Применение полимерных композиционных материалов в отечественном военном судостроении

В статье рассмотрен вопрос применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) в строительстве отечественных военных кораблей. Показаны преимущества композитов над традиционными материалами. Обобщено многообразие сфер применения ПКМ в военном судостроении. Отражены наиболее распространенные конструктивные решения.

Ключевые слова: применение, полимерные композиционные материалы, стеклопластик, судостроение, подводная лодка, судовые конструкции.

Развитие мировой экономики, промышленности, техники немыслимо без применения полимерных композитных материалов (ПКМ). Эволюция материалов основа технического прогресса, традиционные массивы и сплавы выработали свой ресурс они больше не справляются с запросами архитекторов, инженеров, конструкторов. Современные ПКМ дали людям новые возможности, благодаря своим уникальным свойствам.

Применение полимерных композиционных материалов в судовом машиностроений позволяет успешно решать такие важные проблемы, как снижение массы, повышение скоростей движения и топливной эффективности, повышение долговечности и надежности, экономии дефицитных цветных материалов, повышение производительности труда, снижение трудоемкости изготовления и эксплуатационных расходов. Объем производства и потребления полимерных материалов увеличивается с каждым годом. Наряду с ростом объема производства полимерных материалов с каждым годом увеличивается их ассортимент.

К преимуществам ПКМ по сравнению с традиционными для судостроения металлами относятся:

— немагнитность и радиопрозрачность;

— неподверженность гниению и коррозии;

— малая плотность при прочности в направлении армирования, сопоставимая с низколегированными сталями;

— возможность регулирования свойств материала путем варьирования структуры армирования;

— многофункциональность, достигаемая, путем введения в состав материала различных модификаторов;

— снижение эксплуатационных расходов, связанное с отсутствием коррозии и необходимости замены прокорродировавших элементов конструкции;

— высокая диссипативная способность и соответствующая высокая вибростойкость конструкции из композитных материалов на полимерной основе;

— теплоизоляционные свойства;

— возможность обеспечить безупречно выполненную наружную поверхность корпусных изделий, что особенно важно для скоростных судов;

— снижение энергоемкости производственных процессов, увеличение междокового периода;

— возможность сочетания в одной конструкции армирования различной структуры и даже природы, в частности усиление материалами повышенной прочности — высокомодульными стальными, угольными, борными волокнами.

Композиты (рисунок 1) представляют собой материалы, состоящие из двух или более компонентов: армирующих элементов и скрепляющей их матрицы. При этом предполагается, что компоненты, входящие в состав композита, должны быть хорошо совместимыми и не растворяться или иным способом не поглощать друг друга [1]. Полимерные материалы также можно отнести к композитам, поскольку кроме основного компонента — полимера в них присутствуют различные наполнители, красители и т. д.

Рис. 1. Строение композиционных материалов

Уже в 50-х годах прошлого века развитие химии и инженерии в нашей стране способствовали созданию для целей судостроения и судоремонта специальных полимерных материалов предназначенных для заполнения монтажных зазоров. Их применяли в качестве полимерных компенсаторов — полимерных выравнивающих или, как их иногда называют, пригоночных прокладок (рисунок 2). Идеологами данного метода в России считаются специалисты ЦНИИТС (нынешний АО «ЦТСС») Н. К. Неделин и П. М. Сысоев, предложившие в 1954 г. это смелое решение [2].

Еще в 1938 г. в Советском Союзе под руководством профессора Б. А. Архангельского были изготовлены первые гребные винты диаметром 0,42 и 0,63 м из текстолита и текстолита, армированного листовой сталью. Однако испытания этих винтов показали, что текстолит не обладает необходимыми свойствами и не обеспечивает надежность винтов. Однако в 1960-х гг. коллективом сотрудников ЦНИИТС и ЦНИИ КМ «Прометей» были созданы эпоксиаминные стеклопластики марки СТЭТ и исследованы их свойства. Разработаны и запатентованы конструкции и технологии прессования судовых гребных винтов и деталей движителей судов на воздушной подушке из этих стеклопластиков, проведены их стендовые и натурные испытания. Организовано опытно-промышленное производство движителей из стеклопластиков. На сотнях судов были установлены и успешно эксплуатировались гребные винты (рисунок 3) из нового материала [3].

Это были одни из первых отечественных опытов успешного применения композитных материалов в судовом машиностроении.

Благодаря своим высокими диссипативными свойствам ПКМ нашли свое применение в вибропоглащающих конструкциях. Применение ПКМ позволило создать вибропоглощающую композитную промежуточную раму (рисунок 4) под судовой дизель-редукторный агрегат. В настоящее время данными рамами с повышенными диссипативными характеристиками, новизна конструкции которых подтверждена патентами РФ, комплектуются все корабли класса «корвет» [4].

Рис. 4. Композитная промежуточная рама

Для изготовления нагруженных подшипников, работающих с водяной смазкой, судов и гидротурбин, также применяются ПКМ благодаря своим антифрикционным свойствам. Углепластики на основе термореактивных полимерных связующих сочетают в себе высокую прочность, ударостойкость на уровне металлических сплавов и в отличии от металлов имеют высокую износостойкость при трении в воде. Кроме того, они сохраняют работоспособность при длительном отсутствии смазки.

Еще одна из областей судостроения, где ПКМ успешно применяются — это изготовление обтекателей гидроакустических комплексов подводных лодок (ПЛ). Научно-исследовательские работы по созданию обтекателей из стеклопластика были начаты в ЦНИИТС (нынешний АО «ЦТСС») в 1961–1962 гг. В конечном итоге был создан — принципиально новый конструкционный материал. А также разработана конструкция обтекателя ПЛ, отвечающая специфическим требованиям работы гидроакустической станции (ГАС). Решением этой задачи занимался коллектив ученых и инженерно-технических работников ЦНИИТС, ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова, ЦНИИ «Морфизприбор», ЦКБ МТ «Рубин», СПМБМ «Малахит» и ПО «Севмашпредприятие». В ходе работ было создано пять принципиально новых видов материалов и три типа конструкций обтекателей ПЛ, в том числе конструкция с трехслойной без наборной обшивкой со средним слоем из стеклосферопластика и наружными слоями из стеклопластика. Благодаря своим специфическим характеристикам новый полимерный композиционный материал стеклопластик стал вытеснять металлы в конструкциях, требующих обеспечения звукопрозрачности, немагнитности, коррозионной стойкости и соответствующей прочности, в том числе и в конструкциях обтекателей ГАС. Многолетний опыт эксплуатации обтекателей из стеклопластика (рисунок 5) показал надежность и подтвердил правильность принятых научно-технических решений при их разработке и внедрении [5].

Рис. 5. Обтекатель ГАС из стеклопластика

Первым в мировой практике кораблем противоминной обороны (ПМО) с корпусом из композиционного конструкционного стеклопластика стал тральщик пр. 1252, шифр «Изумруд», построенный на Средне Невском судостроительном заводе [6]. Он был спущен на воду в 1964г., и имел водоизмещение 320 т. За период его длительных испытаний и службы в составе ВМФ трижды заменялись главные двигатели, израсходовав отведенный им моторесурс, а внешний вид корпуса и его прочностные характеристики оставались без существенных изменений. Тем самым наглядно доказано превосходство кораблей ПМО с корпусом из конструкционного стеклопластика по сравнению с аналогичными кораблями с деревянными и металлическими корпусами.

В СССР предпринимались попытки внедрения ПКМ в конструкции надстроек, однако несмотря на очевидные преимущества ПКМ такие как меньший вес, низкая теплопроводность, лучшая огнестойкость, отсутствие коррозий и повышение скрытности корабля эти попытки имели единичный характер. Известны примеры установки надстроек из ПКМ на катера «Гриф», «Гарфуз», судно на воздушной подушке (СВП) «Зубр» (Рисунок 8), СВП «Сом». Используя мировой и отечественный опыт проектирования конструкции из ПКМ, в ОАО ЦМКБ «Алмаз» совместно с ФГУП ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» была создана трехслойная конструкция надстройки из ПКМ на корабли класса «корвет» (Рисунок 9) и отработана технология ее изготовления. Головной корабль этого проекта в 2006 г. был спущен на воду, в 2006–2007 гг. прошел комплекс испытании и передан военно-морскому флоту. Надстройка для этого корабля изготавливалась на ОАО «Средне-Невский судостроительный завод» [4]. На сегодняшний день восемь кораблей этого проекта находятся в строю, два на заводских ходовых испытаниях и семь строятся.

В настоящее время на предприятии ОАО «Средне-Невский судостроительный завод» изготавливаются военные суда с применением ПКМ: базовый тральщик проекта 12700 «Александрит» (Рисунок 10) и рейдовый тральщик проекта 10750Э, корпуса которых изготавливаются из монолитного стеклопластика (Рисунок 11) [8]. Головной корабль пр. 12700 спущен на воду в 2014г., а 2016 вошел в состав ВМФ. На сегодняшний день шесть кораблей этого проекта находятся в строю, один на заводских ходовых испытаниях и три строятся.

Другой областью применения ПКМ стало приборостроение, в настоящее время они используются для изготовления корпусов приборов различного назначения, антенных обтекателей радиолокационных станции (РЛС), опорных и палочных изоляторов, деталей электроразъединения, позволяющих исключить или снизить коррозию корпусных конструкции, состоящих из разнородных металлов. Замена металлических верхнепалубных устройств и элементов корпусного насыщения судов на эпоксидные стеклопластики позволяет устранить неуправляемые электромагнитные помехи, снижающие качество связи и радиолокации.

Заключение

Таким образом, в настоящей статье изложены основные итоги комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по применению полимерных композитных материалов в отечественном военном судостроении.

Литература:

1. Полимерные композиционные материалы (часть 1) [Текст]: учеб. Пособ. / Л. И. Бондалетова, В. Г. Бондалетов; Томский политехнический ун-т. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. — 118 с.
2. Калеминцев, И. В. Внедрение технологий монтажа судового оборудования и изделий с применением композитных полимерных материалов: статья специалиста «Севмаш» [Текст] / И. В. Калеминцев // Судостроение: Научно-технологический и производственный журнал. — 2017. № 4. — С. 51–53.
3. Высокопрочные стеклопластики для арктического машиностроения [Текст]: / В. Е. Бахарева, А. С. Орыщенко. — Санкт-Петербург: АНО ЛА «Профессионал», 2017. -222с
4. Ярцев, Б. А. Композитные вибропоглощающие конструкции [Текст] / Б. А. Ярцев // Труды Крыловского государственного научного центра. -2019. № 2. -С. 55–68.
5. Лукьянов, Н. П. Обтекатель гидроакустического комплекса из полимерного композитного материала [Текст] / Н. П. Лукьянов // Судостроение.- 2006. № 4. — С.55–56.
6. Лукьянов, Н. П. Опыт применения композитных полимерных материалов для постройки кораблей ПМО [противоминной обороны] [Текст] / Н. П. Лукьянов // Судостроение. -2007. — № 3. — С. 19–22.
7. Булкин, А. А. Опыт эксплуатации надстройки из полимерных композиционных материалов на корабле класса «Корвет» [Текст] / А. А. Булкин и др. // Морской вестник. -2011. № 1. -С. 11–14.
8. Мелешин, М. А. Опыт применения композитных материалов в судостроении. [Текст] / М. А. Мелешин, А. Саламех, М. Алсаид // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2022. № 2. С. 44–50.