ВИАМ/2011-205954 Исследования текстильных материалов в работах ВИАМ 1937 г. А.Р. Нарский А.М. Смолеговский доктор химических наук Декабрь 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 1994 г. 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», №4, 2012 г. Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public Исследования текстильных материалов в работах ВИАМ 1937 г. А.Р. Нарский1, А.М. Смолеговский2 1 2 ФГУП «ВИАМ», г. Москва ИИЕТ им. С.И. Вавилова, г. Москва Наиболее значимые научные исследования текстильных материалов, проведенные в 1937 г. Всесоюзным научно-исследовательским институтом авиационных материалов (ВИАМ), были направлены на изучение возможностей применения новых видов льняных и хлопчатобумажных (ХБ) авиационных тканей, а также на совершенствование методов их испытаний. Помимо результатов названных работ в статье приводятся данные об испытаниях ХБ тканей Научно-испытательным институтом Военно- воздушных сил Рабоче-крестьянской Красной Армии (НИИ ВВС РККА). До 1937 г. в Советском Союзе для обтяжки всех типов самолетов и снабжения ВВС применяли только один тип аэрополотна – на основе льняной ткани А/16 (далее по тексту – АЛЛ). Его прочность на разрыв по основе и утку составляла не менее 1200 кг/м, а разрывное удлинение – не более 10%. Но практика показывала, что часто разрывная прочность оказывалась значительно выше, что свидетельствовало о неоднородности ткани, поступавшей на авиационные заводы. Из сравнительного анализа свойств льняных тканей разных стран было видно, что отечественная ткань АЛЛ проигрывала иностранным образцам по прочности на разрыв (табл. 1) [1]. Более того, в некоторых странах для обтяжки самолетов применялись ткани с различными прочностными и весовыми характеристиками: ткани со средней прочностью на разрыв до 1600 кг/м предназначались для легкомоторных, спортивных и тренировочных самолетов, а также для военных и гражданских со средними скоростями полетов, а ткани с более высокой прочностью – для обтяжки скоростных самолетов [2]. Таблица 1. Свойства льняных тканей, применявшихся в различных странах Страна Германия Франция Америка Англия СССР Прочность на разрыв по основе и по утку, кг/м 1600 2000 1400 2100 2800 1340 1200 1200 Масса 1 м2, г Разрывная длина*, км 160 210 154 210 300 153 136 170 10,0 9,5 9,1 10,0 9,4 8,8 8,8 7,0 * Отношение прочности ткани к ее массе. Наряду с льняными тканями, за небольшой период времени в мировой авиапромышленности получили распространение ХБ ткани (табл. 2); в Италии существовало даже 4 ее типа различной прочности. Поскольку ХБ ткани, в отличие от льняных, имели значительно большие величины удлинений (12–16%), то для них требовалось применение специальных, более эластичных лакокрасочных покрытий. Таблица 2. Свойства ХБ тканей, применявшихся в различных странах Страна Англия Америка Италия Прочность на разрыв по основе и по утку, кг/м 1425 1430 1300 1500 1750 2000 Масса 1 м2, г Разрывная длина, км 153 153 140 150 185 215 9,3 9,4 9,3 10,0 9,5 9,3 В конце 1936 г. в результате совместных работ ВИАМ и предприятий легкой промышленности в нашей стране были разработаны и стандартизированы дополнительно к АЛЛ еще 5 типов аэропланных тканей (льняные – АЛК, АЛВК; ХБ – AM-100, AM-93, ACT-100) [2]. Их свойства в соответствии со стандартами приведены в табл. 3. Таблица 3. Свойства отечественных авиационных тканей № стандарта Тип ткани СМТУ-101 АЛЛ АЛК АЛВК СМТУ-104 АМ-100 АМ-93 ACT-100 СМТУ-105 Прочность Масса 1 м2, г на разрыв*, кг/м Льняные 1200/1200 165 1500/1500 185 1800/1800 220 ХБ 1200/1100 127 1420/1320 153 1750/1700 195 Удлинение*, % Ширина, см 7,5/8 10/6,4 8,7/6,7 89 89 89 8,6/10,5 10,6/11,4 12,3/16,9 136 137 132 * В числителе значение по основе, в знаменателе – по утку. Исследования льняных тканей для авиации Перед текстильной лабораторией ВИАМ в 1937 г. была поставлена задача, учитывая свойства лучших иностранных льняных тканей, изготовить в производственных условиях льняную ткань со средним сопротивлением разрыву порядка 3000 кг/м. Дополнительным заданием были разработка и изготовление льняных аэропланных ниток для крепления новых типов тканей на конструкциях самолетов. К проектируемым высокопрочным тканям специалистами ВИАМ были сформулированы технические требования: среднее сопротивление разрыву по основе – 2900 кг/м, по утку – 3100 кг/м, масса 1 м2 ткани – примерно 300 г, удлинения основы и утка – не более 10%, ширина – 1300–1800 мм. В результате льнокомбинат «Заря социализма» (бывшая фабрика купца Локалова в рабочем поселке Гаврилов Ям) изготовил несколько вариантов ткани заданной прочности, которые затем лакировали стандартными методами и испытывали в ВИАМ. Разрывная длина двух вариантов полученных тканей (10,82–11,27 км) превышала значения для АЛВК и АЛЛ, удлинение по основе составило 9,9%, по утку – 8,2%, 1 м2 ткани весил 275 г. По удельным свойствам новые ткани не уступали самой прочной в мире французской аэроткани (имевшей марку «Т.Н.R.»), а по значениям удлинения даже превосходили ее. Пропитка лаком 1 покрытия и прирост прочности оказались вполне удовлетворительными, достигаемое значение усадки превосходило в 1,5–2 раза усадку ткани АЛЛ. В лакированном виде высокопрочные ткани обладали сопротивлением разрыву свыше 3500 кг/м по основе и около 3650 кг/м по утку, масса квадратного метра составляла 400 г. На следующем этапе планировались испытания новых тканей на скоростных самолетах, а затем, в случае положительного заключения, окончательное уточнение технологии их изготовления и лакирования для дальнейшей стандартизации. Началу работ по созданию новых льняных ниток предшествовало изучение иностранного опыта применения материалов для крепления полотна на крыльях, фюзеляже и хвостовом оперении самолетов; также были учтены результаты исследования швов крепления, проведенного одним из заводов (установившего, что для АЛЛ необходима нитка с сопротивлением разрыву не менее 21,5–22 кг/м). Было установлено, что для крепления тканей с прочностью на разрыв до 1650, 2000, 3000 кг/м необходимо сопротивление разрыву нитки соответственно не менее 22, 26, 30 кг/м, масса и диаметр ниток – по возможности минимальные; а структура нитки должна была предотвратить ее раскручивание и размочаливание при применении на заводах. В соответствии с программой ВИАМ на фабрике имени Парижской Коммуны был изготовлен ряд вариантов ниток: одинарного (типа «Маккей»), двойного кручения (типа «Аркад»), а также плетеный шнур. Наиболее пригодной из них оказалась структура типа «Маккей». В дальнейшем требовалось испытать изготовленные типы ниток на авиазаводе, затем составить и согласовать технические условия на них. Также в фабричных условиях предстояло разработать технологический процесс вощения нитки [2]. Исследования ХБ тканей для авиации Работа заключалась в изучении влияния различных элементов структуры ХБ авиационных тканей на их свойства (сопротивление разрыву, удлинение, масса, прирост сопротивления разрыву и привес от лакировки, усадка и степень натяжения, сопротивление срезу, раздираемости и продавливанию воздухом, степень гладкости поверхности и другие эксплуатационные характеристики). Для этого на предприятиях Глуховского комбината (г. Ногинск) изготовили несколько серий экспериментальных ХБ тканей, которые различались: плотностью (только по утку и по утку и основе), видами переплетений и крутки пряжи, шириной, а также обработкой пряжи (суровая, мерсеризованная). В результате удалось установить, что увеличение плотности ткани приводило к возрастанию сопротивления разрыву, степени натяжения, массы ткани и ее удлинения как по основе, так и по утку. Наибольшие преимущества перед саржей и рогожкой (дававших менее гладкую поверхность ткани, меньшую прочность в чистом виде и низкую и даже отрицательную усадку) обеспечивало применение полотняного переплетения. Исследования показали целесообразность изготовления тканей с высокой плотностью, полотняным переплетением, применения пряжи с отлогой круткой (для увеличения прироста прочности от лакировки) и в мерсеризованном виде (для повышения разрывной длины полотна и достижения большей гладкости поверхности). Результаты работы способствовали созданию высокопрочных ХБ авиатканей. Свойства тканей, предлагавшихся для замены стандартных AM-100 и ACT-100, приведены в табл. 4 [3]. Таблица 4. Свойства предложенных ХБ тканей для замены стандартных Вместо AM-100 Вместо ACT-100 Характеристика пряжи ХБ крученая мерсеризованная «№ 108/2» ХБ крученая мерсеризованная «№ 100/4» (в АСТ-100 – ХБ крученая суровая «№ 100/4») Число нитей на 1 см* 34/34 Масса 1 м2, г 22,5/22,5 * В числителе значение по основе, в знаменателе – по утку. Удлинение*, % 135 Прочность на разрыв*, кг/м 1400/1400 195 2000/2000 8/12 10/10 Разработка методов испытания тканей Данное исследование было посвящено вопросам изучения деформации полотняной обшивки самолета при его основных нагрузках и влияния строения ткани на величину натяжения и усадку от лакирования. Качество лакированной ткани во многом было обусловлено величиной ее деформации (выгиба) при эксплуатации. Для определения этого свойства и возникающих при этом напряжений были построены специальные графики нормальных характеристик для лакированных тканей АЛЛ, ACT-100, АМ-93 и АЛВК при различном предварительном натяжении (1,5 и 10%) «чистой» ткани. При увеличении предварительного натяжения в двух направлениях деформация лакированной ткани уменьшалась, удлинение ткани по основе и утку становилось более равномерным. Но при уменьшении деформации (стрелы выгиба) возрастало напряжение в обшивке и уменьшался запас ее прочности, что требовало применения более прочных тканей. Для сокращения деформации обшивки в полете при применении ХБ тканей предварительное натяжение при обтяжке несущих плоскостей скоростных самолетов, как удалось установить, должно было быть не менее 10% от разрывной нагрузки. Свойства лака первого покрытия прежде определялись величиной усадки тканей по прибору ЦАГИ. Более современные приборы позволяли определить степень натяжения полотна на крыле и на рамах по стреле прогиба при определенной нагрузке. В экспериментах (с использованием прибора конструкции Н.А. Удалова и новых приборов ЦАГИ, смонтированных на шарикоподшипниках) наилучшие характеристики усадки и натяжения показали ткани АЛВК и АМ-93. Преимущество по названным свойствам имели ХБ ткани полотняного переплетения и более плотные. Установлено преимущество прибора Н.А. Удалова для определения абсолютной величины натяжения ткани в двух направлениях при лакировании (в сравнении с прибором для определения усадки в одном направлении); его рекомендовали для контроля и оценки свойств аэролаков. Наряду с названными, для практического определения истинных величин деформаций тканевой обшивки в полете непосредственно на крыле самолета был также разработан прибор и изготовлен мастерскими ВИАМ. Испытания ХБ тканей, разработанных ВИАМ, в НИИ ВВС РККА Научно-испытательным институтом ВВС РККА была проведена работа по изучению и испытанию новых видов самолетных тканей для выявления возможности принятия их на снабжение. ВИАМ представил на испытания 2 типа новых тканей: АМ-85 (из мерсеризованной пряжи № 85/2) и ACT-100 (из немерсеризованной пряжи № 100/4). На одном из авиационных заводов несколько самолетов типа «И-16» было обтянуто этими тканями для проведения летных испытаний. Лакокрасочные покрытия для них были специально разработаны и проверены в ВИАМ. Ткань АМ-85 сразу после обтяжки самолета имела более слабое натяжение по сравнению с ACT-100 и АЛЛ; при эксплуатации и испытании ослабление натяжения еще более возросло. Изучение влияния атмосферных воздействий на ткань ACT-100 при длительных эксплуатационных испытаниях подтвердило ее соответствие техническим требованиям ВВС. Повышенный процент удлинения ткани в одном направлении (основа или уток) не вызывал ослабления обшивки. Значения стрелы прогиба ткани ACT-100, лакированной 5-ю слоями лака первого покрытия, были такими же, как и у стандартного льняного полотна. Поведение ACT-100 и АЛЛ в условиях эксплуатации практически не отличалось; АМ-85, вследствие больших деформаций и ослабления обтяжки, давала сильное растрескивание лакокрасочных покрытий. Дополнительные длительные испытания показали, что применение ACT-100 гарантировало более продолжительный срок службы самолета. По результатам работ, учитывая наличие хорошей сырьевой базы, ткань ACT-100 рекомендовали для принятия на снабжение ВВС и дали указания на запуск ее в серийное производство для всех учебно-тренировочных самолетов. Была подтверждена необходимость продолжения в ВИАМ работ по изысканию более совершенных лакокрасочных покрытий для ХБ тканей [1]. Выводы В 1937 г. исследования текстильных материалов в ВИАМ были направлены на поиски новых видов льняных и ХБ авиационных тканей с улучшенными свойствами для их дальнейшей стандартизации и применения в ВВС. Актуальность работ была обусловлена тем, что в ряде стран для обтяжки самолетов применялись различные по свойствам ткани, тогда как в нашей стране существовала только одна ткань – АЛЛ. Программа одного из исследований предусматривала разработку высокопрочных льняных тканей с изысканием оптимальной структуры нитей для их крепления. Другая работа позволила установить влияние плотности, переплетения, ширины на показатели ряда свойств ХБ тканей. Показана необходимость изготовления ХБ полотна с высокой плотностью, что обеспечивало повышение прочности и разрывной длины лакированного полотна, увеличение усадки и степени натяжения. Применение вместо полотняного других видов переплетений оказалось нерациональным ввиду меньшей разрывной длины и низкого натяжения. Благодаря разработанному методу получения графиков нормальных характеристик стало возможным определение предполагаемых величин деформации и напряжения обшивки в полете, в зависимости от применяемой ткани; специалистами ВИАМ был создан прибор, позволявший регистрировать деформации полотняной обшивки непосредственно в полете. Результаты работы позволили предложить промышленности новые виды высококачественных аэротканей и создать предпосылки для дальнейшего улучшения их свойств. Список литературы: 1. Российский государственный военный архив. Фонд 29. Опись 76. Дело 989. Листы 1– 23 (1937 г.). Отчет по изучению и испытанию новых видов самолетных тканей и специальных лакокрасочных покрытий для них, разработанных ВИАМом. Российский государственный архив экономики. Фонд 8328, опись 1, дело 988, С. 29–33. 2. Шейдеман И.Ю. Разработка и исследование новых льняных аэропланных тканей / В кн.: Краткие технические отчеты о научно-исследовательских работах ВИАМ за 1937 г.– Химические материалы.– М., 1938. 3. Бабкин Н.И. / Там же. С. 89–94. 4. Гаврилов А.М., Константинов А.С. / Там же. С. 95–114.