Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КЕРАМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ В РАЗМЕРОСТАБИЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Авторы:
Город:
Санкт-Петербург
ВУЗ:
Дата:
16 октября 2016г.

Размерная стабильность – это способность материалов сохранять свои первоначальные размеры и геометрическую форму под воздействием внешних факторов – температуры и влаги, характеризуемая степенью линейных и объемных искажений в заданном диапазоне температур и выражается в процентах.

Эффективность функционирования космического аппарата напрямую зависит от точности позиционирования приборов астроориентации и целевой аппаратуры в условиях космического полета, характеризующегося динамично меняющимся тепловым режимом. Вследствие этого важнейшим критерием качества прецизионной космической конструкции является термическая стабильность в пределах заданной точности ее геометрических характеристик. Параметры размерной стабильности современных высокоточных конструкций определяются значениями 10 мкм/м для линейных базовых точек (при ΔТ = 100С). Обеспечение столь жестких требований по прецизионности требует специальных проектно-конструкторских решений, к которым относятся [1]:

–     выбор конструктивно-силовой схемы (КСС), обеспечивающей минимальные термические деформации конструкции при одновременном удовлетворении жесткостных и прочностных требований;

–      минимизация диапазона изменения температур эксплуатации (стабильность температурного поля конструкции);

–      минимизация коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) конструкции.

В условиях постоянного ужесточения требований по точностным и массовым характеристикам космических аппаратов основную роль в достижении размеростабильности конструкций, обеспечивающих геометрическую прецизионную связь, начинают играть конструкционные материалы с низкими по абсолютной величине и стабильными КЛТР.

К современным оптическим системам связи или исследовательского назначения, которые в первую очередь размещены в космосе, предъявляются высочайшие требования по надежности и качеству принимаемого и передаваемого сигнала или изображения. Эти требования обеспечиваются, главным образом, за счет стабильности размеров и формы передающих или принимающих систем в широком диапазоне температур космического пространства.

Основными конструктивными элементами оптических систем космического назначения являются зеркала, узлы крепления зеркал (спайдеры), тубы или кожухи телескопов, силовой трубчатый каркас телескопов, установочные панели и т.д. На текущий момент времени в качестве конструкционных материалов для элементов этих систем применяются алюминиевые или магниевые сплавы, полимерные композиционные материалы (главным образом углепластики), монолитная керамика и др.

Тем не менее, эти материалы в полной мере не обеспечивают все более возрастающие требования к размерной стабильности оптических систем космического назначения. Кроме того, применительно к монолитной керамике, существуют большие технологические ограничения при получении тонкостенных зеркал больших размеров и сложных конфигураций с наличием тонкостенных ребер жесткости и облегчающими выборками.

С точки зрения создания жестких, легких, термостабильных композитных конструкций одними из наиболее перспективных материалов являются карбидокремниевые керамоматричные композиты (КМК) слоистой структуры, имеющие высокую удельную жесткость, низкий по абсолютной величине и стабильный КЛТР, а также обеспечивающие возможность управления в широком диапазоне термодеформационными свойствами конструкции путем выбора армирующих волокон и изменения структурных параметров материала.

Управление микроструктурой монослоев волокнистых КМК позволяет получить структуры с одно- и двухосной размеростабильностью, в которых КЛТР вдоль одной или двух ортогональных осей равен нулю (одно- или двухосная термонейтральность) или некоторому ранее заданному значению.

При создании композиционного материала слоистой структуры с заданным КЛТР управляемыми параметрами являются исходные термоупругие свойства наполнителя и матрицы, их объемное содержание в композите и углы ориентации слоев. Эти параметры однозначно определяют возможность создания композита с заданным значением КЛТР путем оптимального выбора типа материала, его структурных параметров и схемы армирования.

Многослойными принято называть материалы, образованные последовательной укладкой нескольких разноориентированных монослоев (рис. 1). Каждый из монослоев характеризуется набором характеристик: Е1, Е2, G12, ν12, α1, α2, φ. Здесь 1, 2 – оси "естественной" системы координат однонаправленного монослоя (рис. 2) [3].


Проведем предварительный анализ возможности создания одно- и двухосно термонейтральных слоистых КМК на основе углеродных волокон и углеродкарбидокремниевой матрицы (КМК, получаемые по технологии LSI (Liquid Silicon Infiltration) – пропиткой расплавом кремния углерод-углеродного композиционного материала).

Двухоснотермонейтральными структурами являются многослойные материалы, для которых выполняется условие:

αх = αу = 0                                                                     (1) 

Для перекрестно-армированных материалов с углами укладки слоев φ = ±45º условие двухосной термонейтральности определяется следующим соотношением между термоупругими характеристиками монослоя [2]:


Подставив зависимости (3) - (8) в уравнение (2) и решив его относительно ψ, получим значение объемного содержания волокна, обеспечивающее получение двухоснотермонейтральной структуры перекрестно-армированного КМК с углами укладки слоев φ = ±45º.

Результаты расчета для КМК, армированных различными углеродными волокнами, приведены в табл. 1.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что ни с одним из представленных видов углеродных волокон невозможно получение двухоснотермонейтральной структуры КМК, так как требуемое для этого объемное содержание волокна превышает единицу.

Рассмотрим возможность создания однооснотермонейтральной структуры слоистого КМК, т.е. многослойных композиционных материалов, для которых выполняется условие αx = 0 или αy = 0 и, для которых при изменении температуры не происходит изменения линейных и угловых размеров либо вдоль оси x, либо вдоль оси y.


Проектирование подобной структуры сводится к вычислению угла укладки слоев перекресно-армированного КМК. Величину данного угла можно получить из следующего квадратного уравнения:

Х2 + В·Х + С = 0;                                                    (9)

 где Х = (tg(φ))2; В и С – коэффициенты, являющиеся функцией коэффициентов жесткости и КЛТР монослоя.

Таблица 1.

Марки углеродных волокон

ВМН-4

Модмор-II Торейка-700

 

ВЭН-210

Торнел-50

 

Графил-HMS Карболон-Z

 

ВМН-5 RAE-1

Кулон

Бесфайт НМ-45

Характеристики волокон

E , ГПа

aD

260

340

380

410

460

Ea^ , ГПа

13,0

9,8

7,5

6,6

6,6

n

0,250

0,30

0,33

0,35

0,35

n

0,013

0,01

0,007

0,006

0,006

a *106 K-1 aD

-0,7

-1,0

-1,2

-1,2

-1,2

 

a       *106 K-1 a^

27,3

27,3

27,3

27,3

27,3

r, кг / м3

 

1700

 

1700

 

1900

1750-

2000

 

1900

Характеристики монослоев

n12

0,25

0,3

0,33

0,35

0,226

n21

0,014

0,0099

0,0068

0,0055

0,0079

E1 , ГПа

260

340

380

410

331

E2 , ГПа

14,9

11,2

7,8

6,5

11,7

Объемное содержание волокна

y

>1,0

>1,0

>1,0

>1,0

>1,0


 
Результаты проектирования двухоснотермонейтральной структуры КМК, армированных различными углеродными волокнами
В результате проведенных расчетов по зависимости (9) определена структура КМК (расчеты проводились для ψ = 0,7) для различных типов углеродных волокон, которая соответствует условию термостабильности в одном направлении (αх = 0). При этом были определены и коэффициенты термического расширения КМК в направлении оси y. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Видно,  что  для  всех  рассмотренных  типов  углеродных  волокон  возможно получение однооснотермонейтральной структуры КМК.

Таблица 2.

 

Результаты проектирования однооснотермонейтральной структуры КМК, армированных различными углеродными волокнами

 

 

Вид волокна

 

КЛТР, 1/К

 

Угол армирования φ, град.

 

ВМН-4/Модмор-II/Торейка-700

 

4,035*10-6

 

51,505

 

ВЭН-210/Торнел-50

 

2,076*10-6

 

51,76

 

Графил-HMS/Карболон-Z

 

7,645*10-7

 

51,87

 

ВМН-5/RAE-1

 

3,296*10-7

 

51,91

 

Кулон/Бесфайт НМ-45

 

-3,094*10-7

 

51,91

 

Кулон-700

 

-1,19*10-6

 

51,973

 

Таким образом, проведенные исследования показали, что современные КМК на основе карбидокремниевой матрицы и углеродных волокон, получаемые методом жидкофазного силицирования углерод-углеродных композиционных материалов позволяют получать на их основе однооснотермонейтральные структуры, обеспечивающие термостабильность конструкций в одном направлении.

 

 

Список литературы

 

 

1.       Климкова Л.А. Возможности использования углепластиков в термостабильных структурах прецизионных конструкций / Л.А. Климкова, А.О. Половый // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Машиностроение, 2008. – №2. - с. 22-28.

2. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

3. Скудра А.М. Элементы строительной механики стержневых систем из композиционных материалов / А.М. Скудра, Ф.Я. Булавс, М.Р. Гурвич, А.А. Круклиньш. - Рига: Зинатне, 1989. - 248 с.