3. Выбор материалов

   1. Сравнительная оценка и выбор конструкционных материалов камеры

Наибольшее распространение в производстве РДТТ получили высокопрочные металлы. Сравнительный анализ показывает, что алюминиевые сплавы уступают сталям и титановым сплавам по удельной прочности, но приближаются к ним по удельной жест­кости. Учитывая более высокую, чем у сталей, и еще более высо­кую, чем у титановых сплавов, технологичность и низкую стои­мость алюминиевых сплавов, они весьма эффективно могут быть использованы для изготовления частей сопл, утопленных внутрь камеры, и для производства корпусов РДТТ, работающих на устойчивость (например, в РДТТ подводных ракет).

Высокопрочные титановые сплавы и стали нашли широкое применение в производстве РДТТ. Применение их требует спе­циальных термообработок соединений и целиком изделий после сварки и высокую технологическую культуру. Даже незначи­тельные нарушения процессов изготовления и контроля могут привести к снижению конструктивной прочности.

1. Высокопрочные стали

Высокопрочными сталями принято считать стали с пределом прочности после всех видов упрочнения (закалки, наклепа) > 1,5 ГПа. Такой уровень прочности до­стигается на высокоуглеродистых среднелегированных сталях и мартенснтностареющих (коррозионно-стойких) сталях.

Основным недостатком высокопрочных сталей является повы­шенная чувствительность к концентраторам напряжений.

Для уменьшения чувствительности высокопрочных сталей к концентраторам применяются следующие способы их произ­водства: вакуумно-дуговая выплавка; обработка металлов синте­тическими шлаками в ковше; электрошлаковый переплав; элек­тронно-лучевой переплав. Эти способы рафинирования сталей позволяют снизить содержание газов и вредных примесей серы и фосфора в металле.

Сочетание высоких прочностных свойств сталей при удовлетворительной пластичности и вязкости обеспечивается комплексным легированием элемен­тами, упрочняющими феррит и повы­шающими прокаливаемость стали, при увеличении сопротивляемости хруп­кому разрушению.

2. Волокнистые композиционные материалы

Прогресс авиакосмической техники за последние годы привел к значительному улучшению важнейших парамет­ров ЛА, в том числе к уменьшению пассивной массы РДТТ.

Основные свойства бороволокна следующие:

• Плотность, г/см³ … 2,6

• Предел прочности, ГПа … 3,5

• Температура плавления, °С … 2050

• Модуль упругости, ГПа … 420

Главный интерес представляет удельная жесткость бороволокна, более чем в 5 раз превышающая удельную жесткость стеклово­локна и более чем в 6 раз — высокопрочных сталей, титановых и алюминиевых сплавов.

Наибольшее распространение получили боропластики на эпок­сидных связующих. Основные свойства боропластиков следующие:

• Предел прочности, ГПа … 1,75

• Модуль упругости, ГПа … 220

Углерод в массивном объеме также хрупок и в несущих кон­струкциях не применим.

Высокопрочные ( = 2,1 ... 2,45 ГПа, Е = 250 ... 280 ГПа) или высокомодульные ( = 1,4 ... 1,75 ГПа, Е = 380 ГПа) углеродные волокна используются для изготовления следующих полуфабрикатов: рубленого волокна, штапельной ткани, пред­варительно пропитанной ткани и непрерывной ровницы. Основ­ные свойства высокомодульных волокон:

• Плотность, г/см³ 1,7-1,8

• Предел прочности, ГПа … 2,4-3,1

• Модуль упругости, ГПа … 300

Углепластики изготавливаются преимущественно с приме­нением эпоксидных связующих. Основные свойства эпоксидных углепластиков:

• Плотность, г/см³ 1,5-1,6

• Предел прочности, ГПа … 1,6-1,3

• Модуль упругости, ГПа … 130-190

Кроме высокой удельной жесткости высокомодульные угле­пластики обладают высокой статической выносливостью. Угле­пластики обладают более высокой, чем у металлов, демпфирую­щей способностью и вибропрочностью. Высокая теплопроводность углеродных волокон снижает саморазогрев материала. Природа углеродных волокон обеспечивает углепластикам незначительный или даже отрица­тельный коэффициент термического расширения. Особенно перспективно применение углепластиков в конструкциях, работающих на устойчивость под воздей­ствием внешнего, избыточного давления, изгибающего момента и осевого сжатия. Разработаны также композиции углерод—угле­род, в которых в качестве связующих для углеродных волокон применяют углеродные графитизированные матрицы. Такие ма­териалы обладают высокими теплозащитными свойствами, хими­ческой инертностью, сохраняют прочностные характеристики до весьма высоких температур и имеют следующие свойства:

• Плотность, г/см³ … 1,46

• Предел прочности при температуре 20 °С, ГПа … 28,1

• Предел прочности при температуре 2500 °С, ГПа … 27,4

Представляется целесообразным применение композиций угле­род — углерод для изготовления сверхзвуковых раструбов сопл РДТТ.

Органические волокна. Значительные достижения химии позво­лили создать весьма перспективные высокопрочные высокомо­дульные полимерные волокна со следующими свойствами:

• Плотность, г/см³ … 4,7

• Редел прочности, МПа … 800

• Предел прочности при температуре 1000 °С, МПа … 200

• Модуль упругости, ГПа … 266

По удельной прочности органическое волокно конкурирует со стекловолокном. Однако сравнительно низкая прочность на сжатие и высокая ползучесть ограничивает широкое применение органопластов. Органопласты в настоящее время применяются на самолетах и вертолетах на обшивках закрылков, стабилизаторов, пилонов, обтекателей и на корпусах РДТТ.

Представляют интерес волокнистые композиционные мате­риалы, полученные сочетанием в одной композиции высокомо­дульных органических (полимерных) волокон с углеродными. В таких композициях полимерные наполнители повышают эластичность, ударную прочность и снижают плотность, а углеродные волокна повышают прочность и жесткость.

Механические свойства композиционного материала в изделии обуславливаются схемой расположения волокна и могут созна­тельно меняться изготовителем изделия, т. е. конструкции могут изготавливаться с регулируемой анизотропией материала. Таким образом, при разработке конструкций из волокнистых компози­ционных материалов, получаемых методом намотки, проектиро­вание требует одновременного охвата вопросов не только назна­чения геометрических размеров конструкции, но и назначения внутренней структуры материала — числа и порядка чередования слоев, углов ориентации, вида армирующих нитей и их относи­тельное содержание в объеме композиции. Это со своей стороны требует обеспечения соответствия формы конструкции возможно­стям композиционных материалов и технологическим возможнос­тям реализации конструкции методом непрерывной намотки.

Таблица 4.1

Материал	Плотность ,г/см3	Предел прочности, ГПа	Модуль упругости, ГПа	Удельная прочность, МДж/кг	Удельная жесткость, МДж/кг	Предельное относительное удлинение, %	Температура начала предела прочности, °С
Стеклопластик	2,07	1,0-1,1	39,2	47,2	1894	2,5	350
Боропластик	2,06	0,88	117	42,7	5680	0,75	500
Углепластик	1,54	0,55	110	35,7	7143	0,5	2000
Органопластик	1,35	0,78	42,17	57,8	3124	2,1	80

Корпус РДТТ, рассматриваемый в данном курсовом проекте, выполняется продольно-поперечной намоткой из углепластика.