Металлокомпозитные баки высокого давления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Решетнеескцие чтения. 2015

УДК 620.166

МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫЕ БАКИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

М. В. Кубриков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: gidroponika@mail.ru

Рассмотрено текущее положение прочностных и эксплуатационных характеристик металлокомпозитных баков высокого давления. Рассмотрена их надежность и долговечность в процессе эксплуатации космического аппарата в космосе.

Ключевые слова: металлический лейнер, тонкостенные оболочки, силовая оболочка, композит, металло-композитный бак высокого давления.

METALLOCOMPOSITE HIGH PRESSURE TANKS

M. V. Kybrikov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: gidroponika@mail.ru

The article deals with the current position of strength and performance of the metal composite high-pressure tanks. We consider their durability in operation of the spacecraft in space.

Keywords: metallic liner, thin shell, power shell, composite, metal composite high-pressure tanks.

Проведение экспериментальных исследований в области прочностных и эксплуатационных характеристик элементов ракетно-космической техники позволяет создавать способы увеличения надежности и долговечности элементов конструкции.

К современным силовым конструкциям относятся топливные баки космических аппаратов. При производстве топливных баков применяются композиционные материалы, представляющие собой полимерную матрицу, армированную высокопрочными волокнами.

Создание композитных емкостей высокого давления подразумевает использование тонкостенных металлических герметизирующих лейнеров с силовыми оболочками из высокопрочных углеродных или органических волокон. К емкостям высокого давления, работающим в условиях космоса, предъявляются высокие требования по прочности при растяжении. При этом главной характеристикой является отношение массы бака к его объему, а также максимальное внутреннее давление [1].

Производство композитного бака является технологичным и трудоемким процессом. Процесс можно разделить на два основных этапа:

1) разработка и изготовление тонкостенного металлического лейнера, обеспечивающего газонепроницаемость;

2) разработка и изготовление силовых оболочек, обеспечивающих требуемую прочность баллона.

При нагружении композитного бака предельным давлением в оболочке возникают внутренние усилия от равномерно нагруженного внутреннего давления. В лейнере возникают пластические деформации, а в композитной оболочке - упругие деформации.

Разработки металлических лейнеров ведутся в НИИМаш г. Нижняя Салда. В 1990-х годах был создан баллон объемом 1,8 л на базе лейнера из алюминиевого сплава, рабочее давление которого составляет порядка 10 МПа. В период 2001-2010 гг. были проведены работы по созданию блока хранения ксенона для космического аппарата типа «Экспресс». В данном баллоне использовался тонкостенный лейнер из титанового сплава. Рабочее давление баллона составляет 13,2 МПа. По уже отработанной технологии в 2006 г. были начаты работы по созданию газового баллона для космического аппарата «Фобос-Грунт». Рабочее давление в баке составляет 17,6 МПа.

Совместно с НИИМаш разработкой силовых оболочек занимался Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов. Использование российских материалов, таких как орга-ножгут и угольный жгут, практически позволяют достигнуть прочности зарубежных аналогов. Но все же использование зарубежного волокна позволит снизить массу баллона.

Использование композиционных баллонов в ракетно-космической отрасли, ввиду их высокой весовой эффективности, является весьма актуальной задачей для конструкторов. Однако внедрение композитных баков вызывает ряд проблем, связанных с необходимостью обеспечения высокой надежности их работы. Решение данных проблем возможно на уровне проектирования и расчета, в которых наиболее полно должны учитываться основные особенности конструкции.

Большое значение при проектировании баков высокого давления с использованием металлического лейнера стоит уделить усталостной прочности разру-

Механика специальных систем

шения лейнера, так как при числе циклов нагружения в несколько тысяч лейнер теряет герметичность, вследствие чего ведутся теоретические и экспериментальные изыскания, разрабатываются методики расчета композитных баков на заданное число циклов нагружения, учитывая минимизацию массы конструкции.

Если рассматривать форму композитного бака, то в основном это оболочки вращения. Это обусловлено рядом причин. Методы намотки волокна ограничены применением только на оболочках, имеющих форму тел вращения. Намотка волокна позволяет получить ориентированную структуру оболочки, тем самым обеспечивая максимальную прочность изделия. Замкнутая тонкостенная сфера, нагруженная равномерным внутренним давлением, испытывает одинаковое растяжение во всех сечениях [2] и является идеальной формой оболочки, материал которой испытывает равномерные нагрузки. Но применение такой формы затруднительно из-за сложности технологии ее изготовления. Более удобным при производстве является цилиндрический баллон, ограниченный по концам днищами эллипсоидной формы.

Таким образом изготовление баков высокого давления является дорогостоящей и технологически

сложной задачей, требующей проведения экспериментальных исследований и разработки методик расчетов как отдельных элементов, так и общей сборки композитного бака.

Библиографические ссылки

1. Анализ конструктивных вариантов металло-композитных баллонов высокого давления / В. П. Мо-лочев, В. Н. Егоров, А. В. Севальнев, Е. А. Абрамова // Авиационная промышленность. 2012. № 1. С. 42-45.

2. Кузьмин М. А., Лебедев Д. Л., Попов Б. Г. Расчеты на прочность элементов многослойных композитных конструкций. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. С. 145-158.

References

1. Analyz konstryktivnyh variantov mettallokompo-sitnyh ballonov visokogo davlenia / V. P. Molchev, V. N. Egorov, A. V. Sevalnev, E. A. Abramova // Aviacionnaya promychlennost. 2012. p. 42-45.

2. Kyzmin M. A., Lebedev D. L., Popov B. G. Raschety na prochnost elementov mnogoslynyh kompositnyh konstrykciy. M. : MGTY N. E Baymana, 2012. p. 145-158.

© Кубриков М. В., 2015

УДК 62-238.9

УСТРОЙСТВО УДЕРЖАНИЯ И ОСВОБОЖДЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ПОНИЖЕННЫМ УДАРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ*

В. В. Кузнецов, А. А. Герус, С. П. Ереско

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: Vaskua@yandex.ru

В настоящее время в современных космических аппаратах (КА) применяется высокоточное оборудование, чувствительное к ударным воздействиям. В связи с этим возникает необходимость и потребность в создании механических устройств удержания и освобождения подвижных элементов конструкции КА с пониженным ударным воздействием при срабатывании.

Ключевые слова: механические устройства КА, безударность, устройства фиксации.

RESTRAIN AND RELEASE DEVICE OF THE MOVABLE ELEMENTS OF THE SPACECRAFT STRUCTURE WITH A REDUCED IMPACT FORCE

V. V. Kuznetsov, A. A. Gerus, S. P. Eresko

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation. E-mail: Vaskua@yandex.ru

Nowadays in modern spacecraft (SC) high-precision equipment is used; this equipment could be sensitive to impact. In this regard, there is a need and demand for creation of mechanical restraint and release the movable elements in SC design with reduced impact force when triggered.

Keywords: Mechanical devices SC, unstressed, the fixing device.

Основным источником ударных воздействий, в механических устройствах удержания и освобождения подвижных элементов конструкции КА являются

такие элементы как пружины, а точнее - элементы конструкции, которые после проворачивания или выталкивания пружинами, ударяются о другие элементы.

*Результаты получены при выполнении государственного задания № 9.447.2014/к.