Разработка технологии нанесения МДО-покрытий для защиты элементов конструкции КА от воздействия плазмы СПД и факторов космического пространства Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Секция

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ»

УДК 629.78.002.3

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ МДО-ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ СПД И ФАКТОРОВ

КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Р. В. Алякрецкий, С. А. Зоммер Научный руководитель - А. В. Гирн

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: ankain-romario@yandex.ru

Предлагается нанесение защитного покрытия методом микродугового оксидирования (МДО) на алюминиевую фольгу марки АД для защиты элементов космических аппаратов от эрозионного воздействия струй стационарных плазменных двигателей (СПД). Отработаны технологические режимы получения защитного покрытия. Проведены тестовые испытания образцов покрытия на воздействие факторов хранения и эксплуатации. Исследования показали, что характеристики покрытий, полученные методом МДО, удовлетворяют требованиям и могут быть использованы в качестве защитных покрытий на космических аппаратах.

Ключевые слова: космический аппарат, антиэрозионные покрытия, микродуговое оксидирование, плазма стационарных плазменных двигателей.

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY APPLICATION MAO COATING TO PROTECT THE ELEMENTS OF THE SPACE CRAFTS CONSTRUCTION FROM EXPOSURE TO THE PLASMA SPT AND SPACE FACTORS

R. V. Alyakretsky, S. A. Sommer Scientific supervisors - A. V. Girn

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: ankain-romario@yandex.ru

In this paper, we propose a protective coating by micro-arc oxidation (MAO) on aluminum foil to protect the structural components of spacecraft from the erosive effects of jet stationary plasma thrusters (SPT). The process conditions has been developed for obtaining protective coating. Cover samples has been tested for the effects of factors and storage conditions. Studies have shown that the properties of coatings obtained by MAO satisfy the requirements and can be used as protective coatings on the spacecraft.

Keywords: spacecraft, anti-erosion coating, microarc oxidation, plasma of stationary plasma thrusters.

Для обеспечения функционирования космического аппарата (КА) в течение всего срока активного существования (САС) изделия необходимо, чтобы деградация ряда параметров аппаратуры и систем в процессе эксплуатации не приводила к нарушению его целевого использования [1-3].

Ужесточение требований по массе, энерговооруженности, и повышение требований к ресурсу и надежности КА приводят к уплотнению его компоновочной схемы. Как следствие, возрастает эрозионное воздействие СПД, используемых в качестве двигателей коррекции, на материалы конструкции КА. Обострение конкуренции на рынке космической техники вызывает необходимость в разработке новых и модернизации существующих защитных покрытий с требуемыми характеристиками.

Секция «Проектирование и производство летательньк аппаратов»

Эрозионное воздействие плазменных струй СПД заключающееся в уносе материала конструкции, в результате длительной бомбардировки ионами газа, приводит к загрязнению внешних поверхностей КА продуктами распыления. Основной характеристикой данного вида воздействия является глубина эрозии, т.е. толщина распыленного слоя.

Предварительная оценка эрозионно-загрязняющего воздействия плазмы, генерируемой стационарными плазменными двигателями, на поверхности панелей солнечных батарей и терморегулирую-щих покрытий (ТРП) радиатора системы терморегулирования (СТР) КА показала, что данное воздействие может оказать существенное дестабилизирующее воздействие на функционирование КА [1].

Еще одно негативное воздействие плазменных струй СПД проявляется с эрозией электропроводящего слоя (ПЭП) с терморегулирующих покрытий КА, что приводит к накоплению статического заряда и возникновению электропробоев на поверхности КА.

Проведенный предварительный анализ показал, что к веществам, обладающим наибольшей стойкостью к воздействию струи плазмы инертных газов (аргона, ксенона), относится оксид алюминия (Л120з) [2]. Оценочные расчеты показывают, что необходимая толщина защитного покрытия из Л120з должна быть не менее 30 мкм.

В данной работе предлагается защищать элементы конструкции КА, попадающие под действие плазмы СПД, тонкой (до 100 мкм) алюминиевой фольгой с покрытием из оксида алюминия толщиной до 30 мкм, нанесенного микродуговым оксидированием (МДО), что приемлемо и по весовым характеристикам [3-5]. На конструкции КА, изготовленных из алюминиевых сплавов, покрытия могут наноситься непосредственно на защищаемые поверхности.

Покрытия наносились на установке ИАТ-Т, источник питания которой позволяет осуществлять независимую регулировку анодной и катодной составляющих тока, и одновременно стабилизировать средние величины этих токов, что существенно упрощает проведение процесса МДО и ведет к улучшению качества получаемых покрытий.. Источник имеет следующие технические характеристики: диапазон регулируемых напряжений - (0-800 В); диапазон регулируемых токов - (0-120) А/дм2; погрешность стабилизации тока до 5 %.

В качестве подложки использовались образцы фольги АД размерами 150^90 мм и толщиной 100 мкм. Микродуговое оксидирование образцов проводили в слабощелочных водных электролитах различных составов.

Покрытия формировали при соотношении 1к/1а от 0,8 до 1,2, плотностях тока в диапазоне от 10 до 40 А/дм2, продолжительность обработки составляла 2,5-60 мин.

Микродуговое оксидирование проводили в трех электролитах:

- КаН2Р04 (40 г/л) + ^В^ (30г/л) + (10 г/л) + Н3ВО3 (20 г/л);

- КОН (4 г/л) + №28103(10 г/л);

- №а2НР04 (20 г/л) + К4[Ре(СК)б](25 г/л) + ^Мо04 (5г/л);

При изучении нанесенных покрытий была выявлена зависимость толщины покрытия от технологических параметров. На основании полученных данных установлены оптимальные режимы нанесения защитных покрытий, отвечающих заданным требованиям по толщине и терморадиационным характеристикам.

В работе [6] были проведены испытания защитных покрытий на воздействие факторов хранения и эксплуатации были изготовлены образцы защитного покрытия на алюминиевой фольге АД по ГОСТ 4784-74 микродуговым оксидированием поверхности. Размер образцов 100^100 мм.

На образцах были проведены следующие виды испытаний:

- цикличное сгибание на диаметре 20 мм;

- ускоренные климатические испытания (УКИ);

- радиационное воздействие;

- термоциклирование.

Для испытания МДО покрытия на стойкость к воздействию СПД была разработана испытательная установка имитационной аргоновой плазмы на базе вакуумной камеры «Булат», которая позволяет при испытаниях сравнивать характеристики стойкости материалов к воздействию плазмы и получить предварительную оценку распыления материалов, выбрать из них наиболее стойкие, рекомендовать их на КА.

Проведенные исследования полученных образцов показали, что после воздействия плазмы у образцов алюминиевой фольги с микродуговым оксидированием поверхности внешний вид остался без изменений. Максимально изменились масса и толщина у образцов полиамидной пленки. Образцы МДО потеряли массу большую, чем образцы алюминиевой фольги, это можно объяснить некоторой

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1

гигроскопичностью МДО покрытий. Толщина покрытий практически не изменилась. Исследования показали, что покрытия полученные методом МДО, могут быть использованы в качестве защитных покрытий на КА.

Библиографические ссылки

1. Исследование загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы и плазмы стационарных плазменных двигателей на космическом аппарате «Экспресс-АМ» / В. А. Смирнов, А. Б. Надирадзе и др. // Вестник СибГАУ. 2006. Вып. 2(10). С. 46-50.

2. Технология тонких пленок : справочник / под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга ; пер. с англ. под ред. М. И. Елинсона, Г. Г. Смолко, Т. 1. М. : Сов. радио, 1977.

3. Суминов И. В. и др. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). М. : ЭКОМЕТ, 2005. 368 с.

4. Технологические возможности микродугового оксидирования алюминиевых сплавов / А. Е. Михеев, В. В. Стацура и др. // Вестник машиностроения.. 2003. № 2. С. 56-63.

5. Технология нанесения антиэрозионных покрытий на элементы конструкций космических аппаратов / А. В. Михеев, А. В. Гирн и др. // Вестник СибГАУ. 2010. Вып. 4 (30). С. 130-134.

6. Исследование свойств защитных покрытий для космических аппаратов / А. Е. Михеев, А. В. Гирн, С. С. Ивасев и др. // Вестник СибГАУ. 2013. Вып. 3(49). С. 217-224.

© Алякрецкий Р. В., Зоммер С. А., 2015