ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ОСНОВНЫХ АГРЕГАТАХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Секция «Двигатели и энергетические установки летательных и космических аппаратов»

УДК 620.22

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ОСНОВНЫХ АГРЕГАТАХ

ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

*

И. А. Батранюк , Д. В. Шемет, Ю.Ю. Степанищев Научный руководитель - А. А. Зуев

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. Газеты «Красноярский рабочий», 31

E-mail: ira.batranvuk@mail.ru

Приведены некоторые данные по использованию композитов в наиболее ответственных деталях и узлах двигателей. Рассмотрены достоинства и недостатки углерод-углеродных композиционных материалов.

Ключевые слова: композиты, жидкостные ракетные двигатели, космическая техника, силовая рама, разнонаправленность осей.

APPLICATION OF COMPOSITE MATERIALS IN THE MAIN UNITS OF LIQUID ROCKET ENGINES

I. A. Batranyuk*, D. V. Shemet, Y. Y. Stepanishchev Scientific supervisor - А. А. Zuev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: ira.batranyuk@mail.ru

Some data on the use of composites in the most critical parts and components of engines are given. The advantages and disadvantages of carbon-carbon composite materials are considered.

Keywords: composites, liquid rocket engines, space technology, power frame, multidirectional axes.

Материалы на основе стекла и керамики стали основой для применения композиционных материалов (КМ) в авиационной и космической техники. В конструкциях современных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) все чаще применяются различные виды композиционных материалов — композитов. Из них изготавливают силовые рамы и бандажи (металлические и полимерные композиты), баки и трубопроводы топливной системы (полимерные композиты), сопловые неохлаждаемые раструбы и насадки, камеры сгорания двигателей малой тяги (углерод-углеродные и карбид-углеродные композиты). В данной работе приведены некоторые данные по использованию композитов в наиболее ответственных деталях и узлах двигателей.

Одной из главных задач проектирования ракетно-космической техники является уменьшение массы конструкции при улучшении ее жесткостных, прочностных, механических и других характеристик. Силовая рама жидкостного ракетного двигателя — одна из таких частей двигателя, благодаря которой можно заметно уменьшить его массу. Она представляет собой ферменную конструкцию, состоящую из труб, соединенных с помощью фитингов. Рама двигателя необходима для закрепления на ней составляющих частей ЖРД (агрегатов подачи окислителя и топлива, агрегатов автоматики и регулирования, донной защиты камер, трубопроводов, рулевых машин и др.) и передачи силы тяги от двигателя к силовому шпангоуту ракеты носителя. Обычно такие конструкции в жидкостных ракетных

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1

двигателях делают из металлов. Для уменьшения массы конструкции, авторами статьи [1], были использованы материалы из углепластика на основе углеродной ленты ЛуП-0,1 и связующего ЭНФБ [2], так как они обладают наибольшей жесткостью и прочностью, имея при этом небольшой вес. В результате работы приведены достоинства и недостатки применения полимерных композиционных материалов. Основные достоинства: снижение массы конструкции с одновременным улучшением прочностных и жесткостных характеристик; возможность заранее спроектировать свойства материала. Недостатки: разнонаправленность осей ферменной конструкции (их расположение в разных плоскостях); сложности, связанные с проведением расчетов фитинговых соединений; трудности при формовании изделий из углепластика, имеющих сложную форму. Таким образом, авторы статьи [1] сделали вывод о необходимости дополнительных исследований для устранения главной проблемы - разнонаправленности осей.

В настоящее время технологии производства позволяют применять углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) при создании сопел с высокой степенью расширения. Так как повышение степени расширения газов в сопле считается одним из широко используемых способов увеличения удельного импульса при снижении общей массы двигателя в сочетании с обеспечением оптимального теплового режима конструкции ЖРД [3]. Достоинствами УУКМ являются низкая плотность и высокие механические свойства. Стоит учитывать, что при нормальной температуре прочность материала соплового насадка из УУКМ меньше, чем в рабочем диапазоне температур (900...2500°С). Особенностью УУКМ является повышенная хрупкость материала из-за низких значений деформаций.

Иногда сложности возникают при создании узлов двигателя из УУКМ 3Б-структуры. Технология его изготовления, заключается в плетении армирующего каркаса (преформы) 3D-структуры из углеволокна и уплотнении каркаса. До сих пор проводятся работы по разработке материала с похожими свойствами, но с применением других наполнителей и армирующих структур [4].

Таким образом, для создания основных агрегатов ЖРД необходимо использовать современные материалы, способные выдерживать требуемые нагрузки при эксплуатации. Например, высокие температуры, давление и вибрации. Главным достоинством применения композиционных материалов является снижение веса изделия (ракеты), что помогает сократить расход топлива и увеличить надежность.

Библиографические ссылки

1.Токарева М.И., Ширяев М.И. Проблемы применения композиционных материалов при разработке ферменных конструкций двигательных установок // 2019 [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/problemy-primeneniya-kompozitsionnyh-materialov-pri-razrabotke-fermennyh-konstruktsiy-dvigatelnyh-ustanovok (дата обращения 0.2.04.2022).

2.[Электронный ресурс]. URL: http://old.admoblkaluga.ru/New/SCIENCE/ Technologia/int/dep_4/svyazu.htm#:~:text=Связующее%20марки%20энфб.%20Эпоксидное%20 связующее,работающих%20при%20температуре%20до%20150°C (дата обращения 0.2.04.2022).

3.Шнякин В.Н., Коваленко А.Н. Особенности отработки ЖРД с сопловым насадком из углерод-углеродного композиционного материала // 2019 [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-otrabotki-zhrd-s-soplovym-nasadkom-iz-uglerod-uglerodnogo-kompozitsionnogo-materiala (дата обращения 0.2.04.2022).

4. Потапов А. М. Композиты: перспективы использования в ракетно-космической технике// 2019 [Электронный ресурс]. URL: https://docplayer.com/41469343-Kompozity-perspektivy-ispolzovaniya-v-raketno-kosmicheskoy-tehnike.html (дата обращения 0.2.04.2022).

© Батранюк И.А., Шемет Д.В., Степанищев Ю.Ю., 2022