«Энергия» - «Буран»

     Значительный градиент температур на стыках баков и каркасных отсеков потребовал решения упругопластической задачи для элементов стыка. Разработанная программа расчета упругопластических деформаций оболочечных конструкций методом конечных элементов подтверждена зачетными криогенно-теплостатическими испытаниями сборок каркасных отсеков с прилегающими частями баков, при которых подтверждена также и циклическая прочность.

     Наличие действующих значительных сил от двигателей на каркасные отсеки, от связей с параблоками и орбитальной ступенью предопределяет неоднородную структуру конструкции каркасных отсеков Расчеты базируются на методе конечных элементов. Результаты расчетов хорошо согласуются с тензометрией зачетных испытаний.

     Проведены проверки вибрационной прочности навесного оборудования и его крепления на отсеках, что позволило внести в конструкцию рад улучшений и показало достаточную вибропрочность конструкции. Испытаны панели с оборудованием и в условиях, имитирующих заданный спектр ударных ускорений с помощью тарированных зарядов взрывчатых веществ.

     Для обоснования применения композиционных материалов в некоторых элементах конструкций блока проведены экспериментальные работы по определению их работоспособности в экстремальных условиях. Исследованы, например, свойства композиции алюминий-бор в натурных полуфабрикатах при криогенных температурах.

     Характеристики основных конструкционных материалов. Авиационная и ракетно-космическая промышленность страны располагала большим ассортиментом материалов с достаточно подходящими физико-механическими свойствами - материалами, которые потенциально могли быть использованы в конструкции центрального блока. Это алюминиевые, магниевые, титановые сплавы, нержавеющие стали, композиционные и другие материалы. Для правильного выбора материала были приняты некоторые общие критерии, которые позволяли объективно оценить каждый материал и помогли сделать оптимальный выбор. В качестве основных критериев рассматривались такие факторы, как работоспособность материала в условиях работы ракеты-носителя с ее спецификой, связанной с применением жидкого водорода, надежность, которая должна быть максимальной, стоимость и масса, которые естественно должны быть минимальными.

     Минимальная стоимость готовой продукции часто не связана со стоимостью исходного материала, так как для обеспечения максимальной надежности и минимальной массы обычно требуются дополнительные затраты, которые но своему назначению направляются на создание предельно сложных и дорогих процессов, обеспечивающих получение материала с минимально допустимыми трещинами, включениями, с подтверждением качества металла, неразрушающими методами контроля. К тому же неразрушающий контроль нельзя считать абсолютным методом, дающим полную гарантию, что конструкция свободна от опасных трещин и дефектов. Они могут быть обнаружены с помощью контрольных испытаний силовым нагруженном конструкции бака -опрессовок. При микроскопических размерах дефектов, которые становятся предметом поиска в готовой конструкции, и высокой вероятности их наличия в материале, имеющем высокие характеристики, в том числе соотношение прочности к плотности металла, метод отсеивания таких баков путем проведения только контрольных испытаний может оказаться весьма дорогим.

     Возникает проблема: либо увеличить толщину металла, обладающего высоким отношением прочности к плотности, что обеспечит нормальную работу в штатных условиях и позволит проводить опрессовки при меньших напряжениях, приведенных к уровню работоспособности материала с заложенными неизбежными дефектами, либо использовать для бака другой материал, который не обеспечивает минимальную массу, зато гарантирует максимальную надежность с приемлемыми допусками на разброс характеристик при минимальной стоимости. Поиск оптимального решения этой проблемы явился сутью исследовательских и проектных изысканий при создании ракеты.

     По критерию "прочность-плотность" для криогенных баков наилучшими материалами являются: алюминиевые сплавы, содержащие медь, титановые сплавы - альфа-фазы, метастабильные виды нержавеющей стали с холодной обработкой. Если предположить, что все расчетно-проектные показатели материалов эквивалентны, что, вообще говоря, не соответствует действительности, то самый легкий бак для криогенного компонента топлива получается из титанового сплава. Однако максимально допустимый размер дефекта, т.е. критический размер при разрушающем напряжении, у титанового сплава будет ниже, чем в подобной конструкции из алюминиевого сплава. Тем более что допустимый размер дефекта будет мал, чтобы быть обнаруженным существующими доступными средствами неразрушающего контроля. То же можно сказать и про баки из нержавеющей стали с холодной обработкой. К титановым сплавам возвращались тогда, когда малая масса конструкции была первым и решающим условием.