CC BY
37Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 629.76
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ВСТАВОК ПАНЕЛИ ОБСЕРВАТОРИИ «МИЛЛИМЕТРОН» ДЛЯ ЭКСПУЛАТАЦИИ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Д. В. Егоров, В. Д. Бакаенко
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Е-mail: anteyd@narod.ru
Рассматривается возможность использования металлических материалов для конструкций космических аппаратов, работающих при низких температурах. Такие материалы должны обеспечивать необходимую прочность в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью, обладать малой чувствительностью к хрупкому разрушению.
Ключевые слова: оптическая скамья, криогенные температуры, металлы и сплавы, размеростабильность, прецизионная конструкция.
SELECTING MATERIAL FOR MILLIMETRON OBSERVATORY PANEL INSERTS TO OPERATE AT CRYOGENIC TEMPERATURES
D. V. Egorov, V. D. Bakaenko
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation. Е-mail: anteyd@narod.ru
The paper deals with the use of metallic materials for spacecraft design, operating at low temperatures. Such material must provide adequate strength in combination with high toughness and plasticity, have low sensitivity to brittle fracture.
Keywords: optic bench, cryogenic temperature, metals and alloys, dimensionally stable, precision design.
В связи с низким КЛТР и высокими удельными характеристиками основным материалом для оптической панели обсерватории «Миллиметрон» является углепластик. Однако к существенным недостаткам композитных структур относится сложность, а иногда и невозможность создания в них резьбового соединения без использования металлических вставок [1]. Следовательно, закладные элементы должны быть изготовлены из металла или сплава криогенной техники.
При понижении рабочей температуры растут прочностные характеристики материала, при этом вязкость и пластичность уменьшаются, следовательно, определяющими показателями являются прочность при комнатной температуре, а вязкость и пластичность - при минимальной температуре эксплуатации.
В данной работе был проведен анализ следующих типов металлов и сплавов, применяемых в криогенной технике:
1. Стали криогенной техники: 1.1. 18Х2Н4МА - легированная конструкционная высококачественная сталь мартенситного класса. Применяется для изготовления несварных ответственных высоконагруженных деталей. Применяется при криогенных температурах до 77 К в статически нагруженных деталях. Возможно использование при
температуре 20 К лишь при отсутствии ударных нагрузок и концентраторов напряжений.
1.2. 03Х20Н16АГ6 - Особо низкоуглеродистая нержавеющая хромникельмарганцевая упрочненная азотом сталь аутенситного класса. Применяется для изготовления криогенных сосудов, оболочек тепло-обменного аппарата, трубопроводов, арматуры, работающих под давлением, а также силовых элементов сверхпроводящих устройств. Минимальная температура эксплуатации не ограничена.
2. Алюминий - сплав АМг6 применяют для изготовления нагруженных деталей. Рекомендуемая рабочая температура 20...423 К для плит в горячекатаном состоянии.
3. Титан - технический титан ВТ1-0 имеет невысокую прочность, хорошую пластичность и высокую вязкость во всем интервале низких температур; коррозионная стойкость высокая. Применяется для изготовления элементов.
4. Для работы при температуре 4. 523 К.
5. Железоникелевые славы с низким КЛТР. Используются для изготовления узлов, размеры которых не должны меняться с изменением температуры. При 293 К в области концентрации никеля около 36 % наблюдается минимум КЛТР (рис. 1). При понижении температуры до 173 К отмечается небольшое смещение положения минимума в направлении меньших
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
концентраций никеля. Инвар имеет низкую теплопроводность, почти вдвое меньшую, чем у аустенитных сталей, что особенно важно при использовании его в узлах, где необходимо уменьшить притоки теплоты.
5.1. Сплав 47НД - железоникелевый сплав с КЛТР, близким к КЛТР стекла; магнитный; коррозионная стойкость пониженная. Используется в конструкциях электрических разъемов, где требуется обеспечение работоспособности при температурах до 4 К при сохранении вакуума.
«■10', К"1
12 г--
8 -
4 - I
|
01-1-1-1-1-
20 40 60 80 100
Содержание %
Рис. 1. Влияние содержания никеля в железо-никелевых сплавах на величину КЛТР: - при 293К; --- при 173К.
5.2. Сплав 36НХ - железоникелевый аустенитный сплав с малым КЛТР при низких температурах, имеющий высокую пластичность и вязкость до температуры жидкого гелия включительно; магнитный. Применяется для изготовления конструкций, которые при охлаждении должны иметь минимальное изменение размеров. Рабочая температура 4...470 К [2; 3].
Таким образом, для рабочей температуры 4 К выбираем следующие сплавы и металлы: 03Х20Н16АГ6, ВТ1-0, 47НД и 36НХ.
В связи с высокими требованиями по размеро-стабильности рассмотрим КЛТР данных материалов (рис. 2).
Требованиям минимума КЛТР удовлетворяет инвар 36НХ, обладающий характеристиками, приведенными в таблице.
Для установки вставки из инвара 36НХ в углепла-стиковые сотовые панели используются элементоор-ганические клеи, работоспособные при температуре до 4 К, например марки «криосил» с пределом прочности при равномерном отрыве 53 МПа при температуре 77 К [4].
По результатам проведенного анализа предлагается в качестве материала для закладных элементов, устанавливаемых в углепластиковую силовую панель обсерватории «Миллиметрон», использовать инвар марки 36НХ, а в качестве конструктивного клея криогенного назначения использовать клей «криосил».
Рис. 2. Графики зависимости КЛТР от температуры
Механические свойства сплава 36НХ
Материал Т, К ав, МПа о0,2, МПа 5, % % КСи Дж/см2
Инвар 36НХ 300 430 260 50 83 280
77 850 570 43 72 260
20 970 690 50 68 230
Решетнееские чтения. 2015
Библиографические ссылки
1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М. : Машиностроение, 1988.
2. Солнцев Ю. П., Степанов Г. А. Материалы в криогенной технике : справочник. Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1982.
3. Киршенбаум. Международный транслятор современных сталей и сплавов. М., 1992.
4. Солнцев Ю. П., Ермаков Б. С., Слепцов О. И. Материалы для низких и криогенных температур. М. : Химиздат, 2008.
References
1. Vasiliev V. Mekhanika konstruktsiy iz kompozitsionnykh materialov [Mechanics of composite structures]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988.
2. Solntsev Y. P., Stepanov G. A. Materialy v kriogennoy tekhnike [Materials in cryogenics]. Directory. L., Engineering, 1982.
3. Kirshenbaum. Mezhdunarodnyy translyator sovremennykh staley i splavov [International translator of modern steels and alloys]. Moscow, 1992.
4. Solntsev Y., Ermakov B., Slepcov O. Materialy dlya nizkikh i kriogennykh temperatur [Materials for low and cryogenic temperatures]. HIMIZDAT, 2008.
© Егоров Д. В., Бакаенко В. Д., 2015
УДК 629.78.018
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫХ БАКОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ КА
И. А. Кравченко1, Л. М. Бородин1, Ю. П. Похабов2
1 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Е-mail: borodin@iss-reshetnev.ru 2Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира 53. Е-mail: secretary@sktb.krsn.ru
Производится анализ результатов исследования дефектов ксеноновых баков высокого давления (КБВД) для КА в ходе наземно-экспериментальной отработки (НЭО).
Ключевые слова: ксеноновый бак высокого давления (КБВД), анализ результатов исследования дефектов, надежность, безотказность.
THE ANALYSIS OF RESULTS OF RESEARCH DEFECTS OF COMPOSITE
OVERWRAPPED PRESSURE VESSEL FOR SFD
I. A. Kravchenko1, L. M. Borodin1, Yu. P. Pokhabov2
1JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation Е-mail: borodin@iss-reshetnev.ru
2Special design-technological office "Nauka" of Krasnoyarsk scientific centre of Siberian branch of Russian Academy of Sciences, 53, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation. Е-mail: secretary@sktb.krsn.ru
This article analyzes of results of research defects xenon overwrapped pressure vessel for the space flying device (SFD) is made during on Earth experimental qualification.
Keywords: xenon overwrapped pressure vessel, analyzes of results of research defects, reliability, failure-free operation .
Достижение лучших удельных весовых характери- неразъемную конструкцию - металлокомпозитный
стик является главным преимуществом использова- баллон высокого давления эллипсоидновидной фор-
ния в КА металлокомпозитных баков высокого давле- мы, в состав которого входят:
ния по сравнению с металлическими сосудами высо- - сварной металлический лейнер из титанового
кого давления [1-3]. сплава с двумя фланцами, размещенными в полюсных
Корпус баллона композитный (КБК) является со- зонах, в одном из которых находится расходный
ставной частью КБВД и представляет собой единую штуцер;
