Технология изготовления деталей и сборочных единиц из композиционных материалов для антенн многофункциональных космических аппаратов
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………………………………………………………..6
1 Литературный обзор современных технологий производства антенн из композиционных
материалов для космических аппаратов…………………………………………………………………………………….9
1.1 Космические аппараты…………………………………………………………………………………………………………..9
1.2 Бортовые антенны………………………………………………………………………………………………………………..15
1.3 Технологические проблемы создания формостабильных композитных конструкций……………….20
1.4 Факторы, связанные с особенностью технологии изготовления прецизионных конструкций……21
1.5 Факторы влияния технологических параметров процесса на формостабильность конструкций. .22
1.6 Этапы создания конструкций из композиционных материалов……………………………………………….24
1.7 Факторы, влияющие на выбор материалов и применяемые материалы………………………………….26
1.8 Методы формования изделий из композиционных материалов……………………………………………..30
1.9 Отверждение композиционных материалов………………………………………………………………………….32
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………………………………………………………………….39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………………………………………………………………41
С начала 70-х годов развитие космонавтики характеризуется все более
широким ее проникновением в различные сферы практической деятельности
человечества и использованием космической техники для решения самых
разнообразных прикладных задач. Исследование природных ресурсов и
метеорология, навигация и геодезия, системы связи и технология – вот далеко
не полный перечень областей, в которых применяются новейшие достижения
ракетно-космической техники и космического приборостроения[1].
На данный момент в космостроении уже возникают новые грандиозные
проекты, такие как создание солнечных космических электростанций
мощностью 5 – 10 ГВт, площадь солнечных батарей которых составит десятки
квадратных километров, а масса десятки тысяч тонн, монтаж на околоземных
орбитах производственно-технологических комплексов и изготовление
уникальных по своим возможностям радиоастрономических обсерваторий,
например, российской космической обсерватории «Миллиметрон».
В условиях, когда космонавтика становится важной составной частью
рыночной экономики, особое значение приобретают вопросы рентабельности,
экономической эффективности использования и конкурентоспособности
космической техники. В связи с тем, что стоимость эксплуатации космических
аппаратов значительно ниже стоимости разработки и вывода его на орбиту,
важной задачей становится увеличение срока службы космических аппаратов.
Уже сейчас ставятся задачи по надежному функционированию космических
аппаратов на орбите в течение 10 лет и более, а для проектируемых солнечных
электростанций, учитывая затраты на их изготовление (15 – 40 млрд. долл., по
оценкам зарубежных специалистов), срок службы должен составлять 20 – 30
лет.
Одну из главных ролей в обеспечении длительной и безотказной работы
космических аппаратов играет стойкость конструкционных материалов и
элементов аппаратуры космических аппаратов к воздействию внешних
факторов. На космический аппарат воздействует целый комплекс факторов
космической среды: глубокий вакуум, корпускулярные и электромагнитные
излучения разных видов, метеороиды, невесомость и т. д. Космические
аппараты, предназначенные для исследования планет, и вовсе могут
оказываться в весьма специфических условиях.
При эксплуатации космических антенн, платформ и других элементов
прецизионной аппаратуры, основным требованием, определяющим
работоспособность конструкции, является сохранение заданных размеров при
изменении характеристик окружающей среды, и в первую очередь −
температуры.
Известно, что конструкции космических аппаратов, такие как панели
корпуса, рефлектора антенн, должны обладать повышенной
формостабильностью в условиях периодических теплосмен, вызванных
движением через теневые участки орбиты. В настоящее время потребность в
высокоточных, формостабильных и легких параболических рефлекторах
возрастает. Это обусловлено переходом от длин волн дециметрового и
сантиметрового диапазона к энергетически более выгодным длинам волн
миллиметрового диапазона при передаче информации. При работе в
коротковолновом диапазоне возможно также достижение лучших
эксплуатационных характеристик антенн.
Высокие требования к точности изготовления элементов антенных
устройств и сохранению этой точности в процессе эксплуатации
радиоэлектронных комплексов определяют необходимость разработки и
применения перспективных конструкционных материалов, прогнозирования их
физико-механических свойств в процессе эксплуатации изделия.
По этой причине и возник закономерный интерес как отечественных, так
и зарубежных космических фирм к новым конструкционным материалам,
обладающим низкой температурной деформируемостью. Такими материалами
являются инварные сплавы и углепластик. Если инварные сплавы имеют
плотность ≈ 8 г/см3, то этот параметр у углепластика составляет ≈ 1,45 г/см3. К
тому же этот материал обладает высокими упруго-прочностными
характеристиками. Именно эти свойства углепластика позволяют использовать
его в формостабильных конструкциях космических аппаратов [2]. Однако опыт
показывает, что высокие потенциальные возможности волокнистых
композиционных материалов не всегда реализуется в конструкциях с
рассчитываемым эффектом. Это случается по ряду причин: несовершенных
методов расчета, проектирования и технологии изготовления, недостаточного
учета особенностей поведения композиционны материалов при изготовлении и
при эксплуатации. Технологические проблемы создания эффективных
крупногабаритных космических конструкций из композиционны материалов
становятся первоочередной задачей, которая лучше всего разрешается при
совместном рассмотрении вопросов синтеза композиционны материалов,
расчетов на прочность и деформативность, определения размеров конструкции
и разработки технологических процессов для ее изготовления.
Задачи:
подтвердить возможность применения режима с неполной
предварительной полимеризацией;
определить влияние процесса вытравливания оправки на физико-
химические свойства композиционных материалов;
отработать технологию изготовления деталей замкнутой формы из
композиционных материалов;
определить значения физико-механических характеристик материала
опоры.
из композиционных материалов для космических аппаратов
В настоящее время композиционные материалы на полимерных и
металлических матрицах находят всё более широкое применение в различных
отраслях промышленности в качестве конструкционных материалов.
Внедрение композиционных материалов обусловлено стремлением
использовать их преимущества по сравнению с традиционно используемыми
металлами и сплавами. Уникальность композиционных материалов проявляется
в их высоких значениях удельной жесткости (отношения модуля упругости к
плотности) и удельной прочности (отношения предела прочности к плотности),
химической и коррозионной стойкости к агрессивным средам, анизотропии
свойств и возможности их варьирования для наилучшего восприятия
действующих нагрузок. Внедрение композиционных материалов в
конструкцию различных агрегатов и узлов позволяет снизить массовые
характеристики изделия, увеличить ресурс и срок службы, уменьшить
издержки, связанные с обслуживанием композитных конструкций в
эксплуатации.
В данной работе была разработана технология изготовления деталей из
композиционных материалов сложной замкнутой формы с применением
технологии вытравляемой оснастки и поэтапной полимеризацией. Для этого
были проведены следующие работы:
1) подтверждена возможность применения режима с неполной
предварительной полимеризацией;
2) определено влияние процесса вытравливания алюминиевых оправок
на физико-механические свойства углепластика;
3) отработана технологии изготовления деталей из композиционных
материалов замкнутой формы;
4) определены значения физико-механических характеристик материала
опоры.
Изготовление деталей из композитов сложной замкнутой формы с
применением технологии вытравливания оснастки и предварительной
полимеризацией возможно.
1 Акишин, А. И., Воздействие окружающей среды на материалы
космических аппаратов / А. И.Акишин, Л. С.Новиков // Новое в жизни, науке,
технике. Сер. «Космонавтика, астрономия».Знание. – Москва: 1983. – № 4. −64
с.: ил.
2Формостабильныеиинтеллектуальныеконструкциииз
композиционных материалов: научное издание /Г.А.Молодцов, В.Е. Биткин,
В.Ф. Симонов, Ф.Ф. Урмансов.– Москва.Машиностроение,2000. −352 с.ил.
3 Гущин, В.Н. Основы устройств космических аппаратов: учебник для
вузов/ В.Н. Гущин.–Москва: Машиностроение,2003. − 272с.
4 Космические аппараты: учебник /В.Н. Бобков [и др.]. − Москва:
Воениздат,1983. −319с.
5 Максимов, Г.Ю. Теоретические основы разработки космических
аппаратов: учебное пособие. −Москва: Наука,1980. − 320с.
6 Тестоедов, Н.А.Технология производства космических аппаратов:
учебник /Н.А. Тестоедов,М.М. Михнев, А.Е.Михеев. − Красноярск:
Сиб.гос.аэрокосмч.ун-т., 2009. − 352с.
7 Чеботарев, В.Е. Основы проектирования космических аппаратов
информационного обеспечения: учеб. пособие /В.Е Чеботарев, В.Е. Косенко. −
Красноярск: Сиб.гос.аэрокосмч.ун-т.− 2011. − 488с.,[24] с. ил.
8 Академик Михаил Федорович Решетнев / А.Г. Козлов [и др.]. –
Железногорск: Науч.-произв.об-ние прикл. Механики, 2006. −334с.
9 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф.
Решетнева» [Электронный ресурс]: космические аппараты //Официальный сайт
компании «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф.
Решетнева». − Режим доступа: http://www.iss-reshetnev.ru.
10Туманов,А.В.Основыкомпоновкибортовогооборудования
космических аппаратов: учеб. пособие/А.В.Туманов, В.В. Зеленцов, Г.А.
Щеглов.– Москва: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2010 − 344, с. ил.
11 Кочержский, Г.Н. Антенно-фидерные устройства: учебник для вузов
/Г.Н. Кочержский. – Москва: Радио и связь, 1981. − 280с.
12Харченко,М.Е.Обзорианализсостоянияразработки
формостабильных композитных конструкций космического назначения / М. Е.
Харченко // Системнітехнології. /Регіональнийміжвуз. зб. наук. праць.–
Дніпропетровськ, − 2013. − №4(87), – С. 180 – 186.
13 Банщикова, М.Н. Совершенствование технологии изготовления
изделий из полимерных композиционных материалов на основе анализа
кинетики процессов/ М. Н. Банщикова, Е. А. Жирнова // Материалы XVIII
Международной научно–технической конференции «Решетневские чтения». −
2014. –Т.1, −С. 382−383.
14 Гуняев, Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых
композитов: учебное пособие / Гуняев Г.М. – Москва: Химия, 1981, – 232 с.
15 Брызгалин, Г.И. О многоцелевом проектировании волокнистых
композитных материалов /Г.И. Брызгалин, С.Д. Копейкин // “Механика
композитных материалов”. − 1980.− № 33.− С. 404-408.
16 Тамуж, В.П. Проблемы механики композитных материалов / В.П.
Тамуж, Г.А. Тетерс // “Механика композитных материалов”. – 1979. – №1. – С.
34-45.
17 Шатров, А.К.Расчет на прочность и проектирование элементов
конструкций из композиционных материалов: учеб. пособие / А. К. Шатров,
Л.А.Доставалова,В.Н.Наговицин.–Красноярск:Сибирского
Государственного аэрокосмического университета, 2005. − 76 с.
18 Вышванюк, В.И. Тепловое расширение гибридных однонаправленных
композитных материалов с малым температурным коэффициентом линейного
расширения / В.И. Вышванюк, В.Т. Алымов // Механика композитных
материалов. – 1985. – № 2. – С. 357 – 360.
19 Плуме, Э.З. Термическое деформирование композита, армированного
гибридными ткаными лентами / Э.З. Плуме, В.М. Пономарев // Механика
композитных материалов. – 1988. – №3. – С.392 – 401.
20 Кирулис, Б.А.Методика проектирования оптимальной структуры
несущих стержней из углепластика с учетом термического расширения / Б.А.
Кирулис // Механика композитных материалов. – 1982. – № 3.−С. 61 – 67.
21 Структура и свойства композиционных материалов: учебник /К.И.
Портной,С.Е.Салибеков,И.Л.Светлов,В.М.Чубаров.–
Москва:Машиностроение,1979. −255 с.
22 Карпинос, Д.М. Композиционные материалы: справочник/ под
ред.Д.М. Карпиноса. – Киев: Наукова думка, 1985. – 592 с.
23 Любин, Дж. Справочник по композиционным материалам: в 2 т. / Под
ред. Дж.Любина. − Москва. Машиностроение, 1988. – Т.1. – 448 с.
24 Буланов, И.М. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций
из композиционных материалов: учебник для вузов /И.М. Буланов, В.В.
Воробей.– Москва: МГТУ им.Н.Э. Баумана,1998. − 516 с.
25 Колесников, А.В. Моделирование внешнего теплообмена космических
аппаратов: монография / А.В. Колесников, В.И. Сербин. – Москва:
«Информация – ХХI век»,1997. − 170 c.
26 Данилов, Е.Н. Применение современных технических решений в
технологии производства прецизионных рефлекторов. /Е.Н.Данилов, М.М.
Михнев, Е.В. Патраев, В.Е. Чичурин// трудыVОбщероссийской молодежной
науч.-техн. конф. «Молодежь. Техника. Космос» / Балт. гос. техн. ун-т.;
Библиотека журнала “ВОЕНМЕХ. Вестник БГТУ. – Санкт-Петербург. 2013. –
№17. − С.280 − 285.
27 Кочеткова, С.С. Силовая рама как элемент конструкции
крупногабаритного рефлектора/ С.С. Кочеткова, В.Е. Чичурин, В.В. Лайзан,
В.В. Болгов, В.Б. Тайгин // Материалы ХXII Международной научно–
технической конференции «Решетневские чтения». – Красноярск. 2018. − Т.1. –
С. 131−132.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (5 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
5 (188 отзывов)
5 (9 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
4.8 (30 отзывов)
5 (22 отзыва)
5 (21 отзыв)
4.9 (35 отзывов)
