книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

Рис. 6.12. Общий вид корпусов РДТТ, полученных намоткой

6.2. Технологичёские процессы изготовления элементов конструкций соплового блока

Впроизводстве ответственных элементов конструкций со­ плового блока РДТТ широко используют термостойкие угле­ пластики и УУКМ.

Взависимости от требований, обусловленных эксплуа­ тационными нагрузками, применяют различные конструк­ тивные схемы и схемы армирования (2Д З Д 42) и т.п.), многочисленные технологические методы изготовления каркасов и уплотнения матричным материалом. Основные детали сопла современных РДТТ —вкладыши критического сечения, моноблоковые критические вставки, раструбы со­ плового блока двигателей — изготавливают из этих же ма­ териалов (рис. 6.13, табл. 6.9). Композиты также широко применяют в качестве основных материалов в различных вариантах узлов подвески управляемых поворотных сопел,

вчастности в разнообразных конструктивных схемах по­ воротных сопел с многослойным эластичным сферическим шарниром.

6 7

Рис. 6.13. Сопловый блок РДТТ:

/ - раструб; 2 - критическая часть моноблока; 3 - ТЗП; 4 —соедини­ тельный фланец; 5 - экран; 6 —уплотнение; 7 - воротник

Рассмотрим технологические процессы изготовления эле­ ментов соплового блока.

Изготовление моноблочной части сопла

Каркас моноблочной части сопла (рис. 6.14) изготавливают методом поперечной намотки нитей и продольной выкладкой препрега на оправку с установленными на ней жесткими ра­ диальными элементами армирования. Процесс состоит из сле­ дующих этапов:

изготовление оправки из “мягкого” материала (пенопласта, пенографита, углепластика и т.п.);

изготовление методом пултрузии стержней из углеродного наполнителя, выполняющих роль армирующих элементов кар­ каса в радиальном направлении;

установка стержневых элементов на оправку, выступающих на высоту, соответствующую толщине заготовки;

послойная выкладка осевых элементов препрега с после­ дующей намоткой кольцевых слоев нитей.

Для изготовления каркаса используют универсальные на­ моточные станки и ряд специальных приспособлений.

Препрег изготавливают намоткой углеродной нити (УКН-5000 и др.) на цилиндрическую оправку с последующей

г з 4

Рис. 6.14. Схема конструкции соплового блока с моноблочной критической вставкой:

1 —моноблочная критическая вставка (УУКМ); 2—защитный зерен (ускпзастик); 3 —корпус (титан); 4 —раструб сопла (УУКМ)

пропиткой клеем ПВА и разрезкой на заготовки, длина которых соответствует размерам осевых пазов между установленными на оправке стержнями. Толщина препрега составляет 1,2..Л,5 мм. Набор пакета осуществляется пооперационной вы­ кладкой заготовок препрега в осевом направлении, закрепле­ нием их с помощью клея ПВА и последующей замоткой коль­ цевыми слоями нитей. Количество одновременно наматывае­ мых нитей соответствует ширине кольцевых пазов между стержнями (при диаметре стержней 1,4... 1,5 мм и шаге уста­ новки 6 мм) намотка осуществляется в три нити. После выбора пакета заданной толщины поверхность каркаса покрывают тон­ ким слоем клея БФ для предотвращения сползания нитей и закрепления стержней, а также для исключения травмирования нитей при транспортировке каркаса.

Насыщение каркаса комбинированное, осуществляется за несколько этапов. На первом этапе с целью стабилизации структуры ориентированных в заготовке волокон проводят предварительное пироуплотнение заготовки до плотности 0,9...1,1 г/см3 путем осаждения пирокарбида из газовой фазы. Процесс протекает в стационарной установке с использованием метана, аргона, водорода, порошка тантала и других компонен­ тов при температуре 1370 К в течение 100 ч. Дальнейшее уплотнение заготовки до плотности 1,85..Л,9 г/см3 осуществля­ ется в процессе восьми—девяти циклов пропитки и науглеро­ живания с использованием нефтяного пека при низких (до

35 МПа) и высоких (105 МПа) значениях давления и несколь­ ких циклов графитизации при температуре 3073 К. Затем за­ готовку подвергают механической обработке, после которой в зависимости от назначения изготавливаемой конструкции ее дополнительно науглероживают или наносят противоокислительное покрытие.

Вид заготовки монодетали до и после механической обра­ ботки показан на рис. 6.15 и 6.16.

Изготовление сопловых раструбов и насадков

Для изготовления выходных раструбов РДТТ широко используют УУКМ. Каркасы раструбов в основном произ­ водят в соответствии со следующими технологиями: тканевыкладочная прошивка, намоточная и технология ткачест­ ва (табл. 6.10). Тканевыкладочная прошивная технология и применяемое оборудование были рассмотрены в гл. 3. Для намотки раструбов используют универсальное намо­ точное оборудование и те же процессы, что и для намотки корпусов двигателей. Аналогичные процессы применяют и для изготовления сопловых насадков жидкостных ракетных двигателей.

Рис. 6.17. Конструктивная схема насадка

При намотке изделий конической формы ткаными лентами из волокнистых материалов слои армирующего материала рас­ полагаются не только параллельно образующей, но также па­ раллельно и под различными углами к оси изделия.

Технологический процесс спиральной намотки “сухим” способом для рассматриваемого случая заключается в следую­ щем. Волокнистый армирующий материал перед формованием предварительно пропитывают связующим (в данном случае бакелитовым лаком ЛБС-2) на пропиточных машинах, которые обеспечивают качественную пропитку и требуемое равномер­ ное содержание связующего в препреге за счет регулирования вязкости связующего в процессе пропитки.

Насадок выполняют способом двухзаходной намотки, со­ гласно которому одновременно укладываются два слоя ленты. Контактное давление формования создается путем натяжения армирующего волокнистого материала.

С целью получения оптимальной геометрии намотки ис­ пользуют метод зонной намотки на универсальном намоточном станке. После завершения процесса намотки оболочку по внешней поверхности утягивают фторопластовой лентой. От­ верждение углепластика является частью технологического

процесса, который должен обеспечить заданные требования по физико-механическим характеристикам.

Задавая закон изменения температуры отверждения в про­ цессе нагрева и охлаждения, необходимо учитывать конкретные условия, вытекающие из разнородности коэффициентов ли­ нейного термического расширения материалов изделия, ее гео­ метрии, теплопроводности применяемой формообразующей оснастки, типа применяемого связующего, интенсивности теплопритока нагревательных устройств. Вместе с тем, технологи­ ческие режимы отверждения должны обеспечивать бездефект­ ную структуру материала и конструкции с наименьшими за­ тратами энергетических ресурсов. Необходимо также, чтобы температура отверждения обеспечивала оптимальные характе­ ристики всех материалов и по всей толщине изделия.

С учетом вышесказанного применяют следующий режим отверждения оболочки. Изделие помещают в газостат. После проверки его работоспособности поднимают давление до зна­ чения 400 кПа в течение 1 ч при температуре до 120 °С. При этих параметрах изделие выдерживают еще 1 ч. Происходит предварительное отверждение, после чего давление доводят до значения 650 кПа, а температуру до 160 °С, и изделие выдер­ живают еще 2 ч. Установку отключают. После остывания до нормальной температуры изделие извлекают из установки, сни­ мают с оправки и подвергают термической обработке.

Режим термической обработки осуществляется за несколько этапов: подъем температуры до 100 °С со скоростью 100 °С/ч, выдержка при этой температуре 2 ч; до 250 °С со скоростью 20 °С/ч, выдержка — 2 ч; до 400 °С со скоростью 20 °С/ч, выдержка —4 ч; до 600 °С со скоростью 50 °С/ч, выдержка — 2 ч; подъем температуры до 1000 °С со скоростью 200 °С/ч.

Затем отключают нагрев установки путем плавного сниже­ ния напряжения с последующим отключением питания уста­ новки. Охлаждают печь с изделием до температуры 40 °С со скоростью естественного охлаждения, и после этого изделие извлекают из печи при включенной вытяжной вентиляции.

Изотермический процесс насыщения оболочки насадка пи­ роуглеродом заключается в следующем. Оснастку подготавли­ вают для насыщения каркаса и устанавливают нагреватель. Конические заготовки-каркасы устанавливают по обеим сто-