Перспективы применения композиционных материалов в ракетостроениии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Секция «Перспективные технологии и производство РКТдвойного назначения»

УДК 629.76

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В РАКЕТОСТРОЕНИИИ

А. И. Судаков, В. В. Геращенко Научный руководитель - А. С. Тимохович

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: fizzi2010@gmail.com, vladisav.gerashchenko@mail.ru

Показаны перспективы применения композиционных материалов в ракетостроении, возможности увеличения прочности и снижения массы.

Ключевые слова: композиционные материалы, реактивный двигатель, космический летательный аппарат, снижение массы.

COMPOSITE MATERIALS PROSPECTS IN SPACECRAFT CONCTRUCTION

A. I. Sudakov, V. V. Gerashchenko Scientific Supervisor - A. S. Timohovich

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: fizzi2010@gmail.com, vladisav.gerashchenko@mail.ru

Authors preparing this work, show prospects application of composite materials in rocket science, possibilities of increase in durability, degrowth.

Keywords: composite materials, jet engine, aerospace craft, degrowth.

Снижение веса и увеличения полезной нагрузки является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию. Типичными примерами такой конструкции являются жидкостная ракета-носитель «Атлас» и конструкция твердотопливной ракеты. Для «Атласа» была создана специальная монококовая оболочка с наддувом. Ракета с двигателем на твердом топливе, получается, посредством наматывания на оправку, имеющую форму твердотопливного заряда, стеклянной нити и пропитки намотанного слоя специальной смолой, которая отверждается после вулканизации.

При такой технологии получается сразу и несущая оболочка летательного аппарата, и ракетный двигатель с соплом.

В ракетно-космической технике успешно применяются легкие сосуды и емкости, изготовленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением, а также созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей, силовые конструкции ракет, аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для летчиков и космонавтов [2].

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.

Свойства дисперсно-упрочненных металлических композитов изотропны - одинаковы во всех направлениях. Добавление 5-10 % армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, бо-ридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1

из этого сплава способны к длительной работе, с 1 000 до 1 200 °С. Дисперсно-упрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии [3].

Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450-500 °С, вместо 250-300 °С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую деформацию материала, что создает значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т. д. [1].

В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24 % «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза - других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1 650 °С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет [4].

Современная ракетно-космическая техника двойного назначения немыслима без полимерных композиционных материалов. При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10...50 % в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность.

Таким образом, проанализировав вышесказанную информацию, можно сделать вывод о том, что применение композиционных материалов с металлической матрицей позволяет нам в будущем уменьшить массу ракеты на 10-50 % и тем самым увеличить массу полезной нагрузки на 10-30 %, а применение армирования «усами» из оксида алюминия на основе вольфрама и молибдена, позволяет увеличить прочность в два раза.

Библиографические ссылки

1. Достижения в области композиционных материалов / под. ред. Дж. Пиатти. М. : Металлургия, 1982.

2. Берлин А. А., Пахомова Л. К. Полимерные матрицы для высокопрочных армированных композитов // Высокомолекулярные соединения. 1990. Т. (А)32. № 7.

3. Композиционные материалы [Электронный ресурс]. URL: http://www.krugosvet.ru/ enc/nauka_i_tehnika/himiya/KOMPOZITSIONNIE_MATERIALI.html (дата обращения: 20.03.2016).

4. О взаимосвязи и особенностях композиционных материалов [Электронный ресурс]. URL: http://www.sdo-mysl.ru/?m=notes&p=9 (дата обращения: 20.03.2016).

© Судаков А. И., Геращенко В. В., 2016