CC BY
27Решетнеескцие чтения. 2015
Библиографические ссылки
1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М. : Машиностроение, 1988.
2. Солнцев Ю. П., Степанов Г. А. Материалы в криогенной технике : справочник. Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1982.
3. Киршенбаум. Международный транслятор современных сталей и сплавов. М., 1992.
4. Солнцев Ю. П., Ермаков Б. С., Слепцов О. И. Материалы для низких и криогенных температур. М. : Химиздат, 2008.
References
1. Vasiliev V. Mekhanika konstruktsiy iz kompozitsionnykh materialov [Mechanics of composite structures]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988.
2. Solntsev Y. P., Stepanov G. A. Materialy v kriogennoy tekhnike [Materials in cryogenics]. Directory. L., Engineering, 1982.
3. Kirshenbaum. Mezhdunarodnyy translyator sovremennykh staley i splavov [International translator of modern steels and alloys]. Moscow, 1992.
4. Solntsev Y., Ermakov B., Slepcov O. Materialy dlya nizkikh i kriogennykh temperatur [Materials for low and cryogenic temperatures]. HIMIZDAT, 2008.
© Егоров Д. В., Бакаенко В. Д., 2015
УДК 629.78.018
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫХ БАКОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ КА
И. А. Кравченко1, Л. М. Бородин1, Ю. П. Похабов2
1 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Е-mail: [email protected] 2Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира 53. Е-mail: [email protected]
Производится анализ результатов исследования дефектов ксеноновых баков высокого давления (КБВД) для КА в ходе наземно-экспериментальной отработки (НЭО).
Ключевые слова: ксеноновый бак высокого давления (КБВД), анализ результатов исследования дефектов, надежность, безотказность.
THE ANALYSIS OF RESULTS OF RESEARCH DEFECTS OF COMPOSITE
OVERWRAPPED PRESSURE VESSEL FOR SFD
I. A. Kravchenko1, L. M. Borodin1, Yu. P. Pokhabov2
1JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation Е-mail: [email protected]
2Special design-technological office "Nauka" of Krasnoyarsk scientific centre of Siberian branch of Russian Academy of Sciences, 53, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation. Е-mail: [email protected]
This article analyzes of results of research defects xenon overwrapped pressure vessel for the space flying device (SFD) is made during on Earth experimental qualification.
Keywords: xenon overwrapped pressure vessel, analyzes of results of research defects, reliability, failure-free operation .
Достижение лучших удельных весовых характери- неразъемную конструкцию - металлокомпозитный
стик является главным преимуществом использова- баллон высокого давления эллипсоидновидной фор-
ния в КА металлокомпозитных баков высокого давле- мы, в состав которого входят:
ния по сравнению с металлическими сосудами высо- - сварной металлический лейнер из титанового
кого давления [1-3]. сплава с двумя фланцами, размещенными в полюсных
Корпус баллона композитный (КБК) является со- зонах, в одном из которых находится расходный
ставной частью КБВД и представляет собой единую штуцер;
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
- наружная силовая оболочка из высокопрочных угольных волокон, скрепленных эпоксидным связующим, с приформованной заодно «вантовой» системой крепления КБК к силовой конструкции корпуса (СКК) КА.
При проведении НЭО по достижению предельного состояния, сопровождаемого разгерметизацией или разрушением, КБК подвергались дефектации с использованием металлографического анализа. Это касалось как КБК, достигших предельного состояния в процессе испытаний, так и успешно прошедших предусмотренный объем испытаний с последующим доведением до разрушения пневматическим давлением.
Экспериментально зафиксированы следующие предельные состояния КБК:
- по прочности силовой оболочки (взрыв);
- по прочности лейнера (скачкообразный спад давления при разрушении лейнера без взрыва);
- по герметичности лейнера (превышение нормы гажения, ощутимого без спада давления);
- по устойчивости лейнера (потеря устойчивости стенок лейнера при сбросах давления в процессе циклического нагружения КБК без нарушений герметичности и прочности).
Всего были исследованы дефекты 9 КБК, достигших предельного состояния по прочности и герметичности. При дефектации КБК в некоторых случаях выявлены характерные признаки потери устойчивости стенок лейнера (гофры и вмятины), что свидетельствует о пластических деформациях металла при нагружении внутренним давлением. Сама по себе потеря устойчивости лейнера не является фатальной, однако при наложении технологических дефектов изготовления и полей напряжений от внутреннего давления приводит к значительным разбросам давлений потери герметичности. Только в одном случае наблюдалось разрушение силовой оболочки путем взрыва при достижении запаса прочности относительно рабочего давления, равного 3,08. С помощью инструментального контроля (видеофиксации, контроля герметичности с использованием пенополимер-ного индикатора, акустико-эмиссионного контроля) зафиксирован характер разрушения лейнера и силовой оболочки, соответствующий концепции «течь перед разрушением». В остальных случаях фиксировалось достижение предельного состояния лейнеров без разрушения силовой оболочки путем нарушения герметичности (превышение нормы гажения) или скачкообразного спада давления при запасах прочности ниже, чем при взрыве КБК. Поскольку целями испытаний в ходе НЭО были разнонаправленные аспекты отработки конструкции КБК (испытания на прочность, квалификационные испытания, ускоренные ресурсные и климатические испытания и пр.), то условия идентичности постановки экспериментов в части конструктивного исполнения, условий и режи-
мов испытаний, циклов нагружения и пр. не соблюдались. Это не позволяет сделать выводы и сравнивать результаты проведенных экспериментов с позиций статистического характера надежности, однако данные проведенных исследований выявили некоторые закономерности достижения предельного состояния лейнеров. Не вдаваясь в подробности истории и режимов нагружения испытуемых КБК, безусловно влияющих на запасы прочности, следует отметить две основные группы причин достижения предельного состояния лейнеров:
- по прочности в результате исчерпания несущей способности металла;
- по прочности и герметичности в результате проявления дефектов и просчетов конструкторско-технологического характера.
Исчерпание несущей способности лейнеров является следствием накопления пластических деформаций, существенным образом влияющих на остаточную прочность металла. Каждый дополнительный цикл нагружения сверх заданного ресурса искажает объективность результатов испытаний на прочность при разрушении. Этот факт был учтен при планировании проведения экспериментов, в первую очередь для КБК, на которых проводится квалификация к штатному применению.
Выявленные в ходе исследований дефекты позволили предпринять необходимые конструкторско-технологические меры, а самое главное, добиться повторяемости результатов экспериментов, свидетельствующей о достижении заданных требований надежности КБК.
Полученный по результатам проведения НЭО опыт на данный момент используется при разработке и изготовлении перспективных КБВД различной емкости.
References
1. Nondestructive Evaluation and Monitoring. Projects NASA White Sands Test Facility (WSTF) POCs: NASA WSTF: Regor Saulsberry (575) 524-5518.
2. Integrity evaluation of COPVs by means of acoustic emission testing / Yoshihiro Mizutani, Kouki Saiga, Hideyuki Nakamura, Nobuhito Takizawa, Takahiro Arakawa and Akira Todoroki. Tokyo Institute of Technology, Department of Mechanical Sciences and Engineering, Tokyo, Japan.
3. Optimized Software Approaches to Predict Rupture in Fracture-critical Composites and Implications for Structural Health Monitoring / Charles T. Nichols, Jess M. Waller, Regor L. Saulsberry, Kenneth L. Johnson. White Sands Test Facility, NASA Engineering and Safety Center.
© Кравченко И. А., Бородин Л. М., Похабов Ю. П., 2015
