CC BY
155
горитмически заданным ограничениям на атрибуты. Сформированное базовое множество с заданным набором атрибутов позволяет применять методы многоатрибутивного принятия решений при решении задачи выбора лучшего варианта структуры АСУ ЛА. Проведены исследования методов многоатрибутивного принятия решений с целью их использования в оптимизационноимитационной процедуре выбора структуры АСУ ЛА. Разработан алгоритм метода многоатрибутивного принятия решений на базе процедуры ТОР818, обеспечивающий решение задачи выбора лучшего варианта построения пунктов управления АСУ ЛА. Программно реализована система поддержки принятия решений, показавшая на модельном примере эффективность оптимизационно-имитационного подхода к формированию структуры АСУ ЛА.
Библиографический список
1. Цвиркун, А. Д. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем (оптимизационно-имитационный подход) / А. Д. Цвиркун, В. К. Акинфи-ев, В. А. Филиппов. М. : Наука, 1985.
2. Тюпкин, М. В. Проблема синтеза структуры АСУ летательными аппаратами / М. В. Тюпкин, Р. Ю. Ца-
рев // Фундаментальные исследования. 2007. № 8. С. 36-38.
3. Ковалев, И. В. Оптимизационно-имитационный подход к синтезу автоматизированных систем управления / И. В. Ковалев, М. В. Тюпкин, Р. Ю. Царев, Ю. Д. Цветков // Программные продукты и системы. 2007. № 3. С. 73-74.
4. Пронин, Е. Г Проектирование бортовых систем обмена информацией / Е. Г Пронин, О. В. Могуева. М. : Радио и связь, 1989.
5. Вязгин, В. А. Математические методы автоматизированного проектирования / В. А. Вязгин, В. В. Федоров. М. : Высш. шк., 1989.
6. Ковалев, И. В. Формирование оптимальных по составу информационно-управляющих систем / И. В. Ковалев, Р. Ю. Царев, Ю. Д. Цветков, М. В. Тюпкин // Программные продукты и системы. 2007. № 4. С. 48-50.
7. Система анализа структуры информационного обеспечения распределенных систем обработки данных (программная система «Iware Analysis ver. 1.0») / И. В. Ковалев и др. М., 2007. Деп. в ВНТИЦ, № 50200701711.
8. Система имитационного моделирования телекоммуникационных систем реального времени (Программная система «AirCalc ver.1.0») И. В. Ковалев и др. М., 2008. Деп. в ВНТИЦ, № 50200701805.
I. V. Kovalev, Ju. A. Nurgaleeva, S. N. Gritsenko, A. V. Usachev
PRELIMINARIES TO CHOOSING AN AUTOMATED CONTROL SYSTEM STRUCTURE OF AIRCRAFTS
The problem statement, steps and formation procedures of the automated control system structure of aircraft are considered. The rational variant of the system structure using optimization and simulation models is selected.
Keywords: control system, aircraft, structure, variant choosing.
© Ковалев И. В., Нургалеева Ю. А., Гриценко С. Н., Усачев А. В., 2009
УДК629.78.002.3
В. И. Халиманович, В. А. Харламов, Р А. Ермолаев, А. Е. Михеев, А. В. Гирн
ИСПЫТАНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ОБРАЗЦОВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Проведены исследования терморегулирующих покрытий углепластиковых элементов конструкций космических аппаратов, полученных ионно-плазменным напылением. Выявлены режимы получения покрытий, которые удовлетворяют требованиям по терморадиационным характеристикам.
Ключевые слова: космический аппарат, терморегулирующие покрытия, ионно-плазменное напыление.
В процессе эксплуатации космический аппарат (КА) периодически и неравномерно освещается Солнцем, подвергается воздействию потоков заряженных частиц. Происходит неравномерный нагрев и электростатическое заряжение поверхностей КА. Неравномерный нагрев при-
водит к искажению формы конструкций из углепластика, имеющего анизотропные коэффициенты теплового расширения и теплопроводность. Это может приводить к ухудшению коэффициента усиления и диаграмм направленности антенных систем и ухудшению ориентации сол -
нечных батарей (БС) на Солнце и снижению их мощности. Электрические разряды, возникающие из-за воздействия заряженных частиц, вызывают помехи и сбои бортовой аппаратуры и деградацию бортовых систем. Для предотвращения указанных негативных явлений необходимо обеспечить терморегулирование антенн, каркасов БС, бортовых систем и защиту их от электризации.
Важную часть систем терморегулирования объектов космической техники составляют терморегулирующие покрытия (ТРП) и экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ), которые покрывают все внешние поверхности КА. ЭВТИ и ТРП устанавливают баланс между выделением тепла внутри КА, энергией, поглощаемой из космоса (от солнечного излучения), и энергией, излучаемой в космическое пространство.
Терморегулирующие покрытия характеризуются терморадиационными характеристиками: коэффициентом поглощения солнечного излучения А и коэффициентом излучения (степенью черноты) Еп. Отношением А! /Е определяется равновесная температура тела при радиационном теплообмене (чем больше это отношение, тем выше равновесная температура) [1].
Под действием различных факторов космического пространства (особенно ионизирующего излучения) наблюдается увеличение коэффициента поглощения А , что приводит к повышению температуры бортовых систем КА и снижению сроков его активного существования. Поэтому создание ТРП классов «солнечные отражатели» и «истинные отражатели», обладающих стабильными терморадиационными характеристиками и одновременно антистатическими свойствами при длительной эксплуатации в космосе, с низким газовыделением является одной из важных задач космонавтики XXI в. Разработка таких покрытий позволит снизить до минимума отклонения от заданного теплового режима, уменьшить сбои в работе и отказы высокочувствительной оптической и радиоэлектронной аппаратуры, что даст возможность увеличить технический ресурс КА до 15 лет и более. Для достижения требуемой равновесной температуры данных конструкций коэффициент Е должен быть от 0,2 до 0,4 при отношении А! /Е < 1. Поверхностное электрическое сопротивление покрытий должно быть не более 105 кОм/квадрат.
В процессе выполнения исследований по разработке терморегулирующих покрытий для углепластиковых эле-
ментов каркасов БС был проведен выбор материалов и методов нанесения терморегулирующих покрытий.
Для проведения необходимого объема испытаний ТРП специалистами ОАО «ИСС» и СибГАУ были изготовлены образцы терморегулирующих покрытий, включающих подслой лака, отражающий слой алюминия, и теплоизлучающий электропроводный слой на основе оксидов алюминия и циркония. Нанесение покрытий проведено ионно-плазменным магнетронным напылением. Такая технология выбрана в связи с известными преимуществами ионно-плазменных технологий перед традиционными методами термического испарения: высокой однородностью и адгезионной прочностью покрытий, возможностью нанесения слоев из тугоплавких соединений, оксидных полупроводников и др. [2].
Определение физико-технических характеристик образцов проводилось в ОАО «ИСС» следующим образом:
- толщину напыленных слоев алюминия и оксидов определяли на стеклянных образцах-свидетелях на микроинтерферометре МИИ-4;
- адгезионную прочность покрытия определяли методом отрыва приклеенных штоков;
- терморадиационные характеристики образцов А, Еп были измерены фотометром ФМ-59 и терморадиометром ТРМ-И;
- поверхностное электрическое сопротивление покрытий измеряли двухзондовым методом с помощью тераомметра Е6-13 А;
- массу образцов покрытий измеряли на весах ВЛАО-20 г.
Основные характеристики изготовленных образцов приведены в табл. 1.
Масса всех изготовленных схем ТРП составляет не более 50 г/м2. Как показывают данные (табл. 1), наиболее близки к предъявляемым требованиям образцы покрытий №> 5, 7, 10, 11.
Для окончательного выбора схемы покрытия и корректировки технологических режимов было проведено исследование стабильности основных характеристик изготовленных образцов ТРП под воздействием факторов хранения и эксплуатации. Исследование было разделено на два этапа:
- экспрессные испытания для оценки соответствия выбранных схем покрытий техническим требованиям и корректировки технологических режимов;
Таблица 1
Характеристики покрытий на экспериментальных образцах
Номер образца Материал подложки Состав покрытия Толщина слоя оксида, мкм Адгези- онная проч- ность, кг/см2 Т ерморадиационный коэффициент А,/Еп Удельное электр. сопротивле ние кОм/ квадрат
А, р ^п
2 КМУ-4Л А1-7иО 0,6-0,8 75 0,38 0,19 2 ~10-2
3 КМУ-4Л А1-МоО3 0,4-0,6 70 0,29 0,14 2 ~10-2
5 КМУ-4Л Л1-Л12О3 0,8-1,0 60 0,24 0,22 1,1 1 • 105
6 КМУ-4Л А1-А12О3 0,5-0,7 65 0,22 0,18 1,2 6 • 104
7 КМУ-4Л А1-ггО2 0,4-0,6 65 0,19 0,18 1 3 • 103
8 КМУ-4Л А1-ггО2 1,2 65 0,24 0,25 1,0 ~107
10 КМУ-4Л А1-ггО2 1,5 65 0,20 0,28 0,7 2 • 106
11 КМУ-4Л А1-А12О3-7гО2 0,5; 0,5 70 0,27 0,21 1,3 1,1 • 105
- контрольные испытания для определения стабильности характеристик ТРП в условиях воздействия факторов хранения и эксплуатации.
Ускоренные климатические испытания (УКИ) образцов покрытий проводили при влажности до 98 % и температуре до +70 °С.
Испытания на воздействие циклического изменения температуры в вакууме (термоциклирование (ТЦ)) проводили в вакуумной камере, при остаточном давлении Р < 5 • 105 мм рт. ст. Нагрев термостола с образцами осуществляли лампами типа КГ-127-1000, а охлаждение -жидким азотом. Количество циклов - 10 при экспресс-испытаниях и 50 - при контрольных. Диапазон температур от -150 до 150 ° С.
Все полученные образцы прошли экспресс-испытания, результаты которых приведены в табл. 2. Данные показывают (табл. 2), что экспериментальные образцы покрытий № 5, 8 и 10 удовлетворяют предъявляемым тре-
Результаты экспресс-испытаний
бованиям по терморадиационным характеристикам и адгезионной прочности.
Характеристики опытных образцов терморегулирующих покрытий на углепластике и результаты контрольных испытаний приведены в табл. 3 и 4.
Относительное изменение коэффициента А образцов в процессе испытаний (средние значения) представлено на рисунке.
В результате УКИ наблюдается снижение коэффициента А на 2-8,5 % относительно исходного значения, далее, после ТЦ, изменение коэффициента А составляет от 0 до 2 %. Такое поведение покрытия может быть объяснено дефицитом кислорода в слое МеО при изготовлении и доокислением покрытия в процессе УКИ.
Из результатов испытаний следует, что по терморадиационным коэффициентам и адгезионной прочности достаточно близки или удовлетворяют техническим требованиям все испытанные варианты покрытий опытных
Таблица 2
ериментальных образцов покрытий
№ образца Покрытие Воздействие УКИ ТЦ
А,, р ■‘—‘П А, /Еп А,, р ■‘—‘П А, /Еп Адгезия, кг/см2
до после до после после после
2 А1-7пО 0,38 0,41 0,19 0,40 1,0 0,48 0,40 1,2 60
3 А1-МоО3 0,29 0,42 0,14 0,28 1,5 0,43 0,30 1,4 60
5 А1-А12О3 0,24 0,21 0,22 0,22 1,0 0,22 0,22 1,0 70
6 0,22 0,20 0,18 0,18 1,1 0,20 0,19 1,1 60
7 А1-7гО2 0,19 0,21 0,18 0,19 1,1 0,21 0,19 1,1 65
8 0,24 0,22 0,25 0,25 0,9 0,22 0,25 0,9 65
10 0,20 0,19 0,28 0,28 0,7 0,19 0,28 0,7 60
11 А1-А12О3-7гО2 0,27 0,25 0,21 0,22 1,1 0,25 0,23 1,1 70
Таблица 3
Исходные характеристики и результаты УКИ опытных образцов ТРП
№ образца Покрытие А, р п А, /Еп Адгез. прочность, кг/см2 Удельное электр. сопротивление, кОм/квадрат
до после до после до до после до после
22 А1-А12О3 0,20 0,20 0,21 0,21 1,0 65 60 0,7 • 105 0,9 • 105
23 0,26 0,25 0,40 0,40 0,6 65 65 ~ 109 ~ 109
35 А1-7гО2 0,22 0,20 0,19 0,21 1,2 70 70 6 • 103 7 • 103
36 0,21 0,20 0,25 0,26 0,8 65 65 7 • 104 9 • 104
37 0,26 0,23 0,31 0,30 0,8 65 65 ~ 10' ~ 107
38 0,35 0,32 0,39 0,40 0,9 60 60 1,1 • 105 ~ 107
42 А1-А12О3-7гО2 0,27 0,25 0,24 0,24 1,1 75 70 8 • 104 1 • 105
Таблица 4
Результаты термоциклирования опытных образцов ТРП
№ образца Покрытие А, р п А, р Адгез. прочность, кг/см2 Удельное электр. сопротивление, кОм/квадрат
до после до после после до после до после
22 А1-А12О3 0,20 0,20 0,21 0,21 1,0 60 60 0,9 • 105 0,9 • 105
23 0,25 0,24 0,40 0,40 0,6 65 60 ~ 109 ~ 109
35 А1-7гО2 0,20 0,21 0,21 0,21 1,0 70 65 7 • 103 7 • 103
36 0,20 0,20 0,26 0,27 0,7 65 60 9 • 104 8 • 104
37 0,23 0,22 0,30 0,30 0,7 65 65 ~ 107 ~ 107
38 0,32 0,32 0,40 0,39 0,8 60 60 ~ 107 ~ 107
42 А1-А12О3-7гО2 0,25 0,25 0,24 0,24 1,0 70 65 1 • 105 1 • 105
образцов. По удельному электрическому сопротивлению удовлетворяют требованиям образцы № 22 (А1-А1203), № 35, 36 (А1-а02) и № 42 (А1-А120-2г02) - от 6 до 80 Ом ■ м, что соответствует удельному поверхностному сопротивлению от 6-103 до 8 ■ 104 кОм/квадрат при толщине покрытий ~ 1 мкм. Варианты покрытий А1-2г02 № 35 и А1-А1203-2г02 отличаются наибольшей стабильностью характеристик при воздействии факторов испытаний. Для трехслойного ТРП масса составит не более 45 г/м2.
1
0,98
0,96
0,94
0,92
0,9
□ Al-Al2O3
□ Al-ZrO,
а
исходные после УКИ после ТЦ
Изменение отношения А /А покрытий в процессе испытаний
Таким образом, проведено изготовление трех схем терморегулирующих покрытий для углепластиковых элементов конструкции КА для обеспечения заданного теплового режима. Характеристики опытных образцов ТРП удовлетворяют требованиям по коэффициенту Еп (от 0,20 до 0,40) и отношениюA /Е (от 0,6 до 1,0). Адгезионная прочность покрытий на нормальный отрыв не менее 60 кг/см2, масса не более 50 г/м2. Удельное электрическое сопротивление зависит от схемы, толщины, технологических режимов нанесения покрытия и находится в пределах от 6 до ~ 106 Ом-м или от 6 • 103 до ~ 109 кОм/квадрат. Опытные образцы ТРП выдержали контрольные испытания на воздействие основных факторов хранения и эксплуатации.
Библиографический список
1. Физика тонких пленок : пер. с англ. / под ред. Г. Хасса и Р Э. Туна : в 2 т. Т. 2. М. : Мир, 1967.
2. Waits, R. K. Planar magnetron sputtering / R. K. Waits // J. Vac. Sci. Technol. 1978. Vol. 15. No. 2. P. 179-187.
Al-Al2O3-ZrO2
V I. Khalimanovich, V A. Kharlamov, R. A. Ermolaev, A. E. Mikheev, A.V Girn
TESTING LABORATORY PATTERNS WITH THERMOREGULATION COATINGS ON CARBON DETAILS OF SPACE VEHICLES
The scientific research of thermoregulation properties of coatings, conducted by ion-plasma spraying method on carbon details ofspace vehicles and satellites was carried out. Regimes of ion-plasma spraying with best thermoregulation properties of carbon details were identified.
Keywords: space vehicle, thermoregulation coatings, ion-plasma spraying.
© Халиманович В. И., Харламов В. А., Ермолаев Р. А., Михеев А. Е., Гирн А. В., 2009
