финансовых затрат был использован вычислительный аппарат теории динамики жидкости. Была создана постоянная широкомасштабная база данных, содержащая результаты расчетов и измерений, и выполнен большой объем модельных испытаний. Выбранная конструкция получила обозначение AS 98. Конструкция AS 98 была изготовлена из КМ
в масштабе 1:4 и установлена на крупномасштабной (1:4) модели ПЛА Kokanee типа Seawolf.
Специалисты отмечают, что в ВМС США наиболее широко КМ стали использоваться начиная с ПЛА типа Virginia. Кроме традиционно изготовляемого из КМ обтекателя носовой оконечности ПЛ в этом проекте были разработаны технологии изготовления из КМ носового обтекателя ОВУ, кормового конического обтекателя мортиры вала, крыльчатки центробежного циркуляционного насоса, устройства РКП, обтекателя ГПБА, крышек лючков ОВУ, решеток забортных отверстий и циркуляционной трассы, а также монтажных конструкций двоякой кривизны для ГА датчиков широко-апертурной антенны LWWAA (рис. 13).
Впервые конический обтекатель мортиры гребного вала из КМ был установлен на ПЛА Mississippi
Рис. 14. Атомная подводная лодка SSN 782 Mississippi. Композитный конус-обтекатель
Fig. 14. SSN 782 Mississippi. Composite tail cone
SSN 782 типа Virginia (9-я АПЛ серии, введена в состав флота 02.06.12). На рис. 14 приведен композиционный обтекатель ОВУ ПЛА типа Virginia, предназначенный для уменьшения интенсивности подпорного вихря. Такой обтекатель также впервые был установлен на ПЛА Mississippi. Он представляет собой цельную конструкцию с параболическими обводами двоякой кривизны, которая крепится с помощью болтовых соединений к корпусу ПЛА и к носовой стенке ОВУ. Обтекатель изготавливается по комбинированной технологии объемной экструзии и вакуумной формовки.
В целом, эволюцию применения КМ особенно наглядно демонстрирует опыт подводного кораблестроения Франции. В 1955 г. в городе Шербур были построены первый в мире цех и специализированная лаборатория для обеспечения внедрения в военное кораблестроение материала под названием «комплекс стекло-смола». По результатам выпол-неных французами исследований было принято решение о возможности использования КМ в качестве конструкционных материалов для надстроек ПЛ с конца 1960 г. Достижения французских конструкторов и технологов в этой области схематично отражены на рис. 15 (см. вклейку).
Обратим внимание на наиболее современные французские подводные корабли, и в первую оче-
Рис. 18. Носовой обтекатель атомной подводной лодки с баллистическими ракетами типа Le Redoutable: 1 - стеклопластиковый обтекатель; 2 - опорное кольцо; 3 - матрица
Fig. 18. Bow dome of Le Redoutable: 1 - GRP dome; 2 - bearing ring; 3 - matrix
редь на ПЛА типа Rubis, ПЛАРБ типа Le Redoutable и ПЛ типа Scorpene.
Первоначально на ПЛА Rubis была установлена стальная надстройка. В дальнейшем, в соответствии с программой «улучшения тактических свойств за счет улучшения гидродинамики, обесшумливания, борьбы с распространением шума и улучшения акустического комплекса», стальные надстройки и ОВУ были заменены на пластиковые. Схема размещения стеклопластиковых конструкций на ПЛА Rubis приведена на рис. 16 (см. вклейку).
Проект французской ПЛАРБ типа Le Redoutable был разработан фирмой DCN в начале 1990 г. Во Франции при разработке новой концепции стратегической ПЛА управление DGA Минобороны определило фантастическую в то время цель: перед конструкторами и строителями ставилась задача снизить шумность в тысячу раз. Сегодня ПЛАРБ Le Redoutable является единственным в мире кораблем такого класса с надстройкой и ОВУ, выполненными из КМ. По заявлениям проектанта и строителя корабля, более 50 % его смоченной поверхности выполнено из КМ. Общая площадь надстройки составляет 1200 м2. По совокупности показателей для изготовления секций надстройки и ОВУ был выбран стеклопластик, для изготовления которого использовался препрег с волокнами E-glass на полиэфирной смоле. Для изготовления секций практически в равной степени применяются как однослойные материалы, так и материалы типа «сэндвич». Наполнителем в материалах типа «сэндвич» является синтактик (стеклянные микросферы в эпоксидной смоле). Секции усилены стеклопластиковыми ребрами жесткости. Обшивка ОВУ выполнена из двух слоев - на стеклопластиковой обшивке закреплено противогидролокационное покрытие. В настоящее время французские ученые предложили новое покрытие, толщина которого равняется нескольким миллиметрам. Предложенное резиновое покрытие содержит слой периодически расположенных воздушных карманов, играющих роль амортизаторов, гасящих давление звуковой волны.
Кроме того, для глушения шума, например, на ПЛА типа Thresher/Permit применялось внутреннее звукопоглощающее покрытие из стеклопластика, толщина которого в отдельных отсеках достигала 76 мм.
Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛАРБ Le Redoutable отражена на рис. 17 (см. вклейку), носовой обтекатель данной ПЛ продемонстрирован на рис. 18.
Значительный объем КМ внедрен французскими конструкторами и технологами на ПЛ типа Scorpene - это серия новейших французских подводных лодок, строящихся на экспорт: ВМС Франции отказались от дизель-электрических подводных лодок в пользу атомных. ПЛ типа Scorpene стоят на вооружении ВМС Чили и КМС Малайзии, а также строятся для Бразилии и Индии. Следует отметить, что на базе проекта ПЛ Scorpene испанской компанией Navantina было осуществлено проектирование ПЛ типа S-80.
Схема размещения стеклопластиковых конструкций на ПЛ типа Scorpene представлена на рис. 19 (см. вклейку).
Именно в проектах французских ПЛ и ПЛА были впервые использованы КМ в конструкциях кормового оперения, стабилизаторов и рулей. Опыт французов переняли немецкие конструкторы. В начале 1990 г. возможностью применения на ПЛА рулей, изготовленных из КМ, заинтересовались ВМС США. В 2002 г. ВМС Великобритании приняли решение об оснащении многоцелевых ПЛА типов Swiftsure, Trafalgar и Astute отдельными конструкциями, выполненными из КМ.
Впервые в практике германского подводного кораблестроения композитные материалы, например армированный пластик FRP (Fiber Reinforced Plastics), были использованы на ПЛ типов 206 и 209 для изготовления палубы надстройки и обтекателя выдвижных устройств, а также акустически прозрачного «окна» для антенны ГАС.
Проект 209 был разработан КБ IKL в 1960 г. Всего по данному проекту на протяжении более 40 лет было построено свыше 60 кораблей для 13 стран мира.
На ПЛ этого проекта до 1980 г. вся надстройка представляла собой банкетку, расположенную вокруг ОВУ. К началу 1990 г. на корабле появилась сплошная надстройка по всей длине прочного корпуса. Вся надстройка, а также носовая и кормовая части ОВУ изготавливались из стеклопластика. Последней модификацией проекта стали три корабля типа 209/1400, построенные и переданные ВМС ЮАР в 2005-2007 гг.
На ПЛ данного типа надстройка, выполненная из стеклопластика, включает следующие элементы:
■ носовая стеклопластиковая секция толщиной 40 мм с толщиной 100 мм в горизонтальной части (рис. 20);
■ несколько П-образных секций в нос и корму от ОВУ, состоящих из бортовых стеклопластико-вых подсекций;
Рис. 20. Носовая секция надстройки подводной лодки проекта 209/1400 ВМС Бразилии: 1 - отформованные планки под лючок
Fig. 20. Forward superstructure section for a Type 209/1400 submarine (Brazilian Navy): 1 - moulded bars for the access hatch
■ бортовые секции в районе ОВУ;
■ кормовая секция.
В качестве крепежных элементов стеклопла-стиковых секций к металлическим конструкциям на данной ПЛ используются вытяжные заклепки. Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛ проекта 209 отражена на рис. 21 (см. вклейку).
Первый композитный гребной винт (ГВ) был разработан фирмой HDW для ПЛ типа 206А ВМС Германии. За несколько лет были успешно испытаны два композитных ГВ, продемонстрировавших хорошие акустические характеристики. После этих испытаний усовершенствованный, больший по размерам композитный ГВ был разработан и успешно испытан на неатомной ПЛ типа 212А (рис. 22) ВМС Германии.
В табл. 5 приведен сравнительный анализ характеристик традиционного материала гребного
Рис. 22. Гребные винты из углепластика подводной лодки проекта 206А (А) и 212А (Б)
Fig. 22. CRP propellers of Type 206А (А) и 212А (B) submarines
Таблица 5. Сравнительный анализ характеристик материалов
Table 5. Comparative analysis for parameters of materials
Прочность на разрыв, МПа Модуль упругости, ГПа Плотность, г/см3 Удельная прочность, МПа/г/см3 Удельная жесткость, ГПа/г/см3
Марганцево-бронзовый сплав 640 11,6 8,2 7,8 14
КМ 1200 98 1,55 775 63
винта и КМ, из которого был изготовлен винт ПЛ проекта 212А.
Следующей разработкой фирмы HDW стал композитный ГВ второго поколения с увеличенным эффектом демпфирования за счет оптимизации геометрических параметров лопастей по акустическим критериям, в частности числа и углов «откид-ки» лопастей.
В качестве параметра демпфирования использовался модальный коэффициент потерь, вычисляемый как отношение рассеянной энергии к максимальной энергии напряжений для каждой моды колебаний. Ранее применявшиеся ГВ, отливаемые из марганце -во-бронзового сплава Бопо81:опе, имели модальный коэффициент потерь 0,5 %. У композитных ГВ для ПЛ типа 2 06А, выполненных с использованием углепластика, стеклопластика и арамидных волокон, этот коэффициент достиг значения 1,0 %.
Характеристики КМ для гребных винтов определяются большим числом параметров, включая комбинацию «волокно/матрица», ориентацию волокон по слоям и структуру слоев, которые необходимо оптимизировать по виброакустическим и прочностным характеристикам.
Специалистами ВМС Германии совместно с Институтом легких конструкций и пластиков при Дрезденском техническом университете был разработан расчетный аппарат с использованием метода конечных элементов, позволивший выявить возможности увеличения модального коэффициента потерь за счет соответствующей ориентации волокон и выбора структуры слоев. Такая оптимизация позволила достичь расчетного коэффициента потерь 10 % для плоских пластин; при измерениях получен коэффициент 8,0 %. С учетом значительно более сложной конструкции лопасти ГВ ожидаемая величина коэффициента потерь нового ГВ составит около 4,0 %.
Для обеспечения процесса ремонта ГВ и замены лопастей из композитных угле- и стеклопластиковых
материалов в случае их повреждения они присоединены к двухэлементному бронзовому основанию, крепящемуся болтами к ступице ГВ. Проектирование лопастей из КМ, а также разработка документации по изготовлению материала лопастей ГВ велись с использованием специального ПО Fiber SIM.
При изготовлении нового композитного ГВ был использован опыт фирмы HDW в этой области. Лопасти ГВ изготовлялись как две половинки оболочки. Качество материала обеспечивалось использованием предварительно пропитанных волокон (preimpregnated fibers - prepregs), позволяющих упорядочить расположение волокон и добиться малого отклонения их толщины от заданной.
Автоматическое нарезание слоев выполнялось с использованием лазера. После изготовления и дополнительной обработки обе полуоболочки окончательно подгонялись по размерам и проверялись рентгеновской установкой. Затем они соединялись воедино и крепились к бронзовому основанию.
Испытания на прочность и долговечность материала, выполненные в Дрездене с использованием натурного образца лопасти, показали, что срок эксплуатации лопастей повышается вдвое, причем не только в обычных условиях, но и при воздействии больших нагрузок, например, при аварийной остановке на полном ходу или при максимальном ускорении. Обычно после испытаний тестовую лопасть разрезают на куски и проверяют их состояние.
Для проверки акустических характеристик были выполнены специальные измерения, включавшие модальный анализ лопастей ГВ в воздухе. Это позволило определить собственные частоты и моды колебаний, а также модальные коэффициенты потерь. Измерения проводились при ударном возбуждении вибромолотком в нескольких заданных точках, акселерометр был приклеен к лопасти в фиксированной точке. Кроме того, использовалась лазерная виброметрия со сканированием поверхности лопастей лучом при их возбуждении вибратором.
Интерферометр позволил определить смещения и ускорения точек поверхности с высоким разрешением при полной автоматизации измерений.
Перед началом испытаний ПЛ с новым ГВ из КМ в воде на одной лопасти были проведены (с помощью подводных пловцов) измерения ударным методом. Были измерены собственные частоты и модальные коэффициенты потерь лопасти. Затем выполнялись измерения подводной шумности на ходу ПЛ в реальных условиях, включая различные маневры.
В 2012 г. прошли гидродинамические и акустические морские испытания ПЛ типа 212А с новым композитным ГВ. Результаты испытаний показали высокую эффективность такого решения.
Дальнейшее развитие конструкций, выполненных из КМ, в ВМС Германии связано с проектами 212, 212А, 214.
В частности, на неатомных ПЛ типов 212A и 214 наряду со стеклопластиком GRP (Glass-fibre Reinforced Plastics) используется углепластик CFRP (Carbon-Fibre Reinforced Plastics). Материал используется для изготовления больших трехмерных изделий или при необходимости обеспечения высокой акустической прозрачности.
В Германии принято, что применение КМ не должно быть ограничено рамками строительства новых ПЛ. Они могут использоваться также и при модернизации построенных ПЛ, находящихся в эксплуатации, из них могут изготавливаться контейнеры спасательных плотов, пусковые устройства систем противоторпедной защиты, рули, гребные валы, гребные винты.
Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛ проекта 212А приведена на рис. 23 (см. вклейку). Обращает на себя внимание тот факт, что кормовая часть этой ПЛ выполнена двухкор-пусной.
Кроме надстройки и ОУВ из стеклопластиковых крупных панелей изготовлена вся обшивка бортовых проницаемых частей в двухкорпусной части ПЛ. Панели крепятся к опорным продольным и поперечным рамам при помощи вытяжных заклепок.
Еще больший объем КМ использован в проекте 214, ПЛ которого предназначены только для экспорта. На данный момент для четырех стран мира построено 9 ПЛ проекта 214. Надстройка этой ПЛ отличается от всех предыдущих немецких кораблей упрощенными обводами и большими размерами стеклопластико-вых секций. Отличается и схема крепления секций к прочному корпусу. Крепление осуществляется не линиями крепежных элементов, а единичными элементами на одиночные фундаменты.
По оценке специалистов компании HDW, 850 м2 смоченной поверхности ПЛ приходится на конструкции из КМ: 600 м2 покрыто стеклопластиком, 250 м2 - углепластиком. Обшивка приполнен-ного докового киля, где размещены баллоны хранения водорода, выполнена из стеклопластика. Схема размещения конструкций из КМ ПЛ проекта 214 представлена на рис. 24 (см. вклейку).
Параллельно с разработкой проектов ПЛ типа 212, 212А, 214 компания HDW разработала для ВМС Израиля ПЛ типа Dolphin - серию германских дизель-электрических подводных лодок, также известную как тип 800.
Разработки в области использования КМ на ПЛ и ПЛА ведутся и в Великобритании. Отдел морских конструкций и живучести Агентства оборонных оценок и исследований Великобритании (DERA) проводит исследовательскую программу «Новые конструкции со Stealth-характеристиками», предусматривающую использование на ПЛ широкого спектра КМ. Одна из первых работ, выполненных по этой программе, была направлена на создание рулей из КМ. Было разработано Stealth-покрытие в виде «сэндвича» из пластика и резины, подкрепленного податливыми перемычками. Такое покрытие является «акустически согласованным» «с водной средой» и поглощает звуковую энергию в широком диапазоне частот.
Покрытие также можно частотно настроить для получения требуемого максимума поглощения посредством четвертьволнового антирезонанса между передней и задней поверхностями. Управление DERA предлагало использовать эту концепцию и для других неосновных конструкций ПЛ, например проницаемых частей носовой и кормовой оконечностей.
Ведутся также работы по корпусным конструкциям ПЛ, при этом повышенное внимание уделяется скрытности по неакустическим полям, снижению стоимости постройки и обеспечению жизненного цикла ПЛ. Конструкции из КМ отвечают этим требованиям, прежде всего, ввиду отсутствия коррозии, что удешевляет эксплуатацию и исключает главный источник электрического и магнитного полей.
Наиболее предпочтительным вариантом корпуса был признан стальной цилиндр, подкрепленный наружными кольцевыми шпангоутами, покрытый синтактной пеной и окруженный стеклопластико-вой оболочкой.
При этом предусматривается, что часть полезной нагрузки, включая датчики, может размещаться
Рис. 27. Баллон воздуха высокого давления из полимерных композиционных материалов
Fig. 27. High-pressure air bottle made of polymeric composites
в пене и стеклопластиковой оболочке. Кроме того, в тороидальных емкостях можно разместить жидкости, например кислород для топливных элементов, или сжатый воздух. Такое использование междубортного пространства компенсирует потерю пространства между внутренними шпангоутами современных ПЛ, часто используемого для размещения оборудования небольших размеров.
В целом, по мнению DERA, разработанная композитная конструкция корпуса имеет потенциал для совершенствования в плане обеспечения прочности, снижения усталостных напряжений и повышения ресурса, а также меньшей коррозии и стоимости жизненного цикла.
Дальнейшие работы планируется сконцентрировать на уменьшении низкочастотного шумоизлу-чения, а также на количественном определении требуемого повышения живучести при высоких ударных нагрузках.
Известно также о работах в данной области британской фирмы Rolls-Royce, которая при создании движителя Pump Jet для АПЛ типа Astute ВМС Великобритании изготовила насадку, обтекатель ступицы и защитную дейдвудную втулку из композитного материала, созданного на основе армированного стекловолокном пластика типа Vinyl-ester. Кроме обтекателя ступицы, носового обтекателя на ПЛА широко используются КМ для изготовления элементов надстройки легкого корпуса, рулей, кормового оперения.
Первой английской ПЛ, на которой были установлены стеклопластиковые конструкции, стала ПЛ типа Oberon. Общая масса надстройки из КМ составляла 20 т. Секции формировались из полиэфирного стеклопластика и имели поперечные ребра жесткости. ОВУ состояло из 26 стеклопластико-
вых прямоугольных секции, которые крепились болтами. ПЛ данного проекта служили в течение более чем 30 лет.
Следующим проектом английской ПЛ, у кото-рои надстроика и обтекатели бортовых устроиств были выполнены из КМ, стала ПЛ типа Upholder. Схема размещения конструкций из КМ этой ПЛ отражена на рис. 25 (см. вклейку).
В конце 1980-х гг. шведской фирмой Kockums для ВМС Австралии был разработан проект ПЛ типа Collins - серия дизель-электрических подводных лодок. Всего с 1990 по 2003 гг. на государственной верфи в Аделаиде было построено шесть подводных лодок этого типа (частично из произведенных в Швеции секций корпуса). Это единственный тип подводных лодок на вооружении КВМФ Австралии; предполагается, что они останутся в строю как минимум до 2025 г. Схема расположения конструкций из стеклопластика ПЛ типа Collins приведена на рис. 26 (см. вклейку).
В последние годы номенклатура конструкций подводного кораблестроения, выполняемых из КМ, продолжает расширяться. Например, на рис. 27 представлен баллон для хранения сжатого воздуха.
В целях снижения массы и стоимости фирма KaZaK Composites предложила изготавливать шахты выдвижных устройств из КМ. В местах соединения с датчиками и другой аппаратурой устанавливаются отдельно отлитые панели, также сделанные из КМ.
При этом по сравнению с использованием нержавеющей стали масса шахты из КМ снижается на 60 %, а стоимость - на 30 %. Кроме того, шахта из КМ отличается практическим отсутствием искривлений - менее 0,3 мм на длине более 3,7 м. Наиболее интенсивно разработки шахты из КМ велись в 2006-2007 гг.
Обтекатели выдвижных устройств, выполненные из КМ и предназначенные для уменьшения динамического воздействия набегающего потока на трубу выдвижного устройства, особенно актуальны для скоростных ПЛ.
В настоящее время во многих странах мира в военном кораблестроении все шире применяются изоляционные конструкции из различных видов композиционных материалов на основе разнообразных связующих и армирующих волокнистых материалов - от подвесных изоляторов до изоляционных корпусов всевозможного высоковольтного оборудования, также на стеклопластиковые заменяются трубопроводы ПЛ.
Специалистам известны проекты применения конструкций из КМ для движителей типа Pump Jet. Из КМ изготавливают специальные контейнеры, например, для хранения снаряжения сил спецопераций, крышки забортных пусковых установок, различные решетки, лючки. Не менее распространено применение КМ в оружейных комплексах: например, ракетные шахты ПЛАРБ типа Le Redoutable изготовлены из углеволокон. В ВМС США КМ успешно используются при создании модулей полезной нагрузки.
Выводы
Conclusion
В целом, актуальность применения КМ в зарубежном подводном кораблестроении подтверждается тем, что за рубежом постоянно ведутся исследования по расширению номенклатуры конструкций из этих исключительно перспективных конструкционных материалов. Сегодня доля стеклопластика в общем количестве судостроительных композитов составляет примерно 75-80 %, сэндвич-материалов - 10-15 %, остальные 5-10 % приходятся на долю углепластиков.
В настоящее время известно огромное количество композитов, и их главное преимущество заключается в том, что материал и конструкция создаются одновременно. Также их плюсами являются высокая удельная прочность (3500 МПа), высокая жесткость (модуль упругости композитных материалов колеблется от 130 до 240 ГПа), высокая износостойкость, легкость и высокая усталостная прочность. Стоит отметить, что разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых качеств композитных материалов невозможно добиться одновременно.
Конструктивные решения, применяемые за рубежом в подводном кораблестроении, имеют единый подход - они имеют или секционную разбивку, или представляют собой единое изделие. В целом, можно с уверенностью утверждать, что КМ - материалы будущего в подводном кораблестроении. По данным Frost & Sullivan, рынок судостроительных композитов уже в 2018 г. вырастет до 200 000 т (по сравнению с 135 000 т в 2011 г.), причем годовой прирост рынка составляет 5,6 %. Отчет Transparency Market Research показывает, что мировой спрос на судостроительные композиты оценивается в $954,6 млн, а к 2019 г. он достигнет показателя в $1,55 млрд.
Важнейшее направление дальнейшего применения КМ в подводном кораблестроении - это создание интеллектуальных материалов, способных определять внешние воздействия и реагировать на них изменением своих свойств.
Новейшие материалы с уникальными технико-эксплуатационными характеристиками являются решающим фактором при создании ПЛ и ПЛА нового поколения. Одна из областей применения интеллектуальных материалов - управление морфингом лопастей гребных винтов, рулей для регулирования, оптимизация или перестройка их формы с целью улучшения свойств.
В будущем КМ будут широко применяться в подводном кораблестроении. Под воздействием внешних факторов рано или поздно все материалы разрушаются, поэтому ученые уже сейчас стремятся создать самовосстанавливающиеся материалы и покрытия, способные к многократной регенерации. Особенно это актуально там, где ремонт или замена деталей затруднены или невозможны. Разработки по созданию самовосстанавливающихся материалов продолжатся.
Без понимания малейших изменений, происходящих внутри композита, невозможен контроль состояния и функционирования КМ в заданных параметрах, поэтому неразрывно с разработкой КМ будет проводиться комплекс исследований в области разработки оптоволоконных датчиков для контроля затвердевания композитов.
Библиографический список
References
1. Использование композитных конструкционных материалов при создании ПЛ. Аналитический отчет. ЦКБ МТ «Рубин». 2014. Вып. 18. [Application of polymeric composites on submarines. Analytical Report of Central Design Bureau for Marine Engineering Rubin. 2014; 18. (in Russian)].
2. Комарова Т.В. Получение углеродных материалов. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2001. [T. Komarova. Obtaining carbon-base materials. Moscow: Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, 2001. (in Russian)].
3. Бобович Б.Б. Неметаллические конструкционные материалы. М.: МГИУ, 2009. [B. Bobovich. Non-metal structural materials, Moscow: Moscow State Industrial University, 2009. (in Russian)].
4. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин ВВ. и др. Композиционные материалы. М.: Машиностроение,
1990. [V. Vasilyev, V. Protasov, V. Bolotin et al. Composite materials. Moscow: Mashinostroyeniye, 1990. (in Russian)].
5. Молчанов Б И., Гудимов ММ. Свойства углепластиков и области их применения. М.: ВИАМ, 1996. [B. Molchanov, M. Gudimov. Properties and applications of carbon-reinforced plastics. Moscow: All-Russian Institute of Aviation Materials (VIAM), 1996. (in Russian)].
6. ЛысенкоАА, ГрибановАВ., ТарасенкоАА, Лысенко В.А. Композиционные материалы системы углерод-углерод. СПб.: СПГУТД. 2006. [A. Lysenko, A. Gribanov, A. Tarasenko, V. Lysenko. Carbon-carbon composite materials. St. Petersburg: Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design (SUTD), 2006. (in Russian)].
7. Новые материалы. М: МИСИС, 2002. [New materials. Moscow: Moscow Institute of Steel and Alloys State Technological University (MISIS), 2002. (in Russian)].
8. ГуменюкН.С., Грушин С.С. Применение композитных материалов в судостроении // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-1. С. 116-117. [Ж Gumenyuk, S. Grushin. Shipbuilding applications of composite materials // Sovremennye naukoyemkiye tekhnologii (Science-Intensive Technologies Today). 2013; 8(1): 116-7. (in Russian)].
9. МуленковВ.П., КостылевЮВ. Опыт использования композиционных материалов в нестандартном
оборудовании // Золотодобывающая промышленность. 2010. № 3(39). [V. Mulenkov, Yu. Kostylev. Application experience of composites in non-conventional equipment // Zolotodobyvayushaya promyshlennost (Goldmining). 2010; 3(39). (in Russian)].
Сведения об авторах
Никитин Владимир Семенович, д.т.н., профессор, генеральный директор ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-46-07. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.
Половинкин Валерий Николаевич, д.т.н., профессор, советник генерального директора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 386-67-03. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.
About the authors
Nikitin, Vladimir S, Dr. Eng., Prof., Director General, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-46-07; e-mail: krylov@krylov.spb.ru.
Polovinkin, ValeryN, Dr. Eng., Prof., Counsellor of the Director General, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 386-67-03; e-mail: krylov@krylov.spb.ru.
Поступила / Received: 28.09.17 Принята в печать / Accepted: 06.10.17 © Никитин В.С., Половинкин В.Н., 2017
