Ракета... Из клубка ниток

Забавно наблюдать, как солидные мужчины с весьма серьезным видом обмениваются опытом по части... вязания. Восхваляют достоинства узоров из лицевых и изнаночных петель, оценивают методы вязки с прямым и обратным накидом, обсуждают приемы перехвата нити и другие тонкости вязального ремесла. Еще больше удивитесь вы, когда узнаете, что идет совещание ракетостроителей. Слишком уж далеко это от их профессиональных интересов. Что общего может быть у космической ракеты с вязаным чулком? Скорее всего, ракетостроители отвлеклись от деловой беседы, и речь идет о необычном увлечении, хобби. Ведь попадаются же порой мужчины, для которых вязание — любимый отдых после работы.

Не буду искушать любопытство читателей недомолвками. Сообщу сразу, что ракетостроители заняты своим непосредственным делом и решают насущные проблемы космического производства. А проблемы эти столь серьезны, что вынуждают обратиться к такому, казалось бы, несерьезному занятию, как вязание, и к такому ненадежному материалу, как стекло.

Даже в наши дни, когда отношение к стеклу в технике стало более уважительным, трудно представить себе ответственные детали космических ракет, воплощенные в этом хрупком материале. Но это привычное мнение о его хрупкости было разбито вдребезги, когда обнаружили, что тончайшие стеклянные волокна в 50-100 раз прочнее массивного литого стекла. Изделия из невидимых глазу микронных стеклянных нитей, сцементированных специальным вяжущим веществом, не уступают по прочности стальным, хотя в четыре раза легче. Первыми успешно опробовали необычный материал самолетостроители. После их обнадеживающего опыта последовали ошеломляющие прогнозы. «Конструкция самолета, прямо с чертежной доски переведенная в новые материалы, будет на 30-50 процентов легче», — утверждали некоторые. Более осторожные предсказывали облегчение на 18-24 процента. Но и этого было достаточно, чтобы специалисты заговорили о назревающем качественном скачке в производстве летательных аппаратов.

Помимо малого веса и высокой прочности, стекловолокнистые изделия обладают еще хорошими теплоизоляционными способностями и небольшим тепловым расширением. Стенки корпуса ракеты из стекловолокна, в отличие от металлических, прозрачны для радиоволн. Они не создают никаких препятствий для прохождения к внутренним управляющим устройствам ракеты радиокоманд, посланных с Земли. Неудивительно, что на конкурсе авиакосмических материалов стеклопластики потеснили металлические отливки и поковки. И не просто потеснили. Внезапно вспыхнувший интерес к стеклу поколебал доверие к таким традиционным космическим материалам, как сталь, титан и алюминиевые сплавы. Корпуса двигателей, теплозащитные экраны, сосуды высокого давления, обшивку, носовые обтекатели и другие части ракет стали производить из стекла.

Стеклянная нить до неузнаваемости преобразила космический цех. Раньше стальной корпус ракетного двигателя сваривали специальными электродами в атмосфере защитного газа. Каждый квадратный сантиметр поверхности тщательно обрабатывался. После очередной операции приходилось снимать возникшие в материале напряжения. В конце концов, весь корпус целиком подвергался специальной термообработке с особым режимом охлаждения. Рентгеноскопически проверялась качественность и добротность сварных швов. Лишь после трех недель упорного и кропотливого труда корпус был, наконец, готов. А из стеклянных нитей его наматывают за несколько дней! Намотка стала основной производственной операцией. Она избавила ракетостроителей от множества более сложных и трудоемких процессов.

Чтобы изготовить корпус ракеты, сопло ракетного двигателя, его камеру сгорания или другие детали, достаточно намотать стекловолокно на глиняную или гипсовую модель нужной формы, как на шпульку, не забывая время от времени пропитывать слои связующими смолами. Процесс намотки можно полностью автоматизировать, препоручив его станкам с программным управлением. Носовой конус ракеты изготавливают из стекловолокна несколько иначе: на металлическую болванку натягивают один за другим до трех десятков «чулок» из стеклоткани. На каждый из них наносится связующий слой смолы. Затем болванку помещают в гидропресс, и через час обтекатель готов.

Намотка на станке корпуса резервуара для топлива.

Трудно теперь обходиться в космическом производстве без вязаных «чулок». Некоторые детали ракет целиком вяжутся, как вяжут шерстяные носки или рукавицы. Вот почему так волнуют ракетостроителей секреты наших бабушек, не расстающихся со спицами и клубком ниток. Не устраивает их только низкая производительность. Что такое для космической техники несколько пар шерстяных носков в месяц? Не те масштабы. Совсем другое дело — быстродействующие вязальные машины, да еще автоматические.

Намотку некоторых частей ракеты можно производить не в цехах завода-изготовителя, а прямо на космодроме, вблизи от места старта. Простота этой операции позволяет обходиться без особо сложной заводской оснастки. Так, например, изготавливают корпус двигателя американской ракеты «Сатурн». Сразу же отпадают все проблемы транспортировки необычайно громоздкого и тяжелого изделия.

Героев старых сказок и легенд не раз выручал в трудные минуты клубок ниток. Вспомним хотя бы нить Ариадны, которая вывела Тезея из лабиринта, или волшебный клубочек, указывавший путь Ивану-царевичу. Похоже, что в руки ракетостроителей тоже попал чудодейственный клубок ниток, только не простых, а стеклянных. Да и размеры клубка необычны даже по сказочным мерилам. Например, тончайшей стеклянной нитью, израсходованной на корпус одной из ракет, можно десять раз обернуть по экватору земной шар! Зато корпус стал почти вдвое легче прежнего, стального, и вдвое снизилась стоимость его изготовления.

Легковесность в сочетании с легкостью изготовления... Кажется, что стеклянная нить только для того и придумана, чтобы облегчить труд ракетостроителей. Но испытать чудесную силу своего клубочка они смогли лишь после того, как постигли все тонкости текстильного ремесла. Новый вид материала потребовал нового подхода к проектированию и к производству космических конструкций.

Намотка корпуса двигателя американской ракеты-носителя «Сатурн» на стартовой площадке.

Разорвать крепкий плетеный канат легче всего поперечным, срезывающим усилием. Например, ударить по нему топором. Не пробуйте растягивать его с этой целью — все равно не хватит сил. Точно так же обстоит дело с деталями из стекловолокна. Они стойко выносят механические усилия, растягивающие стеклянные нити. Поэтому далеко не безразлично, как намотать ту или иную часть ракеты. Если направления волокон не совпадут с направлением напряжений, возникающих в конструкции, прочность окажется заниженной. Чтобы обеспечить надежность конструкции, придется намотать слишком толстый слой стекловолокна. Тогда не только не получишь никакой экономии в весе, наоборот, можно даже утяжелить ракету. Так возникли необычные для ракетной техники проблемы: какая намотка предпочтительнее — крестовая, спиральная, звездообразная или продольно-поперечная? Как умудриться намотать шаровую емкость? Какое должно быть натяжение стекловолокна? Как обеспечить высокую точность укладки нити? Такие вопросы приходится решать для каждого изделия. Главное, чтобы действующие на нити усилия не оказались срезывающими, поперечными. Ведь от этого зависит тот выигрыш, который получают, заменяя металл стекловолокном. Одним словом, нет важнее забот, чем проблемы сматывания и наматывания.

Ракетостроителей не удивишь не новой, в общем-то, идеей — облегчать космическую конструкцию с помощью более легких и более прочных материалов. Именно так они и поступали, применяя алюминиевые и магниевые сплавы, а затем титан и бериллий. Но комбинированные материалы из тонких волокон и связующих полимеров превзошли все их ожидания. Если обшивка из титана или бериллия легче алюминиевой на 40 процентов, то из волокон бора, стекла и углерода, связанных эпоксидной смолой, легче уже на 60 процентов. А органическое волокно «кевлар» даже по сравнению со стеклопластиком облегчает изделия на 30 процентов.

Некоторые схемы намотки стекловолокна: 1 — спирально-поперечная и 2 — геодезическая для намотки цилиндрического бака с овальными днищами; 3 — перекрестная намотка шаровой емкости.

«Грядет век неметаллических ракет», — подумают некоторые, прочитав эти страницы. Действительно, кажется, еще немного — и космическая ракета превратится в уникальное сооружение, скроенное целиком из волокнистых материалов. К тому же обещают, что к 2000 году их прочность в десять раз превысит прочность лучших сталей. Но умеряет аппетит ракетостроителей низкая температурная стойкость смол и пластмасс, связующих чудесные нити. Правда, ученые не теряют надежды создать более термостойкие полимеры, которых не устрашит тепловой удар в тысячи градусов. Пробуют даже в качестве связующей основы использовать металлы. Уже сейчас некоторые комбинированные материалы из волокон сохраняют свою прочность при довольно высоких температурах. Из них изготавливают, например, лопатки компрессоров для турбореактивных двигателей.