Гума як конструкційний матеріал широко використовується в об’єктах машинобудування, в тому числі в об’єктах ракетно- космічної техніки, завдяки своїм унікальним властивостям.
Основними відмінностями гуми як конструкційного матеріалу від інших матеріалів є [1, с. 14]:
1. здатність до великих зворотних деформацій практично при постійному об’ємі;
2. порівняно невелика жорсткість при зміні форми виробу із гуми і велика — при зміні його об’єму (якщо є обмеження з усіх сторін), що дозволяє вважати гуму не стислим конструкційним матеріалом;
3. здатність поглинати і розсіювати механічну енергію;
4. низька швидкість розвитку високоеластичної деформації і велика швидкість пружної деформації. Високоеластична деформація може розвиватися в залежності від температури на протязі діб, місяців, років. З підвищенням температури вона збільшується. Пружна деформація аналогічна металевій – (5-6)10-6 с.;
5. наявність трьох видів деформації: пружної, високоеластичної і пластичної замість двох видів деформації, наприклад, в металевих матеріалах — лише пружної і пластичної тощо.
Ці унікальні властивості гуми можуть бути реалізовані в інтервалі температур, що на десятки градусів вище і нижче кімнатної температури в залежності від полімерної основи гум, тобто, від типу каучуків, на основі яких виготовлена гума та технічних властивостей компонентів гумової суміші. Тому в більшості випадків гумотехнічні вироби (ГТВ) в об’єктах ракетно-космічної техніки використовуються в зазначеному вище діапазоні температур, який знаходиться вище температури склування і нижче температури деструкції, тобто гума ГТВ знаходяться у високоеластичному стані, що наряду з іншими чинниками забезпечує останнім тривалий термін роботоздатності. Слід зазначити, що в залежності від рецептури гуми, вказаний діапазон температур роботоздатності ГТВ на її основі для кожної марки гуми різний і залежить переважно від типу каучуку.
До середини 70-х років минулого століття використовувався газодинамічний (ГД) старт ракет із ТПК, що знаходилися у шахтах [2, с. 13]. Оскільки науково-технічний прогрес не стоїть на місці і постійно знаходиться у динамічному розвитку, підвищились вимоги до конструкційних матеріалів з більш жорсткими параметрами експлуатації. Наразі постало питання використання ГТВ при підвищених температурах та визначення параметрів роботоздатності виробів із гум при екстремальних умовах їх експлуатації. Такими екстремальними умовами можуть бути: вплив підвищеної температури робочого середовища на ГТВ, що на декілька порядків вище порівняно з умовами їх тривалого зберігання, вплив пульсуючого з високою частотою тиску високотемпературних газів продуктів згоряння твердого ракетного палива, забезпечення гарантованої герметичності ракети в ТПК і її виходу при МС із ТПК після тривалого зберігання в напружено-деформованому стані ГТВ, високі радіальні зусилля від тиску газоподібних продуктів згоряння ракетного палива порохового акумулятору тиску (ПАТ) на ГТВ, а через нього на ТПК, повздовжні зусилля від сили тертя, висока вібрація всієї ракети при старті, великі ущільнювальні зазори між ракетою та ТПК тощо.
Метою даної роботи є дослідження технічних властивостей гум та встановлення можливості і доцільності їх використання для виготовлення обтюраторних манжет роботоздатних в ущільнювальних пристроях при мінометному старті ракет із ТПК в екстремальних умова.
Аналіз технічного завдання на створення ущільнювальних пристроїв для ракети 15А14 та 15А18 з МС ракетного комплексу 15П014 показав, що у порівнянні зі звичайним ГД стартом, МС має ряд переваг, які на думку автора, полягають у наступному [3, с. 97]:
1. покращуються енергетичні характеристики ракети за рахунок економії палива на борту ракети, так як вихід ракети із ТПК при старті здійснюється за допомогою енергії газів ПАТ, а не за рахунок енергії газів маршового ракетного двигуна твердого чи рідинного палива, що знаходяться на борту ракети;
2. зменшується час шкідливого впливу високотемпературних газових потоків ПАТ та маршового ракетного двигуна на пускову установку (ПУ) і саму ракету, що скорочує значні витрати на їх відновлення;
3. спрощується конструкція, зменшуються габаритні розміри ПУ, оскільки відпадає необхідність у відведенні високотемпературного газового потоку та захисту від нього обладнання ПУ.
В системах пневмогідроавтоматики [3, с. 98] широко використовуються серійні ущільнювачі для герметизації рухомих і нерухомих з’єднань, в яких кільцеві зазори не перевищують (200- 300) мкм, а габаритні розміри по діаметру не перевищують 500 мм. При цьому гуми повинні мати високу міцність, твердість, еластичність і зносостійкість при тривалих термінах експлуатації і зберігання. Для більш крупних об’єктів ущільнювальних пристроїв з гумовими ущільнювачами практично не існувало. Для нашого випадку потрібно було розробити ущільнювальний пристрій для герметизації високотемпературних газів з температурою горіння твердого ракетного палива до 30000С і вище у зазорах між ракетою і внутрішньою поверхнею ТПК, які в той період перевищували існуючі на два порядки, з діаметром ракети 3,0 м. Роботоздатних гум при таких температурах експлуатації не було на той період, вони відсутні і на поточний момент. Тому дослідження вели поетапно, а рішення приймалися після завершення чергового етапу робіт багатьох підприємств кооперації, яку очолювало Конструкторське бюро «Південне» у складі: ВО «Південний машинобудівний завод», «Павлоградський механічний завод», Дніпропетровський філіал НДІ гумової промисловості (ДФ НДІ ГП), у складі якого в той період працював автор цієї статті, Дніпропетровський шинний завод, у якого ДФ НДІ ГП орендував великогабаритне технологічне обладнання.
Для вирішення поставленої задачі потрібно було одночасно комплексно вирішувати організаційні, конструкторські, та технологічні питання. Великі габаритні розміри і висока температура продуктів згоряння ПАТ суттєво впливають на вибір гуми та її каучукової основи для виготовлення обтюраторних манжет. В основу переважної більшості всіх запланованих робіт закладалися експериментальні роботи фізичного моделювання на зразках гум і темплетів виробів.
Як було зазначено раніше головним напівфабрикатом для виготовлення ГТВ є гумова суміш, основою якої є каучук. Для вказаних умов експлуатації ГТВ, потрібно визначити, на основі якого каучуку або декількох суміщених каучуків необхідно виготовляти гумову суміш з подальшою її переробкою за спеціальною технологією у гумову обтюраторну манжету, оскільки унікального каучуку і гум для різних умов експлуатації виготовлених із них ГТВ не існує. Тим більше – для екстремальних умов експлуатації.
Зробивши аналіз технічного завдання, перспективи тривалості різних умов експлуатації та температуростійкості гум, вирішили випробувати рецептури деяких гум з широким спектром властивостей на основі чотирьох варіантів каучуків, які на нашу думку найбільш задовольняють вимоги технічного завдання з точки зору забезпечення обтюраторними манжетами умов експлуатації ущільнювальних пристроїв. Потім, провівши випробування, провести нараду та в кінцевому варіанті прийняти остаточне рішення.
Але сталося не так, як планувалося. Уже на етапі моделювання технологічності гум довелося відмовитися від гум на основі фтористих теплостійких каучуків, які виявилися в технологічному плані непридатними для виготовлення заготовок обтюраторних манжет методом екструзії через надмірну жорсткість гумових сумішей. Аналогічне моделювання здійснили, випробувавши тим же способом гумові суміші на основі хлоропренових і бутадієннітрильних каучуках. З точки зору технологічності виготовлення заготовок обтюраторних манжет методом екструзії здавалося, що роботи ідуть в правильному напрямку. Але коли почали профілі стикувати у кільцеву заготовку для обтюраторної манжети методом гарячої вулканізації виявилося, що кінці профілів мають значні відхили за розмірами, які виявилися неприйнятними через нестабільне живлення шприцмашини заготовкою гумової суміші. Хоча за зовнішньою поверхнею зразки профілів мали задовільний вигляд.
Після цього провели моделювання виготовлення отворів механічним способом на зразках профілів із гум, виготовлених на основі тих же каучуків: бутадієннітрильних і хлоропренових різних марок. В процесі моделювання виготовлення отворів виявилося, що для підвищення продуктивності праці виготовлення отворів потрібно прикладати відповідне осьове навантаження, але при цьому різальний інструмент втрачав напрямок різання гуми, як у вертикальному напрямку, так і в бокових: радіальному та коловому.
В результаті аналізу виконаних попередніх робіт на нараді учасників кооперації було прийняте рішення виготовляти манжету формовим способом з використанням спеціального технологічного оснащення за конструкторською документацією ДФ НДІ ГП в разі, якщо гумова суміш (гума) буде відповідати визначеним жорстким вимогам..
Потім провели випробування зразків профілів гум на температуростійкість в різних середовищах і при різних температурах. Зразки гум на основі бутадієннітрильних каучуків на повітрі займалися при температурах (120-130)0С через (3-5) с після підведення джерела високої температури. Загоряння і процес горіння відбувалися з високою кількістю димоутворення. При відсутності доступу кисню повітря відкрите полум’я припинялося з невеликою затримкою. Але димоутворення продовжувалося до припинення доступу кисню методом занурення зразків у воду. Це наштовхнуло на думку з можливістю використати цей ефект для забезпечення короткочасної роботоздатності ущільнювального пристрою в екстремальних умовах експлуатації.
Такі ж випробування провели на зразках гум на основі хлоропренових каучуків. На повітрі загорання зразків здійснювалося при більш високій температурі, порівняно з попередніми на (10- 20)0С та з більшою затримкою загоряння до (8-10) с. Димоутворення було більш токсичним та в більшому обсязі. Потрібні були відповідні броньовані кабіни для забезпечення більш потужної витяжної вентиляції, захисту персоналу та забезпечення оглядовими вікнами з органічного скла, вмонтованих у стінку броньованої кабіни.
Проаналізувавши попередні результати досліджень гумових зразків, вирішили розробити, відпрацювати гумову суміш на основі двох каучуків із співвідношення (50:50)%. Гумову суміш спочатку відпрацювали на вальцях 26 дюймів, а потім виготовили дослідні зразки, які знову піддали аналогічним випробуванням. Отримані результати були кращими попередніх. А тому саме із вказаної гумової суміші виготовили дослідні манжети для проведення випробувань під тиском вирізаних із них темплетів у моделях ущільнювального пристрою зі стінкою із органічного скла. Зі збільшенням у моделі тиску до 1,5 МПа площа контакту еластичного вуса манжети збільшувалася нелінійно, що пов’язано зі збільшенням жорсткості конструкції при контакті більшою площею. Отримані дані були в подальшому використані для проєктування ПАТ, корпус якого після старту ракети (виходу із шахти, в якій залишався ТПК) з залишками невеликої кількості твердого палива відділявся від ракети і в польоті участі не приймав. Враховуючи те, що діаметр манжети складає більше 3000 мм, а вулканізаційних пресів в Україні в той період з такими розмірами не було, було прийняте рішення щодо виготовлення обтюраторної манжети із окремих вулканізованих блоків, у яких отвори для кріплення манжети будуть сформовані в процесі вулканізації. На Дніпропетровському шинному заводі домовилися використовувати вулканізаційний прес з розмірами плит 1700 мм х 1650 мм та зусиллям пресування 670 т. На основі тепер уже нової гуми було запроєктоване відповідне технологічне оснащення для виготовлення великогабаритних манжет із з’єднаних між собою п’яти блоків кожна формовим багатоетапним способом зі сформованими отворами методом гарячої вулканізації. В зв’язку з цим виникла нова задача для досліджень. Кожне з’єднання – це подвійна вулканізація, а тому потрібно визначити міцність стиків та дослідити, як ця міцність зміниться з терміном часу, тобто на протязі всього гарантійного терміну експлуатації і зберігання. Крім того, для багатьох марок гум подвійна вулканізація місця стику була неприйнятна через вузьке плато вулканізації, для яких при досягненні оптимуму вулканізації з найкращими показниками технічних властивостей наступала реверсія, тобто – початок деструкції [4, с. 98]. Збільшення ширини плато вулканізації дає можливість здійснювати подвійну вулканізацію. Розроблена гума для обтюраторної манжети на основі двох каучуків складає понад 90 хвилин. Оптимум вулканізації стандартних зразків з неї складає 30 хвилин при температурі (151+/-3)0С, що означає – гуму на основі двох каучуків можна використовувати для з’єднання методом гарячої вулканізації стиків вулканізованих блоків.
По відпрацьованій технології стикування було встановлено, що когезійна міцність стиків складає 0,92-0,96 міцності гуми в середній частині блоку. Це задовільний результат. Під керівництвом автора також були проведені дослідження методів стикування вулканізованих блоків манжет зі збереженням міжцентрової відстані між отворами для кріплення до шпангоуту. В ущільнювальному пристрої обтюраторна манжета масою близько 50 кг має два ущільнювальних елемента: жорсткий вус-основу зі сформованими отворами і еластичний вус гнучкий. З допомогою отворів жорсткого вуса-основи манжета кріпиться до шпангоута ракети з допомогою піроболтів, а еластичний вус, деформуючись в процесі установлення ракети в ТПК, взаємодіє з внутрішньою поверхнею ТПК. При старті ракети обидва вуси притискуються газами продуктів згоряння ПАТ: жорсткий — до шпангоута ракети, а еластичний — до внутрішньої поверхні ТПК, забезпечуючи рух ракети та її герметичність всередині ТПК. На виготовлених дослідних зразках обтюраторних манжет були проведені так звані кидкові випробування [5, с. 66]. Після деяких доробок обтюраторні манжети забезпечили всі вимоги роботоздатності ущільнювальних пристроїв ракет 15А14 та 15А18, які після зняття штатних головних частин були перекомпановані у ракету «Дніпро» з супутниками на борту, старт якої показано на фото.
Фотографія мінометного старту ракети «Дніпро»
Бібліографічні посилання.
1. Л.Н. Юрцев, Б.Л. Бухин. Резина как конструкционный материал // Большой справочник резинщика. В двух частях. Ч. 1. Каучуки и ингредиенты / Под ред. С.В. Резниченко, Ю.Л. Морозова.- М.: ООО «Издательский центр «Техинформ» МАИ», 2012.- 744 с.; С. 14-31.
2. Игдалов И.М., Кучма Л.Д., Поляков Н.В., Шептун Ю.Д. Ракета как объект управления: Учебник / Под ред. акад. С.Н. Конюхова. –Д.: АРТ-ПРЕСС, 2004. – 544 с.
3. М.С. Хорольский, Е.И. Шевцов, О.П. Назаренко. Исторические и технические аспекты создания уплотнительных устройств для ракет с минометным стартом / Наукові читання «Дніпровська орбіта — 2018»: Збірник доповідей. – Дніпро, НЦАОМ, 2018. — С. 97 – 103;
4. Овчаров В.И., Бурмистр М.В., Смирнов А.Г. и др. Свойства резиновых смесей и резин: оценка, регулирование, стабилизация: Научн. Издание / Под общ. ред. В.И. Овчарова.- М. Изд. дом «САНТ-ТМ» -2001.-400 с.
5. Хорольский М.С. Особенности технологии изготовления крупногабаритных резиновыз и резиноармированных изделий / Геотехнічна механіка: Міжвід. Зб. наук. праць // Ін-т геотехнічної механіки України. – Дніпропетровськ, 2000.
Хорольський М.С., Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара
Джерело: Джерело: Матеріали ХХ наукових читань «Дніпровська орбіта — 2025»
Спасибо за прекрасный материал.
Розробка ракет із мінометним стартом стала проривом у світовій ракетно-космічній техніці, адже дозволила суттєво підвищити безпеку запуску, зменшити навантаження на стартові споруди та забезпечити надійність виведення ракет на траєкторію польоту.
Українські конструкторські бюро та науково-дослідні установи відіграли ключову роль у впровадженні мінометного старту, сформувавши потужні інженерні школи, здобутки яких стали основою для розвитку ракетних комплексів стратегічного та космічного призначення.
Технологія мінометного старту є не лише інженерним досягненням, а й складовою науково-технічної та історичної спадщини України, що формує національну гордість і слугує джерелом натхнення для нових поколінь учених та конструкторів.
Минометный старт – это гениальное решение для боевых ракет украинского КБ «Южное». Такой старт решает несколько проблем: сохраняет пусковую установку, увеличивает полезную нагрузку и при неудачном запуске двигателей ракета упадет рядом с ПУ.