В конструкции изделия «Буран» был использован большой ассортимент клеев различного назначения:

– теплостойкие пленочные клеи конструкционного назначения ВК-36 и ВК-36РТ – для изготовления сотовых конструкций из алюминиевых сплавов и ПКМ (агрегаты механизации и управления); крупногабаритных агрегатов специального назначения сложного конструктивного исполнения из полимерных композиционных материалов (панели РТО, створки отсеков полезного груза);

– термостойкие клеи – для приклеивания теплозащитных и теплоизоляционных материалов; крепления тензо- и термометрической оснастки высокотемпературных датчиков, а также термоуплотнительных соединений;

– клеи для неметаллических материалов – для приклеивания кремнийорганических резин к металлам; декоративно-отделочных материалов; склеивания материалов модуля К (внешний и внутренний контур).

Применение клеев в изделии «Буран» позволило обеспечить работоспособность конструкции в процессе полета.

Особенно важной и сложной задачей явилось крепление теплозащитных материалов. К клею, применяемому для этих целей, предъявлялись следующие требования:

– интервал рабочих температур от -130 до +300°С;

– удлинение отвержденной пленки – не менее 100%;

– адгезия к широкой номенклатуре материалов, таких как металлы, неметаллические материалы, в том числе теплоизоляционные с гидрофобизацией;

– условия работы – в среде воздуха, вакуума при температуре 300°С в течение 50 ч.

В результате проведенных работ в ВИАМ совместно с ГНИИХТЭОС был разработан клей-герметик Эластосил 137-175М*, представляющий собой пастообразную вязкотекучую композицию на основе низкомолекулярного кремнийорганического каучука, катализатора и наполнителей, вулканизующуюся при контакте с влагой воздуха с образованием резиноподобного материала [4]. Клей поставлялся в готовом для применения виде в тубах, что было особенно важно, поскольку позволило получать клей в условиях специализированного химического производства, организованного ГНИИХТЭОС совместно с ВИАМ на Данковском химическом заводе, а не изготовлять его (клей) перед применением на Тушинском машиностроительном заводе.

Одновременно с организацией производства клея-герметика Эластосил 137-175М на Данковском химическом заводе были смонтированы и запущены линия по производству туб, а также линия по расфасовке клея в тубы.

Клей-герметик является взрывобезопасным, в условиях применения при комнатной температуре клей не выделяет в воздух рабочей зоны токсичных химических веществ, оказывающих неблагоприятное воздействие на здоровье человека, работа при нормальном температурном режиме не требует специальных мер индивидуальной защиты. Свойства клея-герметика представлены в табл. 1.

   * В настоящее время марка Эластосил заменена на Эласил.

Таблица 1

Свойства клея-герметика Эластосил 137-175М

* Сохраняется после воздействия температуры 250°С в течение 50 ч.

Несмотря на то что температура стеклования клея-герметика составляет -110°С, при склеивании материалов гибкой теплозащитной изоляции (ТЗИ) изделия «Буран» клей обеспечивал работоспособность соединения до -130°С.

Данные по изменению свойств клея-герметика Эластосил 137-175М в процессе термостарения приведены в табл. 2.

Таблица 2

Влияние термостарения на свойства клеевых соединений на клее-герметике Эластосил 137-175М

Приведенные в табл. 2 данные показывают, что после термостарения при температуре 250–300°С в течение 50 ч прочностные характеристики клеевых соединений не изменяются, в то же время эластические свойства значительно снижаются, о чем свидетельствует уменьшение величины относительного удлинения клея с 110 до 60%.

Исследование длительной прочности клеевых соединений при склеивании материалов – фетр и теплозащитный элемент – с замером их деформации показало, что обеспечивается работоспособность клеевых соединений в течение 100 ч при σ_от=0,11 МПа с деформацией 7,5%. При σ_от=0,04 МПа деформация материалов, склеенных клеем Эластосил 137-175М, составила 3,4%.

Клей-герметик Эластосил 137-175М использован в изделии «Буран» для склеивания широкой гаммы материалов, таких как плиточная теплозащита и теплоизоляционные материалы; кремнийорганические резины; ткани с кремнийорганическим покрытием между собой, а также с алюминиевыми, тинановыми сплавами, сталью и фетром; стеклоткани и текстильные застежки с алюминиевыми сплавами, стеклопластиком и углепластиком; пленки ПЭТФ со стеклотканью и стеклопластиком.

Расход клея-герметика Эластосил 137-175М отличался при склеивании различных материалов и составлял: для металлов 200–250 г/м²,  для резин и тканей 300–400 г/м², для пористых и волокнистых материалов 500–550 г/м².

После нанесения клея-герметика на склеиваемые поверхности их соединение производится практически сразу. Это связано с тем, что вулканизация клея-герметика начинается после удаления из тубы за счет контакта с влагой воздуха с образованием поверхностной пленки. Жизнеспособность клея-герметика характеризуется временем образования поверхностной пленки и составляет 60 мин при условии, что температура воздуха помещения, в котором проводятся работы по склеиванию, не ниже 17°С, а относительная влажность 35–80%.

Давление при склеивании должно создаваться не позднее чем через 50 мин с момента нанесения клея на склеиваемые поверхности и составлять 0,01–0,02 МПа. Давление может быть снято через 18 ч после начала процесса отверждения с последующей выдержкой клеевого соединения дополнительно при температуре 100°С в течение 2 ч без давления.

Давление создавалось механически или с помощью вакуума. Технология приклеивания ТЗИ на отдельные участки крупногабаритного изделия с помощью вакуума непосредственно на изделии была отработана впервые в нашей стране, для ее реализации было организовано производство необходимых материалов. При создании давления вакуумом, к алюминиевой обшивке, загрунтованной одним слоем грунтовки ЭП-0214, за пределами склеиваемого участка с помощью герметизирующего жгута типа Герлен-12 или 51Г-27 крепится пленка ПА-6, которая образует вакуумный мешок. Этот способ передачи давления весьма удобен, особенно для изготовления агрегатов со сложной конфигурацией поверхности. Однако после завершения процесса склеивания необходимо тщательно удалить герметизирующий жгут с поверхности, на которую его наносили, с помощью тампона из х/б ткани и аэросила, так как следы жгута на поверхности отрицательно сказываются на адгезии клея к такой поверхности. Клей Эластосил 137-175М отличается плохой текучестью, поэтому обеспечение равномерного и постоянного давления при склеивании является одним из основных условий получения качественного склеивания. Режим отверждения клея: 5 сут при комнатной температуре с момента запрессовки изделия или 18–24 ч под давлением при комнатной температуре, с последующей выдержкой в течение 4 сут (без права проведения монтажных работ на соседних участках).

Важным этапом является подготовка поверхности под склеивание из-за огромных масштабов работ (приклеено более 38000 плиток) и большой поверхности склеивания. Листы из алюминиевых сплавов подвергались анодированию в серной кислоте при температуре электролита 10–20°С, с наполнением анодной пленки хромпиком, при этом толщина анодной пленки составляла 5–8 мкм. Непосредственно после анодирования (не позднее чем через 3 ч) наносили один слой эпоксидной грунтовки ЭП-0214 горячей сушки. Грунтовку наносили в 2 слоя: 1-й слой – сразу после анодирования, 2-й – непосредственно перед операцией склеивания. Время между нанесением 1-го и 2-го слоев грунтовки не ограничено, что очень удобно, особенно для серийного производства крупногабаритных изделий. Экспериментально установлено что толщина слоя грунтовки ЭП-0214 не должна превышать 50 мкм. При большей толщине резко снижается прочность клеевых соединений, (особенно при циклическом воздействии температур от -130 до +180°С) и наблюдается отслоение грунта от поверхности алюминиевой обшивки.

Детали из титановых сплавов и нержавеющих сталей после обезжиривания подвергали гидропескоструйной обработке или обдувке корундовым песком. Не позднее чем через 12 ч после гидропескоструйной обработки детали из нержавеющих сталей пассивируют. Перед приклеиванием ТЗП обезжиренные поверхности тщательно протирают очистительной пастой на основе микропорошка электрокорунда белого марки К-07 или М-7, нанесенной на слегка влажную губку из поролона или салфетку из х/б ткани. По смачиваемости поверхности пастой в процессе протирки оценивают качество предварительной очистки. Протирку заканчивают, когда слой пасты будет хорошо смачивать поверхность и не собираться в капли. Слой высохшей пасты способствует сохранению чистоты и активности подготовленной поверхности в течение 24 ч. Паста с поверхности удаляется с помощью пылесоса, а также губкой или салфеткой, смоченной в воде и туго отжатой. После удаления пасты на чистую и сухую поверхность наносится 5% раствор продукта К-10С в бензине. После сушки подслоя из продукта К-10С при температуре 17–30°С в течение 1 ч можно приступать к склеиванию. Разрыв во времени между обработкой поверхности, нанесением подслоя из продукта К-10С и нанесением клея-герметика Эластосил 137-175М не должен превышать 12 ч.

Детали из бериллиевого сплава АБМ-1 перед нанесением клея подвергаются анодированию в хромовокислом электролите или оксидированию в растворе Na₂SiF₆+CrO₃. Затем на них наносят грунтовку ЭП-0214 (аналогично подготовке поверхности алюминиевых сплавов под склеивание).

На детали из полимерных композиционных материалов (толщиной 0,4 мм и более) на основе углеродного волокна в процессе формования с двух сторон наносили лавсановую ткань – «жертвенный» слой. Фиксацию ткани на поверхности, имеющей кривизну, осуществляли путем проглаживания утюгом, роликом или другими прикаточными средствами, нагретыми до температуры 70–80°С. Склеивание производили после удаления с поверхности ПКМ «жертвенного» слоя и нанесения на нее грунтовки ЭП-0214.

Грунтовка, с одной стороны, является адгезионным подслоем, с другой – обеспечивает проведение разметки, поскольку она желтого цвета – на черной поверхности композиционных материалов разметка не видна.

Нанесение «жертвенного» слоя на поверхности композиционных материалов и удаление его с поверхности перед проведением работ по склеиванию – ответственная операция, поскольку, во-первых, он (слой) должен прочно удерживаться на поверхности и служить технологическим элементом защиты от механических повреждений и загрязнения детали вплоть до момента склеивания, и во-вторых – удаляться с поверхности ПКМ без повреждения углеродных волокон (на поверхности не должно оставаться его следов).

В связи с этим были тщательно проработаны следующие вопросы:

– выбор материала «жертвенного» слоя;

– размер элементов «жертвенного» слоя и их конфигурация (для облегчения качественного удаления);

– использование перед выкладкой «жертвенного» слоя предварительно уложенных и закрепленных на поверхности ПКМ полосок антиадгезионной пленки, например триацетатцеллюлозной или фторопластовой, строго определенной толщины;

– технология выкладки «жертвенного» слоя на плоские и криволинейные поверхности;

– технологические приемы и инструмент для удаления жертвенного слоя.

Для проведения ремонтных работ был разработан клей-герметик Эластосил       137-175М-2, продолжительность отверждения которого сокращена до 24 ч, при этом продолжительность операций – с начала нанесения клея на обшивку до приложения давления склеивания – составила 30 мин (остальные свойства – на уровне свойств клеев-герметиков Эластосил 137-175М и Эластосил 137-175М-1).

Влияние способа подготовки поверхности полимерных композиционных материалов на прочность склеивания клеем Эластосил 137-175М иллюстрируют данные, приведенные в табл. 3.

Таблица 3

Влияние подготовки поверхности полимерных композиционных материалов на основе углеродного волокна на прочность склеивания клеем-герметиком Эластосил 137-175М

Теплозащитные материалы на основе кварцевых волокон характеризуются высокой пористостью, поэтому при нанесении клея-герметика Эластосил 137-175М он впитывается в них и для обеспечения хорошей прочности требуется большой расход клея, что отрицательно сказывается на весовых параметрах изделия. В связи с этим разработка технологии склеивания теплозащитных элементов изделия проводилась с учетом необходимости обеспечения высоких адгезионных характеристик клея-герметика Эластосил 137-175М при небольшом его расходе на 1 м² склеиваемой поверхности. Для снижения расхода клея, перед его нанесением на поверхность пористых материалов применяли подслой, представляющий собой 30%-ный раствор клея Эластосил 137-175М в бутилацетате. Подслой наносили равномерным слоем с расходом 100–150 г/м². После нанесения подслоя – для удаления растворителя – проводилась «открытая» выдержка при температуре 17–30°С в течение не менее 1 ч и не более 12 ч.

При склеивании клеем-герметиком Эластосил 137-175М материалов на основе фенилоновых и терлоновых волокон поверхности обезжиривали с помощью тампонов, смоченных в бензине и туго отжатых, затем аналогичным образом смоченных в ацетоне. После каждого обезжиривания проводилась открытая выдержка при комнатной температуре в течение 15–20 мин (для удаления растворителя).

При склеивании пенопластов на их поверхность наносили 2 слоя грунта ЭП-0214 с расходом 200–250 г/м²: сушка 1-го слоя – в течение 90 мин при 17–30°С, 2-го – в течение 24 ч при 20°С. Загрунтованный пенопласт до нанесения клея разрешалось хранить 30 сут в полиэтиленовых мешках, предохраняющих от попадания на его поверхности загрязнений.

Теплозащитная конструкция изделия «Буран» монтировалась с применением клея-герметика Эластосил 137-175М в следующей последовательности.

Первым этапом являлось изготовление теплозащитного элемента, состоящего из керамической плитки и приклеенного к ней клеем-герметиком Эластосил 137-175М материала АТМ-15ПК (по описанной технологии).

Плиточные теплозащитные элементы устанавливали на поверхности обшивки практически всего изделия в «гнезда», получаемые после приклеивания (также клеем-герметиком Эластосил 137-175М) вкладышей из материала АТМ-16ПКП. Приклеивание вкладышей проводили по предварительно сделанной разметке, что обеспечивало заданный рисунок расположения плиток и величину межплиточных зазоров.

Фрагмент плоского участка изделия с установленными вкладышами: 1 – обшивка изделия; 2 – вкладыш

 На рисунке показан фрагмент плоского участка изделия с приклеенными вкладышами и «гнездами» для установки кварцевых керамических теплозащитных конструкций плиточного типа. Затем поверхность обшивки и приклеенной к элементу демпфирующей подложки обезжиривали рекомендованными растворителями, выдерживали на воздухе для выветривания растворителей и наносили клей. На поверхность демпфирующей подложки он наносился по всей площади, на поверхность обшивки – по площади соприкосновения с прокладкой. После рекомендованной выдержки на воздухе плитку с приклеенной к ней демпфирующей подложкой устанавливали в «гнездо» и подавали равномерно распределенное давление 0,03 МПа. Давление разрешалось снять через 18–24 ч с начала отверждения при условии дальнейшего проведения работ на данном участке не ранее чем через 4 сут. В течение этого времени работы по склеиванию проводились на других участках изделия.

Соединение склеиваемых поверхностей должно проводиться не позднее чем через 30 мин после нанесения на ни Эластосила 137-175М х . Это не всегда удобно, особенно в случае изготовления большого количества ТЗК одновременно. В связи с этим был разработан клей-герметик Эластосил 137-175М-1 с полностью идентичными свойствами (по сравнению с клеем Эластосил 137-175М), но с жизнеспособностью увеличенной до двух часов за счет изменения вулканизующего агента. Это позволило, в свою очередь, увеличить разрыв во времени с начала нанесения клея на обшивку до приложения давления склеивания с 50 мин до 1,5 ч.

Для склеивания трехслойных сотовых панелей разнообразных габаритов, в том числе сложной конфигурации, в орбитальном корабле «Буран» применен тепломорозостойкий пленочный клей ВК-36. Он хорошо склеивает алюминиевые сплавы, полимерные композиционные и неметаллические материалы. Склеивание производится в автоклаве или под прессом.

 Основные характеристики клея ВК-36

– Предел прочности при сдвиге клеевых соединений из алюминиевого сплава, МПа, при температуре, °С:

20 …………………………………………………………………………………… 35

160 ………………………………………………………………………………… 25

– Масса клеевой пленки, г/м²………………………………………………………310

– Рабочая температура, °С………………………………………………… -130…+160

– Продолжительность, ч, операции склеивания при 175°С и давлении

0,08–0,2 МПа……………………………………………………………………………3.

В конструкциях радиотехнического назначения использован клей ВК-36РТ, отличающийся от клея ВК-36 тем, что не содержит в своем составе наполнителя.

Для предотвращения проникновения теплового потока между элементами конструкции теплозащиты (или другими элементами конструкции), а также в зоны разъемно-стыковых узлов с изменяющимися в процессе эксплуатации зазорами, в «Буране» использованы жгутовые и щеточные уплотнения. Для крепления этих уплотнений применяется элементоорганический клей холодного отверждения ВК-54М (табл. 4). В конструкциях замкового типа клей рекомендован для многократного использования, а в подвижных конструкциях – для одноразового применения.

Таблица 4

Характеристики клея ВК-54М

 Отверждение клея проходит при комнатной температуре в течение 5 сут.

Клеи, разработанные в ВИАМ, применены в конструкции «Буран» также для приклеивания датчиков различного назначения (тензорезисторов, термометров сопротивления, термоэлектрических термометров и акселерометров), что позволило получить полную информацию о поведении изделия при воздействии вибрации, температуры, деформации и других факторов как при стендовых, так и при эксплуатационных испытаниях.

Клеи холодного отверждения ВК-9 и горячего отверждения ВС-350 применены для крепления тензорезисторов ЕТ-286, предназначенных для замера деформации в изделии.

Клеи ВК-19М и ВК-20МП обеспечили работоспособность термометра сопротивления ТП-251, предназначенного для измерения воздействующей на изделие температуры: от -130 до +200°С (клей ВК-19М) и от -130 до +350°С (клей ВК-20МП).

В табл. 5 представлена краткая характеристика клеев, использованных для установки датчиков.

Таблица 5

Краткая характеристика клеев для датчиков

Таким образом, в изделии «Буран» использована широкая номенклатура клеев, что позволило обеспечить надежное крепление теплозащитных конструкций на элементах конструкции орбитального корабля, изготовленных из различных материалов; на сотовых конструкциях створок отсека полезного груза; обеспечить установку термических уплотнений для исключения зазоров между жаростойкими элементами конструкции и ответной частью планера (носовой кок и носовая часть фюзеляжа), между секциями жаростойких конструкций носка крыла, а также между теплозащитными плитками и другими элементами планера; осуществить контроль за поведением изделия при воздействии различных эксплуатационных факторов как при стендовых, так и при эксплуатационных испытаниях благодаря созданию клеев для приклеивания датчиков различного назначения.