Наука и жизнь (г.Москва)
20 июня 2007 года, N06

Тепловая защита "Бурана" началась с листа кальки

В ВИАМе уже велись разработки теплоизолирующих плит из нитевидных кристаллов тугоплавких соединений: карбида и нитрида кремния, оксида алюминия и других, - когда в НПО "Энергия" приступили к созданию космического корабля многоразового использования "Буран". О разработанной в институте высокотемпературной керамике в "Энергии" знали, поскольку там занимались не только носителем, но и самой "птичкой", как в то время называли отечественный космический челнок. Но поскольку у "птички" были крылья, то "наверху" решили передать разработку челнока авиастроителям. 12 апреля 1977 года в ВИАМе был издан приказ о создании теплозащиты для "Бурана", а к декабрю того же года И. С. Силаев, в то время заместитель министра авиационной промышленности, поставил перед институтом задачу выпустить первые сто плиток.

В лаборатории решили взять за основу не нитевидные кристаллы (очень интересные монокристаллические структуры с удельной прочностью, близкой к теоретической, но это требует отдельного подробного рассказа), а аморфные кварцевые волокна. Причина была в том, что в ощутимых объемах мы умели получать нитевидные кристаллы только оксида цинка и карбида кремния. Но главное, почему выбор пал на кварцевое волокно, - очень низкий коэффициент термического расширения: 5- 10-71 /град. Это на порядок меньше, чем у нитевидных кристаллов.

Своего производства волокна страна не имела, и первую партию закупили во Франции, где его изготовляли из бразильского сырья. И ровно через девять месяцев мы "родили" первую сотню изделий". (Позже на Урале было открыто Кыштымское месторождение жильного кварца, и из него в НПО "Стеклопластик" наладили выпуск аморфного кварцевого волокна.)

За период работы над плиткой произошло много интересного, но особенно запомнился эпизод, случившийся в самом начале. Тогда во главе новой лаборатории тугоплавких волокон и теплозащитных материалов стоял Владимир Николаевич Грибков, только что защитивший докторскую диссертацию. В один из первых дней существования лаборатории мы собрались с утра обсудить, с чего начать, какое потребуется оборудование, другие насущные проблемы. Вдруг раздается телефонный звонок. Исполняющий обязанности начальника Главного технического управления просит позвать Грибкова. Через несколько секунд побледневший начальник лаборатории положил трубку и говорит, что в четырнадцать ноль-ноль Строганов ждет нас с планировкой производственного участка получения теплозащитной плитки.

Планировка - это серьезная работа. Нужно учесть массу требований по санитарным нормам, противопожарной безопасности, электробезопасности, освещенности и т. д. Конечно, какие-то представления о том, как должен выглядеть производственный участок, у нас были, но считать себя специалистами в промышленном проектировании мы не могли.

Что делать? Беру два стула, ставлю их спинками друг к другу, снимаю со стола лист оргстекла и кладу на спинки, а внизу ставлю лампу. Спрашиваю коллег: "А какое помещение нам выделяют?" - "Да вроде соседнюю лабораторию хотят передать, но еще не решили". Ну и ладно. Кладу на оргстекло синьку с планом помещения, а сверху-кальку. Обвел контуры.

И начали импровизировать. Производство у нас чистое, значит, надо нарисовать шлюз. Там сотрудники, перед тем как войти, будут надевать халаты, специальную обувь, мыть руки. "Дальше, - советует Грибков, - нарисуй здесь квадрат, будет комната для сотрудников.

Здесь - большой круг, пусть он обозначает камеру формования плитки. (Плитку формуют так же, как бумагу, из водной пульпы, удаляя влагу под вакуумом) Тут поставим два бокса для взвешивания плитки". Вспомнили еще о дистилляторах, сушильных шкафах, печах, другом оборудовании.

Время к двенадцати. Грибков подписывает наш "проект". Но надо еще получить визы руководства. Начальник в командировке, главного инженера нет на месте. В тот момент за начальника в институте был его заместитель Николай Митрофанович Скляров. Объясняем ему, что так, мол, и так, в четырнадцать должны быть в главке с проектом планировки. "А что это за помещение?" - спрашивает. "Да вот там, через коридор". - "Ну, ладно, - говорит, - давайте. Все равно там будут менять тематику. Пусть ваше будет". К Строганову успели вовремя. Он внимательно изучил нашу кальку, расспросил о технологии получения плитки. Ответами остался доволен (по крайней мере, нам так показалось) и утвердил планировку.

Конечно, это была в значительной степени авантюра, даже эдакая наглость. План потом исправляли и дорабатывали, хотя основа его осталась неизменной, а "Буран" прошел испытания и слетал в космос защищенный нашей плиткой.

Доктор технических наук Б. ЩЕТАНОВ, начальник научно-исследовательского отделения ВИАМа.

Космические технологии в электротермии

В 1970-х годах при создании отечественного многоразового космического корабля "Буран" в ВИАМе была разработана технология изготовления теплозащитной керамической плитки с наполнением из аморфного кварцевого волокна. Новому материалу присвоили марку ТЗМК (теплозащитный материал кварцевый). Он обладает удивительными свойствами: очень легок (его плотность 0,15 г/см3, что почти в семь раз меньше, чем у воды) и имеет очень низкий коэффициент теплопроводности (почти как у неподвижного воздуха, который обладает прекрасными теплоизоляционными характеристиками).

Благодаря этому ТЗМК нашел "земное" применение в качестве футеровки, то есть внутренней облицовки электропечей. Высокие теплоизоляционные свойства позволяли делать футеровку тонкой, а значит, при тех же габаритах печи получить значительно большие рабочий объем и площадь пода. Низкая плотность обеспечивает быстрый выход печи на рабочий режим, поскольку требуется меньше энергии на ее разогрев.

Однако если в рабочей зоне печи присутствуют щелочные или щелочноземельные металлы, то кварцевый теплозащитный материал не может длительно выдерживать температуры выше 1000 гр. С, поскольку аморфные волокна начинают кристаллизоваться и разрушаются.

Специалисты ВИАМа нашли выход, заменив кварцевое волокно (SiO3) корундовым (А12О3), и получили материал ТЗМК-1700 (теплозащитный материал керамический с рабочей температурой 1700 гр. С). По сравнению с печами, футерованными традиционными материалами, печи ВИАМа имеют в 2 раза более высокую площадь пода, они в 4,5 раза легче и в 4 раза быстрее выходят на рабочий режим. При этом позволяют сэкономить до 30- 40% потребляемой электроэнергии.

Переход на: