Перспективы конструирования оправок с малым КЛТР для изготовления рефлекторов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

УДК 629.78

ПЕРСПЕКТИВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ОПРАВОК С МАЛЫМ КЛТР ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕФЛЕКТОРОВ

А. П. Белоглазов, А. В. Габов, В. И. Елистратов

ООО «Ниагара» Российская Федерация, 119049, г. Москва, ул. Донская, 6, стр. 2 E-mail: [email protected]

Приводятся обоснования целесообразности и возможностей изготовления размеро- формостабильных оправок на основе углепластика и углерод-углеродных композиционный материалов с керамическим покрытием для изготовления высокоточныхразмеростабильных элементов антенно-фидерных систем (АФС).

Ключевые слова: углерод-углеродные композиционные материалы, размеро- формостабильные оправки.

PROSPECTS OF MANDRELS DESIGNING WITH SMALL THERMAL EXPANSION COEFFICIENT FOR MANUFACTURING REFLECTORS

A. P. Beloglazov, A. V. Gabov, V. I. Elistratov

NIAGARA Ltd

Bld. 2, 6, Donskaya str., Moscow, 119049, Russian Federation. E-mail: [email protected]

The justification is given to expedience and feasibility of shape and size stable mandrels manufacturing based on carbon plastic and carbon-carbon composites with ceramic coating for manufacturing the high accuracy size stable elements of antenna-feeder systems (AFS).

Keywords : carbon-carbon composite materials, shape and size stable mandrels.

Точность технологического исполнения отражающей поверхности рефлекторов и деформация рабочих поверхностей рефлекторов, возникающая под действием факторов изготовления, хранения и эксплуатации, напрямую определяет качество космических АФС.

Для миллиметрового диапазона допускаемые отклонения измеряются микронами при диаметре зеркала в несколько метров. Этими требованиями определяется выбор конструкций, материалов и технологий изготовления рефлекторов.

Используемые материалы должны обладать низким значением коэффициента теплового расширения. Это могут быть углепластики (телескоп Планк), астроси-талл, суперинвар, карбид кремния (телескоп Гершель), органопластики и другие. Для рефлекторов с активным адаптивным управлением может применяться бериллий (проект JWST). При этом стоимость одного квадратного метра прецизионной поверхности из карбида кремния или бериллия составляет один миллион долларов, а цикл изготовления - около 1 года.

Большинство применяемых технологий включает этап высокоточной механической обработки (доводки) поверхностей. Эта трудоемкая и дорогостоящая операция в РФ может быть использована только по отношению к зеркалам из астроситалла - довольно хрупкого и тяжелого материала. Технология получения облегченных зеркал в РФ в настоящее время отсутствует.

Достаточно широко применяется технология формования рабочей поверхности из углепластика на

прецизионной матрице. Она обеспечивает относительно меньшую стоимость и трудоемкость, однако в этом случае проблемой является коробление углепластика от внутренних напряжений, которые вызываются погрешностями траекторий армирования и различными коэффициентами теплового расширения углеродного волокна, полимерной матрицы и оправки.

Углепластик также подвержен паразитным релаксационным и влажностным деформациям и растрескиванию полимерной матрицы при захолажива-нии. По мнению специалистов, эти проблемы принципиально решаемы - это доказывают исследования и успешная миссия криогенного телескопа Планк (его главное зеркало выполнено из углепластика).

На сегодняшний день в РФ применяется в основном технология формования рабочих поверхностей рефлекторов на размеростабильных прецизионных оправках, изготовленных из инваровых сплавов или астроситалла. Проблемы трудоемкости и дороговизны данной технологии, а также отсутствие способа получения облегченных астроситалловых конструкций сохраняются.

Одним из путей решения поставленной задачи является создание гибридных конструкций в которых используются положительные качества мелкокристаллических изотропных неметаллических материалов и углепластика и в то же время нивелируются их недостатки (см. рисунок).

Решетневскуе чтения. 2014

Е-ыклалыыЕтся формссдлбуютя по1.Ерх.нсг тъ сгтргькн

Термическая обрабош:а Мвхш твская абраба рякд

Л.ОНЩЮГЛ качества

Формирование керамического слоя

Гермосбрабоша

Квищюгл качества

Фиии шчд.1? мехач и ческая сбрабэтка

Контроль качества

Суть инновации заключается в создании конструкции прецизионных панелей и технологии их изготовления из высокомодульного углепластика на матрицах (оправках) из УККМ, при этом технологическая погрешность изготовления поверхности составляет 0-20 микрон. Расчетная стоимость квадратного метра составляет около 200 тысяч долларов, при этом конструкция в два раза превосходит ситалловую по жесткости и в 6-7 раз легче по массе. Углерод-керамическая композиционная матрица имеет ключевые конкурентные преимущества по массе и жесткости, а также по стоимости, трудоемкости изготовления (по сравнению с астроситаллом, карбидом кремния) и интегральной деформативности.

Предлагаемая нами базовая технология создания прецизионных оправок из УККМ включает следующие основные этапы (см. рисунок).

Получаемая оправка представляет собой укрепленную и упрочненную поверхность для формования, обладающую высокой прочностью, долговечностью, необходимой фактурой формообразующей поверхности. При создании матрицы применяется компьютерное моделирование, сопровождающееся проверкой на прочность и жёсткость, с применением расчетных методов (например, метода конечных элементов).

При необходимости проводится разбивка конструкции на оптимальные элементы с целью реализации высокоточной выкладки углеродного препрега на углекерамическую прецизионную матрицу по специальным траекториям (погрешность не более 0,1 градуса), последующего формования уложенного угле-пластикового пакета, исключающего деформацию коробления, термообработку силового набора с целью подавления релаксационных деформаций и проведение ряда адаптивных мероприятий над изготовленной прецизионной панелью для минимизации паразитных сдвиговых и изгибных термоперемещений до уровня погрешности измерительных средств.

Разборные матрицы, элементы которых легко скрепляются между собой, легче эксплуатировать, а иногда форма и размеры готового изделия просто не позволяют использовать неразборную матрицу.

Высокая ремонтопригодность, сравнительно небольшой вес, жесткость и формостабильность при практически равных КЛТР оправки и изделия позволяют получить изделия с необходимыми эксплуатационными свойствами.

© Белоглазов А. П., Габов А. В., Елистратов В. И., 2014