КАК НАЧИНАЛАСЬ РАКЕТА-НОСИТЕЛЬ "ЭНЕРГИЯ"

В 70-х годах американцы успешно освоили многоразовую систему "Шаттл". Эти космические челноки выводят на орбиту могучие ракеты одноразового действия. После полета "Шаттлы" возвращаются на землю, приземляясь на специальном аэродроме, и затем готовятся к следующему полету. В те годы СССР заметно уступал в космической гонке. С.П. Королева уже не стало. В такой ситуации академик В.П. Глушко, руководитель Конструкторского бюро жидкостных ракетных двигателей, который многие годы тесно сотрудничал с фирмой Королева, заявил на Политбюро ЦК КПСС, что берется сделать за три года ракету-носитель для вывода на орбиту космического корабля "Буран". Было принято решение объединить фирму Глушко с организацией Королева, дав ей название "Энергия". Так же назвали и грандиозную двухступенчатую ракету, которую предстояло создать. Стартовая масса ракеты 2400 т. Все ее двигатели, разработанные в КБ академика Глушко, должны были работать со старта, создавая в начале полета суммарную тягу 3600 т, мощность двигателей в этот момент равна 130 млн. кВт (для сравнения: мощность Красноярской ГЭС -6 млн. кВт). Руководство страны поддержало Глушко в его начинаниях. Основой носителя является вторая ступень - бак, длина которого 60 м, диаметр 8 м. В качестве топлива для второй ступени используется жидкий водород, окислителем служит жидкий кислород. По своей теплотворной способности жидкий водород намного превосходит все органические топлива, поэтому, несмотря на огромные трудности при работе как с жидким водородом (-225°С), так и с жидким кислородом (-186°С), американцы, а вслед за ними и мы перешли на криогенные компоненты топлива. Вокруг водородного бака разгорелись ожесточенные споры. До "Энергии" все ракетные баки изготавливались в СССР из пластичного алюминиевого сплава средней прочности, содержащего 6% магния, - сплав АМгб. Однако было известно, что американцы применили для баков "Шаттла" новый, более прочный, но менее пластичный алюминиевый сплав 2219, содержащий около 6% меди. В ВИАМе были выполнены лабораторные плавки, которые показали, что сплав, обозначенный нами 1201, действительно прочнее АМгб. С понижением температуры он не только не охрупчивается, как, например, сталь, а наоборот, приобретает удивительную способность к повышению и пластичности, и прочности (криогенное упрочнение). Состав сплава 1201 был нами взят в точности американский, чтобы в случае каких-либо неприятностей избежать обычных в таких ситуациях обвинений в адрес сплава. Мы обнаружили также, что при неоднократных повторных охлаждениях до температуры жидкого водорода сплав АМгб расслаивается, поэтому он не годился для материала ракеты, работающей на жидком водороде. Все эти особенности двух сплавов я сообщил Глушко, когда он советовался со мной о металле для водородного бака. В ВИАМе был проведен научный совет с моим докладом. На нем присутствовал Глушко. Было принято решение рекомендовать для материала водородного бака сплав 1201. Однако исследовательский институт ЦНИИМВ, входивший в состав Министерства общего машиностроения, выступил с категорическими возражениями против сплава 1201. В заключении института отмечалось, что в нашей стране нет никакого опыта работы с этим сплавом, что технологически он гораздо сложнее сплава АМгб, и, сделав ставку на него, мы обречем на провал создание ракеты "Энергия". Мнение института поддерживало ракетное КБ "Южное" в Днепропетровске. Обычно конструкторские бюро, работая с каким-то сплавом, привыкают к нему, создают устойчивую технологию его обработки и применения, справедливо рассматривают сплав как собственное детище и не хотят с ним расставаться. Конечно, только в том случае, если сплав их не подвел. Со сплавом АМгб был накоплен огромный успешный опыт, понятно, что многие КБ и исследовательские институты за него держались. Тем не менее такую ракету, как "Энергия", с жидким водородом в качестве топлива надо было делать из сплава 1201. Серьезным испытанием для этого сплава стало качество первых полуфабрикатов, приготовленных на Куйбышевском (ныне Самарском) металлургическом заводе. Сплав 1201, выпускаемый этим заводом, при плавке загрязнялся пленами и другими неметаллическими примесями. Надо было срочно повысить чистоту металла, избавить его от окисных плен, газов, шлаковых включений, чтобы обеспечить надежность сварного соединения. Я передал наши рекомендации по этому поводу Глушко. Когда на совещании у секретаря ЦК КПСС Д.Ф. Устинова, отвечавшего за всю оборонную промышленность, обсуждался ход работы по ракете "Энергия". Глушко довольно долго сидел молча, а потом заявил: "Дмитрий Федорович, мне баки делать не из чего, металлурги вместо металла дают поролон". Этих слов, подкрепленных соответствующими репликами Устинова, оказалось достаточно, чтобы на Куйбышевском металлургическом заводе в кратчайшие сроки провели капитальную перестройку плавильного оборудования. Футеровку плавильных печей сделали из глинозема вместо шамота, который быстро разъедается жидким алюминием, загрязняя его. Вместо асбеста применили керамическую бумагу и установили керамические фильтры на пути переливки жидкого металла из печи в кристаллизатор. В результате металл по чистоте стал отвечать требованиям американских норм ультразвукового контроля. В конце июня 1977 г. еду к Глушко. Со мной вместе едут коллеги по ВИАМу А.Н. Гулин и Н.Б. Кондратьева, а также Чаюн - молодой сотрудник академика Б.Е. Патона. Везем с собой раскатную сварную обечайку - свернутый из листа пустотелый цилиндр, диаметром 500 мм и длиной 1500 мм из сплава 1201 - работа Куйбышевского филиала ВИАМа. Сваренный продольный шов обечайки прокатывался на специальных станках под толщину основного материала. Прочность бывшего шва и основного металла 48 кгс/мм². Везем также с собой два отчета: о раскатной обечайке и сравнение свойств сплава 1201 и АМгб нагартованного (АМгбн), прокатанного в холодную на 20%. Незадолго до этой поездки Гулин купил мне книжку А.П. Романова "Ракетам покоряется пространство". Из аннотации узнал, что это - первая книжка об академике Валентине Петровиче Глушко, основоположнике отечественного ракетного двигателестроения. Предисловие самого Глушко, что несколько странно. Правда, предисловие написано в плане ответа на вопрос: "Вы спрашиваете, какова главная черта человека, посвятившего себя науке. Их несколько: влюбленность в избранную область знаний, желание безраздельно принадлежать ей и только ей, умение вовремя отказаться от всего, что может увести в сторону, понимание общественной полезности той области знаний, которой посвятил свою жизнь. В таком случае труд становится источником вдохновения и радости, как бы он ни был сложен. И еще одно качество, без которого не мыслю себе подлинного ученого - прозорливость, умение смотреть хотя бы на два поколения вперед. Всеми этими качествами обладал Константин Эдуардович Циолковский. Он нам пример". Мысли высказаны очень хорошие, за исключением "умения смотреть... на два поколения вперед". Это чересчур для Циолковского, но, может быть, не для Глушко? Самомнение, ничего другого не скажешь; то ли тщеславие, то ли такая уверенность в себе, которая позволяет делать большие дела. Книжку я захватил, чтобы между делом показать ее Глушко, вероятно, ему это будет приятно. Кондратьева предложила взять у него автограф. Итак, мы у Глушко. Он, как всегда, в легком свитере, стройный, подтянутый, пружинящая походка, хотя ему 69 лет плюс несколько лет отсидки. Наверняка каждый день занимается спортом, память прекрасная - помнит все до мелочей. Проходим в его маленький кабинет. Глушко вежлив, с каждым здоровается за руку. Я рассказываю ситуацию со сплавами АМгбн и 1201. Если АМгбн при температуре -196°С дает расслоение, то 1201 в выпущенной крупной партии подтвердил высокую технологическую пластичность. Попытки раскатать АМгбн не удались из-за быстрого упрочнения сплава. Институт Патона освоил сварку разных толщин сплава 1201 различными методами, в том числе при самом неблагоприятном расположении волокна (когда волокно идет параллельно сварному шву, легче появляется трещина). От имени ВИАМа, который назначен ВПК головной организацией по выпуску сплава для ракеты "Энергия", я высказал возражение против решения КБ "Южное" использовать АМгбн для ракеты, работающей на жидком кислороде. Предварительно с представителями начальника ЦНИИМВ Г.Г. Конради я обсуждал вопрос о АМгбн, - они выставили два соображения: 1) решение ВПК о головной роли ВИАМа касается только "Энергии", а не КБ "Южное"; 2) в одном из нормативных документов КБ "Южное" указано, что силы, действующие в высотном направлении, не превышают 1 кгс/мм², что по нашему мнению невозможно, к тому же возникают всякие монтажные и особенно термические напряжения при заливке жидкого кислорода. Глушко очень внимательно рассмотрел раскатную обечайку. Попросил испытать свойства этого раскатанного материала при температуре -253°С. Его интересовало, сохраняет ли материал криогенное упрочнение. Я заметил, что равнопрочность сварного шва при всех условиях сохранится. Глушко поддержал наше предложение готовить полуфабрикаты из сплава 1201 (примерно 500 т) не на Куйбышевском, а на Каменск-Уральском металлургическом заводе, где можно добиться большей чистоты сплава и получить штампованные заготовки. Я показал Глушко книжку "Ракетам покоряется пространство". - Хорошо бы получить автограф. - Кому? -Мне. Он написал: "Дорогому Иосифу Наумовичу Фридляндеру на добрую память о совместной работе. Глушко. 30.06.1977". Затем пригласил нас приехать к нему завтра на совещание к девяти часам утра. На следующий день в восемь сорок пять мы снова у Глушко. Большой сбор. Первый вопрос: надо ли строить испытательный корпус, чтобы испытывать каждый натурный бак в жидком водороде. Сооружение очень сложное, обойдется в 40 млн. руб. Обычно испытывают каждый бак, но бак для второй ступени ракеты "Энергия" испытать при комнатной температуре нельзя, ибо он рассчитан с учетом криогенного упрочнения. Обсуждение идет часа два-три. Глушко внимательно всех выслушивает. Из публикаций и особых источников известно, что американцы испытывают баки в охлажденном до -196°С газообразном азоте. Я спрашиваю: - А сколько раз будут испытания? - До девяти. - Не страшно? Говорят, что баки испытывали в жидком водороде по нескольку раз. Первый зам Глушко, которого я не знаю, высказался за американскую схему. Глушко спросил меня: - Какое криогенное упрочнение при жидком кислороде? - Примерно половина, - ответил я и поддержал его зама. Но Глушко все же счел, что надо испытывать в натурных условиях - в жидком водороде при полном упрочнении. Договорились: всем институтам еще раз проработать вопрос и через декаду дать предложения. Второй вопрос: как делать днище бака - сводить все лепестки к одному полюсу, который будет диаметром 2-3 м, или набирать конструкцию в виде прямоугольников. Тут важно обеспечить хорошую стыковку. У американцев поверхность бака эллиптическая, а не шаровая, они все лепестки сводят к полюсу. После долгих и тщательных обсуждений остановились на полюсном варианте. Договорились: за неделю еще раз проработать вопрос и дать предложения. Во время обсуждения появился академик Владимир Федорович Уткин, главный конструктор КБ "Южное". Глушко встал, проводил его в свой кабинет, через несколько минут вернулся в зал. Приход Уткина нисколько не отразился на ходе обсуждения, всем желающим была предоставлена возможность высказаться, обосновать свою точку зрения. Уткин ждал окончания совещания часа полтора-два. После совещания Глушко представил нас Ут-кину. Я его видел первый раз. Высокий мужчина, вероятно, старше 50 лет, со мной поздоровался довольно прохладно. Глушко принялся излагать ситуацию с АМгбн. "Дорогой мой", - обращался он к Уткину самым любезным тоном, излагая все наши данные о сплавах АМгбн и 1201, привел подробные расчеты потерь при переходе со сплава 1201 на АМгбн и просто на АМгб, поскольку АМгбн для кислородных баков применять нельзя. Потом я перечислил все доводы, которые КБ "Южное" выдвигало против сплава 1201: неосвоенность, нетехнологичность. Что касается неосвоенности сварки, то институт Патона обещал выдать рекомендации осенью. Чаюн подтвердил мои слова. Я сообщил, что готовится к выпуску первая партия полуфабрикатов сплава 1201, примерно 500 т, и если нужно, в августе мы можем сделать 200-300 т для КБ "Южное". Не решен лишь один сложный вопрос: нужны ванны для травления (анодирования и пр.) для КБ "Южное". Но разве можно из-за нескольких ванн не использовать тех преимуществ, которые имеют американцы от своего сплава 2219, ведь 1201- его аналог. Разговор шел примерно час. Уткин молчал, он только спросил, сколько времени мы держали образцы в жидком азоте. Я не понял его вопроса. Потом сообразил, что в КБ "Южное" образцы, вероятно, захолаживались, а потом испытывались при комнатной температуре. Уткин пообещал на следующей неделе прислать своих людей в институт Патона и в ВИАМ. Спор между фирмой "Энергия" - ВИАМ и ЦНИИМВ на тему, как ведут себя сплавы АМгб и 1201 при повторных охлаждениях и приложении вибрационных нагрузок, продолжается. Ракета хоть и одноразовая, но требует нескольких повторных контрольных заливок топлива и окислителя. Лабораторные испытания в ВИАМе проводит профессор С.И. Кишкина. При температуре -196°С (жидкий азот) дается 1000 нагружений, затем нагрев до 200°С и повторение нагрузок при -196°С. Это реальный температурно-динамический график полета ракеты "Энергия" (200°С соответствует разогреву ракеты при прохождении атмосферы). Сплав АМгб выдержал 500 циклов, сплав 1201 - 20000 циклов. Мне звонит Глушко, я ему сообщаю эти цифры, он едет отстаивать сплав 1201 в высшие инстанции, ибо все споры каждый раз выходят на уровень ЦК КПСС и правительства. Мы также показали, что прочность плит из сплава 1201 можно дополнительно повысить, если их нагартовать. Это можно сделать на прокатном стане с длиной валков 5 м. Такой стан - сложное дорогостоящее устройство, весящее многие тысячи тонн. Его изготавливает Новокраматорский завод. Глушко берется продвинуть этот проект, но со станом происходят казусы, как в каком-нибудь авантюрном романе. Было принято решение правительства установить его на заводе в городе Белая Калитва Ростовской области, и туда пошли первые железнодорожные эшелоны с деталями стана. Но в это время министр авиационной промышленности Дементьев посетил строящийся металлопрокатный завод в Красноярске. Первый секретарь крайкома Федирко попросил его направить этот стан в Красноярск. Аргументы: в Сибири производится алюминий, зачем тащить его в Ростов. Дементьев согласился, и новые эшелоны с оборудованием пошли в Красноярск. Когда Дементьев умер, секретарь Ростовского обкома Бондаренко настоял, чтобы стан установили в Белой Калитве. Доводы: потребители широкого листа - авиационные заводы - в основном находятся в Европейской части СССР. С этим согласились, и новые эшелоны пошли в Калитву. Пока шла вся эта перепалка, началась перестройка Горбачева. О стане забыли, и он превратился в тысячи тонн железного лома, лежащего в Красноярске и Белой Калитве. И теперь, в начале XXI столетия, чтобы прокатать широкие листы, нам приходится обращаться на завод фирмы Хуговенс в Германии. Между тем первые водородные баки из сплава 1201 были изготовлены и успешно прошли земные испытания. Как говорится, не так страшен черт, как его малюют. В дальнейшем все водородные баки ракеты "Энергия", как и некоторых других ракет, изготавливались из сплава 1201. 15 ноября 1988 г. состоялся успешный старт "Энергии" с орбитальным самолетом "Буран".

ПЕЧАЛЬНАЯ ЭПОПЕЯ ТУ-144

Фридляндер Иосиф Наумович академик,начальник научно-исследовательского отделения ГНЦ РФ "ВНИИ авиационных материалов". Из выступления на заседании Президиума РАН ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 72, №1, с. 70-78 (2002). В 60-х годах стало известно, что Англия и Франция решили создать сверхзвуковой пассажирский самолет, которому дали название "Конкорд" ("Согласие"). Две страны договорились согласно работать над этой машиной. Самолет рассчитывался на скорость полета 2200-2300 км/ч. При такой скорости трение обшивки о воздух приводит к повышению температуры конструкции до 120-125°С, а кромок крыльев - до 150°С. Ресурс самолета - 30 тыс. часов. Перелет "Конкорда" из Европы в Америку должен был занимать три часа вместо семи-восьми на обычных самолетах. Реакция Никиты Сергеевича Хрущева на это сообщение было молниеносной: "Мы должны сделать свой советский ультразвуковик, при этом летать он должен быстрее "Конкорда"". Вся работа была поручена Андрею Николаевичу Туполеву. Самолету присвоили марку Ту-144, строиться он должен был на Воронежском авиазаводе, а его появление на свет раньше "Конкорда" стало важнейшей политической задачей СССР. Денег на Ту-144 не жалели. Сбор специалистов назначен в КБ Туполева. У Андрея Николаевича маленький, скромный кабинет, он в какой-то толстовке или спецовке. Женщин на совещании нет, они мешают Туполеву четко выражать свои мысли, перемежая литературную речь ненормативной. Первый вопрос: из какого сплава делать конструкцию. Если увеличить скорость полета Ту-144 до 2600-2800 км/ч, как это требует партийное начальство, то температура конструкции повысится до 170-180°С. Алюминиевые сплавы такой температуры при ресурсе 30 тыс. часов не выдержат, надо переходить на сталь или титан, что сильно усложнит технологию. Умудренный опытом Андрей Николаевич в узком кругу сподвижников рассуждал так: сделаем самолет, как и "Конкорд", на 2200-2300 км/ч, а официально объявим скорость 2600-2800 км/ч. Пока мы сделаем машину, все успеют забыть, что скорость немного занижена. Англичане и французы используют для "Конкорда" жаропрочный алюминиевый сплав AU2GN, легированный медью, магнием, железом и никелем. Два последних элемента дополнительно повышают жаропрочность. У нас из аналогичного сплава АК4-1 давно изготовляют жаропрочные детали авиадвигателей. Есть у нас и новый алюминиево-литиевый сплав ВАД23. Литий - самый легкий металл, соответственно новый сплав намного легче АК4-1 и существенно превосходит его по прочности и другим характеристикам. Однако опыта применения ВАД23 нет. Я договариваюсь с Туполевым широко опробовать этот сплав. Во Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ) работы со сплавом ВАД23 проводили З.К. Арчакова, О.А. Романова, B.C. Сандлер. И вот новая встреча с Туполевым по сплаву ВАД23. Главный металлург КБ И.Л. Головин говорит, что нужны очень большие плиты с высокими механическими свойствами. Таких плит мы раньше не делали. Начальник Всесоюзного института легких сплавов (ВИЛС) А.Ф. Белов (позднее академик) и его заместитель В.И. Добаткин (позднее член-корреспондент АН СССР) вместе со мной возражают. Андрей Николаевич полушутливо замечает: "Вы оппортунизмом не занимайтесь, а то напущу я на вас Мао Цзедуна. Я вам приказываю: сделайте мне эти плиты". И хотя мы трое Андрею Николаевичу не подчиняемся, воздействие его имени таково, что мы больше не возражаем и подписываем соответствующую бумагу. Через некоторое время французы увеличили число пассажиров на "Конкорде", соответственно, мы увеличили число пассажиров еще больше. В результате размеры полуфабрикатов колоссально возросли: площадь сечения каждой плиты и профиля - до 1400 см2 масса - до 3 т. (Если плиты и профили таких размеров сделать из стали, то их вес составит 9 т.) Мы опять возражаем, говорим, что у французов максимальная площадь сечения 140 см2, то есть в 10 раз меньше. Но представители КБ Туполева уверяют, что нужны плиты именно такого размера. Почему столь сильное расхождение с "Конкордом", мы, металлурги, понять не можем. Узнать что-либо в КБ об их истинных мотивах невозможно, это будет известно лет через десять, но из сплава ВАД23 нельзя получить хорошие полуфабрикаты подобного размера, и мы от него отказываемся. В ВИАМе в лаборатории алюминиевых сплавов есть залы для испытания на длительную прочность и ползучесть. Конечно, промышленность не может ждать 30 тыс. часов (более трех лет), когда эти испытания будут закончены, поэтому используются ускоренные методы с прогнозированием на весь ресурс самолета. Установлено, что сплав АК4-1 имеет сопротивление ползучести ниже, чем уровень длительной прочности. Лимитирующим фактором является сопротивление ползучести, которое не должно превосходить 0.2%, чтобы не допустить значительного изменения геометрии самолета. Потоки воздуха по крылу, начиная от основания и до его окончания, должны продвигаться ламинарно, без образования вихрей или срыва потока, что может вызвать тряску машины и увеличить сопротивляемость полету. ВИАМ выдает КБ Туполева все расчеты свойств сплава АК4-1, а Воронежскому авиационному заводу -производственные инструкции. (Работы по сплаву АК4-1 выполнили О.А. Романова, В.Н. Бобовников, С.И. Кишкина, Е.И. Шилова, О.Г. Никитаева, Л.П. Ланцова.) В ВИЛСе прошло совещание с французскими авиаметаллургами. Мы направили во Францию слитки и плиты из АК4-1 и от них получили слитки и плиты из сплава AU2GN. И вот теперь обсуждались результаты исследования. Практически AU2GN и АК4-1 одинаковы. Сплав АК4-1, как и французский AU2GN, при хорошей жаропрочности имеет низкую вязкость разрушения. Наши товарищи, ездившие во Францию на советско-французские семинары, вернулись с совершенно определенным впечатлением об алюминиевом сплаве AU2GN. Один из них, А.3. Воробьев - главный идеолог Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) по алюминиевым сплавам, сделал в ВИАМе довольно длинный доклад. Он вынужден был признать, что вязкость разрушения у AU2GN меньше, чем у АК4-1. Может быть, она ниже потому, что мы применяем более мягкий режим старения, который, однако, несколько снижает коррозионную стойкость. Французы спрашивали: не боимся ли мы коррозии. На что наши отвечали - не боимся, ибо, мол, Франция страна морская, а мы сухопутная. Но я-то лично коррозию побаиваюсь. "Ну и как же, -спрашивал французов Воробьев, - вы обходитесь с такой низкой вязкостью?". - Те отвечали: "Приспосабливаемся". Другой участник советско-французских семинаров, В.В. Сулеменков - ведущий прочнист КБ Туполева, сообщил мне в личном разговоре, что, по словам французского прочниста (фамилию он не помнил), они мучаются со сплавом AU2GN. Испытания "Конкорда" показали, что в лонжеронах довольно быстро появляются трещины, которые долго остаются маленькими, но потом бурно развиваются. Французы изготовили дефектоскоп на принципе вихревых токов со специальной формой головки, позволяющий контролировать труднодоступные места, где могут появляться трещины. Все "Конкорды" были проверены, и в одном случае обнаружили начало трещины. Регистр - государственный орган, следящий во Франции за безопасностью полетов, - обязал сделать накладки на каждом крыле, на каждом лонжероне. Всего их десять на "Конкорде". Из чего изготовлены накладки, Сулеменкову узнать не удалось, но размеры их солидные. Вообще-то Вячеслав Васильевич Сулеменков - человек знающий, по мере возможности старающийся быть объективным. 31 декабря 1968 г. Ту-144 поднялся в воздух - на два месяца раньше "Конкорда" к великой радости Туполева и Министерства авиационной промышленности. 4 января 1969 г. во всех газетах было напечатано фото Ту-144 и официальное сообщение: "Впервые в мире 31 декабря 1968 г. в Советском Союзе совершил полет сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144. Этот полет является новым достижением советской науки и техники". Летом 1971 г. Ту-144 был показан на авиасалоне в Ле Бурже (Франция). Пролетел он очень хорошо, с меньшим шумом и без дымных хвостов от двигателей, как у "Конкорда". Советский салон посетил французский президент Жорж Помпиду и поздравил советскую делегацию с успехом. Вместе с министром авиационной промышленности П.В. Дементьевым он поднялся на борт Ту-144. Вскоре после Ле Бурже в Воронеж вылетела мощная делегация авиационных специалистов (в основном начальники авиационных институтов), в которую входил и я. Туда же прилетел и министр Дементьев. Министру дела на заводе понравились. На собрании начальников цехов он сказал: "Ту-144 имеет большое значение, в том числе международное. К нам в Париже приходили руководители компартии Франции и Италии и говорили: "Своим Ту-144 вы помогаете нам"". Дементьев продолжил: "Вы должны хорошо организовать работу и наладить серийный выпуск Ту-144. Дадим дополнительно станки. Особое значение имеет машина номер пять, она предназначена для статических испытаний, после нее менять ничего нельзя". Выступал он по обыкновению без всяких записок, убежденно, энергично, со знанием дела. Вскоре 50-минутный полет успешно совершил второй Ту-144. Через какое-то время пришло сообщение об успешных полетах "Конкорда". Однако разрешения на полеты в США "Конкорд" сразу не получил. Причина отказа - производимый им шум. Действительно, шум при переходе через звуковой барьер подобен артиллерийскому залпу. Однако позднее США разрешили регулярные рейсы "Конкорда" в Нью-Йорк и Вашингтон. В 1973 г. на очередном авиасалоне в Ле Бурже Ту-144 разрушился на глазах сотен тысяч зрителей, когда ему пришлось сделать крутой вираж, чтобы уйти от появившегося внезапно французского истребителя "Мираж". Экипаж погиб, несколько зрителей погибли под обломками самолета. Сразу же были освобождены от работы главный конструктор КБ Туполева С.М. Егер, руководивший работой по Ту-144, и главный прочнист этого КБ И.Р. Бонин, новым главным прочнистом стал В. В. Сулеменков. В Париже проводилось расследование причин катастрофы Ту-144. Общепринятый в авиации порядок: расследование ведет та страна, на территории которой произошла катастрофа. Расследование велось долго, к нему были привлечены советские специалисты, но ясных результатов оно не дало. Было составлено обтекаемое заключение: катастрофа вызвана действием ряда случайных факторов. Франция не была заинтересована в глубоком изучении причин и создании атмосферы подозрительности вокруг Ту-144, ибо это могло вызвать неуверенность и в иадежности его близнеца "Конкорда". В 1975 г. начались полеты Ту-144 с грузом в Ташкент, Алма-Ату и Баку. В 1976 г. Ту-144 проходил в ЦАГИ испытания на повторные нагрузки, потом дали статическую нагрузку. Самолет "сел" при нагрузке 70% от расчетной: разрушилась панель из АК4-1, сделанная из плиты толщиной 42 мм. Испытатели заметили появление трещины, но не успели добежать до пульта, чтобы прекратить испытания, как конструкция разрушилась. Трещина началась от ряда заклепок, которые крепили на верху самолета небольшой сигнальный фонарь. Он расположен вплотную к основному заклепочному шву. Таким образом, повышается местная концентрация напряжений, и довольно массивный фонарь вызывает местные изгибающие напряжения. Этих условий оказалось достаточно, чтобы появилась и стала катастрофически развиваться трещина. На следующий день вместе с Софьей Исааковной Кишкиной - главным прочнистом ВИАМа по алюминиевым сплавам, еду в ЦАГИ. По лестнице взбираемся на крыло самолета. Какая же огромная поверхность! От тонкой перемычки, где появилась трещина усталости, в обе стороны идут огромные трещины длиной несколько метров. Мама Соня, как зовут ее сотрудницы, вздыхает: "Какая же это безопасно повреждаемая конструкция, если от небольшой трещины сложился весь самолет". Действительно, в последние десятилетия большие самолеты создаются по принципу безопасной повреждаемости. Самолеты дорогие. Чтобы они себя окупили, срок эксплуатации увеличили до 30 тыс. часов, а позднее - до 60 тыс. Если рассчитывать такие самолеты, не допуская появления трещин, то сечения деталей и узлов настолько увеличиваются, что машины не могут поднять ни пассажиров, ни грузы. Приходится допускать появление трещин, но они не должны быстро развиваться и приводить к разрушению конструкции. К материалам предъявляются новые требования: они должны быть вязкими (не давать хрупкого разрушения), иметь очень малую скорость развития трещин. Кроме того, необходимо предусмотреть конструктивные меры, блокирующие рост трещины. Большие американские самолеты В747 с трещиной на крыле длиной 1 м и на фюзеляже длиной 400 мм сохраняют ресурс еще тысячу часов полета. Это не значит, что в эксплуатации такие трещины допускаются (как только ее обнаруживают, тут же блокируют), но приведенные цифры показывают гигантский запас надежности конструкции. Вместе с Кишкиной составляем заключение по Ту-144. Мы считаем, что разрушение началось от небольшой усталостной трещины, но специалист по статике из ЦАГИ В.Ф. Кутьинов не согласен с нашей формулировкой. Он думает, что перемычка могла разрушиться и без начальной небольшой трещины усталости, ведь все были уверены, что после повторных нагрузок самолет должен был спокойно выдержать 100%-ное статическое нагружение, а он разрушился при 70%-ной нагрузке. Мы соглашаемся с Кутьиновым и формулируем: разрушение началось от тонкой перемычки при статической нагрузке 70% от расчетной. Наше заключение ставит под вопрос надежность конструкции. Кишкина подготавливает письмо на имя начальника ЦАГИ академика Г.П. Свищева, в котором отмечено, что напряжение в лонжеронах Ту-144 на 40% больше, чем в "Конкорде". Начальник ВИАМа А.Т. Туманов его подписывает. Через некоторое время в Новосибирске при натурных испытаниях фюзеляжа Ту-144 на сопротивление тепловым и технологическим нагрузкам, имитирующим реальные условия полета, фюзеляж разрушился досрочно. В громадную тепловую камеру, нагретую до 130-150°С, помещается фюзеляж, и он то расширяется, то сжимается, как это происходит в полете. На высоте 10 км внешнее давление воздуха значительно снижается, а давление внутри фюзеляжа изменяется мало, в результате фюзеляж расширяется. При посадке на землю фюзеляж сжимается и возвращается к прежним размерам. Поскольку самолет летит со сверхзвуковой скоростью, его обшивка нагревается до 125°С. Вот эти условия полета и имитируют испытания: расширение и сжатие фюзеляжа при одновременном температурном воздействии. В Сибирь мы прилетели вдвоем с Сулеменковым. За несколько дней до нас Новосибирск посетил министр авиационной промышленности Дементьев. Он посмотрел, как идут испытания. Обычно при таких испытаниях конструкция оглушительно скрипит, поэтому Дементьев посочувствовал фюзеляжу и сказал: "Ну, конечно, вы его разрушите". Он и разрушился. Картина разрушения примерно та же, что и в Москве: в тонкой перемычке, являющейся частью большого фрагмента фюзеляжа, выфрезерованного из толстой плиты, возникла трещина и побежала в обе стороны на многие метры. Мы с Сулеменковым сели в автобусик того типа, что именуется "коробочкой", и благо погода была теплой, выехали из города. Расположились на опушке леса и выпили за упокой души безвременно скончавшегося фюзеляжа. Казалось, обстановка располагала к откровенности. Я спросил Вячеслава Васильевича: "Почему все-таки КБ пошло на такие огромные сечения профилей и плит, в 10 раз больше, чем на "Конкорде"? Ведь какие трудности это создало для металлургии и насколько ухудшило качество металла". Сулеменков промолчал. Причины катастрофы Ту-144 в Париже и преждевременных разрушений крыла и фюзеляжа оставались невыясненными, когда в 1977 г. начались полеты с пассажирами в Алма-Ату. Поскольку "Конкорды" летали, дабы не уронить престижа Ту-144, который взлетел раньше "Конкорда", не должен был сидеть на земле. Но в 1978 г. произошла катастрофа Ту-144 под Егорьевском, и полеты были прекращены, как оказалось, навсегда. Почему же так бесславно закончилась история этого грандиозного проекта, который должен был продемонстрировать всему миру торжество советской науки и техники, мощь советской индустрии? Одновременно с созданием Ту-144 КБ Туполева вело разработку массового пассажирского самолета Ту-154 и сверхзвукового бомбардировщика 22М, известного на Западе как "Бигфаейр" -"Большой огонь". (У самолета два мощных двигателя, которые при взлете, при работе на форсированном режиме окружает ореол пламени. Американский спутник засек 22М в первом же полете, так и появилось обозначение "Бигфайер'".) Все три машины должны были как можно быстрее появиться на свет, ибо это отвечало политической установке тех лет: быстрее всех, дальше всех, выше всех. Естественно, на КБ Туполева легла колоссальная нагрузка, с которой оно не справилось: был взят курс на использование высоких эксплуатационных напряжений, а при расчетах и конструировании допущены серьезные ошибки. Они проявились самым роковым образом при полетах и испытаниях Ту-144, а позднее и при создании Ту-154. Обычно самолеты строятся из листов и профилей и клепаются. Число заклепок достигает двух-трех миллионов. Когда в такой конструкции появляется трещина усталости, она доходит до заклепочного отверстия, где заканчивает свое существование. Если повышенные напряжения продолжают действовать, может возникнуть новая трещина. Но для ее появления требуется длительное время и много циклов повторных нагрузок, и она прекращается на следующем заклепочном отверстии. Это - один из элементов концепции безопасной повреждаемости. Ту-144 делался по-другому: из огромных плит шириной 120-140 см, длиной до 15 м, толщиной 30-80 мм путем механической обработки получалась готовая фигура крупного фрагмента крыла или фюзеляжа - наружная обшивка, внутренние продольные и поперечные ребра. Поскольку крыло имеет двоякую кривизну, а фюзеляж сложную форму, размеры плит и профилей должны вписываться в толщину исходной заготовки, отсюда их гигантские толщины - в 10 раз превосходящие по плоскости сечения плиты и профили для "Конкорда". Конструкция Ту-144 была полностью подчинена светлой технологической идее: поставил заготовку на автоматический станок с программным управлением - и больше не о чем беспокоиться: приходи через два дня или через неделю (в зависимости от объема механической обработки) - и огромный фрагмент крыла или фюзеляжа полностью готов. Сработала автоматика. При этом забывалось, что для огромных полуфабрикатов нужны очень большие слитки. Их сложно получать, и в них металл недостаточно проработан: с'охр"няются местные неоднородности и дефекты, ослабляющие металл. После механической обработки в реальной конструкции Ту-144, сделанной из плиты большой толщины, в отдельных местах остаются перемычки толщиной 2 мм, они и рвутся. Концепция безопасной повреждаемости предусматривает помимо требований к материалу, также конструктивные меры, останавливающие рост трещин. Например, крыло гигантского самолета Антонова "Руслан" состоит из восьми прессованных панелей шириной 900 мм. Поперечная трещина доходит до конца панелей и останавливается. Даже при двух разрушенных панелях, крыло работает и самолет не гибнет. В случае Ту-144 у выточенного из большой заготовки цельного фрагмента крыла или фюзеляжа ничто не останавливало трещину. К тому же Ту-144 изготовлен из жаропрочного сплава АК4-1, который хорошо сопротивляется длительному воздействию высоких температур, но, как и аналогичный французский сплав AU2GN, имеет пониженную вязкость разрушения и склонен к появлению усталостных трещин и их быстрому распространению. Поэтому при создании конструкции требовалась особая предосторожность, что, кстати, было учтено при строительстве "Конкорда". Как только для Ту-144 была принята технологическая концепция изготовления больших монолитных фрагментов конструкции из огромных плит, самолет был обречен. Гигантские усилия, направленные на обгон "Конкордов", ожидал крах. Вместо безопасно повреждаемой конструкции был создан ее антипод - опасно повреждаемая конструкция. Послесловие. В 1996 г. по контракту с НАСА Ту-144 совершил без больших перегрузок 35 полетов в качестве летающей лаборатории для уточнения некоторых параметров, необходимых для создания американского сверхзвукового пассажирского самолета нового поколения. Осенью 2000 г. один Ту-144 был продан за 500 тыс. долл. США частному музею в Германии, отправившись туда водным путем. По материалам сайта http://vivovoco.rsl.ru/

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ В АВИАРАКЕТНОЙ И ЯДЕРНОЙ ТЕХНИКЕ

Фридляндер Иосиф Наумович академик,начальник научно-исследовательского отделения ГНЦ РФ "ВНИИ авиационных материалов". Из выступления на заседании Президиума РАН ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 74, № 12 стр. 1076-1081 2004г. История алюминиевых авиационных сплавов ведет начало с 1911г., когда в Германии Альфред Вильм установил, что если алюминиевый сплав, содержащий 4% меди и 0.5% магния, закалить и оставить вылеживаться на воздухе, его прочность существенно повысится. Этот процесс получил название "старения", хотя было бы правильнее назвать его "возмужанием". Как было выяснено в дальнейшем, при старении атомы меди группируются в  мельчайшие зоны, число которых - миллионы. Атомы меди имеют меньший диаметр, чем атомы алюминия, поэтому возникает напряжение сжатия и прочность повышается. Сплав Вильма, который впервые был освоен в Германии на заводах "Дюрал-металлверке", получил название "дуралюмин". Впоследствии американцы, повысив содержаниев нем магния до 1.5%, создали очень хороший сплав 2024. И поныне он широкоприменяется в разных модификациях. Летающие крепости.  Еще в годы Второй мировой войны мы смогли детально ознакомиться со сплавом 2024. В конце войны на советский Дальний Восток залетели американские бомбардировщики Б-29, подбитые японцами. В то время мы были союзниками США, но Сталин, ничего не сообщив США, издал распоряжение: точно воспроизвести Б-29, любое изменение могло вноситься лишь с его разрешения. Один самолет был разделен на отдельные узлы в конструкторских бюро Ильюшина и Туполева, мы во Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ) изучили свойства и структуру сплава 2024, составили технические условия его производства, отвечающие американским требованиям. Трудностей с воспроизведением самолета Б-29 было очень много, особенно с получением плит длиной 30 м для крыльев. Дело в том, что большие плоские слитки, отливаемые непрерывным методом с резким охлаждением водой, в процессе литья иногда разрывались от термических напряжений, и куски весом в несколько сот килограммов разлетались на много метров. Литье слитков все же было освоено, производство налажено. Советские металлурги и конструкторы сумели в короткие сроки изготовить 850 самолетов Ту-4, полностью копировавших Б-29 и получивших название "летающие крепости". Такие темпы в начале XXI в. не достижимы в России. На Семипалатинском полигоне с одного из этих самолетов в 1949г. была сброшена атомная бомба, положившая конец ядерной монополии США. Пикирующий бомбардировщик Ту-16.  Было известно, что если ввести в алюминиевый сплав цинк, то есть базироваться на четверной системе "алюминий-цинк-магний-медь", то можно существенно улучшить свойства сплава. В своей докторской диссертации я изучил четверную систему "алюминий-цинк-магний-медь" и установил ее фундаментальные закономерности. При определенном соотношении цинка и магния увеличение содержания меди в сплаве приводило к тому, что одновременно повышались прочность, пластичность, коррозионная стойкость и вязкость разрушения. Вот на этом основании мы смогли создать группу очень хороших высокопрочных алюминиевых сплавов - В95, В96ц3 и особо прочный В96ц. Звонок от Андрея Николаевича Туполева, разговор в его обычной манере: -Слушай, ты наверняка бьешь баклуши вместо того, чтобы работать. Давай, приходи ко мне. - Слушаюсь, Андрей Николаевич, через десять минут буду. ВИАМ и КБ Туполева расположены на улице Радио. В маленьком кабинете Туполева собрались прочнисты, конструкторы, технологи, сам он - в старой, замызганной спецовке. - Ну, рассказывай, какой у тебя высокопрочный сплав. - Помилуйте, Андрей Николаевич, я уже три раза докладывал. - Ну, давай в четвертый раз. Я начал описывать преимущества В95. Он меня прервал: - Ну, ладно, весь Ту-16 переводим на В95. "Вот тебе, бабушка, и Юрьев день" - огромный самолет, идущий в серию на Казанском авиационном заводе, и весь из нашего сплава В95. Только позже я узнал причину такого решения: Ту-16 не прошел испытания на прочность, поэтому надо было либо переделывать все чертежи - огромная работа, либо перейти на высокопрочный и сплав. Туполев выбрал второй вариант. Сначала производство самолета на Казанском заводе шло хорошо, но потом был выявлен массовый брак на листах из В95. Звонок министра. Мне указание отправиться на Каменск-Уральский завод, где делают эти листы, и не выезжать оттуда до тех пор, пока брак не будет полностью ликвидирован. Оказалось, что появление трещин связано с процессом отливки слитков, но долгое время не удавалось найти решение, как их ликвидировать. Со мной для подбодрения послали агента НКВД. Он, молодой парень, говорит: "Мне жена каждый день звонит, спрашивает, когда я вернусь в Москву. Признайся, что ты враг народа, и я уеду, ну а ты отправишься, сам знаешь, куда - на Север". В конце концов все трудности удалось преодолеть, и пикирующие бомбардировщики Ту-16 пошли в большую серию. Кстати сказать, эти бомбардировщики все еще в строю, защищают нашу Родину от .противников. Недавно по просьбе Министерства обороны мы продлили на десять лет срок их эксплуатации. После истории с Ту-16 все самолеты КБ Туполева делались из сплава В95, в том числе стратегический бомбардировщик Ту-95 (1955). И современные самолеты - Ту-204, Ту-334 - изготавливают тоже из наших сплавов В95 и 1163. Исключение составляет самолет Ту-160, на котором министр обороны недавно совершил полет через всю страну. У этого самолета единственная задача: перелететь через океан, сбросить ядерную бомбу и удирать с максимальной скоростью. Скорость его полета 2200 км/час. При такой сверхзвуковой скорости обшивка самолета нагревается до 120-140 °С, поэтому для него мы рекомендовали жаропрочный сплав АК4-1. "Антей". В 1950-х годах возникла проблема создания мощного военно-транспортного самолета Ан-22 ("Антей"). Все его силовые узлы должны были делаться в виде больших штамповок. Обычно штамповки закаливают в холодную воду, что обеспечивает высокую скорость охлаждения и высокую прочность. Но для очень больших штамповок "Антея" поводки оказывались таких размеров, что эти штамповки невозможно было механически обрабатывать. Требовался сплав, который при закалке в горячую воду уменьшил бы скорости охлаждения и поводок, не теряя прочности. Мы создали такой высокопрочный оригинальный сплав В93 и из него сделали все большие штамповки и детали. Силовой каркас из сплава В93 демонстрировался на авиасалоне в Ле Бурже в 1965. В качестве легирующей добавки в нем, вместо традиционно применяемых циркония или марганца, мы использовали обычно ограничиваемое железо, что и позволило осуществлять закалку в горячую воду. Что касается "Антея", то он прошел несколько необычных испытаний - полеты в Афганистан, Прагу, Будапешт с грузом порядка 100 т.По аналогии с Ан-22 построены современные транспортные самолеты "Мрия"и "Руслан". Они также сделаны из сплава В93. Максимальная их нагрузка 200 т, при которой они могут совершать полеты на расстояние до 4500 км. "Мрия"и "Руслан" - ныне монопольные перевозчики грузов на межконтинентальные расстояния, недавно они перевозили из Европы в Австралию блок атомной электростанции. Истребители МиГ-23. В 1973г. были запущены в серию изготовленные из сплава В95 мощные истребители МиГ-23. Но при испытаниях в двух летных школах произошли отрывы крыльев. Правительственная комиссия во главе с генерал-полковником авиации И.И. Пстыгой обратила внимание разработчиков на большие перегрузки, которые испытывает самолет при крутых виражах в боевых условиях. В ходе испытаний, проведенных в Центральном аэрогидродинамическом институте, удалось установить, что вредные примеси железа и кремния сильно снижают конструктивную прочность крыльев. Учитывая это, мы создали сплав В95 повышенной чистоты - В95пч. Его применение обеспечило надежность истребителей. Всего выпущено 16 тыс. МиГ-23 из сплава В95пч, катастроф не было. В истребителе пятого поколения фирмы КБ Сухого предполагается использовать наш сверхпрочный сплав В96ц3. Мы рассчитываем, что этот истребитель будет не хуже американского истребителя пятого поколения. Гидросамолеты и аэробусы. Очень модный сейчас гидросамолет Бе-200 фирмы Г.М.Бериева, предназначенный для тушения пожаров, построен целиком из нашего алюминиево-литиевого сплава 1441. У нас имеются международные патенты и соглашения о покупке лицензий на этот сплав в Англии и США. Первыми высказали желание приобрести Бе-200 китайцы. Но после недавних лесных пожаров в Европе и Австралии круг заказчиков значительно расширился. Именно это и подвигло Европейскую авиационную фирму (EADS) приобщиться к продвижению самолета на мировой рынок, сулящему неплохие дивиденды. Реальный рынок Бе-200 оценивается в 7 млрд. долл. В 2006г. должен войти в эксплуатацию европейский аэробус А-380, вмещающий 555 человек. Фирма "Эрбас" имеет уже 135 заказов на аэробус VIP-класса с водным бассейном, теннисными площадками, отдельными каютами для пассажиров. В этом самолете широко применены наши сплавы, в частности узел крепления крыла к центроплану сделан из сплава 1933 на Самарском металлургическом заводе. С появлением такого самолета приходит конец концепции безопасной повреждаемости. Сейчас европейцы работают над тем, чтобы не допустить появление трещин в конструкции самолета. С этой целью фюзеляж делается не из обычных алюминиевых сплавов, а из многослойных сплавов типа ГЛЕР или наш СИАЛ, то есть берутся тонкие алюминиевые листы, между которыми прокладывается стеклоткань. В этом случае трещины не растут. Сверхскоростные атомные центрифуги. Только СССР и Россия овладели чрезвычайно эффективной центрифужной технологией обогащения урана-235. США по-прежнему обогащают уран по энергоемкой термодиффузионной технологии. Отечественные центрифуги сделаны из нашего самого прочного в мире сплава В96ц. В Новоуральске, раньше совершенно закрытом городе, крутятся многие сотни тысяч сверхскоростных атомных центрифуг, а по всей России - миллионы. Ракета-носитель "Энергия". В.П.Глушко и Ю.П.Семенов доложили в свое время Политбюро ЦК КПСС, что готовы создать ракету, которая может конкурировать с американскими шаттлами. Ракета работает на жидком водороде и жидком кислороде. Центральный ее бак, заполненный жидким водородом, имеет диаметр 8м, высоту 40м, вокруг него размещены четыре бака с жидким кислородом. Для этих баков потребовался сплав, который при понижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия не только не охрупчивался бы, как это происходит со сталью, а наоборот, упрочнялся и одновременно повышалась бы его пластичность. Вот такой сплав мы и создали. Сплав 1201 системы "алюминий-медь-марганец" в результате понижения температуры упрочняется на 60%, одновременно повышается его пластичность. При создании ракеты были очень большие дискуссии, потому что некоторые институты Министерства общего машиностроения считали, что надо строить эти ракеты из менее прочного, но хорошо проверенного надежного сплава АМгб - системы "алюминий-магний", а со сплавом 1201 мы провалимся. Действительно, трудностей было много, все они преодолены, и такие ракеты строятся только из сплава 1201. "Энергия" вывела в космос орбитальный самолет "Буран", а уже в наши дни из сплава 1201 создаются на заводе им. М.В.Хруничева ракеты для отправки людей и грузов на международную космическую станцию. По материалам сайта http://vivovoco.rsl.ru/

Открытие дюралюминия

Сегодня алюминий по выплавке уверенно удерживает среди металлов второе место вслед за железом. Ни у кого нет сомнений в важности и нужности этого легкого материала. Но долгое время отношение к нему было весьма сдержанным: «Что же можно ожидать от металла, который разрушается слабыми щелочами и кислотами, в то время как едва ли существует жидкость, не содержащая несколько кислоты или щелочи и поэтому легко разрушающая прекрасную наружность алюминия или уничтожающая всю его массу. Чай, вино, пиво, кофе и все плодовые соки уничтожают алюминий, и даже пот снимает с него палитру, обращая часть металла в обыкновенный глинозем… Следовательно, алюминий сам по себе не представляет больших надежд на употребление в дело. Но вполне может быть, что он доставит пользу в виде сплавов». Это — характеристика алюминия из книги «Подвиги человеческого ума», вышедшей в 1870 году. Судя по тону изложения, кажется странным, что алюминий вообще попал в книгу с подобным названием. Однако последняя фраза оказалась пророческой… В начале 20-го века немецкий химик Альфред Вильм возглавил сектор металлургии в исследовательском институте, расположенном в пригородах Берлина. Он экспериментировал, пытаясь найти высокопрочный сплав алюминия, и в сентябре 1906 года испытывал очередной сплав, в который, помимо алюминия, входило 4% меди и по 0,5% марганца и магния. Никаких особенных оснований рассчитывать на успех не было. Прочность сплавов оценивали по измерениям твердости. В час дня в субботу твердость была измерена и составила 70 (условных единиц). После этого все сотрудники отправились проводить выходной в Берл. Немцы — люди аккуратные, и, поскольку в предвкушении отдыха измерения могли быть проведены недостаточно тщательно, в понедельник Вильм распорядился их повторить. Ко всеобщему удивлению, твердость составляла уже 100. Субботняя ошибка? Нет, так как в последующие дни твердость продолжала возрастать. Ситуация выглядела довольно странной. Представьте, что перед вами лежит кусок металла, который внешне совершенно не меняется, но по прошествии дней становится все прочнее и прочнее. Как будто внутри металла работают невидимые строители и, не торопясь, цементируют слабые места в здании кристалла... Эффект самопроизвольного упрочнения сплавов назвали старением. Ни сам Вильм, ни другие специалисты не знали, чем он вызван. Но среди алюминиевых сплавов стареющие выделялись по прочности, и это Вильм быстро использовал: рецепт сплава был запатентован. А в 1911 году немецкие промышленники уже выпустили первую партию сплава Вильма,  который нарекли дюралюминием или дуралюмином по названию города Дюрена, где развернулось его производство. Во время первой мировой войны сплав уже активно использовался — из него изготовляли детали немецких цеппелинов. Так дуралюмин предвосхитил судьбу своих более поздних собратьев — других алюминиевых сплавов. Сочетание прочности и легкости сделало их ведущим  материалом  самолетостроения.

СЕНТ-КЛЕР ДЕВИЛЬ (Sainte-Claire Deville), Анри Этьенн 11 марта 1818 г. – 1 июля 1881 г.

Французский химик Анри Этьенн Сент-Клер Девиль родился в городе Сент-Томас на Виргинских островах. В 1843 г. окончил Парижский университет, получив степень доктора медицины; несколько лет занимался научными исследованиями в собственной лаборатории. В 1845-1850 гг. был профессором химии и деканом естественнонаучного факультета университета в Безансоне. В 1851 г. Сент-Клер Девиль становится профессором химии в Высшей нормальной школе в Париже. С 1870 по 1880 г. читал лекции в Сорбонне. В 1861 г. был выбран членом Парижской Академии наук по отделению минералогии; с 1869 г. – иностранный член-корреспондент Петербургской Академии наук. В 1849 г. Сент-Клер Девиль получил азотный ангидрид (действием хлора на сухой нитрат серебра). Широкую известность ему принёс созданный им в 1854 г. промышленный способ получения алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl3 . За 36 лет его применения, с 1855 по 1890 гг., способом Сент-Клер Девиля было получено 200т металлического алюминия. В 1856 г. получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия. В 1855-1859 гг. Сент-Клер Девиль совместно с французским химиком А.Ж. Дебре разработал методы очистки сырой платины и выделения её спутников из платиновых остатков (материал и средства для этих опытов предоставило русское правительство). Сент-Клер Девиль также показал возможность плавить платину в особой известковой отражательной печи в водород-кислородном пламени и таким образом упростил производство платиновых сосудов – чашек, тиглей и пр. В 1872 г. по поручению Международной комиссии мер и весов он приготовил сплав платины с 10% иридия, из которого были изготовлены международные эталоны метра и килограмма. Наибольшую научную заслугу Сент-Клер Девиля составляет введение в теоретическую химию нового понятия о диссоциации. В 1857 г. в статье «О диссоциации, или самопроизвольном разложении веществ под влиянием тепла» Сент-Клер Девиль показал, что под влиянием температуры происходит разложение водяного пара на кислород и водород при температуре плавления платины (1750°С) и при температуре плавления серебра (950°С). В лекциях о диссоциации, прочитанных в 1864 г. перед Французским химическим обществом, Сент-Клер Девиль формулирует конечный вывод своих экспериментов: «Превращение водяных паров в смесь водорода и кислорода есть полная перемена состояния, соответствующая определенной температуре, и эта температура является постоянной при переходе из одного состояния в другое, в каком бы направлении эти перемены ни происходили». Это «явление самопроизвольного разложения воды я предлагаю назвать диссоциацией». Сент-Клер Девиль связывал химическое равновесие с двумя взаимообусловленными процессами: соединением и разложением. Он предложил также метод «закаливания» химических реакций: если очень быстро охладить какую-либо систему, в которой установилось состояние равновесия при высокой температуре, то эта система как бы застывает в том состоянии, в каком застало ее резкое охлаждение. Впоследствии Вальтер Нернст показал, что методом «закаливания» можно количественно изучать равновесие системы, установившееся при высокой температуре. Показав, что вода, хлороводород, углекислый газ и ряд других соединений при высоких температурах диссоциируют, Сент-Клер Девиль внёс большой вклад в развитие учения о химическом равновесии. «...Исследования Анри Сент-Клер Девиля, посвященные явлению диссоциации, – писал Жан Батист Дюма, – являются величайшим приобретением не только химии, но и физики. Благодаря открытию этого капитального явления (термической диссоциации – прим. авт.) он обнаружил новый путь в науке – путь сближения химических явлений с чисто физическими».         Источники: 1. Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. – М.: ВШ, 1991. 656 с. 2. Энциклопедический словарь. Брокгауз Ф.А., Ефрон И.А. В 86 тт.

Оловянная чума

В некоторых случаях полиморфное превращение  в металлах сопровождается огромным объемным эффектом, и это приводит подчас к трагическим последствиям. Яркий пример этого — превращение в олове, высокотемпературная модификация которого (белое олово) имеет удельный объем на 25 % меньший, чем низкотемпературная (серое олово). Переход белого олова в серое происходит при -13,5^оС , а очень интенсивно при -30^оС, и тогда мягкий, пластичный металл внезапно превращается в серый порошок. Серое олово очень хрупко и не может выдержать напряжений, возникающих в ходе превращения и в отличии от белого – полупроводник.

Именно это превращение послужило одной из причин гибели антарктической экспедиции Р. Скотта, покорившей 18 января 1912 г. Южный полюс. Путешественники погибли на обратном пути из-за отсутствия топлива. Сосуды с горючим прохудились, так как белое олово, которым они были пропаяны, «не выдержало мороза» и рассыпалось.
Это было непростительной небрежностью, поскольку о такой опасности в Европе знали уже двести лет назад. То, что происходило с оловом при сильных морозах, назвали «оловянной чумой», которая в свое время оставила «трактиры без ложек и мисок, а солдат без пуговиц». Современные оловянные изделия для защиты от морозов производят из олова легированного висмутом , свинцом, сурьмой.

Сплавы, упрочняемые термообработкой

Термообработка дуралюминия (дюралюминия).

Дуралюмин хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. Для закалки сплав Д1 нагревают до 495—510°С, а Д16 до 485—503°С. Нагрев до более высоких температур (превышающих неравновесный солидус), вызывает пережог, т. е. окисление и частичное оплавление металла по границе зерен, что резко снижает прочность и пластичность. При закалке дуралюмина важно обеспечить высокую скорость охлаждения, поэтому охлаждение проводят в холодной воде Даже незначительный распад твердого раствора в процессе охлаждения с выделением интерметаллидных фаз по границам зерен снижает сопротивление межкристаллитной коррозии. После закалки значительная часть фаз-упрочнителей растворяется, повышая легированность твердого раствора.

Дуралюмины после закалки подвергают естественному старению, так как при этом обеспечивается более высокая коррозионная стойкость. Естественное старение наиболее интенсивно протекает в первые сутки после закалки и практически заканчивается в течение 4—5 суток. Понижение температуры тормозит старение, а повышение ее, наоборот, увеличивает скорость процесса, но понижает пластичность и сопротивление коррозии. Однако для листов из сплава Д16 нередко применяют искусственное старение при 185—195°С. Прессованные полуфабрикаты из сплавов Д1 и Д16 прочнее, чем листы, вследствие пресс-эффекта (структурного упрочнения).

Сплавы авиаль (АВ).

Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях, хорошо свариваются и сопротивляются коррозии. Авиаль обладает высоким пределом выносливости. Упрочняющей фазой в авиале является соединение Mg₂Si.
Авиаль закаливают с 515-525°С с охлаждением в воде, а затем подвергают естественному старению (АВТ) или искусственному при 160°С 12 ч (АВТ1). Искусственное старение надо выполнять сразу после закалки. При увеличении перерыва между временем закалки и началом искусственного старения прочность сплава после старения уменьшается.
Из сплава АВ изготовляют различные полуфабрикаты: листы, трубы, и т. д., используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери и т. д., для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

Высокопрочные алюминиевые сплавы.

Прочность этих сплавов достигает 550—650МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Высокопрочные алюминиевые сплавы, кроме меди и магния, содержат цинк. Представителем высокопрочных алюминиевых сплавов является сплав В95 и более прочный В96.
Упрочняющими фазами в сплавах являются: MgZn₂, Т-фаза (Al₂Mg₃Zn₃) и S-фаза (Al₂CuMg). При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозионная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозионную стойкость. Сплавы закаливают с 465—475°С (с охлаждением в холодной или горячей воде) и подвергают искусственному старению. Режимы старения: сплава В93 — ступенчатый (120°С — 3 ч + 165°С — 4 ч); сплава В94 — ступенчатый (100°С — 3 ч + 165°С — 3 ч); сплава B95— плакированные листы — 120°С 24 ч; сплавов В95 — неплакированные полуфабрикаты, В96, В96ц — 135—145°С в течение 16 ч или ступенчатый  (120°С — 3 ч + 160°С - 3 ч). По сравнению с дуралюмином эти сплавы обладают большей чувствительностью и концентраторам напряжений и пониженной коррозионной стойкостью под напряжением. У них меньше предел выносливости и сопротивляемость повторным статическим нагрузкам. Профили из сплава В95 значительно прочнее листов. Это результатпресс-эффекта, который обусловлен присутствием в сплаве марганца и хрома.
Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Листы из сплава В95 плакируют сплавом алюминия с 0,9— 1,3% Zn для повышения коррозионной стойкости. Сплав В95 применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при 100—120°С (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны и т. д.; силовые каркасы строительных сооружений и т. д.). Сплав В96 используют в виде прессованных и кованых изделий, рекомендуется для сжатых зон конструкций или для деталей без концентраторов напряжений.

Алюминиевые сплавы для ковки и штамповки.

Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью при температурах ковки и штамповки (380—450°С) и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки. Упрочняющими фазами при старении являются Mg₂Si, S-фаза, CuAl, и W-фаза. Сплавы применяют для штамповок и поковок сложной формы, они обладают относительно невысокой коррозионной стойкостью.
Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии (подмоторные рамы, фитинги, крепежные детали, крыльчатки, и т. д.). Сплав АК8 рекомендуется для тяжело нагруженных штампованных деталей (подмоторные рамы, стыковые узлы пояса лонжеронов, лопасти винтов вертолетов, бандажи вагонов и т. д.). Сплав АК8 менее технологичен, чем АК.6.
Ковку и штамповку сплавов проводят при 450—475°С. Их подвергают закалке с 515—525°С (сплавы АК6) или с 495—505°С (АК8) с охлаждением в воде и старению при 150—165°С, 4—12 ч.

Жаропрочные сплавы.

Эти сплавы используют для деталей, работающих при температурах до 300°С (поршни, головки цилиндров, крыльчатки, лопатки и диски осевых компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов и т. д.). Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом никелем и титаном.
Фазами-упрочнителями жаропрочных сплавов являются θ-фаза (CuAl₂), Mg₂Si, S фаза (Al₂CuMg), а также Al₉FeNi и Al₆Cu₃Ni. При частичном распаде твердого раствора они выделяются в виде дисперсных частиц, устойчивых против коагуляции, что обеспечивает повышенную жаропрочность.
Высокой жаропрочностью обладает сплав Д20, используемый для деталей, длительно работающих при 250—350°С, и в виде листов для деталей, кратковременно работающих при температурах до 300 С. Повышенная жаропрочность достигается вследствие высокого содержания меди, а также марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы. Кроме того, титан задерживает процесс рекристаллизации. Сплав АК4-1 закаливают при 525—535°С, а сплав Д20 — при 535°С в воде и подвергают старению при 200—220°С.