книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

схемы конструктивно-технологического построения оболочек

скольцевым подкреплением: раздельную и совмещенную. Пер­ вая построена на раздельном изготовлении шпангоутов с пос­ ледующим соединением их с обечайкой. Такое соединение можно осуществлять с помощью вклейки шпангоутов в заранее изготовленную обечайку, а также механического крепления винтами или заклепками. Однако эти способы соединения не обеспечивают высокой надежности и связаны с большой тру­ доемкостью сборочных работ. Более предпочтительным явля­ ется соединение путем намотки обечайки на шпангоуты, уста­ новленные в разборную удаляемую оправку. При этом для надежного крепления шпангоутов с оболочкой внутренний слой обечайки утягивают нитями кольцевого армирования в кольцевые углубления внешней полки шпангоутов.

Вторая конструктивно-технологическая схема предполагает совмещение в единой оболочке шпангоутов и обечайки с по­ лучением конструкции интегрального типа. К достоинствам таких конструкций относятся: уменьшение массы благодаря устранению механических соединений; снижение экономичес­ ких показателей за счет сокращения трудоемкости, практичес­ кого исключения механической обработки и отходов материа­ ла, поскольку шпангоуты и обечайка формуются одновременно

сконструкцией оболочки. В данном случае изготовление обе­ чайки осуществляют намоткой на разборную удаляемую оправ­ ку с кольцевыми пазами для шпангоутов.

Конструктивно-технологическая проработка показала воз­ можность реализации трех принципиальных конструктивно­ силовых схем интегральных оболочек с кольцевым подкрепле­ нием: шпангоутами сплошного сечения; коробчатыми шпан­ гоутами пустотелого сечения; шпангоутами таврового сечения (рис. 6.22, а — в).

Изготовление оболочки со шпангоутами сплошного сече­ ния ведут лентой и-образного профиля с укладкой кромок ленты на дно двух соседних кольцевых пазов. Наматывая таким образом последовательно ленту по всей длине оправки, полу­ чают внутренний слой оболочки, состоящий из соосно-состы­ кованных обечаек и-образного профиля. В зазор между гор­ цами обечаек можно примотать нити кольцевого армирования.

Далее, осуществляют намотку обечайки и полимеризацию свя­ зующего.

Рис. 6.22. Схемы вариантов оболочек с кольцевыми ребрами, получаемых методом намотки ленты с диагональным расположением армирующих волокон: I - оболочки с раздельным изготовлением шпангоутов; II —оболочки интег­ рального типа; а - шпангоуты сплошного сечения; б - шпангоуты пустотелого сечения; в — шпангоуты таврового сечения; / — перекрестные волокна; 2 - кромочные нити; 3 - нити кольцевого армирования

При изготовлении оболочки с коробчатыми шпангоутами пустотелого сечения ленту на оправку наматывают в виде и-образного профиля, укладывая отбортовки с кромочной нитью на дно двух соседних кольцевых пазов. В процессе намотки на отбортовочные части ленты, уложенной в кольце­ вых пазах, одновременно наматывают нити кольцевого арми­ рования. Заматывая аналогичным путем всю длину оправки, получают внутренний слой оболочки с кольцевыми пазами между стенками шпангоутов. После проведения полимериза­ ции с одновременным уплотнением стенок шпангоутов нама­ тывают внешний слой оболочки, предварительно выполнив перекрытие кольцевых пазов.

В процессе изготовления оболочки, усиленной шпангоута­ ми таврового сечения, ленту с кромочными нитями укладывают на оправку в виде и-образного профиля. При этом намотку

оболочки ведут на разборную оправку, состоящую из взаимоподвижных кольцевых элементов, зафиксированных на валу оправки с зазором. Намотку осуществляют аналогично намотке оболочки с пустотелыми шпангоутами. После поочередной замотки всей длины оправки с обеспечением нахлеста отбортовок соседних лент и пропитки связующим всей полученной обо­ лочки, подвижные элементы оправки соосно сближают для оформления торцами подвижных элементов требуемого про­ филя шпангоута в виде тавра и его подпрессовки.

При необходимости повышения жесткости шпангоутов между стенками устанавливают сотовый заполнитель. Дальнейшую на­ мотку внешних слоев оболочки проводят обычным путем.

К достоинствам рассмотренного способа изготовления шпангоутов можно отнести отсутствие отходов армирующего материала, механической обработки, а в случае изготовления оболочек интегрального типа клеевого и механического соеди­ нения — шпангоутов с оболочкой.

Изготовление цилиндрической силовой балки с законцовками

Схема армирования материала цилиндрической силовой балки, воспринимающей осевые изгибные и крутильные на­ грузки (рис. 6.23), определяется условиями расположения во-

спирально армированный материал балки; 5 — материал, уда­ ляемый после намотки; 6 - разделительный слой

локон по траекториям главных напряжений. Минимальное ко­ личество направлений армирования материала балки, обеспе­ чивающее статически устойчивую структуру материала, равно трем (± а, 90°, 0°). Для ортотропной цилиндрической балки это могут быть углы армирования ± а и 0° Значение угла а опре­ деляется расчетом.

Такую структуру можно реализовать путем выкладки на цилиндрическую оправку углеродной ленты, ориентированной в осевом направлении (под углом 0°), и спиральной намотки под углом ± а.

Для достаточно длинных балок использование комбиниро­ ванной выкладочно-намоточной технологии может привести к нарушению ортотропии структуры при выкладке слоя ленты в осевом направлении, что связано с возникновением нежела­ тельной загрузки торцев в готовом изделии. Поэтому для длин­ ных элементов трубчатого типа предпочтительной является намоточная технология, позволяющая получать эквивалентные механические характеристики материала.

Как правило, трубчатые балки содержат в своей конструкции соединительные законцовки. На наружной поверхности законцовки в зоне соединения имеются “шипы”, полученные механи­ ческой обработкой. Перед намоткой на подготовленную поверх­ ность законцовки в зоне соединения с композитной оболочкой наносят слой клея горячего отверждения. После этой операции две законцовки устанавливают на оправку для намотки. Затем балка отверждается в автоклаве с вакуумным мешком или в электропечи методом термомеханического обжатия. В качестве обжимаемого материала может служить сухая стеклоткань, нама­ тываемая на цулагу с заданным натяжением. Съем балки с оп­ равки осуществляют после удаления полюсных участков намо­ танного материала (см. рис. 6.23, 5). При изготовлении балок большой длины для обеспечения съема изделия с оправки назна­ чают технологические уклоны оправки порядка 1—2°

В отличие от рассмотренного типового технологического процесса изготовления балки из композитов с полимерной матрицей технология аналогичной металлокомпозитной балки требует уникальных установок для формования изделий.

Данный технологический процесс является достаточно трудоемким, однако позволяет получать изделия с уникаль­ ными механическими характеристиками. Одновременное об­ разование законцовочных элементов позволяет решать про­ блему соединений при сборке изделий с бороалюминиевыми трубчатыми балками.

Изготовление цилиндрических отсеков

Использование цилиндрических оболочек из углепластика в конструкциях ЛА, работающих на осевое сжатие, изгиб и кручение, позволяет снизить массу конструкции на 25...40 % по сравнению с алюминиевыми аналогами.

Рассмотрим схему изготовления цилиндрического отсека типа подкрепленной оболочки. Аналогом такой оболочки может служить алюминиевая конструкция со спиральными реб­ рами, получаемыми методом химического фрезерования. Тех­ нологический прием образования спиральных ребер подобен схеме тетранамотки (см. гл. 2).

В данном случае систему спиральных ребер получают ме­ тодом намотки препрега на разборную цилиндрическую оправ­ ку со спиральными формообразующими пазами. Диаметр раз­ борной цилиндрической оправки меньше внутреннего диамет­ ра подкрепленной оболочки. Для образования формообразую­ щих спиральных канавок на поверхность оправки наносят уда­ ляемый “технологический” слой из термостойкого пенопласта, гипсового состава или силиконокаучуковых резин. После об­ работки этого слоя по наружному диаметру, соответствующему строительной высоте ребер, нарезают пазы на станке по про­ грамме, соответствующей схеме намотки ребер. Для этого на место намоточной головки устанавливают фрезу с электропри­ водом. Препрег наматывают на оправку с подготовленными формообразующими пазами в соответствии с программой, при этом по торцам оболочки выкладывают (или наматывают с отдельных бобин) торцевые шпангоуты.

В процессе намотки проводят частичное послойное отверж­ дение препрега с помощью инфракрасных ламп. После намотки спиральных ребер и шпангоутов на всю глубину формообразу-

ющих пазов осуществляют предварительное отверждение препрега в печи или автоклаве без поднятия давления.

После окончания отвержде­ ния отформованные ребра об­ рабатывают по наружному диа­ метру для более плотного при­ легания к обшивке, наматывае­ мой при последующих операци­ ях.

ребер. Окончательное отверж­ дение отсека проводят в автоклаве по известной схеме вакуу­

мирования отверждаемого пакета слоев.

Цилиндрическая оболочка, подкрепленная системой спи­ ральных ребер, представлена на рис. 6.25.

Для конструкций данного типа получены оптимальные зна­ чения углов намотки подкрепляющих ребер. В частности, при осевом сжатии угол между ребрами составляет 60°, при этом обшивка имеет преимущественно кольцевое армирование.

Цилиндрические оболочки широко применяют в качестве фюзеляжей самолетов, переходных отсеков ракет, корпусных конструкций подводных аппаратов, опорных мачт, водонапо­ рных башен и т.д. Применение композитов и прогрессивной технологии намотки позоволяет изготавливать отсеки с высо­ кими значениями удельной нагрузки и повышенной жесткос­ тью. Одним из примеров таких конструкций является ячеистая оболочка.

Конструктивная схема сетчатой (ячеистой) оболочки, обла­ дающей повышенной жесткостью по сравнению с трехслойны­ ми, приведена на рис. 6.26. Технологический процесс изготов­ ления базируется на методе намотки нитью из высокомодуль-

30* 467

строении, ракетостроении и гражданском строительстве, ши­ роко применяют конструкции с заполнителями. Это объясня­ ется тем, что они обладают, как правило, высокими парамет­ рами жесткости и удельной прочности, вибростойкостью, хо­ рошими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Несущие слои, подкрепленные заполнителем, воспринимают высокие напряжения сжатия, иногда превышающие предел упругости материала. Благодаря таким свойствам изучение их прочности, создание и совершенствование процесса их конструирования и изготовления представляется актуальной задачей.

Сотовые конструкции являются типичными представителя­ ми слоистых панелей. Они представляют собой в общем случае конструкцию, состоящую из несущих слоев, сотового заполни­ теля, расположенного между ними, и различных элементов каркаса, например таких, как окантовки, законцовки, накладки и т.д. Типовая структура слоев трехслойной сотовой панели представлена на рис. 6.28.

Рис. 6.28. Структура слоев трехслойной панели:

1 —верхняя обшивка; 2 - клеевые пленки; 3 —сотовый запол­ нитель; 4 — нижняя обшивка; 5 —трехслойная панель в сборе

Применение сотовых конструкций обусловлено их сущест­ венными преимуществами, среди них принято выделять сле­ дующие: большая удельная прочность; высокая жесткость и устойчивость при продольном сжатии; хорошие характеристики по усталостной прочности, особенно в зонах с повышенными акустическими нагрузками; невысокая трудоемкость при про­ ектировании сборочных узлов за счет уменьшения числа стыков и опорных элементов в конструкции; повышенные тепло- и звукоизоляционные свойства; меньшее количество деталей, со­

ставляющих узел или агрегат по сравнению с подобными кон­ струкциями из обшивок, подкрепленных силовым набором; высокое качество внешней поверхности.

Особенно широко трехслойные панели применяют в кон­ струкциях панелей солнечных батарей, солнечных газотурбин­ ных установках, при изготовлении различных параболических антенн, рефлекторов и размерно-стабильных элементов кон­ струкции космического телескопа.

Изготовление параболического рефлектора

Технологический процесс базируется на автоклавном фор­ мовании параболического рефлектора трехслойной конструк­ ции с несущими слоями из углепластика. Учитывая, что КЛТР углепластика невысокий, проводят рациональный выбор схем армирования несущих слоев материала, это позволяет обеспе­ чить высокую размерную стабильность отражающей поверх­ ности в процессе эксплуатации при произвольном распределе­ нии температур с градиентами до 100 К/см. Для обеспечения расчетной теоретической формы отражающей поверхности в зависимости от экономической целесообразности используют оправки, изготовленные из материалов с низким КЛТР. К таким материалам относятся ситалл, бетонокерамзит, фарфор и гранит. В зависимости от габаритов рефлектора выкладка препрега на оправку может производиться как вручную, так и на выкладочной машине. Механическая выкладка является предпочтительной, так как она исключает нарушения симмет­ рии упругих характеристик армированного материала.

Схема автоклавного формования параболического рефлек­ тора трехслойной конструкции с несущими слоями из угле­ пластика представлена на рис. 6.29.

Температуру отверждаемого изделия измеряют в необходи­ мых точках с помощью хромель-копелевых термопар. Для рав­ номерной передачи необходимого давления на формируемый пакет используют многослойные вакуумные мешки, герметич­ но закрывающие формуемое изделие на оправке и соединенные с вакуумной системой автоклава. Предусмотрены также допол­ нительные дренажные слои из нетканых материалов. В качестве пленок, создающих вакуум, применяют резиновые пленки, прорезиненые ткани, а также термостойкие пленки. Количест­