Основным материалом теплозащиты при температурах до 1600°С является очень легкая плитка из супертонкого кварцевого волокна (ТЗМК), обладающая комплексом уникальных теплофизических свойств. Однако из-за большой разницы в температурном коэффициенте расширения (ТКР) алюминиевого сплава обшивки и плитки из ТЗМК, нельзя было крепить плитку на внешнюю поверхность «Бурана», – это могло бы привести к растрескиванию плитки при перепаде температур. Поэтому была поставлена задача разработать демпфирующий материал (компенсатор) для установки его между плиткой из ТЗМК и внешней поверхностью планера «Бурана».

Такой материал, приклеенный как к обшивке, так и к плитке, должен нивелировать различие ТКР между керамической плиткой и металлической поверхностью, при этом иметь низкую плотность (0,15–0,20 г/см³) и термостойкость до 300°С. Схема крепления плитки к обшивке представлена на рис. 1.

С учетом этих требований и имеющихся литературных данных наиболее подходящим решением представлялось создание нетканого материала типа войлока или фетра на основе термостойких полимерных волокон, изготовляемого иглопробивным способом. Для исследований были выбраны наиболее термостойкие волокна: фенилон (ароматический полиамид), терлон (ароматический полиамид), аримид (полиимидное волокно) и лола (волокно на основе лестничных и полулестничных полимеров).

Рисунок 1. Схема крепления плиток (ТЗМК) к обшивке из алюминиевого сплава

В результате проведенных исследований и испытаний для демпфирующей подложки был разработан иглопробивной материал на основе синтетических волокон фенилон и терлон, получивший марку АТМ-15.

Положительные результаты при создании иглопробивного материала АТМ-15 позволили разработать материалы такого же типа, но на основе более термостойких полимерных синтетических волокон аримид и лола (табл. 1).

Таблица 1

Основные свойства термостойких полимерных волокон

Такие материалы были необходимы для использования в качестве межплиточных вкладышей и самостоятельной теплозащиты – на участках изделия с температурой разогрева до 400°С – вместо трудоемкой и дорогостоящей плитки ТЗМК для части крыла и боковых поверхностей фюзеляжа.

Разработанным материалам присвоены марки АТМ-16 и АТМ-19. Материал АТМ-16 предназначен для использования в качестве межплиточного вкладыша и устанавливается по периметру плиток. Материал АТМ-19 использовался в качестве самостоятельной теплозащиты боковых поверхностей изделия.

Физико-механические свойства нетканых материалов АТМ-15, АТМ-16 и АТМ-19 приведены в табл. 2.

Материалы АТМ-15, АТМ-16, АТМ-19 соответствовали предъявленным требованиям по физико-механическим свойствам.

Однако, учитывая особенности изготовления и применения материала АТМ-19 как отдельного элемента теплозащиты, с целью повышения прочности при отрыве по толщине необходимо было осуществить прошивку полотна АТМ-19, для чего его раскраивали и разрезали на заготовки размером 700×700 мм. Прошивку проводили по прилагаемой схеме (рис. 2) технической нитью марки Аримид Т-160 с линейной плотностью 100 текс. Толщина материала АТМ-19 может быть в пределах 13–26 мм, прочность при разрыве в поперечном направлении не менее 19,6 Н/см².

Таблица 2

Физико-механические свойства материалов

Рисунок 2. Схема прошивки материала АТМ-19

Иглопробивные материалы имеют пористую структуру, поэтому интенсивно впитывают влагу (до 600%), что увеличивает их объемную массу и снижает теплоизоляционные свойства, т. е. они не отвечают требованиям по влагопоглощению при условиях эксплуатации в открытой атмосфере. Поэтому возникла необходимость гидрофобизации материалов АТМ-15, АТМ-16, АТМ-19. Проведенные исследования целого ряда гидрофобизаторов позволили сделать выбор – лучшие результаты были получены при использовании эмульсии КЭ-37-18. Одновременно с этим возникла необходимость стабилизировать рыхловолокнистую структуру иглопробивных материалов по толщине, для чего был применен метод калибровки: исходные материалы АТМ-15, АТМ-16 и АТМ-19, пропитанные эмульсией КЭ-37-18, помещали под плиты пресса, снабженного металлическими ограничителями заданной толщины, и создавалось давление, при котором плиты плотно зажимались между ограничителями.

После стабилизации давления проводили термофиксацию заготовки. В результате материалу АТМ-15 была присвоена марка АТМ-15ПК – пропитанный калиброванный. Свойства материала АТМ-15ПК приведены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства материала АТМ-15ПК

Для раскроя материала АТМ-15ПК с целью получения демпфирующих подложек требуемого размера была изготовлена лазерная установка специальной конструкции (рис. 3).

Рисунок 3. Лазерная установка для раскроя материала АТМ-15ПК

Материал АТМ-16 предназначен для использования в качестве межплиточного вкладыша, а материал АТМ-19 – в качестве боковой теплозащиты, поэтому, кроме пропитки для защиты от аэродинамического нагрева и дополнительной защиты от увлажнения, на поверхность этих материалов наносили эрозионностойкое покрытие – герметик УФ-11-21. В результате материалам АТМ-16 и АТМ-19 были присвоены марки соответственно АТМ-16ПКП и АТМ-19ПКП (пропитанный, калиброванный с покрытием). Свойства этих материалов приведены в табл. 4.

Конструктивно плитки ТЗМК крепятся на поверхности металлического силового каркаса изделия с зазором до 4 мм. Для создания монолитной поверхности теплозащиты, устойчивой к аэродинамическому нагреву, межплиточные зазоры должны быть заполнены термостойким (до 1200°С) материалом в виде вкладыша. Такой материал тоже был разработан – он представляет собой формованную пластину из кварцевого волокна и неорганического связующего (марка материала МТУ с размером пластины 150×25×35 мм, где 150 – длина; 25 – ширина уплотнительной части; 35 – ширина крепежного хвостовика).

Свойства материала МТУ контролируются по размерно-весовым характеристикам. Разработанные материалы АТМ-15ПК, АТМ-16ПКП, АТМ-19ПКП и МТУ прошли тепловые испытания в ЛИИ в условиях лучистого нагрева и в аэродинамической трубе. Были получены положительные результаты, и материалы рекомендованы для комплектации на изделии.

Плиточная теплозащита (см. рис. 1) корабля «Буран» была испытана при условиях, имитирующих вход в атмосферу с орбиты ИСЗ (искусственного спутника Земли), на специально созданных моделях «Бор-4» (рис. 4).

После приводнения модели в акватории Индийского океана, его подъема на борт боевого корабля ВМФ и осмотра было установлено, что вся плиточная теплозащита находится в отличном состоянии и выбранная схема крепления плиток (см. рис. 1) с использованием материалов АТМ-15ПК и АТМ-16ПКП может быть применена для летных вариантов МКС «Буран».

Рисунок 4. Модель «Бор-4»

Таблица 4

Свойства материалов АТМ-16ПКП и АТМ-19ПКП

Статья подготовлена по результатам работ, проведенных под руководством д.т.н. Э.К. Кондрашова, к.т.н. В.Т. Минакова и начальников лаборатории к.т.н. В.Г. Набатова, а в последующем д.т.н. Б.Н. Морина. В исследовании принимали участие: К.К. Борисова, к.т.н. Е.Г. Сурнин, Н.А. Полепкина, Н.К. Грибкова, Е.А. Пономарева, А.С. Семенова, Е.Е. Муханова, И.В. Тихонова и Л.Л. Полстянко.