О представлении структуры в пористых волокновых материалах типа МР Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Секция «Энергодвигательные установки и системы терморегулирования»

Занимая «нишу» между керосином и водородом, метан позволяет достаточно просто создавать двигатели любой принципиальной схемы: замкнутой с окислительным газогенератором (ГГ), замкнутой с восстановительным ГГ, открытой (незамкнутой) и даже такой экзотической для отечественного двигателестроения схемы, как так называемая

«расширительная» или теплообменная, когда жидкий метан, проходя рубашку охлаждения камеры сгорания, газифицируется и вращает турбину ТНА, а потом сбрасывается в камеру сгорания и дожигается там.

© Емельянов И. Е., Краев М. В., 2010

УДК 621.762.8

О. В. Забабурина Научный руководитель - А. М. Жижкин Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева, Самара

О ПРЕДСТАВЛЕНИИ СТРУКТУРЫ В ПОРИСТЫХ ВОЛОКНОВЫХ МАТЕРИАЛАХ ТИПА МР

Размер пор, плотность распределения пор по размерам, параметры распределения, волокновый материал типа МР.

Для сравнения пористых структур по размерам пор чаще всего используют значения среднего и максимального размеров пор. Однако эти размеры неполно характеризуют пористую структуру. Более полное представление о структуре пористой среды дает распределение пор по размерам в виде зависимости числа пор от размера пор [1].

Для исследования распределения пор по размерам был использован экспериментальный метод -метод исследования шлифов или их микрофотографий (статистический), как прямой метод исследования. В качестве объекта исследования использовались пластинчатые и цилиндрические конструкции из материала МР с пористостью порядка 55...85 %. За размер поры было принято расстояние между контурами элементов твердого скелета порового пространства. Расстояние между частицами контура скелета рассматривалось как случайная величина, равная длине С отрезка прямой между двумя точками, расположенными на поверхности твердой фазы. Отрезок мог иметь с твердой фазой только две общие точки [2].

Плотность распределения К<СС) позволяет установить связь между значениями размера С и соответствующими им вероятностями. Определить функцию К<Л) с большой степенью точности возможно при увеличении общего числа измерений. При этом необходимо, чтобы измерения носили случайный характер, а возможность повторных замеров была исключена. Количество таких измерений по данным работы [2] должно быть не менее 400.

Изучение распределения пор по размерам статистическим методом включает в себя следующие операции: выбор плоскости среза; подготовка шлифа для микроанализа; определение исходных статистических данных объекта и расчет определяемых параметров; оценка достоверности результата.

Исследование поверхности шлифа осуществлялась методом его плоскопараллельного перемещения относительно окуляра. Измерение расстояния С

проводилось между случайными точками на контурах скелета вдоль прямых, параллельных выбранным направлениям. Обработка результатов измерений проводилась по методике, изложенной в работе [2]. По результатам обработки были подсчитаны среднее расстояние Сс и дисперсия Бс.

Среднее расстояние Сс в конструкциях из материала МР с относительной толщиной 5/Д > 1 (где 5 - минимальный размер конструкции; Д. - диаметр спирали) по данным структурных исследований, может быть определено выражением, полученным в работе [3] в виде

Сс = С Г =

П • ёп 1 - П

где СГ - гидравлический диаметр пористой среды; Сп - диаметр проволоки.

Среднее расстояние Сс для изделий из материала МР при относительной толщине стенки 5/Дс > 1 хорошо согласуется со значениями гидравлического диаметра, полученного с учетом площади поверхности конструкции в виде

Сс = СГ = ^^ - П. с 1 1 Сп 1+—-25

Для исследованных образцов были построены гистограммы. По их виду был сделан вывод о том, что распределение пор по размерам имеет несимметричный характер изменения.

Вид функции распределения пор по размерам был принят, исходя из геометрических представлений. Опытные данные были смоделированы гамма-распределением. Аналитическая функция плотности распределения пор по его размерам имеет вид

I (С) =

рс

Г

-С а-1 • б"

а-р

(1)

(а)

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

где Г(а) - неполная гамма-функция; а и в - параметры распределения, которые определяются соотношениями

d

1

а = ß-dc =-!■ = — ß =

Dc kB

d.

D,

где КВ - коэффициент вариации.

Функция плотности распределения пор по размерам определяется средним размером пор dс и безразмерными параметрами а и р. Область определения параметров а > 0, р > 0 и d > 0. При d < 0 значения функции _Дй?) = 0. Функция плотности распределения пор по размерам описывает геометрические свойства порового пространства пористых сред, у которых неоднородность поровой структуры может изменяться от ее полного отсутствия (при а ^ ® -идеальная пористая среда), до масштаба, соизмеримого с геометрическими размерами элемента (а ^ 0). По данным экспериментальных исследований поро-вой структуры конструкций из материала МР, параметр распределения а для данных конструкций может принимать значения от 0,6 до 2,4.

Из анализа строения исследованных структур, можно сделать вывод о том, что параметр распределения а связан со взаимным расположением элемен-

тов твердой фазы. Поэтому безразмерный параметр а можно использовать как характеристику степени неоднородности микроструктуры материала МР и других пористых сред, имеющих любой другой закон распределения пор по размерам.

Для сравнения пористых сред и оценки влияния их структур на процессы массопереноса в них необходима масштабная характеристика порового объема. Такой характеристикой для пористых сред может быть их средний размер пор dс.

Библиографические ссылки

1. Коллинз Р. Течение жидкостей через пористые материалы. М. : Мир, 1964.

2. Богомолова А. Ф., Орлова Н. А. Количественная характеристика структуры порового пространства. ПМТФ. № 4. С. 77-81.

3. Белоусов А. И., Изжеуров Е. А., Сетин А. Д. Исследование гидродинамических и фильтровальных характеристик пористого материала МР // Вибрационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов. Куйбышев. 1975. Вып. 2. С. 70-80.

© Забабурина О. В., Жижкин А. М., 2010

2

УДК 621.454

Н. И. Зуев

Научный руководитель - К. Ф. Голиковская Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ КОСМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Предлагается экспериментальный конструкционный материал для космических аппаратов.

В авиации и космонавтике существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, легких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий ракетоносителей, космических зондов. Все чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

В отличие от живых тканей, способных полностью или частично восстанавливать поврежденные участки, современные инженерные материалы «излечиванию» практически не поддаются. Однако уже в ближайшем будущем ситуация может кардинально измениться: в работе [1] обнародованы результаты по созданию самозалечивающегося композитного материала.

Экспериментальный конструкционный материал для космических аппаратов позволит вдвое продлить срок службы из их корпусов. Трещины и небольшие выбоины будут немедленно затягиваться

специальным быстро твердеющим составом, не вызывая снижения прочности конструкции.

Корпуса космических аппаратов постоянно подвергаются воздействию резких температурных контрастов. Постоянные перепады температур порождают напряжения в материале корпуса и ведут к появлению микротрещин.

Другой механизм космической эрозии - удары микрометеоритов. Однако космические пылинки и частицы космического мусора размером меньше миллиметра достаточно многочисленны и при скоростях в десятки километров в секунду вызывают постепенную деградацию конструкций.

Новый материал, разработанный в Европейском космическом агентстве (ESA), обладает повышенной устойчивостью к факторам космической эрозии благодаря способности самовосстанавливаться [2] при повреждениях.

Образцы нового материала успешно прошли первые испытания в вакуумной камере. Тем не менее, уже сейчас ESA считает, что новый материал позволит вдовое продлить время работы тех косми-