книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

Ключевые вопросы

1.Перечислите функции основных конструктивных элемен­ тов корпуса РДТТ и сформулируйте требования к физико-ме­ ханическим и технологическим характеристикам материалов, из которых они изготавливаются.

2.Назовите слои, которые составляют ТЗП корпуса РДТТ, укажите функции, которые выполняет каждый слой, и техно­ логические приемы, которые обеспечивают чистоту внутренней поверхности ТЗП.

3.Предложите технологическую схему одновременной на­ мотки силовой оболочки корпуса РДТТ и переходного отсека.

4.Составьте примерное техническое задание на разработку конструкции и технологии изготовления: а) соплового раструба РДТТ; б) тормозных колодок для системы торможения само­ лета; в) грузовой стрелы для орбитальной космической стан­

ции; г) параболического зеркала космического телескопа; д) криогенного топливопровода для жидкого водорода; е) авто­ мобильного бака для сжиженного природного газа.

5.Разработайте варианты маршрутных технологических процессов изготовления трехслойной створки багажного отсека самолета из КМ и сравните качественно эти варианты по технико-экономическим затратам.

6.Какие конструкторские и технологические решения при­ меняют для обеспечения герметичности топливных баков, со­ судов давления, трубопроводов и как они связаны с характе­ ристиками рабочего тела?

7.Попробуйте обосновать необходимость и возможность создания в будущем ЛА, полностью изготовленных из КМ.

Заключение

Можно смело предсказать, что XXI в. станет веком компози­ тов и высоких технологий. Повсеместно внедрение композитов — настоящая революция в технике. Одной из главных сфер приме­ нения КМ остается авиационная и ракетно-космическая техника.

Массу самолетов, долговременных орбитальных станций и научных модулей, выполненных с применением композитов, можно снизить на 15...20 %, что для летательных аппаратов имеет решающее значение.

В начале следующего века дозвуковые самолеты будут со­ стоять из композитов на 30...40 %, а сверхзвуковые — более чем наполовину.

Известно, например, что самолет “Вояджер”, на котором американские спортсмены без посадки обогнули весь земной шар, полностью выполнен из КМ.

Разрабатываются проекты создания аэрокосмического пас­ сажирского самолета, развивающего скорость, в 25 раз превы­ шающую скорость звука в воздухе. Такой самолет сможет вы­ ходить на орбиту и преодолевать расстояние между Токио и Вашингтоном за 2 ч летного времени. Авиалайнер XXI в. сможет взять на борт 300 пассажиров и обеспечить дальность полета без посадки свыше 20 000 км. Чудо-самолет больше чем на половину будет состоять из КМ.

Человек вышел в космос для того, чтобы познать мир. Глубокие научные исследования в космосе требуют большой энергетики и сложных, часто крупногабаритных инструментов наблюдения. Обеспечение энергетики возможно только при наличии легких и эффективных источников энергии.

Разрабатываются проекты электростанций на орбите —сол­ нечные газотурбинные установки мощностью до 20 кВт, кото­ рые на 90 % будут изготовлены из углепластиков. Новые ма-

32 503

териалы и технологии их переработки позволят значительно повысить массовую эффективность будущих оптических теле­ скопов в космосе, огромных параболических рефлекторов, ан­ тенн, космических платформ и поселений на орбите.

Уже сегодня в космических кораблях многоразового ис­ пользования Space Shuttle общая масса применяемых КМ со­ ставляет около 5 т. Проектные оценки показывают, что за счет применения перспективных КМ с улучшенными характерис­ тиками (углеполиимиды, УУКМ, керамика) можно снизить массу конструкций многоразового транспортного корабля при­ мерно на 6,8 т.

Чтобы полностью реализовать потенциальные возможности снижения массы конструкций при использовании полимерных КМ, необходимо улучшить их характеристики стойкости к ударным повреждениям и расслоению, а также обеспечить ремонтопригодность дефектных конструкций.

Повышение характеристик допускаемой поврежденности КМ связывается в первую очередь с разработкой полимерных матриц с улучшенной вязкостью разрушения, с более высокой теплостойкостью и технологичных при переработке. Наиболее перспективными с этой точки зрения являются термопластич­ ные полимеры типа полиэфирэфиркетон. Однако эти полиме­ ры обладают одним существенным недостатком — высокой стоимостью переработки. Поэтому большое различие в харак­ теристиках между термопластичными и термореактивными полимерами потребует разработки третьего поколения связую­ щих, занимающих промежуточное положение.

Применение КМ во многом зависит от разработки новых методов изготовления и технологического оборудования, обеспе­ чивающих снижение стоимости изделий из КМ и трудоемкости их изготовления. Наиболее эффективной с этой точки зрения представляется концепция создания непрерывных производст­ венных линий, которые включают в себя ряд наиболее гибких технологических процессов и на которых можно производить самые разнообразные изделия из полимерных композитов. Так, например, в Японии действует производственная автоматизиро­ ванная линия, которая базируется на использовании процессов термопластичной экструзии, пултрузии и намотки.

Изготовление плоских и умеренно криволинейных элемен­ тов конструкций наиболее эффективно и в будущем при ис­ пользовании автоматизированных выкладочных машин.

В настоящее время все большее внимание обращает на себя новое поколение необычных высокопрочных керамических ма­ териалов, обладающих улучшенными электропроводностью, жесткостью и стойкостью к тепловым ударам. Существует про­ ект керамического двигателя, в котором возможен полный отказ от системы охлаждения и повышение ресурса работы в 5 раз и выше.

Керамика представляет огромную возможность производить экономически выгодные материалы и конструкции с заданны­ ми свойствами на основе самых простых компонентов, распро­ страненных на Земле. Разработка новых технологий получения керамических материалов, которые могут быть реализованы в промышленных масштабах, — инженерная задача огромной важности и сложности; ее надо решить в ближайшее время тем, кто прочитал эту книгу.

Братухин А.Г., Сироткин О.С., Сабодаш П.Ф. Материалы будущего и их удивительные свойства. —М.: Машиностроение, 1995. — 128 с.

Бушуев Ю.Г., Персии М.И., Соколов В.А. Углерод-углеродные композици­ онные материалы: Справочник. —М.: Металлургия, 1994. — 138 с.

Волоконная технология переработки термопластичных композиционных материалов / Головкин Г.С., Гончаренко В.А., Дмитриенко В.П. и др/ Под ред. Г.С. Головкина. —М.: Изд-во МАИ, 1993. —232 с.

Воробей В.В., Сироткин О.С. Соединения конструкций из композиционных материалов. —М.: Машиностроение, 1985. - 166 с.

Воробей В.В., Морозов Е.В., Татарников О.В. Расчет термонапряженных конструкций из композиционных материалов. —М.: Машиностроение, 1992. — 238 с.

Калинчев В.А., Буланов И.М. Прогрессивные материалы в машиностроении: Учебное пособие для СПТУ. —М.: Высш. шк., 1988. —71 с.

Композиционные материалы: Справочник / Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др.; Под общей редакцией В.В. Васильева, Ю.М. Тарнополь­ ского. —М.: Машиностроение, 1990. —512 с.

Крысий В.Н., Крысин М.В. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций. —М.: Машиностроение, 1989. — 240 с.

Основы проектирования и изготовления конструкций летательных аппа­ ратов из композиционных материалов / Васильев В.В., Добряков А.А., Дудченко А.П. и др. —М.: Изд-во МАИ, 1985. —218 с.

Справочник по композиционным материалам: В 2 кн./ Пер. с англ. А.Б. Геллера и др.; Под ред. Дж. Любина. — М.: Машиностроение, 1988. - 584 с.

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

Абляция — процесс массо- и теплопереноса, обеспечиваю­ щий отвод большого количества теплоты из поверхностных слоев материала, которая поглощается, рассеивается или пре­ образуется окружающим пространством посредством различ­ ных физических механизмов.

Автоклав — герметически закрывающийся аппарат, позво­ ляющий проводить отверждение композитов при нагреве и под действием давления выше атмосферного.

Адгезия — прилипание. Явление, при котором две поверх­ ности разнородных тел соединены вместе за счет поверхност­ ных сил или других механизмов сцепления.

Анизотропия —неодинаковость количественных характерис­ тик физико-механических и тепловых свойств материала по различным направлениям.

Антиадгезив — химическое покрытие или пленка, которые используются для существенного уменьшения прилипания одного твердого тела к другому, проявляющегося при контакте.

Армирование —усиление материала, заключающееся во вве­ дении в пластмассу армирующего материала для регулирования ее физико-механических и тепловых характеристик.

Волокно первичное — гибкое и прочное протяженное тело с малыми поперечными .размерами, не бывшее в контакте с какими-либо другими волокнами или твердыми материалами.

Волокно штапельное —волокно, получаемое резкой непре­ рывного жгута, состоящего из множества нитей, на отрезки определенной длины (обычно от 12 до 50 мм).

Время отверждения (полимеризации) — отрезок времени, необходимый для перехода жидких олигомеров в твердые поли-

меры, в течение которого формуемый материал подвергается воздействию теплоты или давления либо того и другого вместе.

Гель —дисперсная, желеобразная система, обладающая не­ которыми своствами твердых тел, образующаяся из жидких компонентов связующей полимерной матрицы в процессе полимеризации.

Геодезическая кривая — наикратчайшее расстояние между двумя точками поверхности.

Герметизирующие материалы —материалы, обеспечивающие непроницаемость жидкостей или газов в конструкциях.

Грат — излишки материала, остающиеся на кромках изде­ лий после операции формования. Приспособление к прессформе для удаления из полосы формы избытка материала.

Графитизация —стадия технологического процесса получе­ ния углеродных волокон и углерод-углеродных композицион­ ных материалов, при которой волокно и матрица подвергаются высокотемпературной обработке в инертной среде при 2600...2800 °С с образованием графитной структуры.

Диффузионная сварка — процесс получения неразъемного соединения, при котором под воздействием нагрева и давления формования происходит диффузия атомов контактирующих материалов и образуется структура, близкая к структуре соеди­ няемых материалов.

Длина базовая — длина той части образца, на которой измеряются его характеристики при испытаниях.

Жгут — совокупность (пучок) крученых или некрученых нитей различной линейной плотности.

Карбонизация —стадия технологического процесса получе­ ния углеродных волокон и углерод-углеродных композицион­ ных материалов, при которой волокно и матрица подвергаются обработке в инертной среде при температуре 1000... 1500 °С, в результате чего из материала удаляются все элементы, кроме углерода.

Когезия —сцепление. Явление притяжения между частица­ ми одного и того же твердого тела или жидкости, приводящие к объединению этих частиц в единое тело.

Комплексная нить —нить, состоящая из совокупности (сло­ жений) отдельных первичных волокон.

Крутка — число витков волокна или нитей на 1 метр их длины.

Ламинат — слоистый пластик, полученный горячим прес­ сованием связующей и армирующей компонент композицион­ ного материала в виде листового материала.

Лейнер — внутренняя оболочка бака, сосуда давления, тру­ бопровода (металлическая, эластичная, термопластичная, пле­ ночная и др.), предназначенная для предотвращения утечек жидкости или газа из конструкции.

М ат — волокнистый нетканый материал, состоящий из произвольно ориентированных волокон или спутанных нитей и пропитанный соответствующим связующим.

Опрессовка: 1) технический способ уплотнения намотанно­ го на жесткую оправку КМ посредством внутреннего или на­ ружного давления; 2) нагружение готового изделия давлением, меньшим чем рабочее давление или равным ему.

Отверждение послойное —частичное или полное отвержде­ ние намотанного слоя перед намоткой следующего слоя с целью уменьшения податливости намотанных витков.

Пиролиз — высокотемпературное превращение органичес­ ких соединений, сопровождающееся их деструкцией и вторич­ ными процессами.

Подложка —твердое тело, на которое одним из технологи­ ческих методов, например напылением, осаждением и т.п., наносится материал, связанный с твердым телом только адге­ зионными связями. Подложка может быть частью конструк­ ции, оправкой, формой.

Пористость — отношение объема пор и пустот, содержа­ щихся в объеме материала, к общему объему тела, выраженное в процентах.

Премикс —термореактивная формовочная композиция, ар­ мированная волокном, которая не нуждается в дальнейшем отверждении, сушке или других технологических операциях и готова для переработки на литьевом прессе.

Проницаемость —диффузия газа, паров или жидкости через материал без физического или химического воздействия на него.

Разнодлинность (провис) —разница в длинах прядей воло­ кон, составляющих ровинг (жгут) на определенном отрезке, которая возникает в результате неравномерного натяжения. Визуально отдельные составляющие пряди в жгуте провисают при его горизонтальном натяжении.

Ровинг —жгут, образованный пучками непрерывных нитей в виде некрученых жгутов или крученых нитей. При намотке используется в виде лент с минимальной круткой.

Сварка взрывом —процесс получения неразъемного соеди­ нения КМ под воздействием импульса высокого давления, развиваемого взрывчатым веществом.

Сосуд модельный —конструкция в виде цилиндра с днища­ ми, изготавливаемая методом намотки и предназначенная для отработки технологии изготовления и оценки физико-механи­ ческих характеристик материала.

Стренги (пучки) — первичный пучок непрерывных нитей (или лент), собранных в единый компактный жгут без крутки.

Усадка —уменьшение объема тела при переходе из жидкого состояния в твердое при полимеризации.

Усы — нитевидные искусственные монокристаллы, выра­ щенные в специальных условиях и имеющие механическую прочность, эквивалентную прочности связи между атомами.

Фильера — тип экструзионного приспособления. Обычно металлическая пластина со множеством мелких отверстий (до 7 мкм), через которые продавливается расплав или раствор полимера для получения волокон. В пултрузии — формующая матрица; в намотке — направляющее очко для пряди нитей, ленты.

Химическая сварка —процесс получения неразъемного со­ единения пластмасс или КМ, образуемого химическими свя­ зями либо непосредственно между функциональными группа­ ми контактирующих поверхностей полимеров, либо с помощью