КРИОГЕННЫЕ ТОПЛИВНЫЕ БАКИ  РН СВЕРХЛЕГКОГО КЛАССА

 

 

Для существующих и создаваемых ракет-носителей (РН) крайне важными показателями являются удельная стоимость выведения ими полезной нагрузки. Удельная стоимость выведения возрастает с уменьшением грузоподъемности, что приводит к неприемлемо высоким величинам прежде всего для РН сверхлегкого класса (с грузоподъемностью менее 1000кг). В первую очередь это связано с использованием в конструкции этих РН традиционных материалов и дорогостоящих технологий (РН Pegasus, Taurus). Использование конверсионных РН в среднесрочной перспективе ограничено исчерпанием запасов снимаемых с вооружения МБР. Следствием такого положения является интенсификация работ в последние годы в США по созданию экономически эффективных РН сверхлегкого класса (РН "Falcon", "Sprite", "QuickReach"). Анализ технических решений, закладываемых в конструкцию новых американских РН сверхлегкого класса, показывает:

·        в их составе используются экологически чистые компоненты топлива (керосин + жидкий кислород или жидкие пропан + кислород);

·        в составе их маршевых ДУ используются ЖРД с низким давлением в камере сгорания (менее 30...50кГ/см) и с вытеснительной системой подачи топлива, или с турбонасосной системой открытой схемы;

·        в составе РН используются композитные топливные баки на основе тонкостенного лейнера, армированного намоткой углеродных или органических волокон, углепластиковые сухие отсеки.

Учитывая, что большую часть конструкции жидкостных РН составляют топливные баки, одним из важнейших факторов, определяющих совершенство конструкции, является создание принципиально новых технологий их изготовления, позволяющая существенно (не менее 15%) снизить массу баков и стоимость их изготовления. Практика зарубежных разработок и проведенные исследования показали, что наиболее эффективно проблема совершенствования конструкции баков может быть решена созданием технологии изготовления баков с применением современных композиционных материалов. Использование жидкого кислорода, сжиженного природного газа, жидкого водорода в качестве компонентов ракетного топлива усложняют решение поставленной задачи, но с учетом современных конструкторско-технологических разработок данная задача может быть выполнена.

 

 

  

 Рис. 1   Расположение криогенных баков на РН СЛК

 

 1 Требования, предъявляемые к бакам

2. Анализ и выбор материалов, предварительные расчеты массовых харак­теристик, стоимость изготовления силовых оболочек и узлов стыковки баков и баллонов без учета технологической подготовки производство, без учета затрат на изготовления оправок, лейнеров

 

В качестве компонентов топлива рассматриваются жидкий кислород, сжиженный природный газ, керосин РГ-1, жидкий водород. Заданные температурные характеристики компонентов представлены в табл. 1

 

Таблица 1 – Заданные температурные характеристики компонентов топлива

Компонент топлива

Температура

жидкий кислород

85К

сжиженный природный газ

113К

керосин РГ-1

263К - 293К

жидкий водород

20К

 

1.2. Технические требования к конструкции бака и его габаритам

Таблица 2 - Технические требования к конструкции бака и его габаритам

Наименование

Геометрия

Нагрузки

 

Объем, м3

Диаметр, мм

Давление

расчетное,

мПа

Температура экс­плуатации, °С

Бак «Г» пер­вой ступени

19,933

2200

7,08

+50…-40

Бак «Г» вто-

4,168

1400

7,11

+50…-40

рой ступени

 

 

 

 

Бак «О» пер­вой ступени

34,066

2200

7,24

+50…-40 (сухой), -183, (заправлен­ный)

Бак «О» вто­рой ступени

7,476

2200

7,04

+50…-40(сухой), -183, (заправлен­ный)

Баллон первой ступени

1,85

600

49,0

+50…-40 (при заряд­ке возможно пони

Баллон второй ступени

0,4

600

49,0

жение температуры газа до минус 130)

 

 

Рис. 2 Топливные баки должны иметь фланцы, один из которых выполняет функ­ции люка-лаза с диаметром «в свету» не менее 420 мм

 

Исходя из требований ТЗ по силовым и тепловым условиям эксплуатации:

а)      были выбраны композиционные материалы для элементов конструкции бака и исследованы их механические характеристики в диапазоне изменения температур (20 -293)°С;

б)      рассмотрены технологические возможности изготовления крупногаба­ритных конструкций баков под криогенный продукт.

2.2.1. Для силовых оболочек баков принят органопластик на основе мате­риала «Русар» или «Армос» и углепластик на основе нити УКН/5000. В качестве связующих - эпоксидные связующие марок ЭДТ-10 и ЭХД-МК. После получения первых результатов испытаний основных ФМХ выбранных материалов (таблица 3) дальнейшее, более глубокие исследования, были проведены на углепластике, обладающим практически нулевым коэффициентом линейного термического расширения (KJITP), высокой стойкостью к лазерному излучению, высокой проч­ностью на сжатие, стойкостью к тепловым ударам (до 3000° С и выше) и стойко­стью к криогенным температурам.

Таблица 3 - Сравнительные свойства угле- и органопластика

№ пп

Материал

Плотность г/см3

КЛТР,

10/с

Модуль упругости,

Прочность при сжатии, кгс/мм"

 

 

 

 

кгс/мм

20°С

-253°С

1

Углепластик

1,5 - 1,52

0

15000

100

150

2

Органопластик

1,35-1,36

-1,5Т0'6

9000

30

35

Результаты более полного исследования характеристик углепластика как конструкционного материала для внутренней и наружной СО криогенного бака приведены в таблицах 4 и 5.

Кроме того, были проведены испытания микропластика на основе углерод­ных нитей марок HTS -0563, IMS 65 Е23 и Т 800 SC на эпоксидных связующих ЭХД-МД и ЭН-И. Результаты испытаний микропластика приведены в табл. 6

Таблица 4 - Механические характеристики углепластика (УКН/5000+ЭХД-МК) при нормальной, повышенной и криогенной температурах

Температура испытания, °С

Растяжение, кгс/мм2

Сжатие, кгс/мм2

 

Изгиб

кгс/мм2

Сдвиг, кгс/мм2

Срез, кгс/мм2

 

Е1

σ

Е2

σ

σ-1В

Е-2

σ-

σиз

τсдв

τср

20

12600

130

650

1,2

74

650

7,9

142

3,8

18

150

10500

106

220

0,65

21,3

220

2,2

48,3

1,13

15,8

-196

15200

94

1180

7,1

2,9

19,0

-253

0,9

1330

8,0

152

3,1

26,0

Примечание:

Е1- модуль упругости при растяжении в направлении армирования;

Е2 - модуль упругости при растяжении в поперечном направлении;

σ - прочность при растяжении в направлении армирования;

σ - прочность при растяжении в поперечном направлении;

σ-1В - прочность при сжатии в направлении армирования;

σ- - прочность при сжатии в поперечном направлении;

Е-2 - модуль упругости при сжатии в поперечном направлении;

σиз - прочность на изгиб;

τсдв - прочность при межслоевом сдвиге;

τср - прочность при срезе.

Таблица 5 - Влияние термоциклирования (т/ц) на механические характери­стики композитных материалов

Материалы

Прочность при растяжении, кгс/мм2

Исходное состояние

После 300 т/ц

Тисп, °С

20

-253

20

-253

Армос+ЭХД-МК

439

377

413

360

У КН/5 000+ЭХД- МК

413-458

364-382

391-453

352-373

Материалы

Прочность при растяжении, кгс/мм2

Исходное состояние

После 100 т/ц

Тисп, °С

20

-253

20

-253

Армос+ЭХД-МК

8100

10340

8000

10700

6760-9120

9790-14100

7100-9100

9840-11500

У КН/5 000+ЭХ Д-

МК

12600

13600

12300

13500

11900-13000

13000-14100

11500-13700

12900-13800

Материалы

Прочность при растяжении, кгс/мм2

Исходное состояние

После 300 т/ц

Тисп, °С

20

-253

20

-253

Армос+ЭХД-МК

28

48

28

49

26-30

45-51

27-30

43-53

У КН/5 000+ЭХ Д-

МК

74

96

75

94

68-87

88-114

65-89

89-111

Т-42+ЭХД-У

32,5

30,5

31,6

31.4

30,2-35,5

26,8-35

30,4-39,4

26,9-36,3

Материалы

Прочность при межслойном сдвиге, кгс/мм2

Исходное состояние

После 100 т/ц

Тисп, °С

20

-253

20

-253

Армос+ЭХД-МК

4

4,4

4,2

4,2

3,4-4,6

3,8-5,0

3,5-4,4

3,7-4,5

УКН/5 000+ЭХ Д-

МК

3,8

3,1

3,8

3,5

3,6-4,0

2,8-3,3

3,7-3,9

2,7-4,2

Т-42+ЭХД-У

3,1

2,6

3,0

2,8

3,0-3,4

2,3-2,8

2,9-3,4

2,4-3,0

 *** Над чертой приведены средние значения, а под чертой максимальные и минимальные значения характеристик.

 

Таблица 6

Прочность углепластиков из углеродной нити на связующих ЭХД-МД и ЭН-И

Марка нити

Т, текс

Связующее ЭХД-МД

Связующее ЭН-И

Scp, кг/мм2

Sпл, кг/мм2

Scp, кг/мм2

Sпл, кг/мм2

HTS -0563

811

424

245

433

228

IMS 65 Е23

844

514

263

567

256

Т 800 SC

1033

486

265

551

286

Обозначения:

Е- линейная плотность;

Scp - реализация прочности нити в микропластике;

Sпл - прочность микропластика.

Для оформления "законцовок" - узлов стыковки (ПУС, ЗУС) под штифто- шпилечное соединение был рассмотрен органостеклопластик на основе органо- стеклоткани марки Т-42-78, пропитанной связующим ЭХД-У, имеющий более высокие удельные механические характеристики в исходном состоянии и высо­кую реализацию свойств при криогенных температурах. Результаты исследова­ний органостеклопластика приведены в таблице 7.

 Таблица 7 - Механические характеристики органостеклопластика Т-42-78 ЭХД-У

Характеристики

Температура испытаний, 0 С

 

+ 150

+20

-196

-253

Прочность при сжатии в направлении основы, кгс/мм2

17

16,7-17,3

27,5

27-28

32

31-34

33,5

32-34,7

Прочность при сжатии в направлении утка, кгс/мм2

24

25-26,8

32

30,2-35,5

32

28-37,9

30,5

26,8-35

Прочность при межслойном сдвиге на основе, кгс/мм2

10,5

2,5-17,3

17,2

14,9-19

17,8

16,4-18

17,6

 2,3-26,8

Прочность при срезе поперек органических нитей, кгс/мм2

10,5

10,3-10,8

17,2

14,9-19

17,8

16,4-18

17,6

16,2-20,3

Был также рассмотрен углепластик на основе углеродной ткани Porcher industries арт. 03752-1000. Характеристики приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Характеристики углеродной ткани Porcher Industries арт. арт. 03752-1000 на связующем ЭХД-У

Характеристика

Направление вырезки об­разцов, тем­пература исп.°С

Результат испы­таний среднее

крайние значе­ния

Толщина пластин, мм

Разрушающие напряжения при растяжении, кгс/см2

основа, 20

66,8 64,9-69,8

2,3

 

уток, 20

60,2 59,8-60,6

2,3

Модуль упругости при

растяжении,

основа, 20

7161 7000-7227

2,2

 

уток, 20

6709 6561-6848

2,3

Разрушающие напряжения

при сдвиге,

основа, 20

6,18 5,81-6,65

6,2

 

уток, 20

6,17 5,78-6,55

6,2

Разрушающие напряжения при сжатии, кгс/см2

основа, 20

54,0 52,5-57,1

2,2

 

уток, 20

40,4 39,8-41,0

2,2

 

основа, 100

39,4 38,6-41,0

2,2

 

уток, 100

33,1 30,1-35,7

2,2

2.2.1. Клеевые материалы для соединения элементов конструкции бака (баллона).

Клеи для криогенной техники должны обладать следующими свойствами:

·       высокая адгезионная и когезионная прочность;

·       стойкость к циклическому воздействию температуры;

·       малая усадка клея при отверждении;

·       длительная прочность в условиях эксплуатации;

·       высокая технологичность.

При выборе марки клея для разрабатываемой конструкции бака был проведен сравнительный анализ свойств всех отечественных клеев на основе эпоксидных смол, эпоксифенольных блоксополимеров, элементоорганических смол и полиуретана. Анализ показал, что наиболее полно требованиям отвечают клеи на основе эпоксидных смол и их модификаций. На основании проведенного анализа для проведения исследований были рекомендованы эпоксиметилолполиамидный клей-ПКС- 171. Наиболее полно был исследован клей ПКС-171. Результаты исследований приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Характеристики эпоксиполиамидного клея ПКС - 171

Марка клея

Прочность при раз­рыве, МПа

Относительное удли­нение, %

Модуль упругости Е-103, МПа

293°К

77°К

293°К

77°К

293 °К

77°К

ПКС-171

35,0

109,4

695,0

2,4

0,98

4,6

Из исследованных ранее клеев в настоящее время выпускается эпоксимети- лолполиамидная пленка ПКС-171 (ТУ 6-05-211-348-83) и предназначен для скле- вания и сварки полимерных пленок с металлами, композиционными материалами. Пленка ПКС-171 была опробована для соединения лейнера с силовой обо­лочкой. На основе эпоксикремнийорганических смол НПО «Платмасс» разработан ряд клеев, предназначенных для использования в криогенной технике. Клеи «Криокс» (OCT В6-06-213-91) и «Криосил» (ОСТ 92-0948-74) предназначены для склеивания металлов, композиционных материалов, полимерных пленок, пенопластов и керамики работающих при температурах от -296°С до +200°С. ЦНИИМ (г. С-Петербург) разработан клей КДС-23. Эти клеи могут быть использованы также для склеивания пенопластов и герметизации их поверхности. Наиболее сложной проблемой является соединение полимерного лейнера с металлическими деталями. Соединение разнородных материалов, имеющих большое различие KJITP, эксплуатирующихся в широком диапазоне температур является трудновыполнимой задачей. Учитывая, что полимерный лейнер содержит в своем составе фторопласт, который является химически инертным материалом, обеспечить надежное креп­ление возможно лишь после подготовки поверхности фторопласта. Традицион­ным способом активации поверхности фторопласта является его физическая об­работка т.е., «коронный разряд» или газоплазменная обработка.

 

Рис. 3 Силовая конструкция крепления баков первой ступени

Таким образом, для обеспечения надежного соединения фторопласта с ме­таллическими деталями необходимо проведение исследовательских работ по вы­бору и экспериментальной проработки различных методов соединения. Необхо­димо также провести работы по исследованию свойств клеев-аналогов эпоксиуре- танового клея «Клип», выпускаемых отечественной промышленностью на базе ВНИИСК г. С-Петербург».

 

 

2.2.1. Материал лейнера

Материал лейнера конструкции бака под жидкий криогенный продукт (ки­слород) должен препятствовать диффузии компонентов продукта в стенку СО. Для гарантийного выполнения этого требования лейнеры таких баков изготавли­вались и изготавливаются в настоящее время из высоколегированных сталей. При проведении работ по теме в качестве перспективных материалов для изготовления лейнера криогенного бака, препятствующих диффузии компонентов жидких криогенных продуктов, были рассмотрены полимерные пленочные материалы. Уже на начальном этапе проведенный анализ показал, что наиболее полно требо­ваниям к материалу лейнера удовлетворяют полиимидные пленки. Результаты исследований механических свойств полимерных пленок при нормальной темпе­ратуре, в среде жидкого азота и жидкого водорода приведены в таблице 10. Работоспособность полимерных пленочных материалов в условиях воздей­ствия криогенных сред (сжиженных газов) определяется степенью сохраняемости физико-механических характеристик при низких температурах и проницаемостью материалов по отношении к сжиженным газам, определяющей герметичность изделий при эксплуатации. При этом необходимо учитывать взаимосвязь указанных показателей: стабильность физико-механических характеристик при низких температурах свидетельствуют о неизменности структуры материала, т.е. об отсутст­вии микродефектов, снижающих герметичность. Коэффициенты диффузии и проницаемости полимерных пленочных мате­риалов экспоненциально снижаются с понижением температуры в соответствии с уравнением Аррениуса. При условии сохранения структурной и механической устойчивости полимера значения этих параметров при криогенных температурах очень малы. Попытки определить непосредственно проницаемость полимерных материалов, в частности полиолефиновых, полиимидных, лавсановых пленок (в том числе металлизированных), по отношению к жидким газам показывают, что величины проницаемости находятся за пределами чувствительности как хроматографических, так и масс-спектрометрических методов (менее 10-13см3-см/см2-с-см.рт.ст.).

Таблица 10 - Механические свойства пленок при растяжении при нормаль­ной температуре, в среде жидкого азота (-196) и в среде жидкого водорода (-253)

Марка плен­ки

Тем

пера

тура

испытаний,

°С

Проч­ность при рас­тяже­нии, кгс/мм2

Модуль упруго­сти,

кгс/мм2

Предель­ная де­форма­ция,

%

Упругая состав­ляющая предель­ной де­формации, %

Пластиче­ская состав­ляющая предель­ной де­формации, %

Пленка по- лиимидная с фторопла­стовым по­крытием (ПМФ-352)

20

9,27

8,72-9,72

-

57,2

51,1-61,6

-

-

-196

19,4

18,6-20,6

347

336-370

-

-

-

-253

21,7

20-25,7

354

304-434

13

11,2-14,,8

-

-

Пленка по-

лиэтиленте-

рефталатная

(лавсановая)

(ПЭТФ)

20

22,9

21,7-24,4

-

47,3

36,5-62,6

2,0

1,1-2,4

4,5

4,2-5,5

-196

42

38,1-44,8

993

880-1099

6,5

5,3-7,7

3,0

2,6-4,0

3,4

2,9-4,0

-253

46,1

41,6-48,6

923

848-1015

6,4

5,5-7,2

-

-

 

Приведенные данные показывают, что газопроницаемость металлизированных пленок на 2-3 порядка меньше проницаемости неметаллизированных, а прони­цаемость всех пленок по жидкому азоту составила величину ниже чувствительно­сти метода, т.е. при контакте исследуемых материалов с жидким азотом в них не произошло структурных изменений, нарушающих целостность материала. Поскольку пленочные материалы используются в качестве герметизирую­щего слоя, имеющего жесткую связь с силовой оболочкой, различие в коэффици­ентах термического расширения контактирующих слоев может вызывать внут­ренние напряжения на границе, приводящие к растрескиванию. В связи с этим были проведены испытания на проницаемость по отношению к жидкому азоту образцов полиимидных пленок, спрессованных со стекло-органопластиком. Результаты испытаний показали, что проницаемость осталась ниже 10-13см3-см/см2-с-см.рт.ст., что свидетельствует об отсутствии дефектов в структуре. Существуют определенные предпосылки для сравнительной оценки прони­цаемости полимерных материалов по отношению к различным сжиженным газам по данным испытаний, проведенных при более высоких температурах. Считается установленным, что проницаемость по водороду имеет тот же порядок, что и про­ницаемость по гелию, а проницаемость по кислороду в 2-5 раз ниже, чем прони­цаемость по гелию. В таблице 11 приводятся экспериментальные данные, полученные в "ЦНИИСМ". Испытаниям подвергались пленочные материалы, прошедшие 10-ти крат­ное термоциклирование: охлаждение жидким азотом - нагрев до комнатной тем­пературы. Анализ проникающих газов и паров проводился хроматографическим методом на специально сконструированной установке.

Таблица 11 - Проницаемость материалов к различным газам при 20°С и жидкому азоту (-196°С)

Материал

Толщи­

Коэффициент проницаемости,

1010см3-см/см2-с-см.рт.ст.

 

на,

 

см

 

 

По азоту

по

по

по

 

 

 

водоро­

кислоро­

жидко­

 

 

 

ду

ду

му азоту

1. Пленка полиэтилено­

0,03

2,7

9,0

6,2

<0,001

вая сшивающаяся ДЭ

 

 

 

 

 

2. Пленка полиимидная

0,004

0,2

6,6

0,4

<0,001

3. Пленка полиимидная

0,003

0,001

0,001

0,001

<0,001

металлизированная

 

 

 

 

 

4. Пленка полиимидная

0,006

0,05

9,0

0,001

<0,001

с фторопластовым по­

 

 

 

 

 

крытием

 

 

 

 

 

5. Пленка лавсановая

0,003

0,08

2,0

-

<0,001

6. Пленка лавсановая

0,003

0,001

0,001

0,001

<0,001

металлизированная

 

 

 

 

 

В качестве материала защитного слоя принята полиимидно-фторопластовая пленка. Эта пленка обладает низкой проницаемостью, достаточной эластичностью и прочностью при криогенных температурах в сочетании с возможностью склеи­ваться и свариваться с силовой оболочкой и КМ. Массы и стоимости силовых оболочек и узлов стыковки баков и баллонов без учета технологической подготовки производство, без учета затрат на изготов­ления оправок, лейнеров приведены в таблице 12. Узлы стыковки баков выбраны для нагрузок: сжатие - 400 кН, растяжение 200 кН.

Таблица 12 - Весовая сводка и стоимость

 

Диаметр, мм

М со, кг

М л, кг

М ус, кг

М, кг

Стоимость, тыс.руб.

Бак Г-1

2200

273

346

50

669

2610

Бак Г-2

1400

61

153

32

246

1080

Бак O-l

2200

490

503

50

1043

4000

Бак 0-2

2200

108

227

50

385

1800

Баллон -1

600

190

71

-

261

1300

Баллон-2

600

42

16

-

58

3800

 

Таблица 13 Схемы армирования баков и баллонов

Диаметр, мм

Схема армирования

2200

1111 X 1111 X 111 X

1400

IIIIXIIIX

600

IIIIIIIXXIIIIIIIXXIIIIIIIXX

 Здесь X - симметричный спиральный слой и I - кольцевой слой.  Далее показаны различные варианты компоновки силовых элементов конструкции, двигателей, баков и баллонов РН

 

Рис. 5 Два варианта расположения боковых газовых баллонов

 

 Рис. 6   Расположение баков и двигателя второй ступени РН

Рис. 7   Расположение баков и двигателя первой ступени РН

3. Предварительные проработки необходимых технологических процессов

Принципиальной особенностью конструкции РН является широкое применение композиционных материалов для топливных баков, баллонов и "сухих" отсеков.

3.1 Металлические материалы в конструкциях РН

В качестве металлических материалов в конструкции РН использованы:

·       алюминиевые сплавы АМг6 в виде прутков, штамповок, поковок, листов, и труб;

·       биметалл АМг6 - 12Х18Н10Т в виде листов и плит;

·        стали ЭП-678У-ВД, ЭП-56 в виде прутков, 36НХ в виде ленты толщиной 0,5 мм, сталь 12Х18Н10Т в виде ленты толщиной -0,5 мм или листа толщиной 1,5 мм.

Тонколистовые материалы рассматриваются для производства лейнеров. Особенностью высоколегированных железоникелевых сплавов типа 36НХ (инвары) является низкий коэффициент линейного расширения и высокая пластичность.

3.2 Неметаллические материалы в конструкции РН

Перечень основных материалов, применяемых при изготовлении:

·       органопластик на основе жгута "Армос" ТУ 2272-011 -59207771 -2004 л связующего ФФЭ-70 ОСТ 92-0956-74;

·       углепластик на основе углеродной лентой ЛУП-0,2 ГОСТ 28006-8 л связующего УП-2220 ТУ 6-05-241-160-77;

·       ППУ-17;

·       ТТП-ФС ОСТ 92-1403-73.

Наряду с указанными выше, в качестве материала силовых оболочек рассматривался углепластик на основе нити IMS 63 Е23 или Т800 SC зарубежного производства с эпоксидным связующим ЭХД-У и полиимидная пленка с фторопластовым покрытием типа ПМФ-352 для лейнера, углеродная ткань Порше арт. 03752-1000 для узлов стыковки, предложенные ОАО ЦНИИСМ [4].

3.3 Технология изготовления топливных баков

Ниже рассмотрены технологии изготовления двух вариантов исполнения баков, отличающихся, главным образом, конструкцией герметизирующего лейнера. В первом варианте днища и цилиндрическая часть лейнера выполнены из тонколистовой стали толщиной 0.5 мм, во втором днища лейнера выполнены из стали толщиной 1.5 мм, цилиндрическая часть из полимерной пленки. Силовая оболочка баков изготавливается из органо или углепластика методом спирально кольцевой намотки.

3.3.1 Технология изготовления топливных баков по первому варианту

Оправка, на которой будет производиться намотка, представляет собой металлическую основу с отформованной песчано-полимерной смесью и заранее установленными полюсными шпангоутами. На поверхность оправки устанавливается металлический лейнер. Органопластик образуется намоткой однонаправленного жгута "Армос" ТУ 2272-011-59207771-2004, пропитанного эпоксифенольным связующим ФФЭ-70 ОСТ 92-0956-74 (или ЭДТ-10 ОСТ 3-4759-80), и отверждаемого в печи при температуре 160 "С. Учитывая, что герметизирующий лейнер должен иметь минимальную массу и при этом в силу малой жёсткости исключается непосредственная (без оправки) намотка на него оболочек баков и баллонов, технологическая схема изготовления баков и баллонов строится следующим образом:

·       изготовление песчаной оправки для намотки;

·       изготовление элементов лейнера;

·       монтаж лейнера на оправку, контроль герметичности лейнера;

·       намотка силовой оболочки;

·       контроль прочности и герметичность корпуса бака (баллона).

Герметизирующий лейнер для баков и баллонов состоит из цилиндрической части и двух торцевых днищ. Максимальная длина лейнера по цилиндрической части составляет 8300 мм, диаметр около 2200 мм, материал 36НХ, или 12Х18Н10Т. Заготовки для всех деталей лейнера формируются из набора плоских панелей на оправке. Предварительно на оправке, (изготовленной из песка - связующее вещество), формируют пазы под установку продольных и кольцевых закладных элементов жёсткости, изготовленных из полос. При сварке эти элементы одновременно выполняют роль подкладных колец сварных швов. После установки в пазы закладные элементы соединяют между собой прихватками. Корпус лейнера из панелей или листов собирается последовательно на прихватках методом электрозаклёпок и шовной сваркой. Между собой панели возможно сварить микроплазменной или аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом (АрДС) в импульсном режиме при обеспечении зазоров в стыке в соответствии с ОСТ 92-1115-79. По торцам, к оси корпуса, пристыковываются кольцевые шпангоуты (на прихватках) с последующей приваркой их с одной стороны к цилиндрической части корпуса, с другой стороны к ним привариваются днища. Кольцевые шпангоуты изготавливаются из листа толщиной 3 мм. Сварное соединение кольцевого шпангоута с днищем - стыковое на подкладке с превышающей косой кромкой, выполненной на торце шпангоута, что позволит выполнить сварной шов без присадочной проволоки и обеспечить сборку под сварку.

 3.3.2 Технология изготовления топливных баков по второму варианту Изготавливаются элементы песчано-полимерной оправки, которые устанавливаются на вал, диаметр которого равен диаметру фланца бака «в свету».

На песчано-полимерную оправку устанавливаются днища лейнера с приваренными фланцами. Производится намотка специально подготовленной полиимидной пленки на цилиндрическую часть бака с выходом на днища. Производится спекание пленки в термопечи. После спекания пленки производится намотка силовой оболочки из углеродной нити методом «мокрой» спирально-кольцевой намотки. Для силовой оболочки бака был рассмотрен углепластик на основе нити IMS 65 Е23 или Т 800 SC. В качестве связующих - эпоксидное связующее марки ЭХД-У. Углепластик обладает практически нулевым коэффициентом линейного термического расширения (KJITP), стойкостью к тепловым ударам (до 3000°С и выше) и стойкостью к криогенным температурам. Для защиты от статэлектричества на силовую оболочку крепятся бобышки для установки перемычек металлизации. Производится первая предварительная термообработка. Для соединения с соседними отсеками на силовую оболочку устанавливаются шпангоуты из углеродной ткани Порше арт.03752-1000... Размеры шпангоутов, длина крепления к силовой оболочке определяются нагрузками, действующими на бак. Предварительно изготовленные заготовки шпангоутов устанавливаются на бак и производится их подмотка к силовой оболочке.Производится термообработка. После термообработки извлекается вал и удаляется песчаная оправка методом выпаривания. Производится механическая обработка узлов стыковки.Бак испытывается на заданные нагрузки. Анализ технологичности баков говорит о том, что применение тонколистовых металлических материалов (0.5 мм) для герметизирующего лейнера в силу его малой жесткости приводит к усложнению конструкции оправки и процесса изготовления в сравнении с использованием полимерных плёнок. Для дальнейших этапов разработки в качестве основного варианта целесообразно принять следующую конструкцию топливных баков:

·       днища лейнера - металлические, соединенные с фланцами сваркой;

·       цилиндрическая часть лейнера полимерная выполненная из полиимидной пленки ПМФ;

·       силовая оболочка выполняется методом «мокрой» намотки из углеродного волокна IMS 65 Е23 или Т 800 SC на эпоксидном связующем;

·       узлы стыковки из углеродной ткани Порше арт.03752-1000...

 3.4 Технология изготовления баллонов

Силовая оболочка баллонов также как и баков изготавливается методом спирально-кольцевой намотки. Герметизирующий лейнер выполнен из алюминиевого сплава АМГ-6 (толщина 2 мм) и может использоваться в качестве оправки для намотки силовой оболочки. При необходимости могут быть изготовлены и узлы стыковки для присоединения баллона. Баллон испытывается на заданные нагрузки, включая испытания пробным давлением.

 

3.5 Размещение производства

Производство элементов конструкции разбивается на две составляющие:

·       изготовление намоткой топливных баков I - II ст. и гелиевых баллонов I - II ст. с герметичным лейнером, "сухих" отсеков (хвостовой, межступенчатые, межбаковые отсеки, головной обтекатель) на специализированных предприятиях: - ЦНИИСМ г. Хотьково, завод "Авангард" г. Сафоново, ОАО НПО "Искра" г. Пермь;

·       изготовление деталей, сборочных единиц, герметизирующих лейнеров, арматуры, датчиковой аппаратуры, систем ПГС, БКС, сборка баков, баллонов, "сухих" отсеков, сборка блоков I - II ступени, общая сборка РН, испытания всех видов, отгрузка блоков РН на космодром на предприятиях ОАО "Златмаш" г. Златоуст, ОАО "Красмаш" г. Красноярск.

Технологические и организационные возможности ОАО "Златмаш" и ОАО "Красмаш" позволяют предположить значительную изначальную готовность предприятий к изготовлению РН сверхлёгкого класса с необходимой технологической подготовкой производства для конкретных конструкций. Например, ОАО "Красмаш" имеет большой опыт производства ракетно- космической техники, в том числе на криогенных компонентах топлива.