книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

нологических метода формирования силовой оболочки - ме­ тоды спиральной и плоскостной (или орбитальной) намотки. В первом случае арматура наматывается на оправку спираль­ но-винтовыми витками по равновесным геодезическим траек­ ториям, и цилиндрическая часть корпуса дополнительно бандажируется кольцевыми слоями. Тангенциальные напряжения при нагружении в такой конструкции воспринимаются одно­ временно волокнами спирально-перекрестной и кольцевой систем оболочки, а коаксиальные напряжения растяжения - только волокнами спирально-перекрестной системы.

Во втором случае арматура наматывается плоскими непре­ рывными витками, укладываемыми на оправку под углом 17°

коси симметрии (воспринимают коаксиальные напряжения),

ана цилиндрическую часть наматываются кольцевые слои, воспринимающие тангенциальные напряжения при действии внутреннего давления.

Днища с фланцами. В полярные отверстия СО вматываются фланцы, изготавливаемые из высокопрочных легких сплавов (алюминиевых или титановых) или прессованные из компози­ тов. Соединение СО с фланцем осуществляют склеиванием через эластичный промежуточный слой, выполняющий функ­ ции компенсатора термоупругих деформаций и упругого шар­ нира при передаче нагружения с фланца на СО. Кроме того, в эластичной прослойке имеется специальный локальный ком­ пенсатор в виде местного раскрепления (расслоения) шарнира. Обычно фланцы изготавливают совместно с элементами кон­ струкции теплозащиты (см. рис. 6.2, в), собирают и устанав­ ливают на оправку перед намоткой силовой оболочки. В про­ цессе намотки арматуры СО витки нитей охватывают петлями перо фланца, образуя конфигурацию днища. Петельная струк­ тура законцовки днища создает кромку полюсного отверстия, которая является основным элементом, передающим нагрузки от фланца на СО корпуса.

Узлы стыка корпуса. Для соединения корпуса с другими агрегатами ракеты в корпусе предусматривают специальные стыковочные узлы, которые имеют форму цилиндрических “юбок”, скрепленных с СО корпуса. Конструкция УС и метод соединения “юбки” и шпангоута могут быть самыми разнооб­ разными (рис. 6.4). Наиболее часто используют два типа кон­ структорско-технологических решений: “юбки” композитные

с металлическими шпангоутами и “юбки”, целиком изготов­ ленные из КМ. В обоих случаях цилиндрическая конструкция “юбки” воспринимает и передает на СО нагрузки сжатия, растяжения и изгиба. Цилиндрическую часть “юбки” армируют продольными слоями под углом 0° (для передачи нагрузки) и кольцевыми слоями (для обеспечения жесткости конструкции). Кроме того, В ряде случаев используют перекрестное армиро­ вание под углами ± 45°. Торцевые стыковочные шпангоуты обеспечивают точность и надежность соединения с другими элементами конструкции ракеты. Как и в системе СО — фла­ нец, в соединении “юбок” с СО корпуса для компенсации термоупругих, отрывающих и касательных напряжений пред­ усматривают эластичные компенсаторы в виде прослойки с клиновым утолщением в развилке.

Рис. 6.4. Конструктивная организация “юбки” корпуса РДТТ:

1 - ТЗП; 2 —компенсационный резиновый клин; 3 — “юбка” из КМ; 4 — СО из композита; 5 — стыковочный фланец из алюминиевого сплава

Теплозащита корпуса. Элементы конструкции корпуса дви­ гателя должны быть защищены от теплового воздействия вы­ сокотемпературных продуктов сгорания твердого топлива. Вследствие сложной конфигурации, низкой и изменяющейся по длине жесткости СО, больших деформаций и перемещения днищ относительно фланцев, газо- и влагопроницаемости сте­ нок корпуса из композитного материала применяют ТЗП, об­ ладающее высокой эластичностью и герметизирующими свой­ ствами. Для защиты стенок корпуса от наружного аэродина­ мического нагрева, воздействия газов, истекающих из сопла, а также от других тепловых потоков используют специальную наружную теплозащиту.

Конструктивно-технологические решения внутренней теп­ лозащиты корпуса обусловлены главным образом повышенной склонностью СО к деформациям.

Для прочно скрепленных твердотопливных зарядов (ТТЗ) деформации корпусов ограничиваются пределами 1,4...4 %. В цельномотаных корпусах деформации в районе днищ сущест­ венно превышают указанные значения, достигая 30 %. Поэтому используемые для защиты металлических корпусов теплоза­ щитные материалы нельзя применять в качестве внутренних ТЗМ пластиковых корпусов, так как вследствие их малых от­ носительных удлинений не обеспечивается совместная работа днищ СО и ТЗМ. Для обеспечения монолитности во всем диапазоне функциональных перемещений элементов корпуса наиболее приемлемыми являются резиноподобные эластичные ТЗМ. Кроме того, в каждом случае необходимо разрабатывать конструкцию компенсаторов в зонах повышенной деформации, особенно для заднего соплового фланца. Концентрация напря­ жений в зоне скрепления фланцев с СО зависит от таких факторов, как размер полярного отверстия, ширина, натяжение ленты армирующего материала, диаметр корпуса, толщина пластика вокруг фланца и некоторых других.

Наиболее теплонапряженными участками внутренней по­ верхности корпуса являются днища, где отсутствует теплоизо­ лирующее влияние свода топлива. Температура продуктов сго­ рания ТТЗ составляет около 3600 К, степень запыленности конденсированной фазой —до 35 %, окислительный потенци­ ал —до 0,1, скорость обтекания переднего днища - 4...6 м/с, заднего — 60...20 м/с (уменьшается по времени вследствие разгара канала).

Как показывает опыт проектирования и отработки крупно­ габаритных двигателей, наиболее рациональной в целях обес­ печения минимальной массы и номенклатуры применяемых ТЗМ является двухслойная конструкция ТЗП: наружный слой из материала с повышенной эрозионной стойкостью, облада­ ющего, как правило, пониженной эластичностью, и внутрен­ ний слой из материала с пониженной теплопроводностью и повышенной эластичностью. Наряду с указанными слоями в конструкции ТЗП в зоны, контактирующие с ТТЗ, вводят защитно-крепящий слой, состоящий из защитного подслоя (препятствующего миграции компонентов топлива в ТЗП) и скрепляющего подслоя, имеющего развитую поверхность для повышения адгезии топлива к ТЗП.

6.1. Технология изготовления корпуса РДТТ

Подготовка исходных материалов для намотки корпуса

Приготовление связующей композиции. В производстве кор­ пусов РДТТ из КМ применяют в основном эпоксидные свя­ зующие композиции. Из них наиболее широко для “мокрой” намотки используют связующие ЭДТ-10 100%-ной концентра­ ции, УП 612 М, ЭХД-М, ЭЦА-ЭМ, ЭЦМ, ЦАТ, а для “сухой” намотки - ЦЭДТ-10П, ЭФБ-33, ЭЦТ-1, ЭЦТ-20, ПА и другие (табл. 6.2).

Примечание. Секунда —внесистемная единица измерения вязкости, при­ меняемая на производстве.

Рассмотрим общие технологические указания и приемы приготовления связующих композиций на примере связующих композиций ЭДТ-10 и ЭДТ-10П. Эти связующие представляют собой композиции на основе эпоксидных смол, отвердителя и ускорителя. Компоненты, входящие в рецептуру связующей композиции, должны пройти входной контроль на соответствие ТУ и ГОСТ. При поступлении материалов на участок из них изготавливают технологическую пробу для определения исход­ ной вязкости связующего и гомогенности раствора. Связующее

дением. Перед началом работы и после ее окончания аппарат тщательно промывают спиртово-ацетоновой смесью в соотно­ шении 1:2. Изготовление связующего осуществляют в соответ­ ствии с технологической инструкцией, предусматривающей не­ обходимые доли исходных компонентов, порядок их смешения и технологические параметры процесса. Вязкость полученного связующего (по вискозиметру ВЗ-Г, имеющему сопло диамет­ ром 5,4 мм) должна быть не менее 45 с при температуре 50 ± 5°С. Применительно к конкретному волокнистому полу­ фабрикату вязкость подбирают опытным путем. Готовое свя­ зующее передают в основное производство в герметичной таре в сопровождении аттестата, в котором указаны дата изготовле­ ния и номер партии связующего.

В случае приготовления связующего ЭДТ-10П связующее ЭДТ-10 растворяют до необходимой концентрации в спирто­ во-ацетоновой смеси с добавлением продукта АДЭ-3 согласно рецептуре. Для приготовления связующего с требуемой кон­ центрацией перед употреблением добавляют спиртово-ацето­ новую смесь или раствор связующего по правилу “креста” Приготовленные связующие хранятся в герметичной таре: свя­ зующее ЭДТ-10 — не более пяти суток при температуре 25 °С, а ЭДТ-10П — не более трех суток с момента приготовления. Рецептуры связующих композиций, используемых для “мок­ рой” намотки, и их технологические свойства приведены в табл. 6.2.

Для обеспечения требуемой вязкости (не более 15...25 с) связующих и оптимального их содержания в наматываемой оболочке приготовленные связующие помещают в пропиточ­ ную ванночку станка. Следует помнить, что их необходимо переработать в течение следующего времени: ЭЦА-ЭМ - 3 ч, ЭХД-М и ЭДТ-10 - 4...5 ч, УП 612М - 10...15 ч.

Подготовка ленточных полуфабрикатов. Чтобы повысить производительность процесса формования корпусов РДТТ, ис­ ходные волокнистые наполнители наматывают пучками одно­ направленных (параллельных) нитей, жгутов, ровингов. Одно­ направленные пучки волокнистых полуфабрикатов обычно формируют в технологические ленты (ленточные заготовки),

которые затем пропитывают связующим составом, сушат или в мокром состоянии окончательно оформляют в ленточный полуфабрикат, придавая ему заданные размеры по ширине и толщине, микроструктурные и технологические характеристи­ ки (нанос связующего, содержание в нем растворимых, летучих компонентов, определенную технологическую липкость). Часть из этих вопросов уже рассматривалась в гл. 2. Процесс произ­ водства ЛПФ для формования корпусов намоткой (“сухой” или “мокрой”) состоит из следующей совокупности операций:

входной контроль исходных волокнистых полуфабрикатов на соответствие нормалям, которые установлены техническими условиями и стандартами на их производство;

входной контроль технологических свойств связующего со­ става и доведение их до требуемых значений;

формирование ленточной заготовки из исходных волокнис­ тых полуфабрикатов; пропитка ленточной заготовки связую­ щим составом; технологическое отверждение пропитанной ленточной заготовки; формование ЛПФ.

В процессе изготовления ЛПФ особое значение имеют опе­ рации контроля. Так, например, используя сортировку исход­ ных волокон “Кевлар-49", удалось без применения других тех­ нологических приемов повысить степень реализации прочнос­ ти органического волокна с 65 до 86 %, что явилось причиной повсеместного перехода к входному контролю как армирующих нитей, так и связующих. Контроль ЛПФ после изготовления заключается в измерении содержания связующего, его состава, содержания волокнистой арматуры. Скорость пропитки ленты при производстве препрегов контролируется с погрешностью до 1 %, при этом скорость протягивания ленты в технологи­ ческой системе обычно не превышает 0,25 м/с при вязкости связующего не более 0,3 Па-с.

Оправки для намотки корпусов

Процесс изготовления формующей технологической ос­ настки, воспроизводящей конфигурацию и размеры внутрен­ ней полости корпуса двигателя, представляет существенную часть его производства. Обычно его выделяют в отдельное производство разрушаемых или разборных оправок.

При выборе типа оправки исходят из того, что допустимые радиальные давления от усилий технологического натяжения ЛПФ при намотке не должны превышать 20 % рабочего дав­ ления в корпусе двигателя, а допустимые радиальные дефор­ мации при намотке составляют 0,5 мм. Композиционные со­ ставы, используемые для изготовления вымываемых оправок, приведены в табл. 6.4. Общий вид оправки показан на рис. 6.7.

Таблица 6.4

Рецептура и фнзнко-механнческие свойства песчано-смоляных оправок