2.2.3 Конструкционные и теплозащитные материалы

Научно-техническая проблема создания новых типов конструкционных материалов так или иначе заключает в себе основополагающие вопросы разработки конструкций новых двигателей и применения новых топлив. Требования к новым материалам определяются прежде всего условиями работы узлов и деталей конструкции двигателей.

Использование новых материалов и связанных с ними конструктивно-схемных решений позволяет обеспечить непрерывное совершенствование характеристик РДТТ. Значительное улучшение функциональных характеристик РДТТ достигается благодаря использованию композиционных материалов [7].

Интенсивные исследования и разработки в области композиционных материалов приводят к созданию всё новых поколений волокон с повышенными характеристиками и к существенному повышению возможностей их использования при проектировании конструкций корпусов РДТТ типа кокона.

Основными критериями при выборе армирующих волокон и связующих композиционных материалов для корпусов РДТТ являются [1]:

• механические (предел прочности и модуль упругости при испытаниях на растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб) и физические (коэффициент линейного расширения, теплопроводность и др.) свойства материалов, а также механические свойства при повышенных температурах;

• геометрические параметры (диаметр волокна, объёмное содержание волокон и связующего в композите);

• свойства материалов, характеризующие их технологические особенности (температуру стеклования, вязкость связующего и др.);

• условия эксплуатации.

Так как при конструировании корпусов РДТТ одним из основных параметров является давление разрушения корпуса, то в первую очередь должны быть выполнены требования по достижению высоких значений механических свойств композита, которые определяются тремя параметрами: 1) высокой прочностью армирующих волокон, 2) жёсткостью матрицы и 3) прочностью связи на границе матрицаволокно [1].

Работоспособность композиционного материала обеспечивается как правильным выбором исходных компонентов, так и рациональной технологией изготовления, обеспечивающей прочную связь между компонентами при сохранении исходных первоначальных свойств.

В качестве армирующих волокон, применяемых в конструкционных композиционных материалах для изготовления корпусов РДТТ, используют высокопрочные стеклянные, органические и углеродные волокна [1]. Армирующие компоненты в полимерных композитах применяют в виде моноволокон, нитей, жгутов, тканей и лент. Механические свойства стекловолокон, выпускаемых отечественной промышленностью и за рубежом, приведены в таблице 2.1 [1].

Таблица 2.1  Механические свойства стекловолокон

Стекловолокно	Плот-ность ρ10-3, кг/м3	Модуль упругости Е	Проч- ность σ	Предель- ная деформация ε, %
		ГПа
Отечественное:
ВМ-1	2,58	95	4,20	4,8
ВМП	2,58	93		
Зарубежное (США)
алюмоборосиликатное:
Е-стекло	2,54	73,5	3,50	4,8
М-стекло	2,89	110	3,50	3,2
S-994	2,49	52,5	2,45	4,7

Для получения высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов с полимерной матрицей (органопластиков) применяют волокна на основе ароматических полиамидов (арамидов). Эти волокна обладают уникальным комплексом свойств: высокими прочностью при растяжении и модулем упругости, термостабильностью, позволяющей эксплуатировать изделия из них в широком температурном диапазоне.

Механические свойства органических арамидных волокон приведены в таблице 2.2 [1].

Таблица 2.2  Механические свойства органических арамидных

волокон

Арамидное волокно	Плотность ρ10-3, кг/м3	Модуль упругости Е	Прочность σ	Предельная деформация ε, %
		ГПа
Отечественное:
ВНИИВЛОН	1,43	110130	2,12,6	35
СВМ	1,43	125135	3,84,2	34
Зарубежное (США):
Кевлар-29	1,45	6070	2,83,3	4,5
Кевлар-49	1,45	130140	3,63,8	2,73,5

Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов, условно делят на две группы: высокомодульные (Е = 300700 ГПа, σ = 22,5 ГПа) и высокопрочные (Е = 200250 ГПа; σ = 2,53,2 ГПа).

Разработаны также волокна, в которых сочетаются высокая прочность и высокий модуль упругости. Углеродным волокнам присущи высокая теплостойкость, прочность и модуль упругости.

Кроме высокой удельной жёсткости высокомодульные углепластики обладают высокой статической устойчивостью. Углепластики обладают более высокой, чем у металлов, демпфирующей способностью и вибропрочностью [7].

Механические свойства высокопрочных высокомодульных углеродных волокон (отечественных и зарубежных) приведены в таблице 2.3 [1]. Углепластики имеют незначительный или даже отрицательный коэффициент термического расширения [7].

Дальнейшее повышение прочности армирующих волокон, разрабатываемых для корпусов РДТТ, может оказаться малоэффективным, поскольку с увеличением прочности волокон происходит уменьшение толщины стенки корпуса, которое не может быть беспредельным.

Минимальная толщина стенки будет определяться из условий устойчивости тонкостенных оболочек при воздействии нагрузок при ударах, продольных изгибах, погрузочно-разгрузочных операциях, обеспечения работоспособности системы корпуспрочно скреплённый заряд, когда работает двигатель.

Таблица 2.3  Механические свойства углеродных волокон

Углеродное волокно	Плотность ρ10-3, кг/м3	Модуль упругости Е	Прочность σ	Предельная деформация ε, %
		ГПа
Отечественное:
ВМН-3	1,71	250	1,43	0,6
ВМН-4	1,71	270	2,21	0,8
ЛУ-2	1,70	230	2,02,5	1,0
ЛУ-3	1,70	250	2,53,5	1,1
ЛУ-4	1,70	250	3,03,5	1,3
Зарубежное (США): (США)
Торнел-300	1,77	238	3,15	1,3
Торнел-500	1,80	245	3,78	1,5
Торнел-600	1,80	245	4,20	1,7
Торнел-700	1,80	259	4,62	1,8
Торнел-800	1,80	273	5,46	2,0

Использование высокопрочных армирующих волокон само по себе не дает гарантии достижения требуемых характеристик корпусов РДТТ. Важной характеристикой является степень реализации прочностных характеристик армирующих волокон в композиционном материале, которая весьма чувствительна к технологии и зависит от самих нитей, связующего, геометрических параметров корпуса и технологии его изготовления [1].

В конструкционных композиционных материалах важным компонентом является матрица (отверждённое связующее), основной функцией которой является соединение волокон для эффективного распределения действующих напряжений по объёму материала (обеспечивается равномерная нагрузка на волокна).

Выбор связующего является одним из определяющих факторов при проектировании и оптимизации производства корпусов РДТТ.

В качестве связующих композиционных материалов, армированных стекло- и органоволокном, наибольшее распространение получили термореактивные эпоксидные смолы [1].

Их основными преимуществами являются малая вязкость и достаточно продолжительная жизнеспособность. Плотность эпоксидных связующих 12301300 кг/м³, модуль упругости при растяжении 20004000 МПа.

Физико-механические свойства эпоксидных матриц на основе эпоксидных связующих приведены в таблице 2.4 [1].

Таблица 2.4  Физико-механические свойства эпоксидных матриц

Марка связующего	Теплостойкость по Мартенсу, К	Прочность, МПа
		при растяжении		при сжатии
ЭД-16	363368	5988	127157
ЭД-20	373383		147167
УП-612	503513	3449	137147
УП-632	513523	4648	157182

Некоторые физико-механические свойства однонаправленных стеклопластиков, органопластиков и углепластиков представлены в таблице 2.5 [1].

Таблица 2.5  Физико-механические свойства однонаправленных образцов композиционных материалов с полимерной матрицей

Композиционый материал	Плотность ρ10-3, кг/м3	Прочность при растяжении σР, МПа	Модуль упругости Е, ГПа
Стеклопластик на основе волокна ВМ-1 и эпоксидного связующего	2,2	2100	70
Органоэпоксикомпозит	1,301,38	14002200	7895
Углепластик на основе: - жгута ВМН-4 и эпокситрифенольного связующего	1,50	1020	180
- волокна Торнелл-300 и эпоксидного связующего РР 313	1,55	1400	142,8

В качестве конструкционных материалов стыковочных фланцев (закладных элементов) и шпангоутов силовой оболочки корпусов РДТТ из полимерных композиционных материалов применяют, как правило, металлические сплавы. В зарубежных ракетах «Трайдент-1» и MX в качестве материала этих узлов используют в основном сплав 7049 системы алюминийцинкмагниймедь. В отечественных РДТТ применяют сплавы на основе титана ВТЗ-1, ВТ-23 и алюминиевый сплав АМг6 (таблица 2.6) [1].

Таблица 2.6  Сравнительные характеристики материалов

стыковочных фланцев и шпангоутов корпусов РДТТ

Деталь корпуса	Мате-риал	Плотность ρ10-3, кг/м3	Временное сопротив-ление σв, МПа	Удельная, прочность, км
Стыковочные фланцы	ВТЗ-1	4,50	100110	22,22–24,44
	ВТ-23	4,57	105125	22,9827,85
Стыковочные шпангоуты	АМг6	2,64	29	11,0
	7049	2,74	50	18,2

Для стыковочных фланцев корпуса в перспективе могут найти применение металлокомпозиты и полимерные композиционные материалы, а для стыковочных узлов  неметаллические шпангоуты из комбинации различных композиционных материалов [1].

Основными характеристиками теплозащитных материалов для внутренних поверхностей корпусов РДТТ являются их эрозионная стойкость к высокотемпературным газовым потокам, плотность, теплофизические и физико-механические показатели. Выбор теплозащитных материалов для конкретного двигателя определяется особенностями предъявляемых требований к таким материалам по теплозащитным и эрозионным свойствам, технологичности, относительной деформации при разрыве, стабильности контрольных показателей и др. Помимо своей основной функции  защиты внутренних поверхностей РДТТ от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания топлива  теплозащитные материалы выполняют в современных РДТТ ряд других функций [1]:

• обеспечивают герметичность пластиковых корпусов РДТТ;

• обеспечивают надёжное крепление теплозащитного покрытия с зарядом и исключают миграционные процессы на границе теплозащитное покрытиезаряд;

• компенсируют напряжения, воздействующие на корпус двигателя со стороны заряда.

Для крупногабаритных РДТТ применяют многослойные теплозащитные покрытия, в состав которых входят:

• защитно-крепящий слой (ЗКС)  для прочного скрепления ТЗП корпуса с зарядом;

• барьерный слой (БС)  для предотвращения диффузии на границе ТЗПзаряд;

• основной теплозащитный материал;

• герметизирующий слой (ГС)  для герметизации внутренней поверхности корпуса.

Для теплозащиты внутренних поверхностей отечественных и зарубежных корпусов РДТТ применяют материалы на основе бутадиеннитрильного, этиленпропилендиенового каучуков с добавками минеральных или полимерных наполнителей. В таблице 2.7 приведены основные характеристики отечественных и зарубежных ТЗП [1].

Таблица 2.7  Основные характеристики зарубежных и отечественных ТЗП

Характеристики	NBP (США)	SBP (США)	ЕРДМ (США)	Р-864, Р-998, РД-18 (Россия)
Плотность, ρ10-3, кг/м3	1,221,27	1,17	0,940,97	1,041,16
Относительное удлинение при разрыве, %	450600	550800	600900	300650
Предел прочности при разрыве, МПа	14,0	13,028,0	7,0	6,013,0
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К)	0,240,27	0,200,22	0,210,23	0,210,27
Удельная теплоёмкость, кДж/(кгК)	1,72	1,42	1,68	1,68

Для защиты наружных поверхностей корпусов РДТТ применяют теплозащитные покрытия абляционного типа, которые представляют собой сублимирующие композиции на основе хлорсульфированного полиэтилена и наполнителей.