CC BY
948
УДК 629.78
ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОЕКТОВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
А. В. Власенко, В. В. Скрябин Научный руководитель - М. Д. Евтифьев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Композитные материалы (КМ) произвели революцию во многих отраслях техники, промышленности и стали популярными в высокотехнологичных изделиях. В данной статье рассматриваются несколько перспективных композиционных материалов для применения в ракетно-космической технике.
Ключевые слова: композиционные материалы, бороэпоксидные композиты, углепластики, органопластики.
APPLICATION OF ADVANCED COMPOSITE MATERIALS FOR PROJECT ROCKET - SPACE TECHNICS
A. V. Vlasenko, V. V. Skryabin Scientific Supervisor - M. D. Evtifyev
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The Composite Materials (CM) have made revolution in many industries and became popular in hitech products which have to be characterized by small weight, but at the same time high resistance to mechanical loadings. In this article are considered several perspective composite material for application in rocket and space technology.
Keywords: composite materials, boroepoksidny composites, coal plastics, carbon composites , organoplastics.
Композиционным материалом (КМ) называется материал, созданный искусственно, состоящий из двух или более компонентов, и имеющий границу раздела между ними. Компонентами композитов, в общем случае, является матрица и наполнитель. Матрица исполняет роль связующего и выполняет функцию защиты наполнителя от физико-химических воздействий тех или иных сред. Наполнитель же в свою очередь выступает армирующим элементом [2].
Для создания необходимых свойств базовые полимеры смешивают с другими веществами. При этом в композите может содержаться от долей процента добавок до 90 % [3].
В настоящее время растет количество исследований в области применения композитов в конструкциях изделий ракетно-космической техники (РКТ). В РКТ нашли широкое применение композиты: бороалюминиевые, бораэпоксидные, углепластики, органопластики и углепластики. Так как исследования в области КМ продолжаются, не исключено появление и других КМ, которые можно использовать в изделиях РКТ.
Первоначально КМ применялись в конструкциях ракет во вторичной структуре, такой как обтекатели, небольшие и малонагруженные участки фюзеляжа, и другие неответственные элементы. По мере развития технологии, использование композиционных материалов для первичных структур, таких как топливные баки, трубопроводы, сосуды давления, шпангоуты и т. д. увеличилось [4].
В современных проектах изделий РКТ топливные баки составляют наибольший удельный вес, поэтому применение здесь более легких, по сравнению с традиционными материалами, композитов
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
весьма актуально. В настоящее время композитные баки чаще всего изготавливают на основе тонкостенного лейнера, образующего прочный герметичный каркас, который армируется углеродными волокнами.
Большой интерес к использованию композитов проявляется в НАСА, где они используются в качестве материалов обтекателя, баков для криогенных топлив, элементов двигателя и т. д.
При сверхзвуковом полете, сопровождающимся высоким значением температуры, в РКТ используются КМ армированных углеродом. Связующим в таких композитах выступает эпоксидная матрица (углепластики) и материалы на основе углеродных матриц, армированных волокнами углерода [5].
Композиционные материалы позволяют улучшить эксплуатационные свойства, снизить массу и стоимость изделий РКТ, что видно из свойств, показанных в таблице.
Сравнительные свойства КМ и металлов, используемых в РКТ [6]
Материал Предел прочности, сп, МПа Плотность, р, кг/м3 Удельная прочность, Сп/р Х103, м2/с2
1. Алюминиевый сплав (АМг6) 400 2 640 0,152
2. Титановый сплав (ВТ23) 1 600 4 443 0,360
3. Нержавеющая сталь (12Х18Н10Т) 650 7 920 0,082
4. Органопластик 1 500 1 200 1,250
5. Стеклопластик 1 700 1 600 1,063
6. Углепластик 1 700 1 300 1,308
7. Бороалюминий 800 750 1,067
По параметрам из таблицы были построены диаграммы удельной прочности материалов.
Диаграммы удельных прочностей материалов
Из рисунка видно, что наиболее подходящим по удельной прочности КМ для изделий РКТ является углепластик, а в качестве лейнера можно использовать традиционные материалы с учетом необходимой толщины, обеспечивающей герметичность и формообразование.
Конструкторское бюро (КБ) «Южное» имени М. К. Янгеля при создании корпуса крупногабаритного твердотопливного двигателя применяли коконную конструкцию, изготовленную из органопластика методом «мокрой» намотки, которая позволяла уменьшить длину корпуса при заданной массе топлива примерно на 120 мм или при фиксированной длине увеличить рабочий запас топлива на 860 кг. Помимо этого по конструкторской документации данного КБ производились хвостовые отсеки ракет из углепластика, а также сопловой насадок из углерод-углеродного композиционного материала, предназначенный для комплектации двигателя третьей ступени РН «Циклон-4». В последние годы в «Южном» изготавливались из композитов несущие конструкции приборов космического назначения (сканеров, телескопов, объективов), поскольку такие конструкции требуют высокую стабильность размеров при больших перепадах температур [1].
Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать вывод, что внедрение композитов в конструкцию изделий РКТ очень важно и актуально. Современные композиты позволяют уменьшить массу, повысить прочность, жесткость, химическую и тепловую стойкость конструкции, что позволяет увеличивать массу полезного груза выводимого ракеты-носителя (РН). Большую перспективу применения композиты имеют при создании и развертывании в космосе крупногабаритных конструкций.
Сегодня разрабатывается технологии самовосстановления композитов и это направление имеет перспективное будущее.
Библиографические ссылки
1. Дегтярев А. В., Коваленко В. А., Потапов А. В. Применение композиционных материалов при создании перспективных образцов ракетной техники // Авиационно-космическая техника и технология. 2012. № 2. С. 89.
2. Композиционные материалы [Электронный ресурс]. URL: http://files.school-collection. edu.ru/dlrstore/4ee22d2b-8dcc-9308-877a-53118dc6979e/1012459A.htm (дата обращения: 19.03.2016).
3. Композиционные материалы [Электронный ресурс]. URL: http://ft-publishing.ru/upload/ file/books/file2%204.pdf (дата обращения: 19.03.2016).
4. Любин Дж. Справочник по композиционным материалам. М. : Машиностроение, 1988. 47 с.
5. Конструкционные пластмассы и полимерные композиционные материалы : учеб. пособие / Ю. К. Машков и др. ; ОмГТУ. Омск, 2002. С. 21.
6. Полимерные композиционные материалы с полимерными волокнами в качестве наполнителей (органопластики, кевларопластики) [Электронный ресурс]. URL: www.issep.rssi.ru (дата обращения: 19.03.2016).
© Власенко А. В., Скрябин В. В., 2016
