Роскосмос

Ракета-носитель «Союз-5»: о производстве изделия в АО РКЦ «Прогресс»

УДК 629.78

Ракета-носитель «Союз-5»: о производстве изделия в АО РКЦ «Прогресс»

Launch vehicle «Soyuz 5»: about the production of the article at the JSC SRC «Progress»

Авторы

Должанский Ю.М., Илингина А.В., Кузин А.И.

Authors

Dolzhanskiy Y. M., Ilingina A.V., Kuzin A.I.

Аннотация

В статье приведены общие сведения о перспективном проекте отечественной ракеты-носителя «Союз-5» и подготовке производства изделия в АО РКЦ «Прогресс». Сформулированы предложения по обеспечению качества сварных деталей сборочных единиц изделия, выполненных сваркой трением с перемешиванием.

Abstract

The paper provides general information about the promising design of the domestic launch vehicle «Soyuz-5» and manufacturing preparation of the article at the JSC SRC «Progress». Suggestions for quality assurance of welded parts of product subassembly made by friction stir welding are formulated.

Ключевые слова

ракета-носитель «Союз-5», сварка трением с перемешиванием, оборудование, инструмент, математическая модель, автоматизированная система управления

Keywords

launch vehicle «Soyuz 5», friction stir welding, equipment, tool, mathematical model, .automated control system

«Союз-5» – двухступенчатая ракета-носитель (РН) среднего класса, способная решать достаточно широкий спектр задач и, в частности, выводить различные полезные нагрузки на низкие околоземные орбиты, а с применением разгонных блоков – на геопереходные и геостационарные орбиты и на отлётные траектории (рис. 1).

Рис.1. «Союз-5» в полёте (дизайнерская иллюстрация)

«Союз-5» предполагается компоновать по тандемной схеме (рис. 2) и оснащать жидкостными ракетными двигателями на топливной паре кислород-нафтил с лучшими в мире на сегодняшний день энергомассовыми характеристиками:

  • РД-171МВ (АО «НПО «Энергомаш») на первой ступени ракеты;
  • РД-0124МС (АО «КБХА») на второй ступени ракеты.

 

Рис. 2. Конструктивно-компоновочная схема РН «Союз-5»

В качестве основного конструкционного материала баков и переходных отсеков РН «Союз-5» выбран перспективный алюминиевый сплав 1580, а для сборки-сварки баков изделия в РКЦ «Прогресс» будет использована передовая на сегодняшний день технология сварки трением с перемешиванием (СТП), при этом впервые в практике ракетостроения СТП будет производиться на отечественном оборудовании, разработанном ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель», которое проектирует и изготавливает три специализированных установки с комплектами специальной оснастки для каждой из них:

  • установка для СТП продольных швов;
  • установка для СТП кольцевых швов;
  • установка для СТП меридианных и круговых швов.

В соответствии с техническим заданием установки должны обеспечивать качественную сварку листовых заготовок и плит толщиной до 30 мм.

Первая из х установок уже доставлена на предприятие, а в рамках одного из этапов её приёмки в Чебоксарах успешно сварены контрольные образцы непосредственно из сплава 1580.

Сварка трением с перемешиванием является передовой прорывной технологией формирования сварных соединений листовых заготовок, однако для обеспечения свойств и качества сварных СТП-соединений здесь предъявляются крайне жесткие требования к геометрии свариваемых кромок и сборке деталей под сварку [1, 2, 3]:

  • толщина свариваемых листовых заготовок должна выдерживаться достаточно строго, так как плюсовые отклонения по толщине могут приводить к существенному снижению качества сварных соединений, а в случае определённого превышения толщины свариваемых кромок относительно номинальной – к поломке типового инструмента;
  • наличие зазоров между кромками свариваемых листов и их неприлегание к подложке оснастки также может приводить к снижению качества и свойств сварных соединений.

Что касается первого требования, то одним из эффективных решений проблемы может стать использование при сварке оригинального инструмента, разработанного и запатентованного ФГУП «НПО «Техномаш» [4, 5, 6].

Разработанный инструмент (типа «Bobbin-Tool)» в значительной мере нивелирует влияние «плюсовых» отклонений по толщине свариваемых заготовок с сохранением регламентированной площади контакта рабочей поверхности инструмента и режимов сварки.

Новым решением в предлагаемом инструменте является наличие на нижней части его корпуса дополнительного кольцевого буртика, заходная часть рабочей поверхности которого исключает влияние в процессе сварки локальных неровностей поверхностей заготовок на плотность контакта плоской части рабочей поверхности вращающегося инструмента с поверхностью заготовок. При этом практически полностью сохраняются требуемые параметры разогрева металла заготовок в зоне сварки и получение достаточного количества пластифицированного материала для формирования качественного сварного шва.

Предлагаемый инструмент (рис. 3) содержит «штатный» корпус цилиндрической формы диаметром D, на нижней части которого образована дополнительная рабочая поверхность в виде кольцевого буртика.

В зависимости от свариваемого материала (стали, алюминиевые сплавы и т.д.) и толщины свариваемых заготовок заходная часть рабочей поверхности буртика выполняется скошенной в виде фаски, радиусной поверхности или фрагмента эвольвенты левого или правого построения.

инструмент

Рис. 3. Схема предлагаемого инструмента

В процессе работы инструмента «заходная» часть буртика, набегая на участки локального утолщения поверхности заготовок, разогревает и «выглаживает» их за счёт геометрии буртика, сохраняя требуемый контакт практически по всей площади рабочей поверхности инструмента.

Как показали первые опыты использования предлагаемого инструмента, диаметр буртика должен составлять не менее (D+2s), где s – толщина свариваемых листовых заготовок.

Что касается наличия разной природы зазоров, то здесь необходимо разработать специальную автоматизированную систему управления процессом СТП, в которой бы отслеживались текущие зазоры и перманентно корректировались параметры режимов сварки.

При разработке подобной системы могут быть полезны, например, идеи и решения, предложенные [7], а примером реализации идеи можно, в первом приближении, считать разработанную и внедренную ФГУП «НПО «Техномаш» адаптивную систему оперативного контроля геометрии остаточного полотна при фрезеровании вафельного фона на крупногабаритных обечайках изделий ракетно-космической техники(РКТ) [8], которая в режиме «on-line», замеряет текущую толщину заготовки и задаёт глубину фрезерования, обеспечивающую требуемую толщину так называемого «остаточного полотна», гарантированно обеспечивающую предъявляемые к изделию требования по прочности и жёсткости.

Выводы

Таким образом, в качестве проблемных аспектов обеспечения качества сварных соединений при СТП в производстве, в том числе ДСЕ РН «Союз-5», следует считать:

  1. Локальный «on-line» контроль геометрии заготовок и их размещения в сборочно-сварочных установках.
  2. Разработку математических моделей системы «геометрия стыка – режимы сварки – свойства сварного соединения».
  3. Разработку автоматизированной системы управления режимами СТП в обеспечение требуемого качества и свойств сварных соединений с учётом результатов «on-line» локального контроля геометрии заготовок и их размещения в сборочно-сварочных установках.

Библиографический список

  1. Ашихин Д.С., Беркутов И.В., Степанова К.А. и др. Анализ факторов, определяющих качество сварных стыковых алюминиевых соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием // Технология машиностроения. – 2018. № 7. – С. 18–23.
  2. Ашихин Д.С., Беркутов И.В., Степанова К.А. и др. Обеспечение качества стыковых алюминиевых соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием // Технология машиностроения. – 2018. № 8. – С. 41–47.
  3. Ашихин Д.С., Беркутов И.В., Степанова К.А. и др. Исследование степени влияния изменения параметров «толщина» и «зазор» на качество стыковых сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием // Сварочное производство. – 2018. № 9. – С. 15–22.
  4. Вайцехович С.М., Власов Ю.В., Должанский Ю.М., Илингина А.В. и др. Разработка инструмента для фрикционной сварки с перемешиванием // Вестник «НПО «Техномаш». – 2020. № 2. – С. 14–20.
  5. Бараев А.В., Вайцехович С.М., Должанский Ю.М., Илингина А.В. и др. Совершенствование инструмента для сварки рением с перемешиванием // Сварочное производство. – 2020. № 6. – С. 11–13.
  6. Патент на полезную модель № 200 601 РФ, СПК В23К 20/12 (2020.02) Инструмент для фрикционной сварки с перемешиванием / Вайцехович С.М., Власов Ю.В., Должанский Ю.М. и др. (Россия); заявитель и патентообладатель ФГУП «НПО «Техномаш». № 2020 104 975; от 04.02.2020; опубл. 30.10.2020. Бюл. № 31.
  7. Ашихин Д.С., Беркутов И.В., Прохорович В.Е. Разработка средств измерения толщины свариваемых кромок и зазора между свариваемыми кромками и подкладной линейкой при сварке трением с перемешиванием топливных баков изделия «Ангара» // Территория NDT. – 2017. №1. – С. 22–25.
  8. Адаптивная система с пневмо-датчиком для оперативного контроля геометрии остаточного полотна при фрезеровании вафельного фона на крупногабаритных обечайках изделий РКТ // ФГУП «НПО «Техномаш». – Информационный паспорт № 136/14. – 2014. – 5 л., инв.ТМБД.П.-1.114.

Должанский Юрий Михайлович – д-р техн. наук, главный научный сотрудник ФГУП «НПО «Техномаш» им. С.А. Афанасьева. Тел.: 8 (495) 689-97-04, доб. 24-27. E-mail: Dolzhansky.Yu@tmnpo.ru / Dolzhanskiy Yurii Mikhailovich – Doktor Nauk in Engineering, Principal Research Officer of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasyev. Tel.: 8 (495) 689-97-04, ext. 24-27. E-mail: Dolzhansky.Yu@tmnpo.ru

Илингина Алла Валерьевна – директор центра ФГУП «НПО «Техномаш» им. С.А. Афанасьева. Тел.: 8(495) 689-96-90. E-mail: a.ilingina@tmnpo.ru / Ilingina Alla Valeryevna – Center Director of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasyev. Tel.: 8(495) 689-96-90. E-mail: a.ilingina@tmnpo.ru

Кузин Анатолий Иванович – первый заместитель генерального директора ФГУП «НПО «Техномаш» им. С.А. Афанасьева. Тел.8 (495) 689-47-33 доб. 25-25. E-mail: A.Kuzin@tmnpo.ru / Kuzin Anatoliy Ivanovich – First Deputy CEO of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasyev. Tel.8 (495) 689-47-33 ext. 25-25. E-mail: A.Kuzin@tmnpo.ru