CC BY
13
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 2
УДК 678
ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ВЕСА КОНСТРУКЦИЙ
Т. А. Борисенко, Е.А. Карелина Научный руководитель - А. А. Снежко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: karelina-1996@bk.ru
В работе рассматриваются возможные направления облегчения конструкций, агрегатов и приборов, что является потенциально важным в ракето-, авиа- и судостроении. Анализируются материалы, их композиционные сочетания и технологические аспекты их производства.
Ключевые слова: композиционные материалы, формирование покрытий, интеграция. TECHNOLOGIES OF DECLINE OF SPECIFIC GRAVITY OF CONSTRUCTIONS
T. A. Borisenko, E. A. КагеНпа Scientific Supervisor - A. A. Snezhko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: karelina-1996@bk.ru
The paper deals with the possible areas of simplification of structures, units and devices, which is potentially important in rocket, aircraft and shipbuilding. Materials, their compositional combinations and technological aspects of their production are analyzed.
Keywords: composite materials, coating formation, integration.
Стремление к минимизации, уменьшению, облегчению, а так же к снижению затрат на производстве является одной из актуальных задач ракето- , авиастроения и др.
В настоящее время существует несколько направлений позволяющих снизить удельный вес конструкции, в частности, замена более плотных сплавов на легкие с последующим упрочнением поверхностного слоя изделия путем воздействия высокоэнергетических источников или нанесения покрытий; использование композиционных материалов, и минимизация размеров структурных элементов системы [1].
Железо в виде разнообразных высокопрочных нержавеющих сталей - второй по применению металл в ракетах. Везде, где нагрузка сосредоточена в точке или нескольких точках, сталь выигрывает у алюминия. Конструкция из стали в силу прочности и твердости данного материала получается почти всегда компактнее и иногда даже легче алюминиевой. Сталь лучше переносит вибрацию и температуру, сталь дешевле. Медь - основной металл электро- и теплотехники. Все дело в теплопроводности меди, которая больше в десять раз по сравнению с дешевой сталью и в сорок раз по сравнению с дорогой нержавейкой. Алюминий тоже проигрывает меди по теплопроводности, а также, и по температуре плавления. Так ли необходимы высокие значения теплопроводности в двигателе ракеты? Внутренняя стенка ракетного двигателя, выполненная из меди, сдерживает жар в 3000 °С и, чтобы стенка не расплавилась, ее делают составной - наружная, стальная, держит механические нагрузки, а внутренняя, медная, принимает на себя тепло. Это три самых основных материалов используемые в ракетостроении [2].
Очевидно, что исследования направлены на достижения высоких значений прочности, теплопроводности и низких значений удельного веса. Реализация подобного сочетания свойств на основе одного материала практически невозможна. Поэтому перспективным вариантом решения явля-
Секция «Концепции современного естествознания»
ются композиционные материалы, где для каждого конкретного случая подбирают требуемые свойства. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов. Композиты позволяют снизить вес ракеты или космического аппарата до 50%. Повышение надежности и предсказуемости поведения материалов не менее важно, и композиты адекватно отвечают эти требованиям. Особую, проверенную временем и практикой, популярность имеет углепластик - из этого материала изготавливают носовые обтекатели ракет, сопла двигателей и другие детали космических аппаратов, подвергающиеся экстремальным аэродинамическим нагрузкам. Углеродные волокна получают путем ступенчатой термообработки различных химических волокон при температурах до 32000 °С. Наиболее перспективным материалом в настоящее время является карбид кремния и композиционные материалы на его основе. Благодаря высокой химической стабильности, огнеупорности и износостойкости карбид кремния находит широкое применение в качестве огнеупорного материала.
Сфера применения композитных материалов в ракетостроении: от обшивки и двигателя до скафандров и антенн космической связи. На государственном уровне создаются целые лаборатории и исследовательские центры, которые занимаются «нахождением» новых композитов. Многие материалы, широко применяемые в машиностроении, не всегда отвечают эксплуатационным требованиям. Температура плазмы, которая проходит через ракетное сопло, выше 10000 °С. В природе не существует материалов, которые бы выдерживали такую температуру. Решением данной проблемы является создание на поверхности таких деталей модифицированного слоя за счет воздействия высокоэнергетических источников (электродуга, лазерный луч, электронный луч, ионная имплантация и т.д.) или нанесения покрытий (плазменный способ, осаждение из газовой фазы, электрохимическая группа методов (гальваническое оксидирование, микродуговое оксидирование). Одним из эффективных способов защиты является метод микродугового оксидирования, который позволяет формировать оксидные покрытия широкого спектра назначения (теплозащитные, электроизоляционные, коррозионно-стойкие, износостойкие, токопроводящие) [3].
Параллельно решаются важные вопросы, связанные с минимизацией размера элементов электрических схем с сохранением функционала. В результате совершенствования тонкопленочной технологии в течение последних десятилетий удавалось размещать все большее число элементов на меньшей площади кристалла-подложки интегральной схемы, т.е. удавалось постоянно повышать степень интеграции. Известны три пути повышения степени интеграции. Первый из них связан с уменьшением топологического размера и соответственно повышением плотности упаковки элементов на кристалле. Совершенствование технологических процессов позволяло ежегодно уменьшать размер элемента примерно на 11 %. В настоящее время достигнуты микрометрические значения. Дальнейшее уменьшение требует разработки новых технологических приемов. Увеличение площади кристалла - второй путь повышения степени интеграции. Третий путь заключается в оптимизации компоновки элементов. С уменьшением размеров элементов приходится отказаться от традиционных технологических операций. В настоящее время в качестве основного материала полупроводниковых приборов используется кремний. С развитием нанотех-нологии будут применяться и другие материалы: арсенид галлия, фосфид индия, кадмий-ртуть-теллур и т.п. [2].
Библиографические ссылки
1. Ракетные металлы: как закалялась сталь [Электронный ресурс] http://www.popmech.ru/ science/6230-raketnye-metally-kak-zakalyalas-stal-i-drugie-metally/ (дата обращения: 9.04.2019)
2. Кербер М. Л. Физические и химические процессы при переработке полимеров [Текст] / М. Л. Кербер, А. М. Буканов, С. И. Вольфсон и др.// СПб.: Научные основы и технологии, 2013. — 320 с.
3. Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов [Текст]/ С. Х. Карпенков // М.: Кнорус, 2017. — 670 с.
© Борисенко Т. А, Карелина Е.А., 2019
