Авиация и космонавтика 2009 12 - [5]

В ходе разработки элементов программы Ту-2000 и программы криогенных самолетов были освоены многие передовые и прорывные технологические процессы, освоены перспективные материалы. В частности, освоено производство и внедрение композиционных трубопроводов, в том числе криогенных, созданы различные агрегаты систем авиационной криогенной техники (насосы, клапана и др.). Освоены технологии производства методом намотки крупногабаритных композиционных баков, в том числе и криогенных. На основе этих технологий возможно создание криогенных баков для ракетно-космической и авиационной техники с удельной массой менее 20 кг/м2. Подобные технологии позволяют изготавливать фюзеляжи самолетов из углеродного композиционного материала методом намотки с удельной массой менее 10 кг/м2. В ходе разработки программы были освоены технологии изготовления полуфабрикатов и агрегатов самолета из высокотемпературных титановых сплавов (t раб. до 600 град. С) для аэрокосмической промышленности.

Ту-2000

Общепризнано, что наиболее рациональным типом конструкции крыла для гиперзвуковых летательных аппаратов является «горячая» конструкция. «Горячая» конструкция консолей крыла (а также оперения) позволяет вообще обходиться без теплоизоляции или иметь минимальную теплозащиту (при особо сильном нагреве, как например для ВКС). Крыло являлось объектом тщательного изучения, так как оно должно нагреваться в полете до 500 - 550 0 С, обладая при этом необходимой прочностью, оставаясь легким и жестким, сохраняя необходимые геометрические обводы.

При разработке конструкции крыла гиперзвукового летательного аппарата предусматривается целый набор конструктивных решений, обеспечивающих при нагреве компенсацию температурных деформаций. Прочностной и тепловой анализ крыла показали, что наиболее подходящим конструкционным материалом крыла является жаропрочный титановый сплав. В ходе работ по Ту-2000, с распространением результатов на проекты гиперзвуковых самолетов, проводились экспериментальные работы по исследованиям формообразования гофра и гибки поясов лонжеронов, а также точечной сварки на образцах из реального материала. Для Ту-2000А был первоначально выбран никелевый сплав в качестве основного, так как это позволяло изготовить наиболее простое крыло экспериментального самолета первого этапа с максимальной скоростью полета, соответствующей М=6, вообще без теплоизоляции. Для полноразмерного ВКС этот вариант с теплоизоляцией имел, по расчетам, преимущество по массе по сравнению с конструкцией крыла из алюминиевого сплава (ВКС «Буран») и из титанового сплава. Механические и технологические свойства жаропрочного никелевого сплава были исследованы на элементарных образцах. Были изготовлены элементы конструкции гиперзвукового летательного аппарата (гофровые панели, лонжероны) с отработкой технологии штамповки, сварки, механообработки. Был изготовлен модельный кессон крыла с габаритами 2 х 1 м и проведены его теплопрочностные испытания в специальной установке. Изготовлен натурный кессон крыла ВКС размером 4x10 метров для теплопрочностных испытаний.

Никелевый сплав имел достаточную пластичность, обеспечивающую хорошую штамповку для качественного образования гофра, отличную свариваемость точечной, роликовой и аргонодуговой электросваркой без потери свойств. Однако в целом испытания сплава в реальных конструкциях дали больше отрицательных результатов. Уже при изготовлении не удалось полностью избавиться от коробления. Механические и тепловые методы правки не дали полностью положительных результатов. Кессон, выполненный из никелевого сплава сохранял геометрические размеры и выдерживал заданные нагрузки при нагреве до 700° С. Вместе с тем, при остывании верхняя обшивка кессона теряла устойчивость, появлялось коробление, что говорило о высоком уровне остаточных напряжений в конструкции, отмечались явления ползучести под нагрузкой при высоких температурах. Переход на титановый сплав позволил избавиться от многих конструктивных и технологических недостатков исходной конструкции.

К достоинствам ВКС Ту-2000 можно отнести:

минимальная удельная стоимость выведения груза на орбиту;

многоцелевое применение;

оперативность и гибкость применения, малое время реакции;

базирование на обычных аэродромах, оснащенных криогенным заправочным комплексом;

- возможность изменять плоскость орбиты, осуществлять выведение и спуск с параллаксом относительно плоскости орбиты;

- более высокая безопасность полета за счет возможности резервирования работы двигателей, системы управления самолетного типа, возможности оперативного прекращения полета и выбора альтернативных траекторий возвращения на Землю;

- возможность использования как гиперзвукового или как трансатмосферного самолета.

Основным недостатком программы Ту-2000 является высокая сложность научно-технических задач, которые необходимо решить в ходе ее выполнения. К ключевым проблемам создания Ту-2000 относятся:

- создание ШПВРД, его интеграция с другими элементами силовой установки и самолетом;

- создание конструкции с требуемым весовым совершенством, в том числе разработка и освоение производства новых высокоэффективных конструкционных, теплоизоляционных материалов и покрытий, отработка конструкции криогенных топливных баков, «горячих» конструкций планера, конструкций с активным охлаждением;