Первые исследования авиационных тканей и аэролаков в

ВИАМ/2010-205614
Первые исследования авиационных тканей
и аэролаков в работах ЦАГИ
(период 1922–1925 гг.)
А.Р. Нарский
А.М. Смолеговский
доктор химических наук
Июль 2010
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более, чем в 30-ти научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4-х филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В
1994г.
ВИАМ
присвоен
статус
Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной
техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках Международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат Государственных премий
СССР и РФ, академик РАН Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Все
материалы. Энциклопедический справочник», №1, 2011 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Первые исследования авиационных тканей и аэролаков в работах ЦАГИ
(период 1922–1925 гг.)
А.Р. Нарский1, А.М. Смолеговский2
1
2
ФГУП «ВИАМ», г. Москва
ИИЕТ им. С.И. Вавилова РАН, г. Москва
Назначение авиационных тканей и аэролаков в самолетостроении
В «деревянном» самолетостроении роль таких старейших авиационных
материалов, как ткани и аэролаки, была весьма значительной.
Авиационным полотном (тканью) обтягивались отдельные элементы
конструкции (несущие поверхности) аэропланов. Если изначально для этого
применялось дорогостоящее шелковое полотно, обладавшее малой массой,
то на смену ему появились сначала хлопчатобумажные (перкаль) [1], а затем
– льняные ткани. Поскольку тканевая обшивка сама по себе не обладала
необходимыми прочностью и стойкостью против атмосферных воздействий,
ее требовалось обязательно пропитывать (покрывать) аэролаками. В таком
состоянии ткани должны были отвечать комплексу целого ряда различных
свойств и качеств, таких как: прочность на разрыв, прочность на излом при
многократном перегибании складки, воздухо- и газонепроницаемость,
негигроскопичность, отсутствие чувствительности к действию температуры,
стойкость против действия света, невоспламеняемость и т. д. [2].
Ткань не должна была иметь недостатков («пороков»), понижающих
способность воспринимать аэролак, и порезов; не должна была содержать
веществ, понижающих прочность ткани (жиры, масла, животный клей и т. п.).
Число нитей на 1 см не должно было отличаться более, чем на две в двух
местах одной партии, число нитей основы (продольных нитей) и утка
(поперечных нитей) не должно было отличаться более, чем на 5% [3].
Полотняная обшивка, в отличие от деревянной, имела ряд преимуществ,
связанных с малым весом, упругостью, легкостью ремонта и т. п.
Аэролаки
(авиационные
лаки
специального
назначения),
использовавшиеся для покрытия тканей, подразделялись на две группы:
1) лаки–пропитки, называвшиеся также лаками первого покрытия, и
2) предохранительные лаки, или лаки второго покрытия [3, 4]. Пропитка
тканей аэролаками первого покрытия придавала им определенную натяжку,
прочность, воздухо- и водонепроницаемость. Но ткань теряла даже
первоначальную прочность без покрытия предохранительными лаками [3].
Их основное предназначение заключалось в защите ткани, пропитанной
лаком первого покрытия, от действия атмосферы, отработанных смазочных
масел и в придании наилучших аэродинамических свойств поверхностям.
Начало производства аэролаков в Америке, а также в некоторых
европейских странах (Англия, Германия и Франция) относится к 1880-м
годам. Потребности, возникшие в период Первой Мировой войны привели к
более интенсивному развитию аэролаковой промышленности. В нашей
стране до 1918 г. на заводах применялись исключительно аэролаки
заграничного
производства.
В начале
1920-х
годов первые
опыты
изготовления отечественных аэролаков, проведенные на одном из заводов
Главного управления военной промышленности (ГУВП), дали вполне
удовлетворительные
результаты.
К
концу
1920-х
годов
«все
аэропланостроительные заводы и части воздушного флота снабжались
аэролаками только собственного производства» [2].
Если в довоенный период в качестве непосредственно лакового тела
применялись различные виды нитроцеллюлозы (нитроцеллюлозные лаки,
НЦЛ), то вскоре перевес получило производство ацетилцеллюлозных лаков
(АЦЛ): в Западной Европе в 1911 г. впервые появился подобный АЦЛ под
названием «Эмалит». По сравнению с НЦЛ он обладал большим
преимуществом – значительно меньшей огнеопасностью, что заставило
обратить на себя внимание специалистов авиационной промышленности [5].
В скором времени вопрос применения негорючих АЦЛ для покрытия
самолетов, обтянутых тканью, приобрел актуальное значение.
Кроме того, помимо защиты тканей в деревянном самолетостроении,
нанесение лакокрасочных покрытий было довольно распространенным
способом защиты различных авиационных материалов (дерева, металла) и
имело достоинства: дешевизна, простота применения, особенно в условиях
полевой службы и ремонта.
В табл. 1 представлено назначение авиационных тканей и аэролаков и
приведены технические требования к ним.
Таблица 1.
Назначение авиационных тканей и аэролаков
Авиационные ткани
Аэролаки
Назначение
Обтяжка (обшивка) каркаса крыльев, Лаки I покрытия (лаки-пропитки)
фюзеляжей, оперения, винтов и лыж Придание тканям натяжки, прочности, воздухосамолетов, поплавков гидросамолетов
и водонепроницаемости
Лаки II покрытия (масляные и цветные лаки)
Защита ткани, пропитанной лаком I покрытия,
от
действия
атмосферы,
от
действия
отработанных смазочных масел;
придание наилучшей обтекаемости несущим
поверхностям и улучшение аэродинамических
свойств (понижение сопротивления воздуха)
Требования
Минимальная плотность ткани при Способность придания ткани натяжки и
значительном сопротивлении разрыву;
гигроскопичности при минимальном числе
равенство прочности ткани по основе и покрытий;
минимальная
горючесть;
по утку; минимальное увеличение массы достижение
наибольшего
увеличения
при намокании; минимальное удлинение прочности ткани как при разрыве, так и при
при разрыве (как по основе, так и по продавливании, при наименьшем привесе, при
утку); гибкость, упругость, возможность минимальном расходе и числе покрытий
принимать
формы
криволинейных
поверхностей; отсутствие нарушения
прочности покрытия при соединении
частей тканевой обшивки; простота
крепления;
минимальная
пожароопасность (горючесть)
Весьма актуальным был вопрос рационального использования аэролаков
и их экономии: «на каждый аэроплан средних размеров расходовалось около
15 пудов лака» (245,7 кг), каждый пуд которого стоил 80 руб. [4]. В
соответствии с постановлением научного комитета Управления Военных
Воздушных сил (НК УВВС) СССР, в Центральном аэрогидродинамическом
институте (ЦАГИ) в начале 1920-х гг. была поставлена большая программная
работа по изучению аэролаков, цветных лаков и тканей – для выяснения
степени влияния аэролаковых покрытий на ткани, в том числе в зависимости
от типа и сорта ткани – для дальнейшего установления ее стандартного типа
[6]. Первая часть работы была завершена в 1923г. [7].
Из переписки директора ЦАГИ Г.А. Озерова и председателя НК УВВС
СССР известно, что институт был очень стеснен в средствах, в то время как
для выполнения этой работы было необходимо приобрести различные сорта
тканей, аэролаков, рамы и другие материалы. Руководство обращалось в
Совет военной промышленности (Промвоенсовет) с ходатайством о заказе и
«бесплатном отпуске» аэролаков, так как в результатах исследования в
первую очередь были крайне заинтересованы заводы ГУВП [6].
Первые исследования аэролаков в работах ЦАГИ (середина 1920-х гг.)
Первые
отечественные
научные
исследования
материалов,
применявшихся в аэропланостроении, относятся к началу 1920-х годов. Для
этого, в 1922 г. в ЦАГИ была создана специальная секция испытания
материалов, преобразованная в 1925 г. в отдел испытания авиационных
материалов и конструкций. Одной из важнейших научных работ секции в
области неметаллических авиационных материалов стало «Исследование
аэролаков». Под этим названием была опубликована первая часть
упомянутого выше комплексного исследования, проведенного научным
сотрудником И.Ф. Андреевым под научным руководством заведующего
секцией И.И. Сидорина.
В первую очередь исследования ЦАГИ касались физико-механических
свойств аэролаков, предназначенных для применения в условиях умеренного
климата центральной полосы России (разнообразие требований к аэролакам в
нашей
стране
было
обусловлено
особенностями
и
многообразием
климатических условий).
Цели научно-исследовательской работы «Исследование аэролаков»
(ЦАГИ, середина 1920-х гг.) [4]:
• изыскание способов испытания аэролаков;
• определение основных физико-химических свойств аэролаков;
• оптимизация условий применения аэролаков;
• подготовка материала для составления технических условий на аэролаки.
Материалы,
использовавшиеся
в
научно-исследовательской
работе
«Исследование аэролаков» [4], приведены в табл. 2.
Таблица 2.
Материалы, использованные в работе «Исследование аэролаков»
Нитроцеллюлозные аэролаки
I покрытия
«Рядовой» (завода №1)
Кроля «Ц» (завода №16)
Кроля «Н» (завода №16)
Ацетилцеллюлозные аэролаки
I покрытия
Профессора Шпитальского «AnR»
Кроля «Inflammable»
Ацетилкамфарный («бывш. завода бр. Мамонтовых»)
Светлый масляный («бывш. завода бр. Мамонтовых»)
II покрытия
Кроля голубой
Кроля защитный
Ткани
Льняное лощеное полотно бывшей фабрики Локалова (натягивалось на рамы)
Программа исследований включала проведение следующих испытаний:
• определение увеличения временного сопротивления на разрыв ткани и
определение абсолютных и относительных удлинений при разрыве льняной
ткани (по основе и утку), с нанесенными лаками I и II покрытия, в сравнении
с чистым полотном, на машине Шоппера;
• определение привеса от лакирования тканей;
• определение усадки тканей в зависимости от числа покрытий и сорта
аэролака;
• определение гигроскопичности лакированных тканей;
• определение вязкости аэролаков, их расхода;
• определение увеличения прочности на разрыв на аппарате «Персо»;
• получение чистой аэролаковой пленки и определение ее прочности,
эластичности и прозрачности. Лак, обладавший эластичностью, при разрыве
покрытой им ткани вытягивался и рвался вместе с ней, увеличивая ее
прочность. Отсутствие прозрачности пленки (неоднородности по толщине и
по цвету) указывало на невысокое качество растворителей; покрытие ткани
таким аэролаком приводило к появлению пятен и полос на покрываемой
поверхности ввиду чрезмерной летучести растворителей и поглощения влаги
из окружающей среды.
После сопоставления результатов проведенных исследований был сделан
ряд важных выводов [4]. Прочность ткани в результате покрытия аэролаками
повышается
как
пропорционален
по
основе,
качеству
так
и
пропитки
по
утку;
ткани.
прирост
прочности
Повышение
прочности
наблюдалось до определенного предела; при достижении максимума
(соответствующего
4–5-кратному
покрытию)
приобретенная
тканью
прочность при дальнейших нанесениях лака начинала снижаться (или
оставалась постоянной).
Наибольший прирост прочности среди НЦЛ при трехкратном покрытии
был получен при использовании аэролаков «Ц» (34% по основе) и «Н» (46%
по утку); из АЦЛ – «Inflammable» (24% по основе) и Шпитальского «AnR»
(21,3% по утку). У ткани с меньшей первоначальной прочностью после
покрытия аэролаком прирост прочности был значительно выше, чем у более
прочных тканей. Поэтому, кажущееся преимущество НЦЛ перед АЦЛ
важной роли не играло.
В отношении привеса ткани и гигроскопичности преимущество оказалось
на стороне АЦЛ. Интересно, что способность к поглощению влаги тканью,
покрытой
АЦЛ,
при
увеличении
числа
покрытий
постоянна
(или
незначительно падает), а тканью, покрытой НЦЛ, повышается, указывая на
гигроскопичность самих нитролаков.
Опыты по влиянию атмосферных осадков на ткань, пропитанную только
лаками I покрытия, подтвердили, что ткань теряла как прирост прочности
из-за покрытия лаком, так и первоначальную прочность. Установлено, что
масляный лак – хорошая защита и нижележащего слоя лака, и ткани.
Цветные лаки Кроля (AЦЛ с примесью минеральных красок) оказывали
такой же эффект, но, кроме того, при определенной комбинации красок они
легко могли маскировать самолет от противника; на цветные лаки не
действовало
отработанное
минеральное
смазочное
масло
вследствие
отсутствия в их составе олигомерных продуктов («смол»); цветные лаки
Кроля имели преимущество перед масляными лаками второго покрытия
также и в возможности более легкого ремонта поверхности.
Испытания на горючесть чистой ткани, покрытой НЦЛ и АЦЛ, показали,
что скорость сгорания тканей, покрытых НЦЛ, растет с увеличением числа
покрытий, а при использовании АЦЛ имеет место обратная зависимость.
Определение вязкости аэролаков на приборе И.И. Сидорина (по скорости
движения в среде пузырька воздуха определенного объема; за коэффициент
вязкости принималось отношение скоростей движения этого пузырька в
аэролаке и в дистиллированной воде [8]) выявило ценность данного
параметра, от которого при определенной температуре зависит расход
аэролака, степень пропитки ткани и удобство работы. Оптимальные
результаты были получены при применении покрытия АЦЛ [4].
Метод испытания лакированных тканей на продавливание на машине Персо
позволил получить более достоверную информацию о прочности ткани и
покрытий, чем отдельные испытания по утку и основе на машине Шоппера.
Опыты показали, что 4-х кратное покрытие дает наилучшие результаты.
Аппарат, сконструированный И.И. Сидориным для измерения усадки
образца ткани в результате пропитки его аэролаком, позволил контролировать
не только процесс усадки ткани и момент окончания высыхания аэролакового
слоя, но и установить, какое число покрытий необходимо. Усадка или
растяжение образца сопровождались поворотом валика, изменение длины
ткани показывала дуга, описанная точкой поверхности валика [8]. Опыты
показали преимущество НЦЛ в данном случае [4].
Достоинства и недостатки АЦЛ и НЦЛ, выявленные в результате
исследований, проведенных в ЦАГИ, представлены в табл. 3 [2, 3, 4].
Таблица 3.
Достоинства и недостатки нитро- и ацетилцеллюлозных аэролаков
Нитроцеллюлозные лаки (НЦЛ)
Ацетилцеллюлозные лаки (АЦЛ)
Достоинства
Дешевизна
Значительно меньшая огнеопасность
Растворимость во многих растворителях
Ниже склонность к пожелтению
(уксусноамиловый эфир, ацетон, спирт
Обеспечение меньшего привеса
древесный)
Меньший расход на единицу площади и
Прозрачность
меньшая гигроскопичность
Общая химическая стойкость
Придание хорошей сопротивляемости
изгибанию складкой
Сообщение хорошей натяжки ткани
Сильная воспламеняемость
Горение с выделением вредных для
здоровья газов
Большая вязкость растворов,
гигроскопичность
Неприятный запах
Недостатки
Механические свойства ниже, чем у НЦЛ
Высокая стоимость
Низкая химическая стойкость
Последующие работы секции (отдела) были направлены на выявление
взаимоотношений между аэролаками и различными сортами ткани для
достижения лучших результатов.
Выводы
Труд «Исследование аэролаков», выполненный научным сотрудником
секции испытания авиационных материалов ЦАГИ И.Ф. Андреевым, стал
самой первой отечественной научно-исследовательской работой в данной
области. Значение этого труда было неоценимо, также потому, что впервые
были подробно изучены и проанализированы свойства аэролаков и их
применение,
изложенные
в
публикациях
германских,
английских,
американских исследователей и организаций.
Трудности работы первоначально заключались в отсутствии методик
исследования аэролаков. В процессе исследований были созданы методы
лабораторных испытаний (в том числе, с использованием созданного
И.И. Сидориным аппарата для выяснения усадки тканей при лакировании);
определены оптимальные параметры расхода лаков, в зависимости от
вязкости; установлено, что максимальная прочность достигается при
4–5-кратном покрытии ткани лаками; выявлены достоинства и недостатки
покрытий НЦЛ и АЦЛ, а также преимущества цветных лаков перед
масляными.
В результате исследований был накоплен необходимый материал для
составления
технических
условий
на
поставку
аэролаков,
которые
готовились к представлению на утверждение научному комитету к январю
1926 г. [9], и инструкций по их применению на авиазаводах.
Практическая ценность этих трудов была также высокой. Отечественная
авиация все еще использовала НЦЛ, тогда как заграничные аэролаки уже
вырабатывались исключительно на ацетилцеллюлозе. Результаты испытаний
русских аэролаков НЦЛ и АЦЛ, проведенные в ЦАГИ, летом 1924 г. были
доложены в НК, после чего переход нашей авиации на АЦЛ был решен
положительно. По сведениям 1925 г., вопрос находился «в стадии
разрешения в производственных органах ВСНХ» [10].
В дальнейших работах секции исследовались: служба аэролаков в условиях
жаркого и морского климатов, вопрос о значении строения и механических
свойств авиационных тканей после покрытия их различными аэролаками.
Список литературы:
1. Борейко Д. Испытание материалов для аэропланов (производство испытаний,
испытания и результаты испытаний). Петроград, 1915. 78 с.
2. Флоренский П. Аэролаки / В кн.: Техническая энциклопедия. Т. 2. М.: АО «Советская
энциклопедия», 1928. Столбцы 23–28.
3. Гуляев А. Материалы авиатехники. Отдел III. Вспомогательные и эксплуатационные
материалы. Л., 1928. 216 с.
4. Андреев И.Ф. // Труды ЦАГИ. Вып. 14. М., 1925. 84 с.
5. Андреев И.Ф. // Труды ЦАГИ. Вып. 82. М., Л.: ГНТИ, 1931.56 с.
6. Российский государственный военный архив (РГВА). Ф. 29, оп. 13, д. 121, л. 18
(1925 г.).
7. РГВА. Ф. 29, оп. 75, д. 601, лл. 1–4 (1923 г.).
8. Берхен
С.Н.
Основные
материалы
самолетостроения.
М.:
Государственное
авиационное и автотракторное издательство ОНТИ НКТП СССР, 1932. С. 215–217.
9. РГВА. Ф. 29, оп. 13, д. 686, л. 20 (1925 г.).
10. РГВА. Ф. 29, оп. 13, д. 121, л. 20 (1925 г.).