Создание прочных корпусов глубоководных аппаратов и элементов космической техники на основе стеклометаллокомпозита

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 05.06.2014 № 14578.21.0024 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 05.06.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
2. Проведение патентных  исследований
3. Определение оптимального варианта направления исследований на основе анализа состояния исследуемой проблемы, в том числе результатов патентных исследований, и сравнительной оценки вариантов возможных решений с учётом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной проблеме.
4. Разработка плана проведения исследований.
5. Анализ существующих рецептур силикатного стекла и выбор состава силикатного стекла, подходящего для стеклянного слоя цилиндрической оболочки из  стеклометаллокомпозита.
6. Исследование способов варки стекла с использованием различных по составу исходных реагентов. Определение оптимальных соотношений между оксидами и карбонатами металлов, входящих в шихту для варки стёкол.
7. Определение оптимальных условий варки стекла (влияния параметров атмосферы (влажность, окислительная, инертная или восстановительная среда), температуры варки).
8. Исследование существующих конструкционных металлов на химическое сродство с выбранным составом силикатного стекла и выбор металла для металлических облицовок цилиндрической оболочки из  стеклометаллокомпозита.
9. Материально-техническое обеспечение работ по проекту, в том числе приобретение оборудования, комплектующих и материалов.
10. Разработка конструкции ёмкости для варки стекла, подбор материала, её изготовление и испытание.
11. Проведение ПНР и ввода в эксплуатацию лабораторного оборудования.

При этом были получены следующие результаты:

Результаты проведённого аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта, показали, что создание глубоководных корпусов из стеклометаллокомпозита позволяет достичь почти 8 кратного запаса прочности по сравнению с титановыми сплавами, при этом титановая оболочка оказывается почти в 50 раз дороже и на 30,5 % тяжелее, чем оболочка из стеклометаллокомпозита.

В ходе патентных исследований выявлено, что предложенный подход к формированию стеклянного слоя без поверхностных микротрещин не имеет аналогов в мировой практике формирования стеклянных изделий, а стеклометаллокомпозит является принципиально новым конструкционным композиционным материалом.

Выявлено отсутствие в открытой зарубежной печати исследований по созданию стеклометаллокомпозита и изделий из него. Поскольку стекло на протяжении нескольких десятилетий считается одним из самых перспективных материалов для изготовления прочных корпусов подводных лодок, делаем вывод, что исследования по стеклометаллокомпозиту за рубежом засекречены.

В качестве объекта исследований по теме выбрана цилиндрическая оболочка из стеклометаллокомпозита. Цилиндрическая оболочка – это самый распространенный конструктивный элемент в технических изделиях. Они составляют основу прочных корпусов глубоководной, ракетной и трубопроводной техники. Находят широкое применение в космической технике. Наконец, по созданию цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита накоплен опыт исследований, достаточный для выполнения прикладных научных исследований по теме.

Для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита разработано два способа, основанные на использовании центрифуги. В первом способе в разъёмную форму центрифуги помещают металлическую облицовку,  внутренняя поверхность которой подготовлена для соединения со стекломассой стеклянного слоя. При работающей центрифуге подают во внутреннее пространство металлической облицовки расплав стекломассы и на стеклянный слой выливают жидкую массу металла. Цилиндрическую оболочку из стеклометаллокомпозита формируют при определенных температурном и временном режимах, а также скоростях вращения центрифуги. Второй способ отличается тем, что все слои стеклометаллокомпозита цилиндрической оболочки формируют в непрерывном технологическом режиме из жидкой массы металла и стекла. Второй способ более перспективен, но менее изучен.

Оптимальным вариантом направления исследований по теме является разработка технологии изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита с использованием этих двух способов изготовления.

По теме определено четыре основных направлений исследования:

1 – принципы проектирования и создания прочных корпусов глубоководных аппаратов и элементов космической техники на основе стеклометаллокомпозита;

2 – разработка технологии изготовления оболочечных конструкций из стеклометаллокомпозита;

3 – проектирование и изготовление технологической оснастки;

4 – математическое моделирование объектов исследования, технологии их изготовления и программное обеспечение научных исследований.

В план проведения исследований по теме включены основные направления исследований, стандартные исследования научных работ и вспомогательные работы.

На основе сравнительной оценки в качестве оптимального варианта направления исследований принят стеклометаллокомпозит с промежуточным слоем из силикатного стекла, обладающего естественной наноструктурой, т.к. оно придаёт наименьшую массу конструкции при одинаковой сопротивляемости к потере устойчивости и в составе стеклометаллокомпозита приобретает теоретическую прочность.

Проведённый анализ существующих рецептур силикатного стекла позволил выбрать состав силикатного стекла, подходящего для стеклянного слоя цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита. В  основу стеклянного слоя стеклометаллокомпозита выбрано базовое стекло следующего состава 14,5MgO+14,5Al₂O₃+71SiO₂, в которое предполагается внести оксиды и карбонаты металлов, с целью придания ему подходящих технологических свойств. Разработана программа исследования способов варки стекла с использованием различных по составу реагентов и определения оптимальных условий варки стекла.

В качестве металла для металлических облицовок цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита выбраны алюминиевые сплавы АМг-2М и АМц. Они обладают достаточной пластичностью для эффективной работы в составе стеклометаллокомпозита: их предельная деформация вдвое превышает предельную деформацию силикатного стекла в диапазоне рабочих температур глубоководной и космической техники.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 05.06.2014 № 14578.21.0024 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по теме «Создание прочных корпусов глубоководных аппаратов и элементов космической техники на основе стеклометаллокомпозита» на этапе № 2 с «01» января 2015 г. по «30» июня 2015 г. выполнялись следующие работы:

1. Исследование механических и теплофизических свойств выбранной рецептуры силикатного стекла в диапазоне изменения температуры в процессе изготовления стеклометаллокомпозита;
2. Исследование условий, обеспечивающих надёжное соединение стеклянного слоя с металлической облицовкой, исследование физико-химических свойств соединительного слоя;
3. Математическое моделирование процесса формирования цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита;
4. Разработка требований к стеклометаллокомпозиту для цилиндрических оболочек прочного корпуса глубоководного аппарата (технические характеристики, требования по эффективности, экономичности, воспроизводимости);
5. Разработка эскизной конструкторской и эксплуатационной документации экспериментального образца установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита;
6. Разработка программы и методики исследовательских испытаний экспериментального образца установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита;
7. Разработка технических требований к барокамере для проведения гидравлических испытаний экспериментальной партии цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита;
8. Разработка РКД на барокамеру для проведения гидравлических испытаний экспериментальной партии цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита;
9. Изготовление экспериментального образца установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита;
10. Исследовательские испытания экспериментального образца установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита.

Основные задачи, решаемые на втором этапе исследований, заключаются в разработке технологических основ создания цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита, подготовке к отработке технологии создания прочных корпусов, а также в разработке эскизной и конструкторской документации на установку для изготовления цилиндрических оболочек и барокамеру для гидравлических испытаний.

В результате экспериментальных исследований теплофизических свойств выбранной рецептуры силикатного стекла были установлены важные технологические параметры изготовления оболочек корпусов из стеклометаллокомпозита - минимальная температура заливки стекла (1450 С) и интервал температур отжига стеклокомпозита (560 – 630С), а также значение коэффициента термического расширения. Определены прочностные характеристики и плотность выбранного состава силикатного стекла и ряда других перспективных стёкол.

Проведено исследование оптимальных условий, обеспечивающих надёжное соединение стеклянного слоя с металлической облицовкой. показано, что существенное значение для устранения поверхностных микротрещин имеет равномерное уплотнение стеклянного слоя, обеспечивающее многократное повышение ударостойкости и прочности стекломатериала.

При исследовании математической модели процесса формирования трёхслойной цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита найдено решение задачи по определению остаточных напряжений в трёхслойной цилиндрической оболочке. В результате установлено, что остаточные напряжения на границах сопряжения слоёв существенно меньше разрушающих, что обеспечивает достаточный резерв прочности для практического применения данного материала.

Реализован программный код для одномерной задачи стеклования и плавления металла, позволяющий проследить продвижение границы и определить время стеклования или проплавления стеклянного и металлического слоя.

Разработаны требования к стеклометаллокомпозиту для цилиндрических оболочек прочного корпуса глубоководного аппарата (технические характеристики, требования по эффективности, экономичности, воспроизводимости).

Проведена разработка эскизной конструкторской и эксплуатационной документации и программа исследовательских испытаний экспериментального образца установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита. Разработаны технические требования к барокамере для проведения гидравлических испытаний экспериментальной партии цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита. изготовлен экспериментальный образец установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита. По результатам испытаний экспериментального образца установки можно сделать вывод о его пригодности к изготовлению цилиндрических оболочек прочного корпуса глубоководного аппарата.

Полученные на данном этапе исследований научно-технические результаты показывают, что механические и теплофизические свойства стеклометаллокомпозита позволяют создавать уникальные образцы глубоководной, наземной, подземной и аэрокосмической техники. Соответствие выбранных способов и методов исследования уровню поставленных  научно-технических задач второго этапа по разработке технологических основ создания цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита позволило решить их в полном объеме  с использованием современных экспериментальных, измерительных и вычислительных средств.

На данном этапе исследований подготовлено к печати 4 статьи в журналах базы SCOPUS, планируется участие в трех международных конференциях.

Индустриальным партнером ДВФУ по данному проекту является ОАО «Концерн «Моринформсистема-Агат», представители которого на данном этапе участвовали в проведении исследовательских испытаний лабораторного образца установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита и подтвердили практическую значимость полученных результатов для изготовления прочных корпусов глубоководных аппаратов и элементов космической техники на основе стеклометаллокомпозита.

Целью третьего этапа работ по проекту является исследование технологических режимов и отработка технологии изготовления цилиндрических оболочек алюминий-стекло-алюминий, позволяющей обеспечить достижение требуемых в ТЗ характеристик стеклометаллокомпозита.

Основные задачи третьего этапа исследований заключались в исследовании и отработке технологии изготовления цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита на экспериментальной литьевой установке, исследовании физико-механических свойств оболочки и промежуточного слоя, обеспечивающего прочность соединения для образцов, изготовленных при различных технологических режимах.

В ходе работ третьего этапа проведены исследования технологического режима изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита – описаны подготовительные, основные, финишные операции и их режимы. На экспериментальном образце установки отработана технология изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита, при этом определены оптимальные режимы технологических операций, обеспечивающие прочное соединение стеклянного слоя с металлом, которые закреплены в разработанном лабораторном регламенте изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита. Проведено исследование технологических режимов операций подготовительного и основного этапов изготовления оболочек на экспериментальной установке. Полученные образцы цилиндрических трёхслойных оболочек, изготовленные при оптимальных условиях, после финишной обработки были использованы для исследования качества соединения слоёв металл-стекло, определения их физических и прочностных характеристик.

Проведено исследование диффузионных слоев алюминий – стекло снаружи и внутри трехслойной оболочки методом сканирующей электронной микроскопии, показано, что при получении образцов стеклометаллокомпозита при оптимальных условиях заливки достигается высокое качество соединения слоев цилиндрической оболочки за счёт образования диффузного слоя на границе «алюминий – стекло» толщиной 4 – 6 микрон, в котором отсутствуют микротрещины. Определены зависимости твердости и модуля Юнга стеклянного слоя в переходном слое на границах алюминий – стекло, среднее значение микротвердости стеклянного слоя составило H = 4255±173 Мпа, значение модуля Юнга составляет 80 ±10 (ГПа). Ударостойкость образцов трехслойных оболочек, изготовленных в рамках исследований данного этапа составила величину 20,6 кДж / м² , что соответствует требованиям ТЗ.

В ходе работ третьего этапа изготовлена барокамера для проведения гидравлических испытаний, позволяющая достигать максимального давления 100 МПа (1000 атм). Разработаны программа и методики предварительных и приёмочных испытаний барокамеры для гидравлических испытаний оболочек. После проведенных предварительных испытаний выявлены недочеты конструкции барокамеры, для устранения которых были внесены соответствующие корректировки в конструкторскую документацию.

Выполненные работы создают основу для проведения дальнейших исследований, предусмотренных техническим заданием, в полном соответствии с планом-графиком исполнения обязательств.

На данном этапе исследований подготовлено к печати 5 статей в журналах базы SCOPUS, принято участие в трех международных конференциях.

Индустриальным партнёром ДВФУ по данному проекту является АО «Концерн «Моринформсистема-Агат», которым согласно п. 3.2.1 ПГ на текущем этапе изготовлена барокамера для проведения гидравлических испытаний оболочек. Приобретено требуемое оборудование, комплектующие и материалы для проведения ПНИ по п. 3.2.5 ПГ. По п. 3.2.6 ПГ проведены пуско-наладочные работы и ввод в эксплуатацию оборудования для проведения прикладных научных исследований на технологическом участке дочернего предприятия ОА «Изумруд» (г. Владивосток), позволяющим оптимально реализовать технологический процесс изготовления оболочек из стеклометаллокомпозита.

Таким образом, работы третьего этапа выполнены в полном объёме, их результаты полностью соответствуют требованиям ПГ и ТЗ и позволяют перейти к выполнению следующего этапа плана графика исполнения обязательств.

Основные задачи четвертого этапа исследований заключались в изготовлении экспериментальной партии цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита и проведении гидравлических испытаний в барокамере высокого давления экспериментальной партии цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита.

В ходе работ четвертого этапа разработана методика проектирования и расчёта прочного корпуса глубоководного аппарата из  стеклометаллокомпозита, состоящая из расчетной схемы, блока предварительного расчета геометрических размеров толщины цилиндрической оболочки, прочностного расчета и расчета на устойчивость. Проведено сравнение высокопрочных материалов, используемых для подводного аппарата по удельной прочности и жесткости, показано, что предлагаемые для изготовления корпусов цилиндрические оболочки из стеклометаллокомпозита дают значения этих параметров, превосходящие соответствующие значения для титана и легированных сталей. На основе разработанной методики создан пакет прикладных программ, позволяющих проводить проектирование, расчет на прочность и устойчивость прочного корпуса в системе Delphi. Разработаны программа и методика гидравлических испытаний цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита на изготовленной на предыдущем этапе барокамере высокого давления. Проведены приемочные испытания барокамеры, по результатам которых можно сделать вывод о пригодности объекта к проведению гидравлических испытаний.

На технологическом участке Индустриального партнера (АО «Концерн «Моринформсистема-Агат»), согласно разработанному на предыдущем этапе технологическому регламенту, на экспериментальной литьевой установке изготовлена экспериментальная партия цилиндрических трехслойных оболочек алюминий-стекло-алюминий. Полученные образцы трёхслойных оболочек были использованы для проведения гидравлических испытаний во всем диапазоне рабочих давлений барокамеры до 100 МПа согласно разработанной программе и методикам. Результаты испытаний показали, что все экземпляры оболочек из стеклометаллокомпозита прошли испытания успешно и выдержали давление 100 МПа, что полностью соответствует требованиям ТЗ.

На данном этапе исследований подготовлено и принято к печати по результатам выступлений на международных конференциях 4 статьи в журналах, индексируемых базой SCOPUS.

Таким образом, работы четвертого этапа выполнены в полном объёме, их результаты полностью соответствуют требованиям плана-графика и технического задания, что позволяют перейти к выполнению заключительного этапа плана-графика исполнения обязательств.

В ходе работ заключительного этапа проекта проведены обобщения и сделаны выводы по результатам ПНИ на основе оценки соответствия результатов ПНИ требованиям технического задания и сравнительной оценки научно-технического уровня полученных результатов с современным научно-техническим уровнем аналогичных исследований и разработок.

Проведённая технико-экономическая оценка полученных результатов позволяет сделать вывод о целесообразности и экономической эффективности применения оболочек из стеклометаллокомпозита в качестве базовых элементов прочного корпуса глубоководных аппаратов в силу их высоких прочностных свойств, характеристик плотности, удельной жёсткости и существенно меньшей стоимости по сравнению с корпусами из используемых в настоящее время титановых сплавов.

Разработаны рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в глубоководной технике для Индустриального партнёра, располагающего производственными мощностями, сформированными в ходе работ проекта: в ходе ПНИ спроектирован и введён в эксплуатацию технологический участок в составе приобретённого оборудования, обеспечивающего изготовление цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита размерного ряда, указанного в ТЗ к Соглашению, с возможностью дальнейшего их масштабирования и барокамерой для проведения гидравлических испытаний. Модернизация этого технологического участка позволит изготавливать прочные корпуса (модули), которые предлагается использовать для изготовления глубоководных автономных необитаемых подводных аппаратов модульной конструкции. Применение стеклометаллокомпозита позволит существенно увеличить рабочую глубину погружения без увеличения их стоимости.

В ходе работ 5-го этапа разработаны технические требования к результатам проведения последующих ОКР. Силами Индустриального партнёра АО «Концерн «Моринсис – Агат» выполнен проект технического задания на проведение ОКР то теме «Создание прочного корпуса глубоководного аппарата на основе цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита», проведено эскизное проектирование прочного корпуса из стеклометаллокомпозита применительно к действующему подводному аппарату АНГАПП, который рассчитан для работы на глубине 6 000 м .

Также разработаны предложения по модификации многоцелевого автономного необитаемого подводного аппарата «Лабиринт» для работы на больших глубинах 3 000 – 6 000 м с использованием изготовленных в ходе работ проекта оболочек из СМК, и по применению стеклометаллокомпозита для создания высокопрочных корпусов для приёмного технического устройства – глубоководного векторно-фазового модуля для военных целей. Для обеспечения герметичности корпусов ПА и АНПА, а также для герметичной стыковки корпусов разработаны предложения по соединению прочных корпусов из стеклометаллокомпозита, закреплённые двумя патентами РФ на изобретения.

В ходе работ 5-го этапа разработаны предложения и рекомендации по применению стеклометаллокомпозита в ракетно-космической технике в качестве корпусов двигателей ракетных аппаратов, топливных баков ракет, отсеков цилиндрической формы, элементов трубопроводов и др. элементов, изготавливаемых в настоящее время из титановых сплавов. Стеклометаллокомпозит по жёсткости и удельной прочности в 1,3 раза превосходит титан, при том, что титан в 1,7 раза тяжелее стеклометаллокомпозита и существенно дороже.

Применение стеклометаллокомпозита, как материала обладающего высокими прочностными свойствами и жёсткостью при меньшей массе, позволит добиться экономии по массе элементов ракетной технике, но при этом требует дополнительных исследований.

Индустриальным партнёром приобретено оборудование, комплектующие и материалы для обеспечения выполнения последующих ОКР.

Анализ научно-технического уровня полученных в ходе работ проекта результатов позволяет сделать вывод о достижении целей проекта, состоящих в создании прочных корпусов глубоководных аппаратов и элементов космической техники из стеклометаллокомпозита на основе технологии прочного соединения стекла с алюминиевыми обшивками, не имеющей аналогов в мировой литературе.

Выполненные работы полностью соответствуют пунктам исследований, предусмотренных техническим заданием и планом-графиком исполнения обязательств.