У истоков ракетно-космического материаловедения
Авторы: В.Н. Бутрим, доктор технических наук; Б.Н. Подгорский (АО «Композит», г. Королёв).
Так уж повелось, что официальной датой создания АО «Композит» принято считать 28 января 1975 г., когда согласно приказу № 34 министра общего машиностроения на базе ЦНИИ машиностроения (НИИ-88, ныне «АО «ЦНИИмаш») было учреждено самостоятельное головное материаловедческое предприятие ракетно-космической отрасли – Центральный научно-исследовательский институт материаловедения (ЦНИИМВ). Но фактически история нашего предприятия как головной организации по изысканию, освоению промышленного производства, исследованию и внедрению многообразных металлических, теплозащитных, полимерных и композиционных материалов, гальванических и многофункциональных покрытий, а также принципиальных технологий их применения в составе ракетно-космической техники (РКТ) неразрывно связана с историей развития ракетно-космической отрасли, начавшейся с постановления Совета Министров СССР №1017-419 от 13 мая 1946 г. «О создании всей инфраструктуры ракетной отрасли», пункт 9а которого гласил: «создать в Министерстве вооружения «Научно-исследовательский институт реактивного вооружения и конструкторское бюро» на базе завода № 88, сняв с него все другие задания, с размещением этих заданий по другим заводам Министерства вооружения». Новой организации дали название НИИ-88.
Первым директором НИИ-88 был назначен Лев Рувимович Гонор. Его опыт, личный авторитет, огромные связи в оборонной и смежных отраслях промышленности сыграли значительную роль на этапе становления института [1].
Мы начинаем летопись предприятия с 1946 г., когда при центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) завода № 88 была сформирована группа материаловедения, первой задачей которой стало изучение материалов германской ракеты «Фау-2», выбор и разработка отечественных аналогов и формирование основ материаловедения создаваемой ракетно-космической техники на базе полученной информации и обобщения опыта использования материалов в авиации, артиллерии и при изготовлении реактивных снарядов.
По воспоминаниям О.Б. Данилиной (Башук) и К.А. Лавровой (Беляковой), они в составе большой группы выпускников МВТУ им. Н.Э. Баумана были направлены (по распределению Министерства вооружения) на артиллерийский завод № 88 имени М.И. Калинина. Первым их рабочим днём стало 10 мая 1946 г. Молодых специалистов самых разных специальностей: конструкторы, химики, прочнисты, переводчики и др. – разместили в отремонтированном большом зале бывшего КБ завода. «Когда в первый раз зажгли шикарные бронзовые люстры, кто-то воскликнул: «Общий вальс!», и работа закипела…». Деятельность группы началась с ознакомления с лабораториями ЦЗЛ и цехами завода, изучения отчётов, методик и результатов входного контроля материалов, которые применялись в артиллерии.
Когда в первый раз зажгли шикарные бронзовые люстры, кто-то воскликнул: «Общий вальс!», и работа закипела…
Летом 1946 г. в институт «Нордхаузен» (г. Блайхерод, Тюрингия, Германия), в состав которого вошли предприятия, связанные со сборкой «Фау-2»: институт «Рабе», заводы по производству двигателей и аппаратуры управления и стендовые базы, – была направлена группа специалистов для изучения деталей и фрагментов ракет «Фау», не вывезенных американцами, поиска документаций на них и ознакомления с нею, общения с оставшимися немецкими специалистами с целью получения у них информации о требованиях к выбору материалов, а также о технологиях изготовления деталей и узлов ракеты. В состав группы входили, в частности, В.Н. Иорданский – главный металлург завода № 88 и Р.Л. Подгорская.
К октябрю 1946 г. в отделах главного металлурга и главного технолога института «Нордхаузен» работало 27 советских специалистов и 60 немецких рабочих и специалистов, которыми были собраны, восстановлены или перевыпущены сборники немецких стандартов и нормалей, 1475 листов чертежей, 3868 страниц описаний технологических процессов, 129 технических условий и 36 отчётов [2].
Большая конкретная работа началась, когда из Германии была привезена немецкая документация: чертежи, стандарты на авиационные материалы «Fliegwerkstoff» и отчёты. Основная задача заключалась в систематизации документации с осуществлением перевода, а также составлении таблиц (кондуита), с указанием номера чертежа, наименования и назначения детали, марки материала [3]. Для перевода документации и обучения специалистов немецкому языку была привлечена группа переводчиц, в том числе будущая жена С.П. Королёва – Нина Ивановна Котёнкова. В результате этой, весьма трудоёмкой, работы были классифицированы основные детали и узлы ракеты, что помогло в дальнейшем составить перечень материалов, применяемых в изделии.
Согласно приказу от 27 февраля 1947 г. в НИИ-88 на территории ЦЗЛ завода № 88 был образован отдел материаловедения (отдел «М») для изучения прибывающей из Германии материальной части ракет. Начальником отдела был назначен канд. техн. наук Виктор Николаевич Иорданский, бывший главным металлургом завода.
Летом 1947 г. из Тюрингии в СССР на товарно-пассажирском поезде вернулась основная группа советских специалистов вместе с собранной материальной частью, несколькими ракетами и наземным оборудованием [4]. Во время пути в Польше и Литве поезд был дважды обстрелян. В НИИ-88 вернулась и РЛ. Подгорская.
Вот как описывают О.Б. Башук и К.А. Лаврова своё впечатление о первом знакомстве с ракетой «Фау-2»: «В один прекрасный день нас привели в демонстрационный зал КБ завода. И мы увидели нечто необыкновенное. Это была ракета «Фау». Она поразила наше воображение своей величиной и загадочностью. Мы поняли, что являемся участниками создания какого-то очень важного и секретного оружия. Нам было поручено исследовать материалы, из которых изготовлена ракета и постараться найти аналоги таких материалов отечественного производства. Башук было поручено исследование каркаса ракеты (шпангоуты, стрингеры, нервюры и обшивка), Лавровой – исследование двигателя. Мы с энтузиазмом принялись за дело».
При подготовке к лётным испытаниям ракет «Фау-2», вывезенных из Германии, нашими специалистами наблюдались многочисленные случаи негерметичности и отказов ввиду низкого качества материалов и покрытий, а также технологических и конструктивных недоработок. Поэтому от материаловедов требовалось на основании критического анализа принятых немецкими инженерами технических решений, с одной стороны сократить число материалов, а с другой – позаботиться о повышении надёжности ракеты за счёт применения отечественных материалов и технологий. Кроме ракеты «Фау-2» НИИ-88 было поручено изучение зенитных ракет «Вассерфаль», «Рейнтохтер», «Шметтерлинг», снарядов «Тайфун».
В связи с этим от отдела материаловедения требовалось оказывать техническую помощь заводу № 88 и КБ института при выборе материалов и технологий их применения с учётом всего многообразия техники, участвовать в изготовлении опытных и серийных изделий. При разработке ракет Р-1 и Р-2, а также зенитных ракет материаловедам необходимо было решить ещё и проблему обеспечения функциональности материалов в конструкции в условиях длительного хранения изделий. Требовалось не только создать надёжные материалы и защитные покрытия, но и найти принципиально новый подход к выбору и разработке материалов с повышенным ресурсом работоспособности, разработать методы исследования коррозионной стойкости материалов и конструкций, способы защиты их от коррозии, выпустить нормативно-техническую документацию, касающуюся новых материалов, полуфабрикатов, покрытий и технологических процессов.
В это время на предприятие пришла большая группа специалистов, вернувшихся с войны: Г.Н. Лагун, А.А. Северов, К.К. Билев, Ю.В. Эммауский, И.С. Белевич, Г.Г. Кузнецов, Н.А. Баресков, В.Н. Зарайский, К.М. Ефремова и др.
Для изучения материальной части ракет были задействованы все 9 лабораторий: металловедения (начальник Константин Васильевич Зайцев), органических материалов и покрытий (Алексей Иосифович Асташенко), керамических материалов (Анна Георгиевна Рысева), химического анализа (Георгий Никитич Лагун), металлографии (Сергей Маркович Сверчков), механических испытаний (Николай Иванович Подгорский), физических методов исследований (Василий Иванович Акимов), сварки и пайки (Леонид Александрович Мордвинцев), коррозии и неорганических покрытий (Мария Антоновна Новицкая) и механическая мастерская (начальник Сергей Николаевич Данилов), созданных к этому времени в отделе, который уже насчитывал около 200 человек.
Чтобы представить объём работ, проводимых материаловедами, необходимо отметить, что в ракете «Фау-2» наличествует свыше 200 марок сталей, цветных и жаропрочных сплавов, неметаллических материалов. В результате исследований было установлено, что для обшивки и каркаса ракеты использованы две немецкие марки стали 1263 и 1265 по классификации Flitgwerkstoff. Как показал анализ, это малоуглеродистые стали с повышенным содержанием марганца. Исследование отечественных материалов на соответствие техническим требованиям к узлам и материалам изделий позволило рекомендовать взамен сталям 1263 и 1265 низколегированные стали 10Г2А и 12Г2А, свариваемые алюминиевые сплавы АМЦ и АМг-3 для топливных баков, стали 25ХГФА, 25ХГСА и ЗОХГСА для воздушных баллонов, сталь Сп-25 для головных частей, сталь 25ХГФА для деталей двигателя и др.
18 октября 1947 г. на Государственном центральном полигоне МВС СССР был произведён первый в СССР пуск баллистической ракеты дальнего действия, собранной на основе узлов и агрегатов немецкой ракеты А4 («Фау-2»), что послужило началом серии лётных испытаний ракеты А4. В октябре – ноябре 1947 г. было произведено 11 запусков, из них только 5 успешно. В натурных испытаниях первых ракет от НИИ-88 принимали участие С.П. Королёв – технический руководитель испытаний, главный конструктор; Л.Р. Гонор – директор; Ю.А. Победоносцев – главный инженер; С.К. Курдин – главный технолог; В.Н. Иорданский – главный металлург [5].
Следующий этап – освоение промышленного производства материалов – стал главным делом для сотрудников отдела. Сотрудникам приходилось подолгу бывать в командировках на металлургических заводах, так как в их обязанности В.Н. Иорданский ввёл детальное ознакомление со всеми технологическими процессами при отработке производства и контроль за ними с тем, чтобы при согласовании технических условий были предусмотрены все необходимые требования к материалу. Производство холоднокатаной листовой стали 10Г2А и 12Г2А было начато на заводе «Серп и Молот», но затем передано на завод «Запорожсталь». Оборудование завода «Серп и Молот» позволяло получать листы, габариты которых не превышали 710 х 1420 мм, и не давало возможности проводить нормализацию и отжиг этих сталей. Завод «Запорожсталь» был оснащён современным оборудованием, с использованием которого можно было изготавливать листы больших габаритов, что позволяло уменьшить количество сварных швов на обшивке ракеты. В результате проведённой работы (ОБ. Башук, КА. Белякова, АВ. Калмыкова и др) были составлены технические условия на поставку тонких холоднокатаных листов из стали 10Г2 и 12Г2А, изготовлены первые партии, отработаны режимы штамповки и сварки.
Начальный этап создания РКТ характеризуется огромным объёмом работ по замене трофейных материалов на отечественные при широкой кооперации научно-исследовательских материаловедческих отраслевых институтов, кафедр ведущих вузов, институтов АН СССР и заводов чёрной, цветной металлургии, авиационной и химической промышленности. Одновременно шёл процесс разработки новых материалов и технологических процессов, необходимых для создания и совершенствования РКТ: аргонодуговая и контактная сварка, вакуумная пайка, химическое фрезерование, выбор и нанесение лакокрасочных и теплозащитных покрытий, полимеризация, термообработка, сушка изделий в печах с аэродинамическим нагревом, ковка и штамповка труднодеформируемых сплавов, нанесение гальванических покрытий; вырабатывались требования к качеству при подготовке свариваемых кромок и поверхностей под сварку и пайку, к допускам по температуре при термообработке и сушке, к качеству теплозащитных покрытий и к свойствам материалов при обязательном входном контроле и многое другое.
В ноябре 1947 г. после окончания аспирантуры и защиты кандидатской диссертации в МВТУ им. Н.Э. Баумана начальником группы в лаборатории сварки был назначен Николай Васильевич Шиганов.
Перед сотрудниками лаборатории в тот момент стояла задача освоения многоточечной контактной сварки корпусов и хвостовых отсеков. Начальником группы В.М. Годиным совместно с Н.Д. Машковым, К.К. Билевым, Ю.В. Эммаусским были разработаны медные сплавы для электродов, определены оптимальные режимы сварки, технология и условия контроля качества сварных соединений. Н.В. Шиганову было поручено провести исследование статической и вибрационной прочности всех вариантов точечных соединений, которое он выполнил на «отлично». Это позволило дать технологические рекомендации для обеспечения качества сварных соединений.
Н.В. Шигановым, В.Н. Иорданским и Л.А. Мордвинцевым впервые было предложено исследование конструкционных свойств материалов герметичных конструкций проводить с использованием модельных сварных бачков диаметром до 360 мм и длиной до 600 мм (так называемая полунатура). В этом случае одновременно проверялось как поведение материала в конструкции, так и технология его изготовления (штамповка, вальцовка, сварка, пайка, химфрезерование и пр), проводились испытания коррозионной стойкости, конструкционной прочности и определялись гарантийные сроки хранения. Этот метод используется и сегодня.
Большая работа, касающаяся отработки технологии сварки и исследования прочности, была выполнена при освоении производства шаров-баллонов высокого давления из стали ЗОХГСА на заводе в г. Днепропетровске.
Уже в 1948 г. были испытаны ракеты Р-1 и Р-2 целиком изготовленные из отечественных материалов. Первопроходцами в этом направлении были В.Н. Иорданский, Л.А. Милорадова, К.В. Зайцев, О.Б. Башук, В.Н. Масленников, Т.А. Власова, Н.И. Подгорский, Г.Г. Конради, А.А. Северов, М.А. Новицкая, Л.А. Мордвинцев, В.М. Годин, Н.В. Шиганов, П.А. Мельников, Н.А. Баресков, Е.А. Гусева, К.Н. Лемаринье, К.К. Билев, Р.Л. Подгорская, В.И. Сакулина, А.Г. Рысьева, И.С. Билевич, Л.П. Малиновская, В.А. Малиновский и многие другие. Работали с огромным энтузиазмом, не считаясь со временем, по 10 – 12 часов в сутки. Образцы для различных испытаний изготавливались в течение двух-трёх дней, подвергаясь строгому контролю начальника участка И.И. Маркелова и диспетчера мастерской. Большую техническую работу выполняли техники и лаборанты: М.Н. Корсакова, Г.Г. Бунтина, А.Н. Струева, Т.Н. Березина, А.М. Дендяева, Г.И. Иванова, В.М. Ушакова, Г.В. Петрова, В.В. Петров, З.М. Гнидочкина и др. Весь цикл исследования материала: химический анализ, механические испытания, металлография, сварка и другие работы выполнялись не более одного месяца.
С 1952 г. началась организация серийного производства ракет Р-1 и Р-2 разработки ОКБ-1 НИИ-88 на серийном заводе № 586 в г. Днепропетровске. На длительный срок для оказания технической помощи при производстве ракет и организации соответствующих служб туда были командированы сотрудники отдела Н.В. Шиганов, К.А. Белякова, В.М. Годин, З.И. Ушакова и др. Большие бригады специалистов из институтов, КБ и предприятий отрасли в период освоения ракет на заводе возглавил лично нарком вооружения Дмитрий Фёдорович Устинов. На заводе был установлен жесточайший режим. Многие специалисты жили в бытовках цехов.
В начале 1953 г. Н.В. Шиганов был отозван обратно в НИИ-88 и назначен начальником отдела материаловедения № 13. Ввиду применения большого количества новых материалов увеличилось число сотрудников отдела, поэтому он был разбит на два сектора: металлических (начальник В.Н. Иорданский) и неметаллических (начальник А.А. Северов) материалов. В каждый сектор входило по 6 лабораторий.
Начиная с ракеты Р-5 конструкции ОКБ-1 НИИ-88 и первой ракеты Р-12 ОКБ-586, спроектированной на основе научно-исследовательских работ ОКБ-2 и ОКБ-3 НИИ-88 с двигателями на высококипящих компонентах топлива, тонкостенные несущие конструкции баков изготавливали из алюминиевого сплава АМг3 (заменённого затем новым, более прочным сплавом АМг5) по обечаечной схеме с подкреплённым точечной сваркой продольным и поперечным силовым набором, при этом количество сварных точек на одном баке ракеты Р-12 доходило до 14 тысяч штук.
Переход на изготовление основных нагруженных конструкций ракет из алюминиевых сплавов стал возможен благодаря усилиям сварщиков НИИ-88 под руководством Л.А. Мордвинцева, разработавшего аргонодуговую сварку. Это было одним из принципиальных решений в технологии ракетостроения.
В процессе автоматической аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов необходимо было не только избегать расплавления кромок, но и удалять с поверхности расплавленного металла тугоплавкие окислы, что согласно зарубежным данным возможно только при использовании источника питания дуги с повышенным напряжением холостого хода. Нашим сварщикам это удалось сделать, применив сварочный аппарат для атомно-водородной сварки и аккумуляторную батарею. На этой основе была собрана первая в нашей стране экспериментальная установка. Вскоре по техническому заданию НИИ-88 ВНИИ электросварочного оборудования г. Ленинграда совместно с заводом «Электрик» был изготовлен первый в нашей стране специализированный сварочный аппарат УДАР-300, позволяющий в производственных условиях выполнять дуговую сварку в среде инертного газа. Этот новый в то время способ сварки явился огромным шагом вперёд в технологическом процессе изготовления ёмкостей из алюминиевых сплавов. Высокая пластичность соединений, выполненных посредством аргонодуговой сварки, позволила проводить холодную штамповку днищ большого диаметра из сварных заготовок, обкатку обечаек с продольным швом для придания необходимой геометрической формы и целый ряд других технологических операций. Основными исполнителями этих работ были Л.А. Мордвинцев, К.Н. Лемаринье, Е.А. Гусева, О.П. Попов, А.К. Копылов.
2 февраля 1956 г. впервые в мировой практике баллистическая ракета Р-5М пронесла атомный заряд на расстояние 1200 км. Наземный ядерный взрыв в районе Каракумов ознаменовал начало ракетно-ядерной эры). Согласно постановлению правительства НИИ-88 был награждён орденом Ленина. Вклад сотрудников отдела № 13 в эту работу был отмечен правительственными наградами. Ордена и медали получили Н.В. Шиганов, А.А. Северов, В.Н. Иорданский, М.А. Новицкая, Л.А. Мордвинцев, И.И. Маркелов. А.И. Асташенко, В.И. Акимов, И.К. Успенская, Н.А. Баресков.
21 августа 1957 г. с расположенного в казахских степях космодрома «Байконур» был выполнен успешный пуск межконтинентальной баллистической ракеты Р-7. Ракета успешно преодолела заданный маршрут, а её головная часть, которая имитировала ядерную боеголовку, точно поразила учебную цель на Камчатке. Таким образом Р-7 стала первой в мире межконтинентальной баллистической ракетой. Удачность и надёжность конструкции Р-7 привели к возможности её применения в роли ракеты-носителя (РН). Именно РН данного семейства открыли для человечества новую космическую эру.
4 октября 1957 г. произошло знаменательное событие в СССР, когда ракета Р-7 со стартовым весом 267 т стартовала в 22 ч 28 мин 34 с и через 315 с вывела на эллиптическую орбиту первый спутник весом 83,6 кг. Корпус спутника был изготовлен из двух алюминиевых полусфер сплава АМг6 толщиной 2 мм. Внешняя поверхность сферы диаметром 578 мм была отполирована, а её герметичность обеспечивалась за счёт наличия прокладки из вакуумной резины по стыку и последующей затяжки болтами. Внутренняя полость космического аппарата была заполнена осушенным азотом. В ней размещались химические источники тока с ресурсом работы на три недели, два передатчика, вентилятор для выравнивания температуры. Нижняя полусфера представляла собой радиатор системы терморегулирования.
Атмосферу этого события так вспоминала Ирина Константиновна Успенская: «Отдел материаловедения первоначально располагался в бытовках грандиозного сборочного цеха завода. Что происходило за нашими стенами никогда не видели и не слышали. В один действительно прекрасный солнечный день (очевидно, 6 октября 1957 г), узнаём, что ворота цеха распахнуты и туда движется заводской народ. Все мы, естественно, побежали туда. В цехе уже много народа. Шикарно гремит духовой оркестр, действительно шикарно, потому что цех был такой высоты и ширины, как никакой концертный зал. Впереди в торце высокая трибуна, на которой СП. Королёв с руководством завода. Сергей Павлович держит речь, посвящённую запуску вокруг Земли первого в мире искусственного спутника. Речь кончается, в цехе тишина и вдруг под сводами цеха слышим и видим усатого антеннами, сверкающий спутник – дублёра того, который в это время пищит и вращается вокруг Земли на удивление землянам».
В 1958 г. ВАК СССР на основании представленных трудов соискателей, а также отзывов о научной и производственной деятельности, подписанных ведущими учёными страны, В.Н. Иорданскому и А.А. Северову была присуждена учёная степень доктора технических наук без защиты диссертации. Это свидетельствует о том, как велики были заслуги материаловедов в создании ракет и в запуске первого искусственного спутника Земли.
Основными результатами деятельности материаловедов НИИ-88 в этот период стали следующие:
– разработка совместно с Московским авиационно-технологическим институтом под руководством проф. С.М. Воронова и В.Н. Иорданского свариваемого, высокопрочного и коррозионно-стойкого сплава АМг6 системы алюминий-магний, не требующего термической обработки после сварки. [6, 7]. Разработкой и изысканием лёгких сплавов занималась лаборатория во главе с начальником В.Н. Маслениковым, а несколько позднее – Т.А. Власовой при творческом участии В.Н. Кармазина, З.П. Тащиловой, В.С. Фроловой, В.Э. Силис и др. Коррозионные испытания проводились в лаборатории коррозии металлов М.А. Новицкой, Л.Н. Поляковой, З.С. Шустовой и др.
Были определены особенности конструирования из этого сплава крупногабаритных несущих баковых конструкций и освоена необходимая номенклатура полуфабрикатов; проведены работы по получению прессованных полуфабрикатов (панелей, пустотелых и многополочных профилей) и комплексное исследование их свойств. Сплав АМг6 стал основным конструкционным материалом для ракетостроения и широко применяется в настоящее время при изготовлении топливных баков, головных частей (ГЧ), хвостовых и приборных отсеков, воздушных баллонов, корпусов космических кораблей и многих других элементов изделий космической техники. В процессе дальнейших металловедческих исследований и отработки производства металлургических полуфабрикатов при участии Т.А. Власовой, В.С. Фролова и др. совместно с ВИЛС была разработана технология их упрочнения (нагартовка до 20 – 30%), что позволило до 30% повысить удельную прочность конструкции. Сплавы получили наименование АМг6Н и АМг6НН [6];
стоят С.С. Глоба, К.В. Зайцев
– совместно со специалистами ЦНИИчермет, ВИАМ, Челябинского, Запорожского и Златоустовского металлургических комбинатов, заводов «Электосталь», «Серп и Молот» (г. Москва), Первоуральского и Никольского трубных заводов освоена широкая номенклатура полуфабрикатов из сталей Х18Н10Т, 10Г2, 12ГА, 25ХГФА, 12Х5МА, ЗОХГСА требуемого качества для производства корпусов ракет, баков горючего и окислителя, аккумуляторов давления, деталей и узлов двигателей;
– при внедрении сталей был исследован механизм образования трещин в процессе сварки мартенситных сталей, создана оригинальная методика оценки стойкости сварных соединений против замедленного разрушения и отработан процесс «консервирующего» низкотемпературного отпуска для предупреждения появления «холодных» трещин;
– налажено производство аккумуляторов давления из сталей 25ХГСА, ЗОХГСА и начато освоение их производства из титанового сплава ВТ6С на заводе № 586 в г. Днепропетровске;
– выбраны реактивы и определены оптимальные режимы химического фрезерования алюминиевых сплавов, а также полностью отработан этот процесс и внедрён на заводах отрасли;
– начаты работы по исследованию возможности использования магниевых сплавов в конструкциях ракетной техники;
– отработаны режимы точечной и аргонодуговой сварки несущих баковых конструкций из алюминиевых сплавов и узлов двигателей из сталей. При этом была решена главная проблема контактной сварки: созданы методы и приборы контроля качества непосредственно в процессе сварки, позволяющие сразу выявлять заниженный диаметр точки или наличие выплеска и принимать меры по исправлению и корректировке процесса сварки;
– созданы жаропрочные медные сплавы МЦЧ, МЦ5Б для электродов с электропроводностью 70 и 75% от электропроводности меди М-1, исследованы статическая и вибрационная прочность сварных точечных соединений;
– в ходе исследований ползучести при температуре пайки ряда сталей, использующихся для изготовления камер сгорания (КС), было установлено, что лучшие результаты при пайке у сталей, обладающих высокой ползучестью, а также что при кратковременных испытаниях кривые ползучести имеют те же характерные участки, что и при длительном нагружении;
– для ликвидации трещин при пайке в конструкциях сложного профиля из стали типа Х18Н9Т припоями на основе меди совместно с НИТИ-40 были разработаны, исследованы и внедрены в производство припои Г70НХ и Г40НХ системы никель – марганец – хром – кремний – железо, а также ПЖК-35 системы никель – марганец – хром – кобальт и, таким образом, с высокой степенью надёжности решён вопрос пайки КС. Большой творческий вклад при освоении высокотемпературной пайки камер сгорания в части изучения природы образования трещин при пайке, влияния состава припоя, применения вакуума и защитных сред, а также разработки режимов пайки внесли П.А. Мельников, Н.A. Баресков, З.М. Лебедева, В.А. Корунова;
– созданы теплозащитные покрытия на основе сублимирующих материалов, обеспечивающих аэродинамическую устойчивость и термостойкость головных частей ракет;
– отработана в цехах завода № 88 технология нанесения теплозащитного покрытия на поверхность спускаемых аппаратов достаточно сложной формы. Покрытие представляло собой керамические плитки из пеношамота, текстолитовые кольца и асботекстолит, пропитанный смолами, на первых спускаемых аппаратах толщина теплозащиты в лобовой части составляла 150 мм, а в верхней 39 мм. Покрытие наносилось вручную, но за счёт механизации обработки наружного контура теплозащиты срок работ удалось значительно сократить;
– исследованы свойства асботекстолита на основе асботкани АТ-1 в целях внедрения для защиты боковой поверхности ГЧ, который при низком удельном весе 1,4 г/см3 обладал высокой термостойкостью, а за счёт связующего коксовался, образуя плотную спёкшуюся массу, которая надёжно защищала корпус ГЧ;
– исследованы и внедрены конструкционные стекловолокнистые материалы АГ-4В и АГ-4С;
– исследованы свойства графитов, в том числе и силицированных, которые были использованы на первых изделиях ракетной техники в качестве газоструйных рулей управления вектором тяги жидкостных ракетных двигателей;
– исследован и внедрён стеклопластик СКТ-11 на основе кремнезёмной ткани для обтекателей, желобов, крышек, кожухов , работающих в условиях аэродинамического нагрева при температурах 400 – 600°С;
– разработаны и внедрены лакокрасочные покрытия для межоперационной защиты алюминиевых и магниевых сплавов, а также для защиты при химическом фрезеровании и в условиях эксплуатации;
– совместно с ОКБ-586 впервые в практике применения тонкослойных теплоизолирующих покрытий отработана и внедрена методика неразрушающего контроля толщины покрытия с помощью вихревого толщиномера ВТ-1, что позволило, начиная с машины 8К65, проводить 100%-ный контроль толщины покрытия при сдаче узлов.
В этих работах активное участие принимали В.Н. Иорданский, Н.В. Шиганов, Т.А. Власова, В.С. Фролова, И.А. Бусыгин, Н.А. Баресков, Е.А. Гусева, О.П. Попов, К.В. Зайцев, Л.А. Милорадова, И.К. Успенская, Т.К. Орлова, Н.А. Сиулина, Л.А. Мордвинцев, В.М. Годин, Н.Д. Машков, К.К. Билев, В.Н. Масленников, В.Н. Зарайский, Н.И. Подгорский, Г.Г. Конради, М.А. Новицкая, А.А. Северов, А.И. Асташенко, Г.Н. Лагун, А.Г. Рысьева, В.Л. Никулина, И.С. Белевич, А.И. Степанова, Р.Л. Подгорская, В.И. Змиевский, В.А. Кунавина и многие другие сотрудники отдела материаловедения.
Итогом деятельности коллектива в этот период стал выпуск под редакцией В.Н. Иорданского «Справочника по металлическим материалам», а также отраслевых нормалей «Детали, узлы, агрегаты и изделия отраслевого назначения. Технические условия» и «Сварка и пайка. Общие технические условия».
В связи с огромным объёмом материаловедческих работ и выделением ОКБ-1 из состава НИИ-88 в августе 1956 г. было принято решение о строительстве специального корпуса для материаловедов на территории бывшего аэродрома Министерства Вооружённых сил. Новый четырёхэтажный корпус № 17 строился с помощью сотрудников отдела, которых, бывали случаи, прямо со стройки отправляли в командировку. Строительство корпуса было завершено в конце 1959 г. Весь отдел переехал в новый корпус, свободно расположившись в комнатах площадью 24 м2. На первом и полуподвальном этажах разместился цех № 108 механической обработки, начальником которого назначили Алексея Фёдоровича Малинова. Он много сделал для организации изготовления всевозможных образцов, количество которых измерялось тысячами штук, модельных ёмкостей, макетов и различных приспособлений. Там же размещались камеры климатического участка, находились термический и литейный участки.
В конце 1960 г. согласно приказу директора НИИ-88 Г.А. Тюлина объединяются два больших отдела № 13 материаловедения и № 14 прочности в комплекс № 3 материаловедения и прочности ракетных систем. В комплекс вошли отделы № 31 прочности (начальник А.В. Кармишин), № 32 металлических материалов и сварки (начальник Н.В. Шиганов), № 33 теплозащитных покрытий и неметаллических материалов (начальник И.С. Белевич), № 34 исследования механических свойств материалов (начальник В.П. Дегтярёв). Начальником комплекса (отделения), объединяющего научные отделы, занимавшиеся вопросами ракетно-космического материаловедения, в ранге заместителя директора, назначают 40-летнего кандидата технических наук, начальника лаборатории механических испытаний Георгия Георгиевича Конради, который работал в НИИ-88 практически с самого начала его создания. В.Н. Иорданский предложил Георгию Георгиевичу перейти из цеха в науку и стал первым его наставником на этом пути. Конради является одним из тех, кто участвовал в создании первых изделий, кто своим упорным трудом способствовал становлению и развитию космической отрасли промышленности [1]. Отделение материаловедения так и называли – «отделение Конради». «Работы было невпроворот! Замечательный коллектив, интереснейшие работы! Тематика обширная… Металлы, неметаллы, сплавы, теплозащита внешняя и внутренняя, композитные материалы, проблемы хранения…» [8]. При его непосредственном участии разработаны и введены в эксплуатацию многие новые материалы.
«Но самым сложным делом было довести новые материалы до внедрения в практику, до применения в ракетной технике. В связи с этим – постоянные командировки. В общей сложности по нескольку месяцев в году люди в разъездах» [8]. В этот период наряду с дальнейшими разработками на базе ракеты Р-7 жидкостных боевых межконтинентальных ракет Р-12, Р-14, Р-16 широким фронтом велись работы, связанные с космическими носителями «Молния», «Восток», «Восход». На материаловедов НИИ-88 была возложена головная роль в обеспечении отрасли необходимыми материалами и проведении опережающей разработки новых материалов и покрытий для перспективных изделий.
В конце 50-х – начале 60-х годов в отделы материаловедения пришли молодые специалисты, сыгравшие большую роль в развитии научно-исследовательских работ в различных направлениях: Ю.Г. Бушуев, В.И. Селиванов, В.П. Ильина, Ю.С. Лопатин, А.Ф. Якушин, Ю.И. Русинович, В.Э. Силис, В.И. Пыльников, И.Г. Стерина, Л.П. Ашмарина, Г.И. Ашмарина, А.А. Черкасов, И.А. Сосулина, В.Н. Кириллов, В.В. Трутнев, А.А. Минаева, В.В. Николаев, В.С. Фридман, Ю.П. Гордеев, В.Г. Степанов, П.Г. Лапин, О.П. Ашмарин, В.С. Соколов, М.А. Комаров, В.М. Полянский, В.Б. Спиридонов, М.И. Персин, И.А. Савицкий, В.С. Тащилов, З.П. Тащилова, Н.А. Сиулина, В.Я. Иванов, В.В. Орлов, И.А. Котерев, И.А. Расторгуева, Б.С. Смирнов, В.А. Троицкая, Л.А. Шимченок, А.А. Педь, О.Г. Куракин, В.Н. Тюкаев, И.Г. Конради и др.
Пожалуй, самой крупной научной проблемой, которую пришлось решать отделу материаловедения в годы создания первой межконтинентальной баллистической ракеты, явилась разработка теплозащиты от разогрева при входе аппарата в плотные слои атмосферы, когда на поверхности развивалась температура до 10000 °С и возникали значительные механические перегрузки. Естественно, ни один из известных жаропрочных материалов не мог выдержать таких условий. Чтобы металл головной части не нагревался выше 150 С, необходимо было создать покрытие с низкой теплопроводностью, механически прочное и способное сохранять защитные свойства на всём участке траектории полёта вплоть до финиша. К тому же покрытие должно не терять свои качества при длительных гарантийных сроках хранения.
Для решения этой чрезвычайно важной и существенной проблемы были привлечены смежные институты и предприятия, задействованы практически все научные отделы НИИ-88 (аэродинамический, прочности, материаловедения, приборный, вычислительный центр и др), почти все лаборатории отдела № 13, но в наибольшей мере эта задача легла на сектор неметаллических материалов, которым руководил А.А. Северов.
При разработке была принята идея создания теплозащитного «жертвенного» материала с регламентируемым уносом массы с поверхности, обладающего достаточной прочностью, хорошей теплоизоляцией и способного активно отдавать тепло при воздействии на него воздушного потока.
На первых порах лабораторией керамических материалов (А.Г. Рысьева, В.Л. Никулина, Р.И. Параджанова и др) была предложена композиция безобжигового керамического покрытия (ТМП-2, ТМП-4) на основе минерального связующего – жидкого стекла с порошковыми наполнителями (шамот, кварц, асбоволокно и т. п). Эти обмазки, всесторонне исследованные и опробованные на реальных изделиях, обеспечили запуск первых баллистических ракет. Однако они имели ряд недостатков, а именно: чрезмерно большой унос массы вследствие образования жидкой фазы, появление трещин, нестабильная прочность сцепления с корпусом и т. д. От этих покрытий в дальнейшем пришлось отказаться.
Более удачные композиции были получены в лаборатории органических материалов (А.И. Асташенко, Л.П. Ашмарина, Х.К. Фургина, В.Н. Тюкаев). Начальник лаборатории канд. техн. наук А.И. Асташенко предложил принципиально новый тип многослойного покрытия из асбо- или стеклоткани, пропитанного бакелитовой смолой, которая после полимеризации создавала прочное достаточно эластичное покрытие с высокими теплоизоляционными свойствами. При входе космического аппарата в плотные слои атмосферы смола, нагреваясь, трансформируется в прочную углеродистую массу, образуя вторичную связку, удерживающую тканевый наполнитель от уноса и обеспечивающую должную защиту металлического корпуса [9].
Для исследования теплофизических свойств и проведения механических испытаний этих материалов были созданы особые подразделения. Группа теплофизиков под руководством И.С. Белевича, в составе Ю.П. Менчева, И.В. Боржанского, В.Ф. Бурлуцкого, Л. Кузминского, А. Малахова, Ю.В. Медведева разработала специальные установки для определения теплофизических характеристик материалов в диапазоне до 3000 С (вязкость расплава, теплопроводность, теплоёмкость, коэффициент линейного расширения и др) и выполнила совместно с отделом аэродинамики чрезвычайно важные исследования, касающиеся оценки уноса массы в газовом потоке, имитирующем натурные условия эксплуатации. Лаборатория механических испытаний под руководством Г.Г. Конради провела оценку прочности теплозащитных материалов в необходимом интервале температур. Все эти исследования и разработки после технологических отработок в заводских условиях позволили создать надёжные теплозащитные покрытия и способствовали успешному запуску первой межконтинентальной ракеты Р-7, а позднее обеспечили защиту спускаемого аппарата космического корабля «Восток».
Начало 1961 г. ознаменовалось выдающимся событием: 12 апреля в 9 ч 57 мин с космодрома «Байконур» был выведен на орбиту космический корабль «Восток» с первым космонавтом Земли Юрием Алексеевичем Гагариным. Хотя полёт продолжался всего 108 минут, радость всего советского народа и особенно работников ракетно-космической отрасли была огромной. Сотрудники отделения материаловедения гордились тем, что в этом событии мирового значения есть значительная доля их труда. Первый начальник отдела материаловедения и его научный руководитель В.Н. Иорданский был награждён орденом Ленина. Награды получила большая группа сотрудников комплекса материаловедения и прочности.
Материаловеды НИИ-88 по праву считают себя активными участниками подготовки полёта Юрия Гагарина, а 12 апреля – своим профессиональным праздником.
Авторы выражают благодарность Н.В. Шиганову, О.Б. Башук, К.А. Беляковой, И.К. Успенской, В.Н. Пыльникову, О.Г. Куракину, Ю.В. Русиновичу, воспоминания которых использованы в статье.
Авторы: В.Н. Бутрим, доктор технических наук; Б.Н. Подгорский (АО «Композит», г. Королёв).
У истоков ракетно-космического материаловедения / В. Н. Бутрим, Б. Н. Подгорский. — Текст : непосредственный // Космонавтика и ракетостроение. — 2022. — № 3 (126). — С. 149-165.
Литература
1. Георгий Георгиевич Конради. У истоков космического материаловедения. НИИ-88 – ЦНИИмаш – ЦНИИМВ – «Композит». Ярославль: РМП, 119 с.
2. Гайдуков Л., Королёв С. Из отчёта о работе института «Нордхаузен». – В сб. докл: Задача особой государственной важности. Из истории создания ракетно-ядерного оружия и Ракетных войск стратегического назначения (1945 – 1959 гг). Сост. В.И. Ивкин, Г.А. Сухина. М: Российская политическая энциклопедия (РОССПЭН), 2010.
3. Данилина О., Белякова К. Люди растут … под нагрузкой. – Калининградская правда, 10 марта 2005 г., №25 (16858).
4. Черток Б.Е. Ракеты и люди. От самолётов до ракет. М: РТСофт, 2006, 364 с.
5. Дядин Г.В., Филипповых Д.Н, Ивкин В.И. Участники первого пуска ракеты А-4 18 октября 1947 года на ГЦП МВС СССР. – В кн.: Памятные старты. М: ЦИПК РВСН, 2001, 230 с.
6. Елагин В.И. Научные труды С.М. Воронова по алюминиевым сплавам и их роль в современном материаловедении. – В кн.: Металловедение и технология легких сплавов. М: ВИЛС, 2001, с. 5 – 15.
7. 50 лет впереди своего века (1946 – 1996 гг.). М: Российское космическое агентство. Международная программа образования, 1998, 255 с.
8. Дорожкин Н. В потоке неотложных дел. – Калининградская правда, 22 января 2000 г., № 11 – 12.
9. Шиганов Н.В. Космос требовал новых материалов. – В кн.: Прорыв в космос. Сделано в Королёве. Королёв: Изд. Программа администрации, 2011.
Электронные источники (дата обращения: 5 февраля 2023 г.)
1) Трофимов А. Ракета Р-5М: первенец ракетно-ядерной эры. https://topwar.ru/108467-ra-keta-r-5m-pervenec-raketno-yadernoy-ery.html.
2) Юферев С. Ракета Р-7, открывшая человеку дорогу в космос, отмечает 55-летний юбилей. https://topwar.ru/17972.html.
VK_DMCA
