Применение полимерных композиционных материалов в отечественном военном судостроении | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 27 апреля, печатный экземпляр отправим 1 мая.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №29 (476) июль 2023 г.

Дата публикации: 23.07.2023

Статья просмотрена: 374 раза

Библиографическое описание:

Потрохов, М. А. Применение полимерных композиционных материалов в отечественном военном судостроении / М. А. Потрохов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2023. — № 29 (476). — С. 37-42. — URL: https://moluch.ru/archive/476/105021/ (дата обращения: 15.04.2024).



В статье рассмотрен вопрос применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) в строительстве отечественных военных кораблей. Показаны преимущества композитов над традиционными материалами. Обобщено многообразие сфер применения ПКМ в военном судостроении. Отражены наиболее распространенные конструктивные решения.

Ключевые слова: применение, полимерные композиционные материалы, стеклопластик, судостроение, подводная лодка, судовые конструкции.

Развитие мировой экономики, промышленности, техники немыслимо без применения полимерных композитных материалов (ПКМ). Эволюция материалов основа технического прогресса, традиционные массивы и сплавы выработали свой ресурс они больше не справляются с запросами архитекторов, инженеров, конструкторов. Современные ПКМ дали людям новые возможности, благодаря своим уникальным свойствам.

Применение полимерных композиционных материалов в судовом машиностроений позволяет успешно решать такие важные проблемы, как снижение массы, повышение скоростей движения и топливной эффективности, повышение долговечности и надежности, экономии дефицитных цветных материалов, повышение производительности труда, снижение трудоемкости изготовления и эксплуатационных расходов. Объем производства и потребления полимерных материалов увеличивается с каждым годом. Наряду с ростом объема производства полимерных материалов с каждым годом увеличивается их ассортимент.

К преимуществам ПКМ по сравнению с традиционными для судостроения металлами относятся:

— немагнитность и радиопрозрачность;

— неподверженность гниению и коррозии;

— малая плотность при прочности в направлении армирования, сопоставимая с низколегированными сталями;

— возможность регулирования свойств материала путем варьирования структуры армирования;

— многофункциональность, достигаемая, путем введения в состав материала различных модификаторов;

— стойкость к воздействию морских организмов;

— снижение эксплуатационных расходов, связанное с отсутствием коррозии и необходимости замены прокорродировавших элементов конструкции;

— высокая диссипативная способность и соответствующая высокая вибростойкость конструкции из композитных материалов на полимерной основе;

— теплоизоляционные свойства;

— возможность обеспечить безупречно выполненную наружную поверхность корпусных изделий, что особенно важно для скоростных судов;

— снижение энергоемкости производственных процессов, увеличение междокового периода;

— возможность сочетания в одной конструкции армирования различной структуры и даже природы, в частности усиление материалами повышенной прочности — высокомодульными стальными, угольными, борными волокнами.

Композиты (рисунок 1) представляют собой материалы, состоящие из двух или более компонентов: армирующих элементов и скрепляющей их матрицы. При этом предполагается, что компоненты, входящие в состав композита, должны быть хорошо совместимыми и не растворяться или иным способом не поглощать друг друга [1]. Полимерные материалы также можно отнести к композитам, поскольку кроме основного компонента — полимера в них присутствуют различные наполнители, красители и т. д.

Строение композиционных материалов

Рис. 1. Строение композиционных материалов

Объем использования ПКМ является одним из показателей технического уровня развития промышленности. Повсеместное внедрение их в судостроительную отрасль является одним из мировых трендов.

Уже в 50-х годах прошлого века развитие химии и инженерии в нашей стране способствовали созданию для целей судостроения и судоремонта специальных полимерных материалов предназначенных для заполнения монтажных зазоров. Их применяли в качестве полимерных компенсаторов — полимерных выравнивающих или, как их иногда называют, пригоночных прокладок (рисунок 2). Идеологами данного метода в России считаются специалисты ЦНИИТС (нынешний АО «ЦТСС») Н. К. Неделин и П. М. Сысоев, предложившие в 1954 г. это смелое решение [2].

Еще в 1938 г. в Советском Союзе под руководством профессора Б. А. Архангельского были изготовлены первые гребные винты диаметром 0,42 и 0,63 м из текстолита и текстолита, армированного листовой сталью. Однако испытания этих винтов показали, что текстолит не обладает необходимыми свойствами и не обеспечивает надежность винтов. Однако в 1960-х гг. коллективом сотрудников ЦНИИТС и ЦНИИ КМ «Прометей» были созданы эпоксиаминные стеклопластики марки СТЭТ и исследованы их свойства. Разработаны и запатентованы конструкции и технологии прессования судовых гребных винтов и деталей движителей судов на воздушной подушке из этих стеклопластиков, проведены их стендовые и натурные испытания. Организовано опытно-промышленное производство движителей из стеклопластиков. На сотнях судов были установлены и успешно эксплуатировались гребные винты (рисунок 3) из нового материала [3].

Это были одни из первых отечественных опытов успешного применения композитных материалов в судовом машиностроении.

Рис. 2. Полимерная пригоночная прокладка

Рис. 3. Винт из стеклопластика

Благодаря своим высокими диссипативными свойствам ПКМ нашли свое применение в вибропоглащающих конструкциях. Применение ПКМ позволило создать вибропоглощающую композитную промежуточную раму (рисунок 4) под судовой дизель-редукторный агрегат. В настоящее время данными рамами с повышенными диссипативными характеристиками, новизна конструкции которых подтверждена патентами РФ, комплектуются все корабли класса «корвет» [4].

Композитная промежуточная рама

Рис. 4. Композитная промежуточная рама

Для изготовления нагруженных подшипников, работающих с водяной смазкой, судов и гидротурбин, также применяются ПКМ благодаря своим антифрикционным свойствам. Углепластики на основе термореактивных полимерных связующих сочетают в себе высокую прочность, ударостойкость на уровне металлических сплавов и в отличии от металлов имеют высокую износостойкость при трении в воде. Кроме того, они сохраняют работоспособность при длительном отсутствии смазки.

Еще одна из областей судостроения, где ПКМ успешно применяются — это изготовление обтекателей гидроакустических комплексов подводных лодок (ПЛ). Научно-исследовательские работы по созданию обтекателей из стеклопластика были начаты в ЦНИИТС (нынешний АО «ЦТСС») в 1961–1962 гг. В конечном итоге был создан — принципиально новый конструкционный материал. А также разработана конструкция обтекателя ПЛ, отвечающая специфическим требованиям работы гидроакустической станции (ГАС). Решением этой задачи занимался коллектив ученых и инженерно-технических работников ЦНИИТС, ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова, ЦНИИ «Морфизприбор», ЦКБ МТ «Рубин», СПМБМ «Малахит» и ПО «Севмашпредприятие». В ходе работ было создано пять принципиально новых видов материалов и три типа конструкций обтекателей ПЛ, в том числе конструкция с трехслойной без наборной обшивкой со средним слоем из стеклосферопластика и наружными слоями из стеклопластика. Благодаря своим специфическим характеристикам новый полимерный композиционный материал стеклопластик стал вытеснять металлы в конструкциях, требующих обеспечения звукопрозрачности, немагнитности, коррозионной стойкости и соответствующей прочности, в том числе и в конструкциях обтекателей ГАС. Многолетний опыт эксплуатации обтекателей из стеклопластика (рисунок 5) показал надежность и подтвердил правильность принятых научно-технических решений при их разработке и внедрении [5].

Обтекатель ГАС из стеклопластика

Рис. 5. Обтекатель ГАС из стеклопластика

Первым в мировой практике кораблем противоминной обороны (ПМО) с корпусом из композиционного конструкционного стеклопластика стал тральщик пр. 1252, шифр «Изумруд», построенный на Средне Невском судостроительном заводе [6]. Он был спущен на воду в 1964г., и имел водоизмещение 320 т. За период его длительных испытаний и службы в составе ВМФ трижды заменялись главные двигатели, израсходовав отведенный им моторесурс, а внешний вид корпуса и его прочностные характеристики оставались без существенных изменений. Тем самым наглядно доказано превосходство кораблей ПМО с корпусом из конструкционного стеклопластика по сравнению с аналогичными кораблями с деревянными и металлическими корпусами.

Рис. 6. Тральщик пр. 1252

Рис. 7. Корпус тральщика

В СССР предпринимались попытки внедрения ПКМ в конструкции надстроек, однако несмотря на очевидные преимущества ПКМ такие как меньший вес, низкая теплопроводность, лучшая огнестойкость, отсутствие коррозий и повышение скрытности корабля эти попытки имели единичный характер. Известны примеры установки надстроек из ПКМ на катера «Гриф», «Гарфуз», судно на воздушной подушке (СВП) «Зубр» (Рисунок 8), СВП «Сом». Используя мировой и отечественный опыт проектирования конструкции из ПКМ, в ОАО ЦМКБ «Алмаз» совместно с ФГУП ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» была создана трехслойная конструкция надстройки из ПКМ на корабли класса «корвет» (Рисунок 9) и отработана технология ее изготовления. Головной корабль этого проекта в 2006 г. был спущен на воду, в 2006–2007 гг. прошел комплекс испытании и передан военно-морскому флоту. Надстройка для этого корабля изготавливалась на ОАО «Средне-Невский судостроительный завод» [4]. На сегодняшний день восемь кораблей этого проекта находятся в строю, два на заводских ходовых испытаниях и семь строятся.

Рис. 8. СВП «Зубр» с надстройкой из ПКМ корвета

Рис. 9. Надстройка из ПКМ

В настоящее время на предприятии ОАО «Средне-Невский судостроительный завод» изготавливаются военные суда с применением ПКМ: базовый тральщик проекта 12700 «Александрит» (Рисунок 10) и рейдовый тральщик проекта 10750Э, корпуса которых изготавливаются из монолитного стеклопластика (Рисунок 11) [8]. Головной корабль пр. 12700 спущен на воду в 2014г., а 2016 вошел в состав ВМФ. На сегодняшний день шесть кораблей этого проекта находятся в строю, один на заводских ходовых испытаниях и три строятся.

Изображение выглядит как лодка, внешний, вода, небо

Автоматически созданное описание

Рис. 10. Тральщик проекта 12700 «Александрит»

Рис. 11. Корпус тральщика

Другой областью применения ПКМ стало приборостроение, в настоящее время они используются для изготовления корпусов приборов различного назначения, антенных обтекателей радиолокационных станции (РЛС), опорных и палочных изоляторов, деталей электроразъединения, позволяющих исключить или снизить коррозию корпусных конструкции, состоящих из разнородных металлов. Замена металлических верхнепалубных устройств и элементов корпусного насыщения судов на эпоксидные стеклопластики позволяет устранить неуправляемые электромагнитные помехи, снижающие качество связи и радиолокации.

Заключение

Таким образом, в настоящей статье изложены основные итоги комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по применению полимерных композитных материалов в отечественном военном судостроении.

Литература:

  1. Полимерные композиционные материалы (часть 1) [Текст]: учеб. Пособ. / Л. И. Бондалетова, В. Г. Бондалетов; Томский политехнический ун-т. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. — 118 с.
  2. Калеминцев, И. В. Внедрение технологий монтажа судового оборудования и изделий с применением композитных полимерных материалов: статья специалиста «Севмаш» [Текст] / И. В. Калеминцев // Судостроение: Научно-технологический и производственный журнал. — 2017. № 4. — С. 51–53.
  3. Высокопрочные стеклопластики для арктического машиностроения [Текст]: / В. Е. Бахарева, А. С. Орыщенко. — Санкт-Петербург: АНО ЛА «Профессионал», 2017. -222с
  4. Ярцев, Б. А. Композитные вибропоглощающие конструкции [Текст] / Б. А. Ярцев // Труды Крыловского государственного научного центра. -2019. № 2. -С. 55–68.
  5. Лукьянов, Н. П. Обтекатель гидроакустического комплекса из полимерного композитного материала [Текст] / Н. П. Лукьянов // Судостроение.- 2006. № 4. — С.55–56.
  6. Лукьянов, Н. П. Опыт применения композитных полимерных материалов для постройки кораблей ПМО [противоминной обороны] [Текст] / Н. П. Лукьянов // Судостроение. -2007. — № 3. — С. 19–22.
  7. Булкин, А. А. Опыт эксплуатации надстройки из полимерных композиционных материалов на корабле класса «Корвет» [Текст] / А. А. Булкин и др. // Морской вестник. -2011. № 1. -С. 11–14.
  8. Мелешин, М. А. Опыт применения композитных материалов в судостроении. [Текст] / М. А. Мелешин, А. Саламех, М. Алсаид // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2022. № 2. С. 44–50.
Основные термины (генерируются автоматически): материал, Рисунок, стеклопластик, воздушная подушка, головной корабль, корабль класса, корпус тральщика, нынешний АО, состав ВМФ, ЦНИИ КМ.


Ключевые слова

применение, стеклопластик, судостроение, полимерные композиционные материалы, подводная лодка, судовые конструкции

Похожие статьи

Применение инновационных технологий в военном кораблестроении

При плавании корабля магнитное поле Земли намагничивает его металлический корпус, когда корабль многократно пересекает силовые линии магнитного поля под разными углами.

Обзор и анализ характеристик кораблей проекта 1144

В данной статье приведены и проанализированы характеристики кораблей проекта 1144 на примере последнего корабля серии, «Петра Великого». Сделан вывод об эффективности подобных кораблей в составе ВМФ РФ.

Особенности автономных надводных беспилотных комплексов

В 2009 году компанией ОАО «Тетис-ПРО» разработан автономный радиоуправляемый катер с гидролокатором бокового обзора (ГБО). Он предназначен для поиска объектов, в том числе малоразмерных, на дне и в толще воды. Рисунок 1 – Область применения беспилотных катеров.

Архитектурно-конструктивные типы портового буксирного флота...

Камбуз, столовая и кают-компания, как правило, размещаются на одной палубе. Из-за ограниченности места продовольственные кладовые основного запаса целесообразно располагать в корпусе.

Методика определения массы и координат центра тяжести судна...

При разработке формул расчета массы и координат Ц.Т. деревянного корпуса использован принцип детальной разбивки, который основан на свойствах конструкций по материалам, функции связи в конструкции.

Технический облик авиационного зенитного ракетного комплекса...

Предлагаемый АОЦНИИ “ВОЛНА” АЗРК содержит БпЛА-ВТ, мобильный пункт управления (МПУ) и мобильную платформу (МП) для перевозки и хранения БпЛА-ВТ. БпЛА-ВТ с соосной схемой винтов обеспечивает дальность полета до 330 км с полезной нагрузкой до 550 кг.

Шпангоут фюзеляжа вертолета из композиционного материала

В настоящее время основным видом материалов, которые удовлетворяют перечисленным требованиям, являются композиционные материалы на основе современных стеклянных волокон с полимерными, металлическими, углеродными и другими видами матриц.

Исследование возможностей современных радиолокационных...

В современных условиях проблемы эффективного контроля воздушного пространства первичными радиолокационными станциями (РЛС) многократно возросли. Немаловажно среди разнообразия радиолокационных станций сделать выбор в пользу более усовершенствованных...

Новые источники электроэнергии единых электроэнергетических...

Внедрение новых источников электроэнергии на кораблях ВМФ улучшит тактико-технические характеристики кораблей и потребует решения новых задач по проектированию и испытаниям нового оборудования, а также для обеспечения качества электроэнергии.

Похожие статьи

Применение инновационных технологий в военном кораблестроении

При плавании корабля магнитное поле Земли намагничивает его металлический корпус, когда корабль многократно пересекает силовые линии магнитного поля под разными углами.

Обзор и анализ характеристик кораблей проекта 1144

В данной статье приведены и проанализированы характеристики кораблей проекта 1144 на примере последнего корабля серии, «Петра Великого». Сделан вывод об эффективности подобных кораблей в составе ВМФ РФ.

Особенности автономных надводных беспилотных комплексов

В 2009 году компанией ОАО «Тетис-ПРО» разработан автономный радиоуправляемый катер с гидролокатором бокового обзора (ГБО). Он предназначен для поиска объектов, в том числе малоразмерных, на дне и в толще воды. Рисунок 1 – Область применения беспилотных катеров.

Архитектурно-конструктивные типы портового буксирного флота...

Камбуз, столовая и кают-компания, как правило, размещаются на одной палубе. Из-за ограниченности места продовольственные кладовые основного запаса целесообразно располагать в корпусе.

Методика определения массы и координат центра тяжести судна...

При разработке формул расчета массы и координат Ц.Т. деревянного корпуса использован принцип детальной разбивки, который основан на свойствах конструкций по материалам, функции связи в конструкции.

Технический облик авиационного зенитного ракетного комплекса...

Предлагаемый АОЦНИИ “ВОЛНА” АЗРК содержит БпЛА-ВТ, мобильный пункт управления (МПУ) и мобильную платформу (МП) для перевозки и хранения БпЛА-ВТ. БпЛА-ВТ с соосной схемой винтов обеспечивает дальность полета до 330 км с полезной нагрузкой до 550 кг.

Шпангоут фюзеляжа вертолета из композиционного материала

В настоящее время основным видом материалов, которые удовлетворяют перечисленным требованиям, являются композиционные материалы на основе современных стеклянных волокон с полимерными, металлическими, углеродными и другими видами матриц.

Исследование возможностей современных радиолокационных...

В современных условиях проблемы эффективного контроля воздушного пространства первичными радиолокационными станциями (РЛС) многократно возросли. Немаловажно среди разнообразия радиолокационных станций сделать выбор в пользу более усовершенствованных...

Новые источники электроэнергии единых электроэнергетических...

Внедрение новых источников электроэнергии на кораблях ВМФ улучшит тактико-технические характеристики кораблей и потребует решения новых задач по проектированию и испытаниям нового оборудования, а также для обеспечения качества электроэнергии.

Задать вопрос