Исследования текстильных материалов в работах ВИАМ 1936 г. А.Р. Нарский
advertisement
ВИАМ/2011-205871 Исследования текстильных материалов в работах ВИАМ 1936 г. А.Р. Нарский А.М. Смолеговский доктор химических наук Август 2011 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», №3, 2012г. Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public Исследования текстильных материалов в работах ВИАМ 1936 г. А.Р. Нарский1, А.М. Смолеговский2 ФГУП «ВИАМ», Москва 1 ИИЕТ им. С. И. Вавилова РАН, Москва 2 Исследования текстильной лаборатории Всесоюзного научно- исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) в 1936 г. были посвящены совершенствованию составов и свойств аэрополотна на основе новых типов льняных и хлопчатобумажных (ХБ) тканей, а также изучению различных методов их испытаний (определения прочности, степени натяжения, упругости, деформации в летных условиях). В статье представлены наиболее значимые результаты проведенных исследовательских работ. Исследования новых типов льняных тканей для авиации В середине 1930-х годов в дополнение к стандартной авиационной ткани марки А/16 («авиационная льняная легкая», или АЛЛ) было разработано несколько новых марок льняной ткани. Указанием начальника Главного управления авиационной промышленности (ГУАП) М.М. Кагановича ткани «авиационная льняная крепкая» (АЛК) и «авиационная льняная высшей крепости» (АЛВК) были «приняты на снабжение». Создание методики нанесения лакокрасочного покрытия на названные типы тканей с разработкой соответствующего технологического режима было поручено ВИАМ. Испытания тканей в «чистом» и лакированном состояниях велись в сравнении с тканью А/16. Стандартные нитролаки оказались вполне пригодны для нанесения на ткани АЛК и АЛВК и показали аналогичные (по сравнению с АЛЛ) значения прироста прочности и натяжения. Опыты по увеличению расхода лака I покрытия «А1Н» (бесцветного) обеспечили лучшее натяжение тканей, чем при обычном режиме лакирования (с сохранением прежнего числа покрытий – четыре). Были оптимизированы значения расхода лаков I покрытия: для ткани АЛЛ (А/16) – не более 180 г/м2, АЛК (№ 40) – не более 200 г/м2, АЛВК (№ 37) – не более 220 г/м2. Норма расхода цветного нитролака (защитного) оставалась прежней (число покрытий – два). Средние показатели физико-механических свойств различных типов льняных тканей в «чистом» виде и после нанесения лаков I покрытия (бесцветного) и II покрытия (защитного) приведены в табл. 1. Таблица 1. Результаты испытаний льняных тканей Тип ткани АЛЛ (А/16) АЛК (№ 40) АЛВК (№ 37) Состояние ткани «Чистая» После I покрытия После I и II покрытий «Чистая» После I покрытия После I и II покрытий «Чистая» После I покрытия После I и II покрытий Масса 1 м2 ткани в воздушносухом состоянии, г Прочность на разрыв*, кг/м Средняя разрывная длина, км Прирост прочности после лакировки, % 161 210 285 175 235 310 220 285 360 1250/1478 1890/1840 2000/2000 1500/1830 2125/2300 2200/2500 2000/2000 2725/2800 2900/2800 8,5 8,77 7 9,5 9,42 7,58 9,1 9,7 7,91 – 51/24,5 60/35 – 42/26 47/37 – 36/40 45/40 * В числителе значение по основе, в знаменателе – по утку. На следующем этапе с целью подтверждения пригодности новых тканей для авиапромышленности на заводе «№ 21» (в г. Горьком) были проведены обтяжка, лакирование и последующий облет десяти самолетов «ЦКБ-12» (истребитель типа «И-16» авиаконструктора Н.Н. Поликарпова): четыре из них были обтянуты тканью АЛВК, четыре – АЛК, два – АЛЛ. Применение новых типов тканей, как заключили представители технического руководства завода, военной приемки и ВИАМ, значительно повышало прочность обтяжки при незначительном увеличении привеса по сравнению с применением ткани АЛЛ: общая масса крыльев и оперения названного самолета при использовании ткани АЛВК была выше на 1,65 кг, а ткани АЛК – на 0,85 кг. Степень натяжения новых типов тканей на крыльях самолетов не уступала ткани А/16. Установлена необходимость применения обтяжки плоскостей высокоскоростных самолетов тканью АЛВК, а плоскостей скоростных самолетов тканью АЛК. Ткань АЛЛ рекомендовалась только для второстепенных надобностей, таких как предварительная обтяжка и дальнейшая оклейка носка крыла скоростных самолетов, обтяжка поверхностей учебных и спортивных самолетов и т.п. [1]. Исследования новых типов ХБ тканей для авиации Предпосылкой широкого применения ХБ тканей для покрытия самолетов было наличие в достаточном количестве отечественного сырья: длинноволокнистый египетский хлопок культивировали на юге СССР. В 1934–1935 годах была установлена возможность изготовления ХБ полотна марок АМ-100, АМ-85, АСТ-100 [2]. В названии буквы обозначали: А – авиационная, М – мерсеризованная, цифры – номер («длина») пряжи или количество метров пряжи, приходившееся на 1 г (с увеличением номера понижались толщина нити и масса ткани). Под мерсеризацией, впервые примененной в ВИАМ в 1934 г. при изготовлении небольших опытных партий ХБ авиаполотна, понимали специальную щелочную обработку с последующей промывкой, приводившую к повышению блеска, гладкости и механических свойств ткани. Ткань АСТ-100 изготавливали из суровой, то есть немерсеризованной пряжи № 100. Во всех случаях отсутствия льняных могли применяться ХБ ткани, причем впоследствии тканью АМ-100 предлагалось при необходимости заменять ткань АЛЛ, АМ-93 – АЛК, а АСТ-100 – АЛВК [3]. Характеристики названных марок ХБ полотна приведены в табл. 2. Таблица 2. Основные свойства ХБ полотна Марка Ширина, м Масса 1 м2, г AM-100 АМ-85 (93) ACT-100 1,37 1,37 1,32 140 160 200 Прочность на разрыв*, кг/м 1450/1450 1800/1800 2000/1800 Удлинение, %, по основе и по утку 13 14 16 * В числителе значение по основе, в знаменателе – по утку. Задачей 1936 г. стало освоение новых типов тканей в условиях массового производства. Под руководством ВИАМ их изготовление осуществлялось на Глуховском хлопчатобумажном комбинате им. В.И. Ленина (Московская обл.), затем образцы тканей подвергались лабораторным испытаниям. В табл. 3 приведены усредненные результаты испытаний. Таблица 3. Результаты испытаний ХБ полотна Марка Ширина, м Масса 1 м2, г AM-100 АМ-85 (93) ACT-100 1,369 1,367 1,315 125,1 151,8 190,6 Плотность* на 1 см 32,7/31,0 32,7/31,1 22,9/21,7 Прочность на разрыв*, кг/м 1307/1256 1607/1515 2062/1946 Удлинение*, % 8,6/10,5 10,6/11,4 12,3/16,9 * В числителе значение по основе, в знаменателе – по утку. Фактические значения прочности на разрыв и массы 1 м2 для полотен АМ-85 (93) и АМ-100 были получены несколько заниженными ввиду несовершенства процесса мерсеризации. В качестве эксперимента на комбинате увеличивали число слоев лака I покрытия (с 4 до 5); варьировали виды переплетений, значения плотности и ширины ХБ ткани. Всесторонние исследования образцов тридцати различных вариантов планировалось провести в 1937 г. Освоение предприятием легкой промышленности под руководством ВИАМ массового производства ХБ авиационного полотна, не уступавшего по качеству иностранным образцам, определило возможности его успешного применения в авиапромышленности. Предстояла работа по налаживанию производства ткани АМ-85 (93) с прочностью на разрыв 1800 кг/м. Вопрос пригодности новых типов ХБ полотен из мерсерированной пряжи для обтяжки самолетов мог быть окончательно решен только после проведения испытаний в летных условиях [2]. Разработка методов исследования различных свойств авиационных тканей Отдельный раздел исследований текстильной лаборатории ВИАМ был связан с разработкой методик испытаний авиационных тканей. Одна из работ была направлена на изучение прочностных и упругих свойств (определения предела выносливости и предела упругости) «чистых» и лакированных тканей с помощью прибора «Шоппер-Дален». Условия испытания аэрополотна на нем были приближены к работе на крыле самолета: резиновая мембрана при нагружении воздухом передавала нагрузку образцу полотна, зажатому по всем направлениям (по окружности) и работавшему одновременно по основе и утку. Для определения предела выносливости (усталости) «чистых» и лакированных (4 слоя I покрытия, 2 слоя II покрытия) тканей А/16 и АМ-85 образцы подвергали последовательному нагружению и разгружению нагрузками от 95 до 60% от разрушающей; были получены кривые усталости «чистых» и лакированных тканей. Пределом выносливости тканей условно считали нагрузку «при весьма значительном количестве приложений которой полотно еще не разрушалось». Значения этого предела лакированных тканей (табл. 4) оказались ниже, чем «чистых», ввиду того, что при многократном нагружении пленка частично разрушалась и в композиции «работала» только ткань. Таблица 4. Пределы выносливости тканей, % от максимальной нагрузки Наименование ткани А/16 АМ-85 «Чистые» 65 60 Лакированные 55 50 Процессы деформации лакированных тканей протекали медленнее. Остаточные деформации (стрелы прогиба) начинали проявляться в «чистом» полотне при нагрузке 0,03–0,04 МПа, в лакированном – около 0,05 МПа из-за высокого натяжения и дополнительной упругости, получавшейся от лакокрасочной пленки. Упругая деформация сохраняла для всех давлений практически постоянную величину: для «чистой» ткани – около 6 мм, для лакированной – от 4 до 6 мм. Необходимы были дальнейшие исследования тканей на модели крыла при помощи специальных приборов [4]. Полотняная обшивка во время работы под влиянием внешних сил деформировалась, принимая выгнутую форму поверхности как в продольном, так и в поперечном направлениях крыла. Поэтому вопрос анализа деформаций был очень важен [5]. Инженером А.С. Константиновым был спроектирован прибор, изготовленный заводом № 1 им. Авиахима, для замера степени натяжения и остаточных деформаций лакированного полотна. Для проверки возможности использования прибора были произведены наблюдения за обшивками (непосредственно на самолетах) А/16, АМ-85 и ACT-100 до лакирования, после лакирования и после полетов. Летные испытания проводили в течение 12 ч, фигурные полеты – в течение одного часа. Замеры для определения остаточных деформаций, проведенные перед полетами и через 5 мин после посадки, показали, что наилучшими по натяжению обшивки были покрытия из льняного полотна. Близкие показатели были у обшивки из ткани ACT-100, а обшивка из ХБ ткани АМ-85 имела наибольшую величину остаточной деформации (наивысшие величины стрел прогиба) [6]. Интересное лабораторное исследование было выполнено для изучения влияния величины предварительной натяжки «чистой» ткани на ее технические свойства в лакированном состоянии. Увеличение предварительного натяжения ткани с 1,5 до 10% от разрывного усилия приводило к снижению величин разрушающего давления и стрел прогиба ткани, покрытой лаком, на 3,5–4,5%; при этом степень натяжения возрастала до 12%. Данные выводы были полезны для дальнейших экспериментальных исследований различных авиационных тканей, а также при обтяжке самолетов на авиазаводах [7]. Наряду с перечисленными выше научными исследованиями была спроектирована специальная испытательная камера для проведения физикомеханических испытаний текстильных и лакокрасочных материалов в условиях заданных значений температуры и относительной влажности [8]. Выводы Исследование свойств льняных тканей новых типов АЛВК и АПК и их испытания (обтяжка несущих поверхностей и оперения) позволили установить незначительное увеличение массы самолета «ЦКБ-12» по сравнению с применением АЛЛ при значительном повышении механических свойств обтяжки, что гарантировало большой запас прочности конструкции. Авиационная промышленность получила дополнительно к существующему легкому полотну два типа тканей повышенной прочности. Тем не менее новые ткани отличал от лучших образцов иностранных льняных аэропланных тканей больший вес на единицу поверхности. Дальнейшие разработки ВИАМ по данному вопросу было необходимо сосредоточить на получении прочной и легкой ткани. Изготовление партии новых типов ХБ тканей открывало дополнительные перспективы повышения качества полотняных покрытий. Работы ВИАМ были сконцентрированы на испытаниях образцов различных тканей в летных условиях, а также на изыскании факторов, способных улучшить качественные показатели ХБ полотна. Важное значение имело совершенствование методик испытаний физикомеханических свойств тканей. Один из наиболее принципиальных вопросов заключался в определении величин деформации ткани на самолете в летных условиях. Соответствующая оценка свойств тканей была необходима для разработки и применения новых типов тканей и аэролаков. В результате исследований была подтверждена возможность применения ткани ACT-100 вместо льняной А/16 для обтяжки поверхностей самолетов. Установлено влияние предварительного натяжения чистой ткани на величину стрелы прогиба (обратная зависимость). Кроме того, с увеличением предварительного натяжения лакированная ткань разрушалась при меньших давлениях. Были спроектированы специальная установка для определения величины деформации полотняной обшивки на отсеке крыла самолета под давлением воздуха и испытательная камера для проведения физико-механических испытаний текстильных и лакокрасочных материалов в условиях заданных величин температуры и относительной влажности. Названные работы были продолжены в 1937 г. Список литературы 1. Шейдеман И.Ю. / Краткие технические отчеты о научно-исследовательских работах ВИАМ за 1936 г. Т. IV. Химические материалы. М., 1937. С. 75–77. 2. Бабкин Н.И. / Там же. С. 78–81. 3. Маркеллов П.П., Зельдис И.В. Материаловедение и технология авиационных материалов. М.: Военное издательство Министерства Вооруженных сил СССР, 1947. С. 226–237. 4. Шейдеман И.Ю. / Краткие технические отчеты о научно-исследовательских работах ВИАМ за 1936 г. Т. IV. Химические материалы. М., 1937. С. 82–87. 5. Гаврилов А.М. / Там же. С. 88–94. 6. Константинов А.С. / Там же. С. 100–102. 7. Гаврилов А.М. / Там же. С. 95–99. 8. Удалов Н.А. / Там же. С. 103–104.
