proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
К юбилею атомной отрасли
  Агентство  ПРоАтом. 20 ЛЕТ с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
Сроки строительства блоков АЭС в РФ выросли до 10 лет. Причины?
Спешка не требуется
Плохая организация на площадке
Слабый контроль со стороны Заказчика
Некачественный проект
Брак комплектующих в поставках
Другое

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
PRo Рекламу

[15/05/2017]     Применение композитных материалов в зарубежном подводном кораблестроении

В.С. Никитин, д.т.н., проф., Ген. директор ФГУП «Крыловский государственный научный центр».
В.Н. Половинкин, д.т.н, проф., заслуж. деятель науки РФ, советник ген.директора ФГУП «Крыловский государственный научный центр»

Использование композитов в судостроении началось значительно раньше других отраслей – с конца 1940-х гг., то есть практически с начала промышленного выпуска компонентов стеклопластика. Побудительным моментом явились эксплуатационные свойства композиционных материалов (КМ): коррозионная стойкость и простота ремонта. В дальнейшем научились использовать конструкционные преимущества КМ, такие как: высокие удельные механические характеристики, возможность их регулирования, замена нескольких деталей одной, то есть уменьшение узлов соединения, что в условиях герметичности особенно актуально.


К технологическим преимуществам можно отнести: возможность изготовления сложных форм, исключение операции покраски при введении пигмента в связующее и др. Кроме того, современные композитные конструкции морского судостроения, как правило, в 2 раза легче стальных, что позволяет примерно на 50% сократить расход топлива или увеличить грузоподъемность (водоизмещение) судна.

История применения композитных материалов в подводном кораблестроении также насчитывает более 50 лет. Впервые стеклопластик был применен в США в 1954 г. в рамках программы по увеличению сроков эксплуатации подводных кораблей. В качестве эксперимента на подводной лодке (ПЛ) USS Halfbeak (SS-352) (типа «Balao») было установлено ограждение выдвижных устройств (ОВУ) из стеклопластика. Затем этот материал получил распространение во Франции, Великобритании, Германии, Швеции, Испании, Японии.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/73/USStoro.jpg

Рис. 1. Американская ПЛ типа «Balao»

Сегодня практически все ведущие страны мира включили композиты в национальные перечни «критических технологий». Широкое использование КМ в подводном кораблестроении в первую очередь обосновывается их уникальными достоинствами, к которым специалисты, как правило, относят:

· малый удельный вес при относительно высокой прочности;

· сравнительно невысокая стоимость;

· коррозионная стойкость;

· немагнитность;

· возможность получать материал с требуемыми характеристиками, например, с заданными акустическим свойствами и др.

Коррозионная стойкость – несомненное преимущество композитов перед сталью в морской воде. Не меньшее значение для военного кораблестроения имеет возможность снижения магнитной, радарной и инфракрасной сигнатур, а также улучшенные характеристики тепло- и звукоизоляции конструкций из КМ.

Именно высокая прочность КМ, коррозионная стойкость наряду с их универсальными акустическими и немагнитными свойствами и предопределяет их столь широкое распространение в подводном кораблестроении.

Акустические характеристики КМ

Основной акустической характеристикой, которая определяет рассеяние колебательной энергии (вибрации) в материале, является коэффициент потерь η. Коэффициент потерь показывает, какая часть энергии вибрации переходит в тепловую энергию и безвозвратно рассеивается, не преобразовываясь в шум. Для обычных недемпфированных металлов коэффициент потерь достигает значений от 0.001 до 0.005. Максимально теоретически возможная величина коэффициента потерь равна 1.0, но в реальных конструкциях из металлов без применения вибропоглощающих покрытий величина коэффициента потерь может иметь значение от 0.005 до 0.05. Для наиболее распространенных в подводном кораблестроении КМ коэффициент потерь в конструкциях может достигать 0,2 и более. Процесс затухания колебаний в металлах и КМ показан на рис. 2.

Рис. 2. Процесс затухания колебательной энергии в КМ и металлах

 

Конструктивные элементы из КМ

В начале 1960 г. объектом, для которого в США в первую очередь предлагалость использовать КМ, были обтекатели акустических антенн ПЛ и обтекатели выдвижных устройств. Основной причиной внедрения такого решения является акустическая прозрачность стеклопластика. С этого момента обтекатели акустических антенн всех зарубежных ПЛ, включая атомные многоцелевые и стратегические подводные корабли, выполняются только из КМ. На рис. 3 приведен вид сбоку носового обтекателя ПЛА «Virginia». На этой ПЛА установлен стеклопластиковый носовой обтекатель без ребер жесткости длиной 6 м, опорным диаметром 8 м и массой около 25 т. Для ПЛА типа «Virginia» компания Seeman Composites Inc изготавливает несколько крупных конструктивных элементов из КМ. Самый масштабный – это комплекс бортовой антенны LWWAA, состоящий из трех частей: двух боковых обтекателей и центральной части – обтекателя и фундамента-пластины (рис. 4).

Рис.3. Носовой обтекатель ПЛА «Virginia»

1- носовой обтекатель; 2- обтекатель «подбородочной» антенны

 

Рис. 4. Гидроакустическая антенна LWWAA

1 - центральная часть; 2 – боковые обтекатели; 3 - отверстия для крепежных элементов; 4- внутренние крепежные фундаменты; 5- крепежные элементы

Крупнейшими в мире носовыми обтекателями, выполненными из КМ, являются обтекатели ПЛАРБ типа «Ohio», имеющие опорный диаметр 10,3 м, длину 7,8 м и массу 20 т. Носовые обтекатели ПЛА и ПЛАРБ ВМС США с 2001 г. поставляет компания Goodrich. Ею разработана система материалов типа RHO-COR, представляющая собой комбинацию из синтетического каучука с улучшенными акустическим свойствами и стеклопластика с увеличенной прочностью на основе препрегов E-glass, а также технология изготовления обтекателей VARTM.

Уже в 1950–е гг. в США были развернуты первые работы по изготовлению из КМ отдельных элементов конструкций надстроек и ограждений выдвижных устройств (ОВУ) перспективных ПЛ. Процесс внедрения композитов за рубежом развивался очень динамично, и уже к началу 1990 г. изготовление многих эелементов ПЛ из КМ стало для зарубежного подводного кораблестроения типовым безальтернативным решением. Сегодня США и Европа применяют, соответственно, в 20 и 10 раз больше композитов в военном кораблестроении, чем Россия.

В настоящее время спектр применения КМ в зарубежном подводном кораблестроении чрезвычайно широк. Из КМ изготавливаются элементы надстроек, обтекатели акустических антенн, рули, стабилизаторы, гребные винты, фрагменты линий валов, ракетные шахты, обтекатели подъемно-мачтовых устройств, емкости для хранения сжатого воздуха, конструкции отдельных корабельных боевых и технических средств и т.д.

Технологии, применяемые при производстве полимерных КМ и конструкций

За это время были отработаны как высокоэффективные технологии создания конструкций из этих материалов, так и производственные технологии крепления пластиковых конструкций с металлическими конструкциями на различных проектах подводных лодок (ПЛ). Спектр технологий, применяемых при производстве полимерных КМ и конструкций, показан на рис. 5.

http://www.proatom.ru/img14/v_polovinkin_11.jpg

Рис. 5. Технологии, применяемые при производстве полимерных КМ

В зависимости от требуемой формы конструкции, её геометрии и размерных характеристик в зарубежном подводном кораблестроении чаще всего применяются следующие методы получения композитных материалов и конструкций:

· автоклавное изготовление (впервые применено в конце 1960 гг. при изготовлении носовых обтекателей серии ПЛА типа «Sturgen» Эта же технология использовалась позже, при постройке серии ПЛА типа «Los Angeles»);

· струйное нанесение;

· RFL, resin film infusion – инфузия смолы, находящейся в пленочном виде;

· RTM, resin trannsfer molding – подача смолы под давлением, в том числе с созданием вакуума (VARTM, vacuum assisted RTM);

· намотка (для осесимметричных конструкций);

· пултрузия – изготовление профильных изделий путем протягивания через профильные отверстия (для конструкций, имеющих постоянное поперечное сечение) и др.

На рис. 6-8 представлены наиболее распространенные способы соединения композитных и металлических конструкций, которые применяются в подводном кораблестроении.

 

Рис. 6. Способы соединения композитных и металлических конструкций:

А - механический способ;

Б - физико-химический способ;

1- крепежный элемент; 2- зажим между слоями; 3 - конструкция типа «сэндвич»;

4 - клеевое соединение; 5 - металлическая вставка.

 

Рис. 7. Способ стыковки кромок стеклопластиковых секций при помощи накладной планки: 1 – стеклопластиковые секции надстройки; 2 – упорная, крепежная рама; 3 – соединительный элемент; 4- накладная планка; 5- крепежный элемент.

На зарубежных ПЛ в качестве крепежных элементов для соединения секций из КМ и опорных металлических конструкций в последнее время в основном используются вытяжные заклепки. Для их установки применяется специальный инструмент, например, «пистолет». Но используются и традиционные болтовые и клеевые соединения. На рис. 8 приведены схемы вытяжных заклепок и процесс их установки.

 

Рис.8. Схемы вытяжных заклепок и процесса их установки: 1 - головка сердечника; 2 - сердечник; 3 - втулка заклепки; 4 - буртик заклепки; 5 - склепанные материалы; 6 - толщина материалов; 7 - точка излома; 8 - оторванный стержень; 9 - зажимные канавки; 10 - удерживающие канавки

Структура и состав композиционных материалов

Композиционные материалы, применяемыемые в подводном кораблестроении, – это, прежде всего, многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы - матрицы, армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ в КМ приводит к созданию принципиально нового материала, эксплуатационные свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя составом матрицы и наполнителя, их соотношениями, ориентацией наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам, и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

В зависимости от материала матрицы композиционные материалы можно разделить на следующие группы:

· композиции с металлической матрицей – металлические композиционные материалы;

· с полимерной матрицей – полимерные композиционные материалы;

· с резиновой матрицей – резиновые композиционные материалы;

· с керамической матрицей – керамические композиционные материалы и др.

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одними из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Наиболее распространенные матрицы предсталены на рис. 9.

Рис. 9. Типы матриц кораблестроительных КМ

В качестве армирующих наполнителей для композитов, применяемых в военном кораблестроении, могут быть использованы следующие виды волокнистых наполнителей: стекловолокно, углеволокно, арамидное волокно, базальтовое волокно, полимерное волокно, натуральное волокно и другие виды волокон. Наиболее распространенными типами армирующих волокон являются стеклянные, углеродные, арамидные волокна (кевлар).

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d ≈ 10÷10 3 ; и с непрерывным волокном, в которых l/d=∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон составляет от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Характеристики отдельных армирующих материалов представлены на рис. 10.

Рис. 10. Характеристики отдельных армирующих материалов

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. КМ по структуре армирования могут быть как состоящими из однородных слоев волокон, так и многослойными. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают требуемые механические характеристики материала, например, прочность, жесткость и т.д. При этом матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической окружающей стреды.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Следовательно характеристики создаваемого изделия и его эксплуатационных свойств в первую очередь зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения. Механические свойства и другие эксплуатационные характеристики КМ зависят от свойств слоя волокон, поверхностного взаимосдействия слоя волокон и смолы, количества слоев волокон в соединении, а также от ориентации слоев волокон в соединении.

Важно подчеркнуть, что физико-механические свойства КМ в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления могут изменяться в широких пределах. В результате этого открывается уникальная возможность конструирования материалов с заданными свойствами.

По типу арматуры и ее ориентации композиционные материалы подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные. Изотропные композиционные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях. К этой группе относят композиционные материалы с порошкообразными наполнителями. У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмернонаправленные. В последнее время находят широкое применение так называемые гибридные композиционные материалы, содержащие в своем составе три и более компонентов. По способу получения металлические композиционные материалы делят на литейные и деформируемые, полимерные и резиновые КМ, на литейные и прессованные. По назначению композиционные материалы разделяют на общеконструкционные, термостойкие, пористые, фрикционные и антифрикционные.

Примеры ориентации различных наполнителей в полимерных КМ, формирование сэндвич-панелей, классификация комбинированных КМ по видам и расположению компонентов, а также по схемам армирования приведены на рис. 11-13.

http://ic3.static.km.ru/img/50341~014.jpg

Рис. 11. Примеры ориентации различных наполнителоей в полименых КМ, схемы армирования и формирование сэндвич-панелей

http://www.proatom.ru/img14/v_polovinkin_t1.jpg

Рис. 12. Классификация комбинированных материалов по видам и расположению компонентов

http://www.proatom.ru/img14/v_polovinkin_t2.jpg

Рис. 13. Классификация комбинированных КМ по схемам армирования

Стеклопластики

Таким образом, в зарубежном подводном кораблестроении применяются многие из приведенных типов КМ. В максимальной степени получили распространение стеклопластики, реже углепластики на основе пара-арамида (кевлара). Стеклопластики и углепластики – это полимерные композиты, в качестве компаунда в которых чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы, так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол), а в качестве армирующего наполнителя для стеклопластиков используют стеклянные волокна, для углепластиков – углеродные волокна. Смола, как пластичная основа, обладает невысокими прочностными характеристиками, но она способна принимать любую форму. Соединение пластичной основы и ткани, либо отдельных волокон, способствует созданию КМ, обладающего требуемыми прочностными характеристиками. В табл. 1 представлены характеристики стеклопластиков на основе различных смол.

Табл. 1 Характеристики стеклопластиков на основе различных смол

http://konspekta.net/studopediaorg/baza11/991897749068.files/image013.jpg

Широкое использование стеклопластика, особенно при созданиий элементов надстроек ПЛ и ОВУ, определяется следующими факторами:

· коррозионная стойкость стеклопластиковых конструкций значительно выше, чем у стальных. Они не требуют защиты от коррозии, что существенно снижает стоимость жизненного цикла перспективных ПЛ. Например, по данным фирм HDW, Kockums и др. стоимость технического обслуживания конструкций из стеклопластика в 6-10 раз ниже стоимости обслуживания таких же конструкций из стали. Композитные конструкции также имеют больший срок службы (свыше 40 лет);

· масса стеклопластиковых конструкций заметно меньше, чем стальных, что положительно влияет на увеличение массы полезной нагрузки корабля;

· стеклопалстик не создает магнитного поля, что положительно влияет на скрытность подводных кораблей по магнитному полю, особенно в верхней полусфере;

· стеклопластиковые конструкции имеют большой коэффициент внутренних потерь и менее подвержены возбуждению под воздействием набегающего потока (эти материалы, например, меньше излучают энергию в низкочастотном диапазоне);

· многослойные стеклопластиковые конструкции при соответствующем подборе наполнителя могут эффективно поглощать излучение гидролокаторов, что, в принципе, позволяет отказаться от нанесения противолокационного покрытия на надстройку и ОВУ;

· КМ позволяют сравнительно легко и технологично создавать конструкции с плавными обводами, что улучшает обтекание и способствует как снижению шумности, так и снижению сопротивления движению.

Модель ОВУ для модификации ПЛА типа «Virginia»

В качестве примера последней позиции на рис. 14 приведена физическая модель ОВУ, отрабатываемая на американской крупномасштабной самоходной модели «Kokanee» для модификации перспективной ПЛА типа «Virginia» очередной подсерии.

Рис. 14. Физическая модел ОВУ

 

В рамках проекта «Advanced Sail» («Усовершенствованный обтекатель рубки») в США разработана новая конструкция ОВУ, которая будет установлена на ПЛА типа «Virginia» четвертой подсерии Block IV SSN 792– SSN 801 (ввод в состав ВМС в 2020 – 2024 гг.). Конструкторами планируется создание ОВУ увеличенного объёма «лимузинного» типа, подобное по форме ОВУ, применяемому на отечественных ПЛА разработки ОАО «СПМБ «Малахит», но выполненное из композитных материалов.

В процессе исследований и разработок проводились оценки различных возможных вариантов конструкции, при этом в целях сокращения временных и финансовых затрат был использован вычислительный аппарат теории динамики жидкости. Была создана постоянная широкомасштабная база данных, содержащая результаты расчетов и измерений, выполнен большой объем модельных испытаний. Выбранная конструкция получила обозначение AS 98. Конструкция AS 98 была изготовлена из КМ в масштабе 1:4 и установлена на крупномасштабной (1:4) модели «Kokanee» ПЛА типа «Seawolf».

Наиболее широко КМ в ВМС США стали использоваться, начиная с ПЛА типа «Virginia». Кроме традиционно изготовляемого из КМ обтекателя носовой оконечности ПЛ, в этом проекте были разработаны технологии изготовления из КМ носового обтекателя ОВУ, кормового конического обтекателя мортиры вала, крыльчатки центробежного циркуляционного насоса, устройства РКП, обтекателя ГПБА, крышек лючков ОВУ, решеток забортных отверстий и циркуляционной трассы, а также монтажных конструкций двоякой кривизны для ГА датчиков широкоапертурной антенны LWWAA (рис. 15, 16).

http://www.fea.ru/spaw2/uploads/images2/News_Fea%20Kvasova/Virginia%20composites_1.jpg

 

Рис. 15. Композитные элементы подводных лодок типа «Virginia»

Впервые конический обтекатель мортиры гребного вала из КМ был установлен на ПЛА «Mississippi» SSN 782 типа «Virginia» (9-я АПЛ серии, введена в состав флота 02.06.12). На рис. 17 показан композиционный обтекатель ОВУ ПЛА типа «Virginia», предназначенный для уменьшения интенсивности подпорного вихря. Такой обтекатель также впервые был установлен на ПЛА «Mississippi». Обтекатель представляет собой цельную конструкцию с параболическими обводами двоякой кривизны, которая крепится с помощью болтовых соединений к корпусу ПЛА и к носовой стенке ОВУ. Он изготавливается по комбинированной технологии объемной экструзии и вакуумной формовки.

http://www.fea.ru/spaw2/uploads/images2/News_Fea%20Kvasova/Mississippi%20SSN782.jpghttp://www.fea.ru/spaw2/uploads/images2/News_Fea%20Kvasova/Virginia%20composites_2.JPG

Рис. 16. ПЛА SSN782 «Mississippi». Композитный конус-обтекатель

Рис. 17. Композиционный обтекатель ОВУ ПЛА «Mississippi»

Подводное кораблестроение Франции

Эволюцию применения КМ можно проследить на опыте подводного кораблестроения Франции. В 1955 г. в городе Шербур был построен первый в мире цех и специализированная лаборатория для внедрения материала под названием «комплекс стекло-смола» в военное кораблестроение. По результатам выполненых исследований было принято решение о возможности использования КМ в качестве конструкционных материалов для надстроек ПЛ с конца 1960 г. Достижения французских конструкторов и технологов в этой области схематично представлено на рис. 18.

C:UsersPolovPictures2017-04-1701.jpg

Рис. 18. Эволюция применения КМ в подводном кораблестроении ВМС Франции в 1960-1980 гг.: 1 - ПЛ типа «Daphne»; 2 – ПЛ типа «Agosta»; 3 - ПЛА типа «Rubis»; 4 - ПЛАРБ типа «Le Redoutable»

 

Остановимся на наиболее современных французских подводных кораблях, в первую очередь ПЛА типа «Rubis», ПЛАРБ типа «Le Redoutable» и ПЛ типа «Scorpene».

http://www.warships.ru/France/Submarines/S605_(02).jpg

 

Рис. 19. ПЛА типа «Rubis»

Первоначально на ПЛА «Rubis» была установлена стальная надстройка. В дальнейшем, в соответсвии с программой «улучшения тактических свойств за счет улучшения гидродинамики, обесшумливания, борьбы с распространением шума и улучшения акустического комплекса» стальные надстройки и ОВУ были заменены на пластиковые (рис. 20). На рис. 21-24 показанны основные элементы этого корабля, выполненные из КМ.

Рис. 20. Схема размещения стеклопластиковых конструкций на ПЛА «Rubis»

 

Рис. 21. Секция крыши ОВУ ПЛА типа «Rubis»

Рис. 22. Секции обшивки ОВУ ПЛА типа «Rubis»

Рис. 23. Опорные конструкции под стеклопластиковые секции надстройки

Рис. 24. Секции надстройки из КМ ПЛА типа «Rubis»

Проект французской ПЛАРБ типа «Le Redoutable» был разработан фирмой DCN в начале 1990 г. На сегодняшний день ПЛАРБ «Le Redoutable» является единственным в мире кораблем такого класса с надстройкой и ОВУ, выполненными из КМ. По заявлениям проектанта и строителя корабля, более 50% его смоченной поверхности выполнено из КМ. Общая площадь надстройки составляет 1200 м 2 . По совокупности показателей для секций надстройки и ОВУ был выбран стеклопластик, для изготовления которого использовался препрег с волокнами E-glass на полиэфирной смоле. Для изготовления секций в равной мере применяются как однослойные материалы, так и материалы типа «сэндвич». Наполнителем в материалах типа «сэндвич» является синтактик (стеклянные микросферы в эпоксидной смоле). Секции усилены стеклопластиковыми ребрами жесткости. Обшивка ОВУ выполнена из двух слоев – на стеклопластиковой обшивке закреплено противогидролокационное покрытие.

Рис. 25. ПЛАРБ типа «Le Redoutable»

 

Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛАРБ «Le Redoutable» представлена на рис. 26. Отдельные элементы стеклопластиковых конструкций корабля показаны на рис. 27-29.

Рис. 26. Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛАРБ «Le Redoutable»

 

Рис. 27. Бортовая секция надстройки из стеклопластика ПЛАРБ

типа «Le Redoutable»

Рис. 28. Монтаж центральной кормовой надстройки из стеклопластика ПЛАРБ типа «Le Redoutable»

 

 

Рис. 29. Носовой обтекатель ПЛАРБ типа «Le Redoutable»:

1- стеклопластиковый обтекатель; 2 - опорное кольцо; 3 – матрица

Значительный объем КМ внедрен французскими конструкторами и технологами на ПЛ типа «Scorpene». Это серия новейших французских подводных лодок, строящихся на экспорт, так как ВМС Франции отказались от дизель-электрических подводных лодок в пользу атомных. Эти лодки стоят на вооружении ВМС Чили и КМС Малайзии, а также строятся для Бразилии и Индии.

На базе проекта ПЛ «Scorpene» испанской компанией «Navantina» было осуществлено проектирование ПЛ типа S-80.

http://bastion-karpenko.ru/VVT/Scorpene_2013_04.jpg

Рис. 30. ПЛ типа «Scorpene»

Схема размещения стеклопластиковых конструкций на ПЛ типа «Scorpene» представлена на рис. 31.

Рис. 31. Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛ типа «Scorpene»

В проектах французских ПЛ и ПЛА композиты были впервые использованы в конструкциях кормового оперения, стабилизаторов и рулей. Опыт французов переняли немецкие конструкторы. В начале 1990 г. возможностью применения на ПЛА рулей, изготовленных из КМ, заинтересовались ВМС США. В 2002 г. ВМС Великобритании приняли решение об оснащении многоцелевых ПЛА типов «Swiftsure», «Trafalgar» и «Astute» отдельными конструкциями, выполненными из КМ.

КМ в немецком подводном кораблестроении

Впервые в практике германского подводного кораблестроения композитные материалы, например, армированный пластик FRP (Fiber Reinforced Plastics), были использованы на ПЛ типов 206 и 209 для изготовления палубы надстройки и обтекателя выдвижных устройств, а также акустически прозрачного «окна» для антенны ГАС.

Рис. 32 ПЛ проекта 206А

Проект 209 был разработан КБ IKL в 1960 г. Всего по данному проекту для 13 стран мира за 40 лет было построено свыше 60 кораблей.

http://bastion-karpenko.ru/VVT/209_01.jpg

Рис. 33. ПЛ проекта 209

До 1980 г. на лодках этого проекта вся надстройка представляла собой банкетку, расположенную вокруг ограждения выдвижных устройств (ОВУ). К началу 1990 г. на корабле появилась сплошная надстройка по всей длине прочного корпуса. Вся надстройка, а также носовая и кормовая часть ОВУ изготавливались из стеклопластика. Последней модификацией проекта стали три корабля типа 209/1400, построенные и переданные ВМС ЮАР в 2005-2007 гг.

http://www.warships.ru/Turkey/Submarines/S356.jpg

Рис. 34. ПЛ проекта 209/1400

На ПЛ данного типа надстройка, выполненная из стеклопластика, включает следующие элементы:

· носовую стеклопластиковую секцию толщиной 40 мм, в своей горизонтальной части секция имеет толщину 100 мм;

· несколько П-образных секций в нос и корму от ОВУ, состоящих из бортовых стеклопластиковых подсекций;

· бортовые секции в районе ОВУ;

· кормовую секцию.

Рис. 35. Носовая секция надстройки ПЛ проекта 209/1400 ВМС Бразилии

1 - отформованные планки под лючок.

 

В качестве крепежных элементов стеклопластиковых секций к металлическим конструкциям на данной ПЛ используются вытяжные заклепки. Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛ проекта 209 представлена на рис. 36.

 

 

Рис. 36. Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛ проекта 209/1400

Первый композитный гребной винт (ГВ) был разработан фирмой HDW для ПЛ типа 206А ВМС Германии. За несколько лет были успешно испытаны два композиционных ГВ, продемонстрировавшие хорошие акустические характеристики. После этих испытаний усовершенствованный, больший по размерам композитный ГВ был разработан и успешно испытан на неатомной ПЛ типа 212А (рис. 37) ВМС Германии. На рис. 38 показаны гребные винты этих ПЛ.

http://korabley.net/_nw/15/56087023.jpg

Рис. 37 ПЛ проекта 212А

Рис. 38 Гребные винты из углепластика ПЛ проекта 206А (А) и 212А (Б)

В табл. 2 приведен сравнительный анализ характеристик традиционного материала гребного винта и КМ, из которого был изготовлен винт ПЛ проекта 212А.

Табл. 2 Сравнительный анализ характеристик материалов

 

Прочность на разрыв, MPa

Модуль упругости, GPa

Плотность, g/cm³

Удельная прочность, MPa/g/cm³

Удельная жесткость, GPa/g/cm³

Марганцево-бронзовый сплав

640

11,6

8,2

7,8

14

КМ

1200

98

1,55

775

63

Следующей разработкой фирмы HDW стал композитный ГВ второго поколения с увеличенным эффектом демпфирования за счет оптимизации геометрических параметров лопастей по акустическим критериям, в частности, числа и углов «откидки» лопастей. В качестве параметра демпфирования использовался модальный коэффициент потерь, вычисляемый как отношение рассеянной энергии к максимальной энергии напряжений для каждой моды колебаний. Ранее применявшиеся ГВ, отливаемые из марганцево-бронзового сплава Sonostone, имели модальный коэффициент потерь 0,5%. У композитных ГВ для ПЛ типа 206А, выполненных с использованием углепластика, стеклопластика и арамидных волокон, этот коэффициент достиг значения 1,0%.

Характеристики КМ для гребных винтов определяются большим числом параметров, включая комбинацию «волокно/матрица», ориентацию волокон по слоям и структуру слоев, которые необходимо оптимизировать по виброакустическим и прочностным характеристикам.

Специалистами ВМС Германии совместно с Институтом легких конструкций и пластиков при Дрезденском техническом университете был разработан расчетный аппарат с использованием метода конечных элементов, позволивший выявить возможности увеличения модального коэффициента потерь за счет соответствующей ориентации волокон и выбора структуры слоев. Такая оптимизация позволила достичь расчетного коэффициента потерь 10% для плоских пластин; при измерениях получен коэффициент 8,0%. Принимая во внимание значительно более сложную конструкцию лопасти ГВ, ожидаемая величина коэффициента потерь нового ГВ составит около 4,0%.

Для обеспечения ремонта ГВ и замены лопастей из композитных угле- и стеклопластиковых материалов в случае их повреждения они присоединены к двухэлементному бронзовому основанию, крепящемуся болтами к ступице ГВ. Проектирование лопастей из КМ, а также разработка документации по изготовлению материала лопастей ГВ велись с использованием специального ПО Fiber SIM®.

При изготовлении нового композитного ГВ был использован опыт фирмы HDW в этой области. Лопасти ГВ изготовлялись как две половинки оболочки. Качество материала обеспечивалось использованием предварительно пропитанных волокон (preimpregnated fibers – prepregs), позволяющих упорядочить расположение волокон и добиться малого отклонения их толщины от заданной. Автоматическое нарезание слоев выполнялось с использованием лазера. После изготовления и дополнительной обработки обе полуоболочки окончательно подгонялись по размерам и проверялись рентгеновской установкой. Затем они соединялись воедино и крепились к бронзовому основанию.

Испытания на прочность и долговечность материала, выполненные в Дрездене с использованием натурного образца лопасти, показали, что срок эксплуатации лопастей повышается вдвое, причем не только в обычных условиях, но и при воздействии больших нагрузок, например, при аварийной остановке на полном ходу или при максимальном ускорении. После испытаний тестовую лопасть, как правило, разрезают на куски и проверяют их состояние.

Для проверки акустических характеристик были выполнены специальные измерения, включавшие модальный анализ лопастей ГВ в воздухе. Это позволило определить собственные частоты и моды колебаний, а также модальные коэффициенты потерь. Измерения проводились при ударном возбуждении вибромолотком в нескольких заданных точках, акселерометр был приклеен к лопасти в фиксированной точке. Кроме того, использовалась лазерная виброметрия со сканированием поверхности лопастей лучом при их возбуждении вибратором. Интерферометр позволил определить смещения и ускорения точек поверхности с высоким разрешением при полной автоматизации измерений.

Перед началом испытаний ПЛ с новым ГВ из КМ, в воде на одной лопасти ударным методом (с помощью подводных пловцов) были измерены собственные частоты и модальные коэффициенты потерь лопасти. Затем в реальных условиях на ходу ПЛ, включая различные маневры, выполнялись измерения подводной шумности.

В 2012 г. были проведены гидродинамические и акустические морские испытания ПЛ типа 212А с новым композитным ГВ. Результаты испытаний показали высокую эффективность такого решения.

Дальнейшее развитие конструкций, выполненных из КМ в ВМС Германии, связано с проектами 212, 212А, 214. В частности, на неатомных ПЛ типов 212A и 214 наряду со стеклопластиком GRP (Glass-fibre Reinforced Plastics) используется углепластик CFRP (Carbon-Fibre Reinforced Plastics). Материал используется для изготовления больших трехмерных изделий или при необходимости обеспечения высокой акустической прозрачности.

В Германии принято, что применение КМ не должно ограничиваться рамками строительства новых ПЛ. Композиты могут использоваться при модернизации ПЛ, находящихся в эксплуатации, из них могут изготавливаться контейнеры спасательных плотов, пусковые устройства систем ПТЗ, рули, гребные валы, гребные винты.

На рис. 39 приведена схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛ проекта 212А. Кормовая часть этой ПЛ выполнена двухкорпусной.

 

Рис. 39 Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛ проекта 212А

 

 

Рис. 40 ПЛ проекта 212А на стапеле

Кроме надстройки и ОУВ из стеклопластиковых крупных панелей изготовлена вся обшивка бортовых проницаемых частей в двухкорпусной части ПЛ. Панели крепятся к опорным продольным и поперечным рамам при помощи вытяжных заклёпок.

Ещё больший объем КМ использован в проекте 214 (рис. 41), предназначенном только для экспорта. На данный момент для 4 стран мира построено 9 ПЛ проекта 214. Надстройка этой ПЛ отличается от предыдущих немецких кораблей упрощенными обводами и большими размерами стеклопластиковых секций. Отличается также схема крепления секций к прочному корпусу. Крепление осуществляется не линиями крепежных элементов, а единичными элементами на одиночные фундаменты.

По оценке специалистов компании HDW, 850 м 2 смоченной поверхности ПЛ приходится на конструкции из КМ: 600 м 2 покрыто стеклопластиком, 250 м 2 – углепластиком. Обшивка приполненного докового киля, где размещены баллоны хранения водорода, выполнена из стеклопластика. Схема размещения конструкций из КМ ПЛ проекта 214 представлена на рис. 42.

S-120 Papanikolis 1.jpg

 

Рис. 41. ПЛ проекта 214

Рис. 42 Схема размещения стеклопластиковых конструкций ПЛ проекта 214

Параллельно с разработкой проектов ПЛ типа 212, 212А, 214 компания HDW разработала ПЛ типа «Dolphin» для ВМС Израиля. Это серия германских дизель-электрических подводных лодок, также известная как Тип 800.

 

Рис. 43 ПЛ типа «Dolphin»: 1- стеклопластиковые секции надстройки (носовая, П-образные, бортовые, кормовая); 2 - секции ОВУ; 3 – стеклопластиковая зашивка района размещения баллонов интерметаллидного хранения водорода; 4 - обтекатель бортовой акустической антенны; 5 – бортовые акустические антенны

Использования КМ на ПЛ и ПЛА в Великобритании

Разработки в области использования КМ на ПЛ и ПЛА ведутся и в Великобритании. Отдел морских конструкций и живучести Агентства оборонных оценок и исследований Великобритании (DERA) проводит исследовательскую программу «Новые конструкции со Stealth-характеристиками», предусматривающую использование на подводных лодках КМ широкого ассортимента. Одна из первых работ, выполненных по этой программе, была направлена на создание рулей из КМ. Было разработано «Stealth-покрытие» в виде «сэндвича» из пластика и резины, подкрепленного податливыми перемычками. Такое покрытие является «акустически согласованным» «с водной средой» и поглощает звуковую энергию в широком диапазоне частот.

Покрытие можно частотно настроить для получения требуемого максимума поглощения посредством четвертьволнового антирезонанса между передней и задней поверхностями. Управление DERA предлагало использовать эту концепцию и для других неосновных конструкций ПЛ, например, проницаемых частей носовой и кормовой оконечностей.

Ведутся также работы по корпусным конструкциям ПЛ. При этом повышенное внимание уделяется скрытности по неакустическим полям, снижению стоимости постройки и обеспечению жизненного цикла ПЛ. Конструкции из КМ отвечают этим требованиям, прежде всего, ввиду отсутствия коррозии, что удешевляет эксплуатацию и исключает главный источник электрического и магнитного полей.

Наиболее предпочтительным вариантом корпуса был признан стальной цилиндр, подкрепленный наружными кольцевыми шпангоутами, покрытый синтактной пеной и окруженный стеклопластиковой оболочкой. При этом предусматривается, что часть полезной нагрузки, включая датчики, может размещаться в пене и стеклопластиковой оболочке. Кроме того, в тороидальных емкостях можно разместить жидкости, например, кислород для топливных элементов, или сжатый воздух. Такое использование междубортного пространства компенсирует потерю пространства между внутренними шпангоутами современных ПЛ, часто используемого для размещения оборудования небольших размеров.

В целом, по мнению DERA, разработанная композитная конструкция корпуса имеет потенциал для совершенствования в плане обеспечения прочности, снижения усталостных напряжений и повышения ресурса, а также меньшей коррозии и стоимости жизненного цикла. Дальнейшие работы планируется сконцентрировать на уменьшении низкочастотного шумоизлучения, а также на количественном определении требуемого повышения живучести при высоких ударных нагрузках.

Британская фирма Rolls-Royce при создании движителя «pump jet» для АПЛ типа «Astute» ВМС Великобритании изготовила насадку, обтекатель ступицы и защитную дейдвудную втулку из композитного материала, созданного на основе армированного стекловолокном пластика типа vinyl-ester.

Первой английской ПЛ, на которой были установлены стеклопластиковые конструкции, стала ПЛ типа «Oberon». Общая масса надстройки из КМ составляла 20 тонн. Секции формировались из полиэфирного стеклопластика и имели поперечные ребра жесткости. ОВУ состояло из 26 стеклопластиковых прямоугольных секций, которые крепились болтами. ПЛ данного проекта служили в течение более 30 лет. Следующим проектом английской ПЛ, у которой надстройка и обтекатели бортовых были выполнены из КМ, стала ПЛ типа «Upholder». Схема размещения конструкций из КМ этой ПЛ показана на рис. 44.

Рис. 44. Схема размещения конструкций из КМ ПЛ типа «Upholder»

 

Работы шведских специалистов

В конце 1980-х гг. шведской фирмой Kockums для ВМС Австралии был разработан проект ПЛ типа «Collins». Подводные лодки типа «Collins class submarine» — серия австралийских дизель-электрических подводных лодок. Всего с 1990 по 2003 г. на государственной верфи в Аделаиде, частично из произведённых в Швеции секций корпуса, было построено шесть подводных лодок этого типа. На 2013 г. подводные лодки типа «Collins» являются единственным типом подводных лодок на вооружении КВМФ Австралии. Предполагается, что они останутся в строю как минимум до 2025 г.

 

Рис. 45 Спуск на воду ПЛ типа «Collins»

Схема расположения конструкций из стеклопластика ПЛ типа «Collins» приведена на рис. 46.

 

 

Рис. 46 Схема расположения конструкций из стеклопластика ПЛ типа «Collins»

 

В последние годы номенклатура конструкций подводного кораблестроения, выполняемых из КМ, продолжает расширяться. На рис. 47 представлен баллон из КМ для хранения сжатого воздуха.

 

 

http://www.proatom.ru/img14/v_polovinkin_15.jpg

Рис. 47 Баллон для хранения сжатого воздуха высокого давления из ПКМ

 

В целях снижения массы и стоимости фирма «KaZaK Composites» предложила изготавливать из КМ шахты выдвижных устройств. В местах соединения с датчиками и другой аппаратурой устанавливаются отдельно отлитые панели также из КМ. По сравнению с использованием нержавеющей стали масса шахты из КМ снижается на 60%, а стоимость – на 30%. Кроме того, шахта из КМ отличается практическим отсутствием искривлений – менее 0,3 мм на длине более 3,7 м. Наиболее интенсивно разработки шахты из КМ велись в 2006 – 2007 гг.

Другие применения КМ

В настоящее время во многих странах мира в военном кораблестроении все шире применяются изоляционные конструкции из различных видов композиционных материалов на основе разнообразных связующих и армирующих волокнистых материалов - от подвесных изоляторов до изоляционных корпусов всевозможного высоковольтного оборудования. В настоящее время на стеклопластковые заменяются трубопроводы ПЛ.

Специалистам известны проекты применения конструкций из КМ для движителей типа «pump jet». Из КМ материалов изготавливают специальные контейнеры, например, для хранения снаряжения сил спецопераций, крышки забортных пусковых установок, различные решетки, лючки. Не менее распространено применение КМ в оружейных комплексах. Например, ракетные шахты ПЛАРБ типа «Le Redoutable» изготовлены из углеволокна. В ВМС США КМ успешно используются при изготовлении модулей полезной нагрузки.

В целом актуальность применения КМ в зарубежном подводном кораблестроении подтверждается тем, что за рубежом постоянно ведутся исследования по расширению номенклатуры конструкций из этих перспективных конструкционных материалов. Конструктивные решения, применяемые за рубежом в подводном кораблестроении, формируют единый подход – они имеют или секционную разбивку, или представляют собой единое изделие. В целом с уверенностью можно утверждать, что композиты – материалы будущего в подводном кораблестроении.

Использованные источники

1. Аналитический отчет. Использование композитных конструкционных материалов при создании пл. ЦКБ МТ «Рубин». Выпуск 18, март 2014 г., 210 с.

2. Комарова Т.В. Получение углеродных материалов: Учеб. пособие / РХТУ им. Д.И Менделеева. – М., 2001. – 95 с.

3. Бобович Б.Б. Неметаллические конструкционные материалы: учебное пособие. – М.: МГИУ, 2009. – 384 с.

4. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.; ил.

5. Свойства углепластиков и области их применения / Б.И. Молчанов, М.М. Гудимов. ВИАМ. 1996.

6. Композиционные материалы системы углерод-углерод. [электронный ресурс]. Методическое пособие к самостоятельной работе студентов. СПб.: СПГУТД. – 2006. Лысенко А.А., Грибанов А.В., Тарасенко А.А., Лысенко В.А.

7. Новые материалы. Колл. авторов. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. – М: МИСИС. – 2002 – 736 с.

8. Гуменюк Н.С., Грушин С.С. Применение композитных материалов в судостроении // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 8-1. – С. 116-117;

9. В.П. Муленков, Ю.В. Костылев. Опыт использования композиционных материалов в нестандартном оборудовании. Опубликовано в издании "ЗОЛОТОдобывающая промышленность" №3 (39) от 07.2010 г.

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Атомный флот
· Новость от proatom


Самая читаемая статья: Атомный флот:
Энергетические блоки атомного подводного флота

Рейтинг статьи
Средняя оценка: 4.75
Ответов: 4


Пожалуйста, проголосуйте за эту статью:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 1 Комментарий | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Применение композитных материалов в зарубежном подводном кораблестроении (Всего: 0)
от Гость на 27/05/2017
Примите благодарности за большой труд. Отсутствие или дефицит "титановой группы" приводит к изысканиям с не совсем ожидаемыми последствиями: 1) лить, а не варить - дело великое; 2) цена полного технологического цикла; 3) декомпозиции и испытания на КМ, по-видимому, много проще; 4) а вязкость КМ в упругостно-волновых возмущениях конструкций; 5) акустика - блеск; 6) ГВ - песня !...Можно опасаться, правда, что выигрыш в КМ для строительства ПЛ столь велик, что проблема "разоружения" будет тормозиться, мотивируясь ЭТИМ увлекательным замещением


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(812)438-3277
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
Сайт построен на основе технологии PHP-Nuke. Открытие страницы: 0.10 секунды
Рейтинг@Mail.ru