|
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ КАМЕР СГОРАНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ЖРД
Ветераны ОАО "НПО Энергомаш им. акад. В.П. Глушко”:
Вячеслав Федорович Рахманин, к.т.н.
Владимир Вениаминович Сагалович, к.т.н.
Основным агрегатом жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) принято считать камеру сгорания - агрегат, в котором происходит преобразование химической энергии топлива в кинетическую энергию поступательного движения продуктов сгорания, вытекающих через сопло. Упомянутый процесс сопровождается выделением большого количества тепла и продуктов сгорания, имеющих высокую температуру (от 2000 до 4500°С), которая при прочих равных условиях зависит главным образом от используемых компонентов топлива. Очевидно, что обеспечение работоспособности стенок камеры являлось одной из основных проблем при разработке ЖРД.
Понимание необходимости решения этой проблемы нашло свое отражение в первом же научно-теоретическом труде о создании ракет на жидком топливе - "Изучение мировых пространств реактивными приборами" (К.Э. Циолковский, 1903 г.). Автор предложил охлаждать стенки камеры "быстро циркулирующей вдоль стенок металлической жидкостью". В своих последующих теоретических разработках К.Э. Циолковский указал на целесообразность охлаждения стенок камеры одним из компонентов топлива.
Другие пионеры-теоретики ракетостроения намеревались обеспечить стойкость стенки камеры путем ее изготовления из тугоплавких металлов или применения теплозащитных покрытий. Ю.В. Кондратюк в своей книге "Завоевание межпланетных пространств", вышедшей в Новосибирске в 1929 г., предложил делать стенку из "тугоплавких металлов (хром или ванадий) и подвергнуть интенсивному охлаждению снаружи жидкими газами, подающимися в камеру сгорания".
Первые конструкции камер сгорания имели либо внутреннее охлаждение подачей одного из компонентов топлива вдоль внутренней поверхности стенки (американец Р. Годдард, 1926-1938 гг.) либо статическое охлаждение компонентом топлива путем помещения камеры в бак горючего (группа немецких конструкторов - Г. Оберт и др.).
Конструкция первых отечественных камер ЖРД, выполненная В.П. Глушко в ГДЛ, также предусматривала статическое охлаждение (ОРМ-1 и ОРМ-2, конец 1930 - начало 1931 гг.). В это же время Глушко интенсивно исследовал эффективность применения различных теплозащитных покрытий.
В 1932 г. Ф.А. Цандер по предложению С.П. Королева разрабатывал двигатель ОР-2 для установки на планер БИЧ-11 конструкции Б.И. Черановского. Охлаждение камеры осуществлялось течением газифицированного кислорода в зазоре между гладкими цилиндрическими внутренней и наружной стенками.
Продолжая поиски оптимальной конструкции камеры, Глушко во второй половине 1933 г. разработал ЖРД с комбинированным охлаждением: камера сгорания имела внутреннее охлаждение, а сопловая часть - наружное охлаждение компонентом топлива. Для увеличения теплопередающей площади наружная поверхность стенки имела оребрение, вначале по образующей сопла, а затем, с целью интенсификации теплопередачи, ребра имели спиральное направление. Огневые испытания таких камер показали эффективность оребренного тракта охлаждения, и с середины 1935 г. практически все камеры, разрабатывавшиеся Глушко, имели наружное охлаждение как цилиндрической, так и сопловой части камеры.
Такая конструкция камеры (без силового соединения оребренной внутренней стенки и гладкой наружной) успешно применялась при нормальных для тех времен давлений в полости сгорания до 20…23 атм. Верхний предел давления в камере объяснялся использованием вытеснительной системы подачи топлива: дальнейшее повышение давления приводило к существенному увеличению массы топливных баков и баллонов-аккумуляторов давления, что для летательных аппаратов было неприемлемо.
Разработанная немецкими конструкторами в конце 1930-х - начале 1940-х гг. камера сгорания двигателя ракеты А-4 (Фау-2) имела как внутреннее, так и наружное охлаждение. В качестве охладителя использовалось основное горючее - 75-процентный водный раствор этилового спирта. Охладитель протекал в зазоре между двумя стальными гладкими стенками, внутреннее охлаждение осуществлялось подачей горючего в полость сгорания через несколько рядов отверстий во внутренней стенке для снижения температуры газа в пристеночном слое. Давление в камере сгорания составляло 16 атм, при форсировании двигателя в ОКБ-456 давление было увеличено до 24 атм (двигатель РД-103). Для обеспечения устойчивости внутренней стенки от внешнего давления немецкие конструкторы были вынуждены толщину стенки довести до 5…6 мм, что обусловило большую массу камеры.
В середине 1940-х гг. А.М. Исаев задался целью снизить массу и трудоемкость изготовления камеры путем замены оребренной стенки, получаемой фрезерованием из толстостенной трубы или поковки, гладкой цилиндрической стенкой, сворачиваемой из тонкостенного стального листа с продольным сварным швом. Далее этот цилиндр вставлялся в гладкостенный цилиндр большего диаметра, представлявший наружную стенку, а по зазору между ними протекала охлаждающая жидкость. Однако принятая технология изготовления стенок не обеспечивала точности геометрии окружности в поперечном сечении цилиндров, что создавало неравномерный зазор между стенками и, как следствие, вело к местным прогарам внутренней стенки. Установка длинных узких пластин ("лапшин") вдоль образующей цилиндра для калибровки зазора не дала положительного результата, т.к. при давлении в тракте охлаждения 15…18 атм внутренняя стенка теряла устойчивость и в местах прогиба прогорала.
Идея скрепления стенок через "лапшины" путем пайки или контактной сварки не увенчалась успехом: получить необходимую прочность соединения не удалось.
Однако идея связанных оболочек нашла свое воплощение в конструкции с выштамповками на наружной стенке. Глубина выштамповки обеспечивала величину зазора между стенками, соединение стенок осуществлялось точечной сваркой в месте соприкосновения донышка выштамповки и внутренней стенки. Такая конструкция позволила увеличить давление в камере до 38…40 атм. При дальнейшем повышении давления точечная сварка разрушалась, внутренняя стенка теряла устойчивость и прогорала.
Конструкция с выштамповками применялась в камерах, разработанных в ОКБ-2 А.М. Исаева, в частности, в двигателе С2.253 ракеты Р-11, а также в конструкциях двигателей Л.С. Душкина для самолетных ЖРД. В начале 1950-х гг. была предпринята попытка использования конструкции камеры с выштамповками и в ОКБ-456 (ныне НПО Энергомаш) в двигателях РД-200 и РД-210, предназначенных для зенитных ракет. Разработка этих двигателей была прекращена на стадии стендовых огневых испытаний в связи со снятием заказа.
Таким образом, в конце 1940-х гг. конструкция камеры фактически определяла, а точнее, ограничивала энергетические возможности ЖРД и дальнейший прогресс в ракетостроении. Требовалась новая конструкция камеры, способная обеспечить сгорание в ней любых высококалорийных компонентов топлива без ограничения давления газов, которое могло потребоваться для повышения удельного импульса тяги.
Решением этой технической задачи занялись конструкторы в ОКБ-456. Начальник конструкторской бригады Г.Н. Лист поручил разработку новой конструкции выпускнику МАИ А.Д. Дарону. Перед молодым инженером стояла задача создания конструкции, обеспечивающей работоспособность камеры при воздействии на стенки продуктов сгорания давлением десятки и сотни атмосфер при температуре 3500 °С и выше.
Из рассмотренного ряда решений этой задачи был выбран вариант конструкции, в котором внутренняя, не являющаяся несущей, оребренная стенка выполнялась из высокотеплопроводного медного сплава, а наружная силовая стенка - из высокопрочной стали. Обе стенки скреплялись по вершинам ребер пайкой твердым припоем. Внутреннее днище смесительной головки также изготавливалось из медного сплава, а остальные днища - среднее и наружное - из стали. Такая экспериментальная камера сгорания получила чертежное обозначение КС-50 (номинальная тяга камеры составляла 50 кгс). Ее малые размеры послужили основанием для неформального наименования "Лилипут". Это название достаточно точно характеризовало КС-50 как малоразмерную модель будущих мощных камер ЖРД.
Конструкция камеры КС-50 создавалась в тесном творческом контакте с технологами опытного завода № 456. Сравнивая новую конструкцию камеры с более ранними разработками, легко увидеть, что принципиально новым в камере КС-50 являлось применение медного сплава в качестве материала стенки и пайка стенок твердым припоем. Учитывая, что пайка впервые применялась при изготовлении агрегатов ЖРД и явилась решающим фактором в создании фундаментальной отечественной конструкции камеры ЖРД, расскажем подробнее об истории разработки технологии пайки и о технологах, ее авторах, имена которых ранее не упоминались, хотя их вклад соизмерим с вкладом конструкторов.
Соединение различных деталей путем пайки в технике используется достаточно давно. Однако с активным развитием в конце ХIХ - начале ХХ века газовой, а затем и электрической сварки пайка в машиностроении практически перестала применяться. Разнообразные виды электросварки в полной мере удовлетворяли потребности в создании неразъемных соединений стальных конструкций. Сфера применения пайки ограничивалась электрорадиотехникой и изготовлением малоразмерных изделий из разнородных материалов. Кроме того, процесс пайки выполнялся вручную, о способах механизации этого процесса сведения отсутствовали. Таким образом, опыта создания прочного неразъемного биметаллического (медный сплав + сталь) соединения в крупноразмерных промышленных изделиях не было.
Фактически от существующего процесса пайки был унаследован только принцип: помещение между поверхностями соединяемых деталей прослойки металла, имеющего температуру плавления более низкую чем у металлов, из которых изготовлены детали, и нагрев в безокислительной среде (например, флюсе). Если другие технологические процессы (формообразование, литье, сварка) претерпели в процессе работы над ЖРД частичные изменения, то процесс пайки создавался заново. Рассказывают, что на одном из совещаний у В.П. Глушко, когда обсуждался вопрос скрепления оболочек стенки сопла, инженер-сварщик А.А. Криворучко предложил опробовать пайку. В результате было принято решение наряду с экспериментами по применению сварки, которые проводились институтом ЦНИИТМАШ, заняться разработкой техпроцесса пайки. Учитывая отсутствие специализированных предприятий, начать эту работу предлагалось безотлагательно силами заводских специалистов-сварщиков. Так в 1947 г. в экспериментальном производстве ОКБ-456 была организована группа во главе с инженером-сварщиком А.А. Криворучко. Работы проводились под руководством и при активном участии начальника производства Н.Н. Артамонова. В качестве консультанта привлекался С.Н. Лоцманов -сотрудник Военно-воздушной академии им. Н.Е. Жуковского. Актуальность работ по пайке еще более возросла, когда была установлена невозможность применения сварки.
В первую очередь вместе с конструкторами бригады камер был выбран лабораторный образец, на котором смоделировали конструктивные особенности реального изделия. В то же время образец позволял варьировать помимо температурного режима большинством технологических параметров: припоем, средой, поджатием. На этом образце проводились механические испытания и металлографические исследования. Упрощенная форма образца позволяла использовать для нагрева камерные печи для термообработки с небольшой доработкой загрузочного зева.
Полученная на этой стадии экспериментов информация (главным образом по выбору припоя и среды пайки) позволила сократить диапазон поиска, сосредоточив его на решении проблем, связанных с концентрической формой подлежащих пайке деталей. В первую очередь следовало обеспечить равномерность нагрева, определить требуемую величину взаимного поджатия соединяемых поверхностей, предотвратить скопление припоя в рабочих каналах. Разумеется, основной формой образца была цилиндрическая биметаллическая сборка, имитирующая камеру сгорания.
Подготовленный для пайки образец надевался поверх опорного барабана, закрепленного на трубе. Между барабаном и образцом располагалась цилиндрическая тонколистовая мембрана ("мешок"), герметично приваренная к торцам цилиндра. Во время пайки через отверстие в стенке барабана по трубке подавался сжатый воздух, поджимающий через мембрану пластичную внутреннюю бронзовую стенку образца к более толстой стальной наружной стенке.
Температура измерялась термопарой, закрепленной на поверхности наружной стенки. Вращение барабана проводилось вручную.
Одновременно производилась отработка пайки смесительной головки. Для этого в цехе была установлена шахтная печь с поворачивающейся в горизонтальной плоскости крышкой и подставкой для заварного контейнера. Образец, представлявший собой четырехфорсуночный фрагмент смесительной головки, устанавливался в контейнер и опускался в печь.
Вначале для проведения экспериментальных работ использовался латунный припой и флюс на основе буры. Припой в виде фольги толщиной 0,1 мм контактной точечной сваркой закреплялся на поверхности стального цилиндра и смазывался разведенным в воде флюсом. Поджатие поверхностей соединяемых деталей осуществлялось с помощью кольцевой мембраны. Полученные положительные результаты позволили этот техпроцесс после некоторых усовершенствований (введения равномерного вращения изделия при пайке, газификации подаваемого флюса и др.) внедрить в производство в цехе в период изготовления модельных КС-50 в 1948 г. и камер ЭД-140 тягой до 7 тс в 1949 г.
Очередным препятствием на пути к осуществлению пайки натурных камер сгорания стала невозможность поджатия стенок воздушными мешками в местах криволинейного контура. Эту трудность сумела преодолеть группа авторов (Н.Н. Артамонова, А.А. Криворучко, И.П. Кузнецова и С.Н. Сурикова). Они предложили осуществлять поджатие, используя перепад давлений: атмосферного снаружи узла и остаточного во внутренней полости вакуумируемого узла. Для осуществления этой схемы собранный узел герметично заваривался по торцам, а воздух откачивался вакуумным насосом через трубку, приваренную над отверстием во внешней оболочке.
Вакуумирование зарубашечной полости оказалось неприемлемым для латунного припоя. При нагреве цинковая составляющая избирательно испарялась, а оставшаяся медь имела недопустимо высокую для применения в качестве припоя температуру. Испарявшийся цинк конденсировался в холодной части вакуумной трубки, образуя пробки.
Выход из создавшегося положения был найден в применении медно-серебряных припоев, легированных упрочняющими элементами (автор А.А. Криворучко). Припой изготавливался в виде проволоки и наносился на поверхность оболочек газопламенным способом. Последующее облуживание с флюсом и удаление шлака позволяли осуществлять вакуумную пайку без флюса.
Одновременно совершенствовалось нагревательное оборудование. Для более тонкой регулировки температуры на паяемом узле устанавливалось три термопары в экстремальных точках; в печах стали функционировать несколько управляемых зон нагревателей. В результате этого достигался одновременный и равномерный нагрев. Была отработана технология рентгеновского контроля со 100-процентным выявлением заплавлений каналов.
Таким образом, к началу 1950-х гг. был создан технологический процесс изготовления натурных паяных камер и послуживший фундаментом для дальнейшего совершенствования. Эта технология была использована при изготовлении камер сгорания двигателей РД-107 и РД-108 для первой в мире космической ракеты Р-7.
В 1954 г. была организована лаборатория сварки и пайки, в которую вошла группа разработчиков процесса пайки (инженеры А.А. Криворучко, С.Н. Суриков, техники Ю.В. Никольский, С.А. Барковеченко, слесари Петров и С.В. Гужов).
Исходный техпроцесс подобно айсбергу представлял верхушку потенциальных возможностей пайки применительно к изготовлению ракетных двигателей. Понимая это, руководство ОКБ и завода приняло решение организовать специализированное подразделение по пайке с приданием ему научно-исследовательского статуса. Внутри подразделения были созданы небольшие группы по основным направлениям: пайка корпуса камеры, пайка смесительной головки, усовершенствование оборудования и т.д.
Результатом работы этих групп стала замена флюса технологическими покрытиями (разработчики Бондарев и Л.А. Маркович) и замена медно-серебряного припоя более прочным медно-марганцевым. Широкий поиск был проведен при выборе оптимального источника нагрева: опробована многоканальная газовая печь (оказавшаяся непригодной из-за невыносимой звуковой нагрузки) и нагрев непосредственным пропусканием тока в соляной и жидкометаллической ваннах. В итоге был принят проект НИТИ-40 - вакуумно-компрессионный агрегат с индукционным нагревателем. В начале 1960-х гг. агрегат был установлен в экспериментальном цехе. Его освоением занимался инженер В.Т. Штукин вместе со старшим мастером цеха Ю.В. Борисовым. В дальнейшем по предложению В.Т. Штукина агрегат был модернизирован (введено устройство ускоренного охлаждения, необходимого для получения требуемой прочности металла стальной стенки корпуса камеры). Агрегат предусматривал возможность вакуумирования зарубашечного пространства, отсос воздуха из печного пространства и заполнение его инертными газами с давлением до 5 атм.
В 1970-х гг. была предпринята попытка перехода от громоздкой пайки в горизонтальных печах на пайку в вертикальном положении. Была изготовлена печь с внутренним нагревателем, однако работа осталась незавершенной. Вместе с тем, уже на очередном более мощном двигателе возникла необходимость повышения прочности паяных швов, скрепляющих стенки камеры. Эта задача была решена заменой медно-серебряного припоя более прочным медно-марганцевым. Разработанный в отраслевом технологическом институте состав припоя был откорректирован применительно к пайке бронзово-стальных конструкций. Одновременно улучшили условия формирования паянного шва. Многочисленные эксперименты, проведенные инженером А.А. Вишняковым, показали, что прочность шва, как правило, связана с его толщиной. Чем тоньше шов, тем разреженнее ликвационные скопления и загрязнения, вносимые припоем. Уменьшение количества припоя, потребного для заполнения сборочного зазора, было достигнуто повышением точности механической обработки и улучшением контроля эквидистантности сопрягаемых контуров оболочек.
Таким образом, казалось бы, приняты все меры для обеспечения самых высоких показателей, однако при гидроиспытаниях на разрушение выявилась нестабильность величин критических нагрузок. Исследования дефектных мест показали наличие неспаев, причиной которых являлось наличие окислов в закатах фольги лент припоя. Выявить расслоение фольги толщиной 0,08 мм никакими методами не удавалось. Естественно, такая технология пайки не давала 100-процентной гарантии качества. В связи с этим стало актуальным внедрение разработанного в 1960-е гг. В.В. Сагаловичем совместно с гальваниками Бондаревым и Л.А. Марковичем способа контактно-реактивной пайки камеры сгорания.
Внедрению этого способа благоприятствовало применение вакуумно-компрессионных агрегатов с большим давлением поджатия. Преимущество контактно-реактивной пайки заключается в отказе от применения компактного припоя с присущими ему загрязнениями, сложностью монтажа и дискретностью значений толщин. Его роль играет жидкость, образующаяся при нагреве в контакте двух металлов, нанесенных порознь на поверхности соединяемых деталей. Выбором толщины хотя бы одного из покрытий определяется необходимое количество жидкости как для формирования шва, так и не приводящее к заплавлениям. Высокое давление поджатия обеспечивает в шве эффект сращивания с однофазным строением. Такие соединения, как правило, не уступают по прочности бронзе.
Разработанная в НПО Энергомаш технология пайки обеспечивает работоспособность камеры сгорания практически при любом давлении, выбранном в процессе увязки параметров мощности ТНА и экономичности камеры ЖРД.
Следующим шагом в обеспечении стабильности технологического процесса пайки и предотвращения образования в шве горячих трещин (разрывов) явилась корректировка термического цикла. После изучения процесса высокотемпературной ползучести режим охлаждения узла был изменен так, чтобы напряжения, возникающие в шве в результате разноразмерной деформации, успевали релаксировать, не достигая разрушающей величины (разработчики В.В. Сагалович и В.Н. Семенов).
Следует отметить, что с 1970-х гг. началась углубленная теоретическая проработка проблемных вопросов. Механические испытания и металлографические исследования дополнялись рентгеноспектральным и структурным анализом на новейшем исследовательском оборудовании. Наглядным примером может служить изучение механизма разрушения деталей из хромоникелевых сплавов при пайке серебряным припоем (В.Н. Семенов, А.И. Черницин).
Большое значение имела борьба с деформацией тонкостенных оболочек в процессе пайки. А.Я. Куфайкин предложил схему нагрева, обеспечивающую равномерное температурное поле на узле и исключающую возникновение деформаций.
Важную роль при освоении титанового сплава имела работа В.О. Акопяна, который занимался поиском барьерных покрытий, препятствующих взаимодействию металлов, образующих при пайке хрупкую интерметаллидную фазу. Шесть авторских свидетельств получено на способы пайки и припои для тугоплавких металлов и спецматериалов (разработчики Г.Л. Волкова, В.С. Дронский, В.Н. Семенов и В.В. Сагалович). Инженеры-паяльщики активно участвовали в разработке оснастки для пайки и испытательных устройств.
Плодотворной деятельности лаборатории способствовала созданная Н.Н. Артамоновым система взаимодействия с КБ и цехами. Новые разработки в конструкторских бригадах на этапе проектирования обсуждались с ведущими специалистами лаборатории. Благодаря этому заблаговременно начиналась проработка проблемных вопросов. В свою очередь, успешному внедрению новых разработок способствовала неразрывная связь лаборатории с цехами через инженеров, ответственных за конкретную номенклатуру изделий. Такими квалифицированными специалистами являлись Г.В. Шашелова, Р.В. Черникова, А.А. Вишняков, А.Е. Горчакова, В.П. Петров, О.Н. Кутузова. Нельзя оставить без внимания творческий и организационный вклады в развитие пайки, внесенные руководителями паяльных цехов А.И. Андроновым, Л.М. Могилевским и Ю.В. Борисовым технологом Т.В. Корнеевой, слесарями с золотыми руками Н.А. Кузнецовым и В.А. Булановым.