На круги своя
На круги своя
Одной из сложнейших проблем, с которой пришлось столкнуться при создании головных частей (а в дальнейшем и любых возвращаемых аппаратов), стала защита силового корпуса от разогрева мощными тепловыми потоками при движении в плотных слоях атмосферы на нисходящем участке свободного полета. Еще на заре развития ракетной техники в пятидесятых годах об этом писал известный американский ученый венгерского происхождения, специалист в области аэродинамики и прочности Теодор Карман:
"Вход в атмосферу…, вероятно, одна из наиболее трудных задач, которую можно себе представить. Ее решением заняты лучшие умы из тех, кто работает в данной области современной аэрофизики".
Показательно, что, пытаясь решить проблему защиты корпуса головной части от разогрева, приводящего к неминуемому разрушению последней, американцы на первых порах пошли по ложному пути — поиску материала, который сумел бы "впитывать" в себя, спасая конструкцию, огромные тепловые потоки. В качестве такого "поглотителя" тепловой энергии для создания конструкции теплозащиты ставка была сделана на красную медь в силу ее большой теплоемкости. Но сразу стало ясно, что для реального процесса полета головной части этот путь не приведет к "свету в конце туннеля". Сложность проблемы находилась в прямой зависимости от увеличения дальности полета ракет.
В этом вопросе все пришлось пройти заново. Предстояло прежде всего разработать научную теорию расчета необходимой толщины ТЗП, как отныне стали называть теплозащитное покрытие, а затем и создать на основе этих расчетов необходимые новые материалы, способные надежно защитить корпус головной части от воздействия высоких температур.
По свидетельству Я.К. Голованова, согласно первым расчетам, проведенным применительно к межконтинентальной дальности, для защиты головной части требовалось покрытие толщиной чуть ли не в метр и весом около семнадцати тонн. "Ясно, что это глухой тупик, — пишет он. — Едва приступив к проектированию больших баллистических ракет, Королев, вновь используя свою многократно проверенную и почти всегда безотказную техническую интуицию, сразу почувствовал, что проблема теплозащиты "головы" — это тщательно замаскированный капкан на его пути, который может схватить намертво, так, что он и шагу вперед не сделает".
С проблемой ТЗП в янгелевском конструкторском бюро впервые вплотную столкнулись в 1955-56 годах, и связано это было с освоением на Южном машиностроительной заводе серийного производства ракеты Р-5 конструкции С.П. Королева. На этой ракете впервые была установлена головная часть с ядерным боевым оснащением. В проектировавшихся до этого головных частях С.П. Королева и М.К. Янгеля с обычным зарядом взрывчатого вещества роль теплоизолятора между металлом корпуса и взрывчатым веществом выполнял обычный картон.
На боковую поверхность головной части ракеты Р-5 наносилась обмазка ТМП-2, формировавшаяся на основе жидкого стекла. Существенным недостатком ее, как сразу выяснилось, была склонность к растрескиванию и отслоению от металлического корпуса.
— Освоение технологии нанесения покрытия, — по словам непосредственного участника тех событий инженера А.Ф. Барашонкова, — проходило в нервной обстановке. Работали круглосуточно, без выходных. Созданные бригады из технологов и конструкторов контролировали правильность действий рабочих и операторов на соответствие нормативно-технической, технологической и конструкторской документации. Любое отступление заносилось в технологические паспорта, и по ним принимались оперативные решения…
Технология была освоена, и первую партию корпусов отправили на снаряжение атомными зарядами на предприятия Министерства среднего машиностроения. Однако недостатки покрытия проявились вскоре, дав о себе знать уже по прибытии головных частей на снаряжательные заводы. При внешнем осмотре состояния поверхности корпусов были обнаружены трещины и отслоения обмазки, что и вынуждены были констатировать прибывшие представители конструкторских бюро С.П. Королева, М.К. Янгеля и Южного машиностроительного завода, а поэтому и подтвердить непригодность головных частей к дальнейшей эксплуатации.
Обстановка сложилась с непредсказуемыми последствиями. Создана и успешно прошла летно-конструкторские испытания новая ракета с дальностью, превышающей в два раза находившуюся на вооружении ракету Р-2, а надежная головная часть фактически отсутствовала. Выход нашли в замене материала теплозащитного покрытия и использовании для этих целей асбестовой ткани.
Разработана была и технология формирования ТЗП. Предварительно из листов асбестовой ткани шили конусообразные мешки определенных размеров по форме головной части. Затем их пропитывали бакелитовым лаком, подсушивали и последовательно надевали на изготовленный штатный корпус головной части. На мешки укладывались металлические обкладные листы, на которые затем натягивались резиновые вакуумные мешки и другая технологическая оснастка. Собранный таким образом своеобразный автоклав вместе с головной частью помещался в термическую печь. В ней при определенных давлении и температуре осуществлялся процесс полимеризации бакелитового лака и формирования теплозащитного покрытия. Это покрытие фигурировало под маркой АТ-1.
Поскольку в процессе полимеризации при высокой температуре одновременно происходило и приклеивание покрытия к корпусу, то сам процесс вошел в технологическую практику как горячий приклей. Однако именно горячий приклей и явился тем подводным камнем, который принес вскоре много неприятностей. Через некоторое время при дальнейшей работе с корпусом головной части из цеха завода, а также из смежной организации, куда отправлялись корпуса головных частей, стали поступать тревожные сигналы: головные части начали "стрелять". Как выяснилось, при температурных перепадах окружающего воздуха из-за разницы коэффициентов линейного расширения на границе асботекстолита и металлического корпуса возникали усилия, разрывавшие предварительно напряженный в процессе полимеризации клеевой слой. В результате теплозащитное покрытие "сползало" с металлического корпуса в сторону малого торца, а само явление сопровождалось звуковым эффектом — хлопком, что и дало возможность говорить о том, что корпуса головных частей начали "стрелять".
Потребовалось внесение изменений в технологический процесс изготовления покрытия. Собственно технология формирования теплозащитного покрытия была по существу сохранена. Однако перед укладкой асботекстолитовых мешков, пропитанных бакелитовым лаком, корпус головной части покрывался целлофановой пленкой, которая предотвращала горячий приклей ТЗП к металлической конструкции корпуса. Сформировавшийся асботекстолитовый кожух хорошо снимался с корпуса головной части. Произведя очистку поверхностей кожуха теплозащитного покрытия и металла корпуса от остатков целлофана и последующее обезжиривание поверхностей, на них наносился слой клея. А затем, после необходимой выдержки, кожух ТЗП "надевался" на корпус и происходило их склеивание. "Стрельба" теплозащиты прекратилась, началось серийное изготовление корпусов головных частей ракеты Р-5. Поскольку на первой ракете Р-12 в качестве ТЗП был принят также асботекстолит, то отработанная технология полностью использовалась для янгелевского первенца и также полностью себя оправдала.
Между тем, с ростом дальности полета головных частей, проблемы теплозащиты нарастали, как снежный ком. Достаточно сказать, что для межконтинентальных дальностей температура пограничного слоя воздуха в районе головной части достигает 8-10 тысяч градусов по Цельсию, а на поверхности теплозащитного покрытия до 2 тысяч градусов.
Эту трудную задачу пришлось на первых порах решать теоретикам: предстояло создать научно обоснованную методику расчета необходимой толщины теплозащиты. Когда были разработаны модели происходящих тепловых процессов и уноса ТЗП, оказалось, что все сводится к сложным математическим уравнениям. И эти трудности также были преодолены. В основе методики расчета необходимой толщины теплозащиты лежала теория ее разрушения, основной смысл которой заключался в том, что энергия, затрачиваемая на разрушение ТЗП, складывается из нескольких составляющих: теплоты нагрева, плавления и испарения материалов покрытия, теплоты физико-химических превращений, происходящих в теплозащите при ее нагреве и энергии ее механического разрушения. Разделив задачу на несколько частных, в целом затем ее можно было решать намного проще.
На основании принятой теории формулировались и основные требования к ТЗП. В его состав должны были входить тугоплавкие элементы и вещества с высокой теплоемкостью, высокой теплотой плавления и испарения, низкой теплопроводностью. Рецептурный состав теплозащиты должен был содержать элементы, взаимодействие между которыми при нагреве сопровождалось поглощением тепла, то есть должна происходить экзотермическая реакция. Достоверность разработанных методов расчета необходимых толщин теплозащиты при дальнейшей отработке была доказана не только результатами телеметрических измерений уноса ТЗП, полученных в процессе летных испытаний. Впервые в практике летно-конструкторской отработки были применены головные части, оснащенные парашютной системой. Спасаемые головные части давали исчерпывающую информацию о состоянии покрытия после выполнения возложенных на него функций.
Забегая вперед, отметим, что на основании теоретических расчетов, а это подтвердили и летные испытания, толщина покрытия должна быть переменной по длине головной части. В дальнейшем это будет реализовано за счет формирования толщины ТЗП намоткой ленты.
В решении проблемы защиты силовой конструкции головных частей вновь проектируемых ракет от высоких температур последнее слово было за технологами. В этой связи следует вспомнить о семантике слова технология, происходящем от греческих слов "технос", что означает искусство, ремесло, и "логос" — наука. Поэтому дословно технология — это наука о ремеслах, а в современном понимании — наука о промышленном производстве конечного продукта.
Именно поэтому в сферу создания высокоэффективных ТЗП были вовлечены ведущие материаловедческие институты страны. Поиск наиболее эффективных рецептур материалов проводился в ЦНИИ машиностроения и выделившемся из него ЦНИИ материаловедения, Всесоюзном институте авиационных материалов и украинском Институте металлокерамики и спецсплавов (будущий Институт проблем материаловедения).
ЦНИИмашем было предложено в качестве теплозащиты использовать созданное в институте покрытие ТП-12 КТ на основе кремнеземной ткани КТ-11, фенолформальдегидной смолы ЛБС-4 и тугоплавких наполнителей из кварцевого песка и маршалита. Для облегчения теплозащиты был введен теплоизоляционный подслой на основе разреженной асботкани.
В Институте металлокерамики и спецсплавов было разработано теплозащитное покрытие, получившее название АТП-1. Основой покрытия являлась фенолформальдегидная смола ЛБС-4 и тугоплавкие наполнители из нитридов бора, кремния и карбида кремния.
Покрытия АТП-1 и ТП-12 КТ предполагалось использовать для защиты боковой поверхности головных частей ракеты Р-14 и Р-16. По сравнению с асботекстолитом АТ-1 предлагаемые покрытия отличались более высокой эффективной энтальпией, то есть энергией, идущей на разогрев и разрушение материала. Была разработана технология нанесения новых покрытий на первые головные части. При этом возникли определенные трудности по реализации технологического процесса формирования покрытия. Вместо традиционно использовавшегося вакуумного метода по рекомендации Института металлокерамики и спецсплавов был разработан гидроавтоклавный способ. В промышленности в то время подобные автоклавы еще не выпускались. Для реализации же предложенного способа нанесения покрытия необходимо было спроектировать и изготовить оснастку, в которой весь процесс должен был проходить при температуре порядка 150 оС и давлении 5-12 атмосфер в среде глицерина. Кроме того сложным оказался вопрос обеспечения герметичности стыков приспособления с помощью резиновых прокладок.
Возникшие трудности были преодолены, технология нанесения покрытия освоена. Однако предложенные покрытия постигла судьба их предшественника — первого теплозащитного покрытия ТМП-2, как впрочем и других ТЗП на минеральной основе.
В процессе отработки выяснилось, что наличие порошкообразных наполнителей (окислов, карбидов, нитридов и других) приводило к охрупчиванию материала и, как следствие, склонности к образованию трещин. Причина была на поверхности. Трещины инициировались слишком разными коэффициентами линейного расширения, приводившими при изменении атмосферных условий к образованию температурных напряжений и нарушению прочности покрытия.
При решении судьбы покрытия АТП-1 возникла курьезная ситуация.
Для обсуждения создавшегося положения созвали специальное совещание, на котором присутствовал директор Института металлокерамики и спецсплавов И.Н. Францевич. Будучи весьма эрудированным человеком и большим специалистом, он в своем сообщении дал научное обоснование возможных причин возникновения дефектов и высказал ряд предложений по возможности их устранения.
Когда же в качестве одной из причин появления трещин в обмазке он назвал влияние колебаний температуры в цехе (события развивались летом), М.К. Янгель со свойственным ему тактом и доброжелательностью, приветливо улыбнувшись докладчику, предложил:
— Иван Никитович! Если для устранения причин трещинообразования нужно будет поставить кондиционер, то мы это сделаем. Но Вы должны быть уверены.
Такой простой репликой Главного, по свидетельству инженера В.В. Еремеевой, курировавшей от конструкторского бюро работы института по этому покрытию, вопрос был исчерпан при полном взаимопонимании обеих заинтересованных сторон. Фактически это был приговор, как уже было сказано выше, направлению разработки теплозащитных материалов для боковой поверхности головных частей на кремнеземно-силикатной основе. Впрочем, к кремнеземам все же еще вернутся, но уже на другой — на тканевой основе.
Так произошло восстановление "репутации" асботекстолитового покрытия, механические свойства ткани которого показали полную "совместимость" с металлом несущего корпуса. Отныне он станет основным материалом, обеспечивающим надежную защиту конструкции не только головной части боевой ракеты, но и любого спускаемого аппарата от действия температуры плазмы, в которой происходит движение при прохождении плотных слоев атмосферы.
В дальнейшем требования к теплозащитному материалу боковой поверхности головной части непрерывно повышались, что приводило к его постоянному совершенствованию. Связано это было с разработкой средств преодоления противоракетной обороны противника, диктуемых защитой головных частей от радиолокационного и оптического обнаружения и повышением стойкости их к воздействию поражающих факторов ядерного взрыва. Так, например, на начальном этапе создания многофункциональных покрытий при проектировании головных частей для ракеты Р-36, на которых впервые были установлены средства преодоления противоракетной обороны противника, ВИАмом совместно с КБ "Южное" было также впервые в отечественной практике разработано ТЗП, обеспечивающее защиту от радиолокационного обнаружения. В покрытии в качестве основного материала использовался асботекстолит АТ-1 на основе теплостойкого связующего ФН. Для придания требуемых свойств был введен подслой разреженного лавсанотекстолита РЛТ, ацетиленовая сажа, интерферирующие прокладки из стеклоткани Э-0,06, газифицированная ткань с определенным омическим сопротивлением.
Покрытие обеспечивало воспроизведение необходимых радиотехнических свойств и тем самым выполнение требований по радиозащите. При проектировании ракет следующих поколений на основании многолетних исследований для защиты боковой поверхности головной части были созданы сложные многофункциональные покрытия, включающие теплоизоляционный подслой, основную теплозащиту, с минимальной динамической жесткостью, сохраняемый и разрушаемый демпфирующие слои, структуры радиопоглощения интерферационного типа, слои оптической защиты и поглощения сверхжесткой части рентгеновского излучения.
Одно только перечисление выполняемых теплозащитным покрытием функций говорит о том, насколько сложна была его структура. Но именно это и обеспечило создание совершенных корпусов головных частей и боевых блоков разделяющихся головных частей и выполнение основной задачи — доставку заряда в заданную точку цели.
Одновременно с совершенствованием ТЗП для боковой поверхности корпуса происходила и отработка материала теплозащиты для наиболее нагруженного узла головной части — наконечника. Во время движения на атмосферном участке свободного полета он воспринимает не только основные тепловые потоки, но и аэродинамическое давление, в десятки раз превышающее давление, действующее на боковую поверхность.
На ракете Р-12 в качестве материала наконечника был использован графит как один из наиболее термостойких из существующих в природе тугоплавких материалов. Он обладает достаточно высокой механической прочностью, возрастающей с повышением температуры. Ранее графит с успехом применялся на королевских ракетах.
Однако графит обладает высокой теплопроводностью, что делает невозможным использование его для наконечников межконтинентальных баллистических ракет. Для притупленных наконечников головных частей ракет Р-14 и Р-16, обеспечивающих снижение теплового потока, на боковую поверхность ЦНИИмашем и ленинградским Всесоюзным институтом огнеупоров были разработаны новые материалы в виде высоконаполненных пластмасс — ТН-38 и ТН-38М. Однако эти материалы имели ряд существенных недостатков — неоднородность по плотности, склонность к отслоению от несущей металлической арматуры, подверженность механическим повреждениям. Вдобавок требовали очень сложную технологию изготовления.
О том, какие трудности приходилось преодолевать при нанесении теплозащиты и изготовлении наконечников из новых материалов, свидетельствует бывший в то время начальником лаборатории теплозащитных покрытий конструкторского бюро А.А. Мурзин:
"Началось изготовление наконечников из ТН-38. Ручным способом, пневмотрамбованием уплотнялась масса… Дело дошло до поставки узлов на летные испытания конструкторских машин. Они должны были передаваться из нашей лаборатории на сборку в цеха завода. Теперь уже мы работали под неусыпным контролем диспетчеров завода. Сроки сдачи узлов определялись на оперативках директора, и лаборатория стала "именинницей" на каждом рапорте, так как нашим составом мы не могли обеспечить потребности сборочного цеха.
Если в наконечнике в процессе изготовления возникали дефекты, то для проведения дальнейших работ с ним требовались высокие подписи — Главного конструктора или его заместителей. И надо отдать должное — они с пониманием дела шли на это, не раз выручая нас.
Однажды, для допуска на сборку наконечника, отступления подписал М.К. Янгель, но Заказчик не согласился. Пришел я к Михаилу Кузьмичу доложить:
— Какое, — говорит, — ему дело? Это не его машины.
Ниже Заказчика вновь написал: "Допустить на сборку" и поставил вторую подпись. Затем поинтересовался, какие же меры мы принимаем.
Много хлопот доставил неприклей массы ТН-38 к металлической арматуре. В лаборатории собралось достаточное их количество, но отправлять в цех было нельзя, так как простукивание обычным ключом свидетельствовало о неприклее к арматуре.
Пришел с журналом отклонений к Василию Сергеевичу Буднику. Он вызвал Павла Ивановича Никитина, отвечавшего за прочность ракеты и до этого отказавшего нам в допуске наконечников на сборку.
Будник обратился к Никитину:
— Павел Иванович, неужели Вы рассчитываете на этот приклей? Ведь здесь же штыри запрессованы в массу наконечника.
— Не знаю, Василий Сергеевич, надо проверить, — отвечает Никитин.
— Так проверьте, а я убежден и подписываю.
Написал: "Допустить", а затем уговорил подписать и Никитина.
А позже, действительно, этот приклей был снял с контроля. Но это уже произошло, когда наконечники стали изготавливать в цехе.
В тот сложный период, когда дело дошло до летных испытаний, а вся теплозащита оказалась сосредоточенной в нашей единственной лаборатории, руководство завода вынуждено было обратить на нас внимание и даже оказать помощь… Как то уже в полночь в лабораторию заходит директор завода Леонид Васильевич Смирнов, один, без предупреждения и без сопровождения. У нас шла горячая работа по подготовке к сдаче наконечников и других узлов. Подклеивали или заливали образовавшиеся отслоения. У каждого узла не только рабочие, но и наши инженеры. Смирнов внимательно все осмотрел, задал ряд вопросов и ушел, ничего не сказав.
А на другой день, на очередной оперативке, которую проводил директор завода, как только диспетчер дошел до состояния дел по нашим работам, Леонид Васильевич поднялся, прервал его доклад и, обращаясь к главному инженеру и начальнику производства, спросил:
— Вы что хотите от этой лаборатории? Вы видели в каких условиях они работают? Почему этим не занимаются соответствующие цеха, а вдобавок еще занимают площади отдела, куда входит лаборатория?
Выслушав все объяснения и возражения заинтересованных, директор в приказном порядке предложил:
— Начальнику цеха… — расширить ворота и забрать изготовление крупных узлов к себе, срок… Главному металлургу… — наконечники закрепить за цехом №…Срок…Начальнику цеха… перебраться на свои площади. Срок…
— Но там же строители не закончили свои работы! Холодно" — соскочил с места начальник цеха.
— Переберетесь, быстрее закончат строители, быстрее будет тепло. А лаборатория должна заниматься наукой, а не подменять производство, ее коллектив к этому призван. И чтобы я больше не слышал, что лаборатория срывает вам работу.
Сел и — диспетчеру:
— Давай дальше.
В течение короткого срока все указания директора были выполнены. Цеховым технологам совместно с сотрудниками лаборатории пришлось днем и ночью осваивать новые технологии. И теперь уже цех отвечал за подачу узлов на сборку. А отдел занял большой пролет территории, где было организовано экспериментальное производство по освоению новых технологий".
И все же вскоре от использования массы ТН-38 в качестве материала для наконечника, в силу названных причин, пришлось отказаться. В качестве основного материала для наконечников, как и для боковой поверхности, стал применяться асботекстолит, структура которого совершенствовалась в соответствии с новыми требованиями по преодолению противоракетной обороны противника.