Авиация России

Более 50 лет назад советский истребитель МиГ-25 продемонстрировал свою неуязвимость, спокойно преодолев ПВО Израиля. Его не могли догнать ни западные истребители F-4E Phantom II с ракетами класса «воздух-воздух» AIM-7E Sparrow, ни достать наземные радары и зенитные ракетные комплексы MIM-23 Hawk.

Эти полеты давали ценную разведывательную информацию союзникам СССР. Принятые на вооружение МиГ-25 были размещены на севере Египта. МиГ-25 был способен бросить вызов истребителям четвертого поколения, когда они начали поступать на вооружение вместо F-4E. Алжирские Foxbats сыграли важную роль в сдерживании атак израильских F-15, а иракские МиГ-25 доказали высокую живучесть в борьбе с иранскими F-14.

МиГ-25 долгое время соперничал с F-15, который был прямым преемником F-4, и в последнем их бою, который состоялся 30 января 1991 года над Ираком, он нейтрализовал американский F-15.

МиГ-25 был открытием в эпоху холодной войны и, безусловно, самым мощным в мире перехватчиком третьего поколения. Также МиГ-25 стал первым в мире цельносварным сверхзвуковым истребителем.

Как все начиналось?
Способность металла свариваться открыта человеком еще в первобытный период, как только был открыт металл. Так применение кузнечной сварки восходит к эпохе неолита, и в дальнейшем сварка совершенствовалась скифскими и сормайтскими племенами и металлургами Древней Руси (в Х-ХIII веках). Сварку и, позднее, пайку различными припоями и покрытие благородными металлами использовали, в основном, при изготовлении вооружения и в ювелирном деле. В XIX веке значительное применение кузнечная сварка находит в производстве сварных труб с прямолинейным нахлесточным швом.

В конце XIX века на основе достижений в области физики и электротехники в развитии сварки произошло взрывное развитие. За очень короткий период был разработан ряд новых способов сварки, являющихся основой сварочной техники и в настоящее время: дуговая сварка неплавящимся (угольным) и плавящимся электродом.

До настоящего времени источником нагрева самого распространенного способа сварки служит электрическая дуга. Честь открытия явления электродугового разряда (не считая молнии) принадлежит русскому ученому, академику В.В. Петрову (1803 г.).

Почти одновременно с созданием самолета Можайского, в конце 1886 года, русский инженер Н.Н. Бенардос получил патент на «...способ соединения ... металлов непосредственным действием электрического тока». Так был создан первый способ дуговой сварки, который в современном сварочном производстве занимает первое место, и с помощью которого создается более 90% сварных конструкций. Бенардос разработал не только технологию сварки, но и типы сварных соединений, применяемых и в настоящее время.

Почти одновременно с Бенардосом работал изобретатель – Н.Г. Славянов. Обладая глубокими знаниями металлургии и электротехники, Славянов разработал способ дуговой сварки металлическим плавящимся электродом с защитой сварочной ванны флюсом и механизм полуавтоматической подачи присадочной проволоки.

МиГ-25 – быстрый и смертоносный
Продолжая работы по совершенствованию МиГ-21, советский авиаконструктор А.И. Микоян принял решение о создании следующей машины, в дальнейшем получившей наименование МиГ-25.

Для того, чтобы представить насколько смелым и сложным было принятое решение, обратимся к книге Михаила Арлазорова «Артем Микоян».

«Новый самолет был задуман смело. И поражала не только значительная скорость, к которой стремились конструкторы – почти втрое больше скорости звука, не менее, а быть может, более. Фантастической казалась другая возможность – летать на скорости долго, выдерживая, не опасаясь разрушений, высочайший кинетический нагрев... Поэтому на самолете были заменены традиционные для самолетостроения алюминиевые сплавы на более жаропрочные материалы. Эти на первый взгляд сугубо частные инженерные задачи означали не только перестройку привычной технологии самолетостроения, но потребовали немедленных (и к тому же значительных) сдвигов в различных отраслях промышленности: от металлургии, осваивавшей новые жаропрочные сплавы, до радиотехники».

В 1961 году началось рабочее проектирование самолета МиГ-25 предназначенного для использования в качестве скоростного высотного разведчика и истребителя-перехватчика. Разработку новой машины начал М.И. Гуревич, а завершил Н.З. Матюк.

Мозговой штурм
6 марта 1964 года состоялся первый полет цельносварного самолета МиГ-25. Но этому предшествовала огромная подготовительная работа металлургов и технологов авиационной промышленности, разработавших комплекс высокопрочных нержавеющих сталей, технологическое оборудование для разнообразных способов сварки и пайки. Были подготовлены кадры высококвалифицированных конструкторов, инженерно-технических работников и рабочих. Это позволило оперативно решить большой объем проблем, возникших в процессе проектирования и производства.

Период с 1961 по март 1964 был периодом напряженной творческой деятельности коллективов различных отраслей машиностроения и приборостроения, периодом мозгового штурма проблем материаловедения, совершенно новой технологии производства стальных и титановых элементов конструкции самолета, технологической оснастки и отработки методов сварки и пайки.

Был проведен огромный объем исследований свойств сварных соединений выполненных разнообразными способами сварки. Для решения оперативных вопросов сварочного производства при ОКБ были созданы филиалы лабораторий института НИАТ (сварки и сборки).

В конструкции фюзеляжа, крыла и оперения были применены разработанные ВИАМ'ом высокопрочные нержавеющие стали: ВНС-2, ВНС-5, СН-3, ЭИ878, ЭИ-703, высокопрочные ЗОХГСА, 30ХГСН2А, ВЛ-1 и ЭИ643, титановые сплавы ОТ4-1, ВТ-20, ВТ-22 и деформируемый теплопрочный алюминиевый сплав Д-19.

Сварка и только сварка!
Принятое на стадии проектирования решение, что сварка будет основным технологическим процессом соединения элементов конструкции самолета, определило выбор материалов. Все вышеперечисленные сплавы обладают хорошей свариваемостью. Свойства сварных соединений достаточно высокие и стабильные.

В абсолютных цифрах объем сварочных работ на самолёте МиГ-25 характеризуется следующими данными: роликовая сварка – 1300 м, аргонодуговая сварка – 400 м, газовая – 113 м, дуговая (штучными электродами) – 32 м. Объем сварки впечатляет. Вдоль этих швов пешком идти – часа четыре.

Опыт эксплуатации сварных авиационных конструкций при правильном проектировании и производстве показал их высокую надежность и работоспособность. Одновременно была подтверждена большая техническая и экономическая эффективность применения сварки и пайки в авиационной промышленности. В чем же она заключалась? Какими преимуществами обладают методы сварки? Что привлекает конструкторов авиационной техники к использованию сварки и пайки в современных самолетах?

Цельносварные самолеты: за и против
Сварка позволяет получать герметичные монолитные детали и узлы, в которых отсутствуют конструктивные концентраторы напряжений в виде крепежа и отверстий под крепеж, и создавать конструкции с оптимальным, с точки зрения прочности и ресурса, распределением нагрузок. Сварка позволяет сочетать заготовки, полученные различными технологическими способами, например, литьем и штамповкой. Сварка позволяет получать герметичные баковые отсеки и при этом снизить вес конструкции за счет исключения герметиков, нахлесток и крепежных элементов.

Каждый из фрагментов сварного узла может быть изготовлен наиболее оптимальным способом: точным литьем, механообработкой из штамповки, плиты или поковки, из листовой заготовки и т.п. Сварка позволяет увеличить КИМ (коэффициент использования металла – отношение веса детали к весу заготовки), снизить объем механической обработки и удешевить производство.

Сварка обеспечивает герметичность уже на стадии образования соединения, поэтому не требуется каких-либо дополнительных мероприятий, кроме контрольных. В случае обнаружения негерметичностей в процессе эксплуатации, в том числе и боевых повреждений, ремонт представляет собой несложную технологическую операцию.

Опыт производства сварных конструкций показал, что при правильном проектировании и необходимой подготовке процессы сварки могут быть практически полностью автоматизированы. На истребителе МиГ-29 выполнение более 88% сварных швов автоматизировано, на МиГ-29М при сварке топливных емкостей уровень автоматизации сварки достиг 95%.

Сварка позволяет получать детали, которые невозможно или чрезвычайно сложно получить другими методами. Процессы сварки дают возможность соединять между собой разнородные металлы.

Не все золото, что блестит
Несмотря на широкие возможности процессов сварки и пайки, существует ряд проблем в авиастроении, которые не могут быть решены с их помощью. Так, например, нельзя, в большинстве случаев, непосредственно соединять методами сварки разнородные материалы, например Ti + St, Ti + Al, St и Al и пр.

Кроме того, существует ряд высокопрочных, достаточно надежных материалов, которые обладают неудовлетворительной свариваемостью и их нельзя применять в сварных конструкциях. Это ряд сверхпрочных сталей, некоторые алюминиевые сплавы, жаропрочные титановые сплавы и т.п. Некоторые материалы свариваются ограниченным количеством методов сварки.

Также практически нельзя применять для ресурсных конструкций нахлесточные точечные и роликовые соединения для материалов, склонных к коррозионному разрушению и требующих дополнительной защиты. В сварных швах даже хорошо сваривающихся материалов имеется порой некоторое снижение прочности и всегда сохраняется вероятность появления дефектов в литом металле, что требует проведения дополнительного контроля и некоторого утолщения зоны сварного шва.

Тем не менее, сварка применяется не только в самолетных конструкциях. Опыт создания авиационных алюминиевых сварных конструкций может оказаться весьма привлекательным и, например, в автомобильной или судостроительной промышленности.

Западный опыт
Американские конструкторы ранее очень-очень осторожно относились к применению сварки в самолете, хотя и не оставляли таких намерений. Современное отношение к применению сварки в самолетостроении демонстрируют руководители программы производства истребителя F-22.

По сообщениям западной печати, инженеры аэрокосмических и военных подразделений на заводах фирмы Boing в Сиэтле с целью получения надежных самолетов хотят производить сварные титановые конструкции с одновременным снижением стоимости производства и веса конструкции. Сварные титановые узлы могут быть более экономичными при меньшем расходе металла.

Инженеры фирмы Boing выполнили 37-месячную программу проекта по сварке титана. Руководитель этой программы Д. Гонзалес сообщил:

– В самолете F-22 значительный объем составляет сварка титана. Кроме шпангоута фюзеляжа, еще две больших сварных конструкций, а именно передний и задний лонжероны длиной по 5 футов каждый. Достижения в технологии сварки титана специалисты намерены использовать как в производстве, так и в ремонтных работах на производстве и в эксплуатации.

Проблемы сварочных технологий в эксплуатации
Только тот, кто работал в авиации, до конца может оценить значение слов «разрушение в эксплуатации». Именно с этим пришлось столкнуться специалистам фирмы «МиГ» в середине семидесятых годов прошлого века. Аварии привели к потере двух самолетов МиГ-23. В обоих случаях разрушение произошло в одной из самых нагруженных и ответственных зон планера, а именно, по стальному шпангоуту из стали ВНС-2, в области крепления узла поворота крыла, и по валу узла поворота под наплавкой.

Были отмечены также случаи хрупкого разрушения силовых элементов в процессе натурных прочностных испытаний и изделий в строю. Типичность расположения трещин дала основание предположить, что причина разрушения во всех случаях одна и та же. Перед разработчиками, то есть перед нами, отраслевыми НИИ и ЦАГИ была поставлена задача: в сжатые сроки определить причины преждевременных, хрупких разрушений, разработать и защитить испытаниями мероприятия, направленные на их предотвращение.

Проанализировав большое количество первоначально выдвинутых за 45 лет выполнены сотни ремонтов топливных емкостей методами сварки, и было всего два случая взрыва отсеков, причиной которых оказались осознанные нарушения требований техники безопасности. Причем в первом случае произошел взрыв воздушно-аммиачной смеси, которая использовалась для определения герметичности бакового отсека и не была удалена до сварки. Во втором случае не было обеспечено заполнение отсека углекислым газом и выход паров керосина и воздуха.

Первый ремонт
Самый первый ремонт выполнил в канале воздухозаборника МиГ-25 сварщик С.Ф. Ладошкин при ободряющем присутствии руководителей предприятия. После этого ремонта и появилось обязательное требование сбрасывать избыточное давление в баке.

Подваривалась обшивка толщиной 1,5 мм. В момент образования сварочной ванны избыточное давление в баке привело к выбросу сварочной ванны и образованию отверстия. Пары керосина смешивались с кислородом наружного воздуха и отверстие заработало как форсунка с факелом пламени до 80 мм длиной. Было непривычно и страшновато. Но, тем не менее, первый шаг был сделан. И в дальнейшем сварка широко применялась при ремонте истребителей.

И хотя сварные конструкции легко и просто ремонтируются различными методами сварки, бывают случаи, когда простой, на первый взгляд, ремонт приводил к появлению более серьезных дефектов. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо разрабатывать тактику ремонта с полной уверенностью, что последствия ремонта не ухудшат эксплуатационных характеристик самолетов.

Валерий Агеев
для сайта «Авиация России»

1 165