книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов
..pdfволокон приняты как результат рассмотренного компромисса, а также с учетом сдвиговых характеристик в КМ и технологич ности такой намотанной конструкции. Схему укладки слоев материала при такой намотке называют “рыбья чешуя”, а саму технологию намотки — “кровельной”, обеспечивающей распо ложение слоев с нахлестом по направлению движения набега ющего потока газов. При формировании покрытия на поверх ности защищаемой конструкции процесс намотки начинают с малого диаметра оправки, задавая требуемый угол укладки ленты и располагая плоскость ленты параллельно оси изделия. Такая схема намотки позволяет осуществить сильное натяже ние лент при намотке и не только обойтись без технологичес ких роликов, но и получить более плотную структуру материала покрытия, чем в случае намотки на маложесткую конструкцию изделия. Кроме того, структура намотанного покрытия может быть улучшена, если намотку вести не на цельнометаллическую технологическую, а на разжимную оправку, размеры которой будут изменены в процессе отверждения материала покрытия. Увеличение контактных давлений формования материала бла гоприятно скажется на улучшении свойств последнего. По окончании процесса отверждения материала отформованную оболочку покрытия снимают с оправки, механически обраба тывают и вклеивают в защищаемую конструкцию.
Схема “кровельной” намотки ориентирована на примене ние препрегов в виде лент, задающих волокнистую структуру покрытия. При этом однонаправленные ленты можно исполь зовать при их возможно меньшей ширине, согласованной с кривизной наматываемой поверхности так, чтобы не вызвать недопустимых складок и нарушений текстуры материала из-за разной длины пути укладки обеих кромок одной ленты на профилированной оправке. Для некоторого снижения остроты проявления этого фактора применяют подогрев препрега и используют в препреге нити, например, из лавсановых волокон с удлинением до 7 % вместо стеклянных, углеродных и асбес товых, у которых удлинение только 2...3 %. При нанесении покрытий из асбо-, стекло- и углепластиков наиболее часто используют тканые ленты шириной 15...80 мм. Ткани сатино вого плетения характеризуются большей гибкостью и высокими формующими свойствами, позволяющими обматывать оболоч
ки большей крутизны. В отличие от них ткани полотняного плетения можно использовать на оболочках малой кривизны, в этом случае натяжение при намотке должно быть более сильным.
Свойство формуемости тканых лент при рассматриваемой схеме намотки может быть улучшено, если одну из кромок ленты еще до начала намотки снабдить насечками, надрезами, выреза ми, увеличивающими способность к деформации лент до 20.. .30 %. Созданы и специальные ткани, легко деформирующие ся по профилю оправки. Структура таких тканей имеет по ширине две зоны: одну обычной текстуры с удлинением 2...3 %, а другую
—с текстурой повышенной деформативности (30 %). Технологические параметры укладки ТЗМ по схеме “кро
вельной” намотки следующие: скорость намотки равна 2.5.. .15,0 м/мин, натяжение лент 5... 10 Н/см от ширины и не превышает 20 % от разрывной нагрузки на ленту. Шаг намотки в зависимости от ширины используемой ленты составит 2.0. ..3.5 мм/об.
Изготовление сферического шарнира поворотного сопла
Среди разработанных к настоящему времени многочислен ных узлов подвески управляемых поворотных сопел наиболее широко распространены конструктивные схемы поворотных сопел с многослойным эластичным сферическим шарниром (МЭСШ).
Конструктивно, МЭСШ выполнен следующим образом (рис. 6.20, а—ж). Подвижный и неподвижный металлические стальные и титановые фланцы соединены между собой элас тичным сферическим подшипником, состоящим из чередую щихся слоев твердых, жестких и прочных тарелей и прослоек эластомера, скрепленных между собой клеевыми системами. Тарели изготовлены из высокопрочного и жесткого углеили стеклопластика, а прослойки эластомера — из различных марок резин на основе полиизопреновых, натуральных, силиконовых или неопренополибутадиеновых каучуков. Принципиальной особенностью МЭСШ является совмещение в одном узле функций опоры и уплотнения (герметизации). Размеры эле ментов сферического шарнира выбирают таким образом, чтобы контактные давления на границе тарель —эластомер были всегда
выше давления в камере сгорания, что обеспечивает надежную герметичность шарнира и делает его чувствительным к незна чительным технологическим погрешностям (отслоения и непроклей).
Рис. 6.20. Многослойный эластичный сферический шарнир:
а —типовая конструкция; б —процесс изготовления тарели; в — сегмент; г —пакет сегментов; д —схема сборки тарели в пакет; е —опрессовка; ж —схема расположения слоев ткани в стенке тарели
Основные требования, предъявляемые к качеству конструк ции шарнира, следующие:
минимальные (регламентируемые) величины посадки сопла за счет сжимаемости эластомерных прослоек при рабочем дав лении в камере двигателя;
герметичность соединения корпуса и поворотного сопла при рабочих нагрузках;
устойчивость сопла к нагрузкам при предельных углах по ворота.
Технологический процесс изготовления МЭСШ включает в себя следующие основные операции:
пропитка угольной ткани (стеклоткани) связующим (от дельно эпоксидным и фенольным) и сушка с целью получения тканевых препрегов;
раскрой полученных тканевых препрегов на сегменты; выкладка сегментов на формообразующей поверхности
пресс-форм по форме “Розетта”; опрессовка заготовки тарели в пресс-форме и отверждение;
сборка сферических тарелей и прослоек эластомера с уста новкой между тарелями мерных жестких прокладок;
вулканизация собранного пакета в пресс-форме под давле нием.
При этом защитный внешний край каждой тарели высту пает за кромку эластичных прослоек, образуя “рифленый” торец шарнира, выполняющий роль барьера из “застойных” зон для защитных эластомерных прослоек от прямого воздей ствия продуктов сгорания. Пропитанный эпоксидный препрег раскраивают на сегментные заготовки длиной Ь = /?ф, где Я —
радиус срединной поверхности дугового сегмента или тарели, а угол ф принимают равным приблизительно 40° Кроме того, из углеродной ткани, пропитанной фенольным связующим, изготавливают сегменты для защиты кромок тарелей и сшивают эти сегменты с сегментами из эпоксидного тканевого препрега. Такие сшитые сегментные заготовки выкладывают в прессформу с углом перекрытия сегментов (около 6,66°), т.е. со сдвигом по кольцу около 6,66°.
Сформированную по типу “розетта” заготовку сферической тарели формуют и отверждают в пресс-форме под давлением 1200 МПа и температуре 150..Л60 °С. Время выдержки в прессформе под прессом составляет 75... 120 мин до момента затвер девания смолы. Затем тарели собирают в пакет, прокладывая их прослойками эластомера, в следующей пресс-форме. В ней прослойку вулканизируют для обеспечения качественно го скрепления прослоек с поверхностью сопряженных таре лей.
6.3. Изготовление шпангоутов, балок, отсеков, панелей
Требования, предъявляемые к таким элементам конструк ции, как силовые шпангоуты, балки фермы, размерно-стабиль ные рамы, рефлекторы, волноводы, панели солнечных батарей, несущие отсеки, можно реализовать только при изготовлении этих элементов из композитов, обладающих максимальной удельной жесткостью, прочностью и строго регламентирован ными термомехаиическими характеристиками.
Как показано в гл. 1, 2, современная промышленность располагает гаммой высокопрочных, высокомодульных мате риалов и технологий. В частности, материалов на основе угле родных волокон, матричных материалов и значительным ко личеством технологических методов их переработки.
Рассмотрим некоторые технологические приемы изготовле ния такого типа конструкций.
Изготовление шпангоутов
Конструкция корпуса ЛА обычно представляет собой обо лочку, усиленную подкрепляющими, опорными и стыковоч ными ребрами жесткости. Используемые в настоящее время штатные шпангоуты из волокнистого композиционного мате риала (ВКМ) зачастую имеют сплошное сечение, требуют ме ханической обработки, соединяются с оболочкой посредством клеевого слоя. Их масса может достигать до 40 % массы кор пуса. В связи с возрастающими требованиями к снижению массовых характеристик изделий и улучшению экономических показателей при их изготовлении в последнее время особенно остро стоит задача разработки прогрессивных конструкций кольцевых ребер жесткости из высокопрочных и высокомо дульных ВКМ, обеспечивающих рациональное армирование оболочки и шпангоутов, а также их эффективное соединение.
Определенным шагом вперед в этом направлении является конструктивное решение шпангоута коробчатого сечения. Этот шпангоут содержит полую или с легким заполнителем оправ ку-каркас, как правило, с кольцевым направлением волокон армирующего материала и внешние слои — преимущественно
со спиральным расположением волокон. Расположение мате риала в указанных направлениях по периферии шпангоута эффективно с точки зрения получения высоких значений изгибной и крутильной удельных жесткостей и прочности.
К трудностям изготовления таких шпангоутов коробчатого сечения, сдерживающих их практическое использование, сле дует отнести необходимость создания специального торонамо точного оборудования. Остаются в значительной степени от крытыми вопросы обеспечения точности посадочных и стыко вочных размеров, особенно по внутренней полке шпангоута, так как при намотке внешних спиральных слоев под малым углом к кольцевому направлению внутренняя поверхность об ладает существенной нецилиндричностыо. По-прежнему со единение данного шпангоута осуществляется посредством кле евой прослойки.
Перспективным направлением создания оболочек с внут ренними и наружными кольцевыми ребрами жесткости явля ется рассматриваемая ниже схема намотки плоской ленты, которая состоит из двух семейств армирующих волокон, рас положенных под определенными углами к продольному на правлению.
В процессе намотки на оправку с кольцевой канавкой по профилю ребра жесткости лента, изгибаясь и деформируясь, принимает и-образную форму ребра жесткости, состоящего из полки и двух стенок, с примыкающими по торцам двумя участ ками оболочки. Наматывая таким образом требуемое количе ство чередующихся слоев ленты и волокон кольцевого арми рования на полку, формируют открытый профиль ребра жест кости с участком оболочки. После проведения полимеризации с одновременным уплотнением стенок шпангоута и обеспече нием перекрытия кольцевой полости, наматывают оставшуюся часть оболочки. При относительно большой строительной вы соте ребра жесткости можно аналогичным способом изготав ливать дополнительные промежуточные полки, повышающие устойчивость стенок. В целях повышения местной прочности в местах приложения сосредоточенных нагрузок можно во внутреннюю полость устанавливать закладные детали. При на мотке на оправку с кольцевыми выступами по профилю ребра жесткости лента деформируется и принимает й-образную
форму шпангоута. Требуемая толщина стенок и полки ребра жесткости обеспечивается необходимым количеством слоев ленты.
Рассматриваемый способ позволяет использовать плоские ленты тканого и нетканого строения на основе стеклянных, органических и углеродных волокон. При механической намот ке, для сохранения требуемых ширины ленты и углов армиро вания двух ее семейств волокон, ленту снабжают двумя кро мочными нитями, воспринимающими натяжение в процессе намотки на оправку. В углы между полкой и стенками ребра жесткости на ленту непрерывно накладываются две промежу точные нити кольцевого армирования, сматывающиеся с от дельно установленных шпуль.
Деформирование ленты осуществляется с помощью формо образующих роликов. Проходя через формообразующий ролик, располагаемый на некотором удалении от оправки, лента при обретает корытообразную форму и оказывается растянутой че тырьмя формообразующими нитями — двумя кромочными и двумя промежуточными. Процесс деформирования ленты при укладке на оправку и, следовательно, такие важнейшие пара метры намотки, как углы армирования, толщина слоя, факти ческая ширина, существенно зависят от типа ленты. Для тканой ленты диаганального плетения, состоящей из двух семейств параллельных прямолинейных армирующих волокон, наиболее соответствующей реальности является следующая картина де формирования: элементарные ячейки ткани, имеющие в ис ходном состоянии форму параллелограмма и образованные участками соседних волокон двух семейств, сохраняют длины сторон, а изменяется лишь угол между волокнами.
Другой возможный тип ленты образуется обмоткой двух кромочных нитей системой перекрестных волокон, сматываю щихся с вертлюга, т.е. аналогично тому, как образуется псев долента при косослойной продольно-поперечной намотке (КППН). Перекрестные волокна будут укладываться по геодезическим линиям, при этом углы армирования опреде ляться соотношением Клеро г sin ф = const.
Таким образом, расположение волокон в тканой ленте от личается от расположения нитей в нетканой ленте. В первом
случае угол армирования возрастает с увеличением радиуса оболочки, во втором - убывает.
Согласно способу КППН, можно изменять ширину ленты, углы армирования, номенклатуру волокнистых материалов, его используют в промышленности при изготовлении гладких обо лочек на промышленных станках Т-250, РПН-380. Для изго товления оболочек большого диаметра можно дополнительно установить вертлюг к станкам типа КУ-421. Схема намотки ребер жесткости способом КППН и структура стенок шпан гоута показаны на рис. 6.21.
Рис. 6.21. Схема намотки ребер жесткости КППН:
а —принципиальная; б —схема структуры стенок ребра жесткости; / —оправка; 2 —прижимный ролик; 3 —кромочная нить; 4 —перекрестные волокна; 5 - промежуточные нити кольцевого армирования; 6 —формообразующий ролик; 7 —вертлюг
При намотке по схеме КППН на вертлюге размещают шпули с армирующими нитями без связующего, поэтому бо ковые стенки ребер жесткости, образованные сухими нитями перекрестного армирования, необходимо пропитывать связую щим контактным способом. Для уплотнения структуры стенок ребер при термической обработке давление создают термоком прессионным методом. В качестве диафрагмы используют ре зины марок ИРП 1399, ИРП 1338 или вспенивающуюся резину марки 51-2181, уложенную через разделительную пленку.
При намотке шпангоутов лентой с диагональным располо жением армирующих волокон применяют две принципиальные