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 (35 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.8 (1033 отзыва)
4.8 (37 отзывов)
5 (91 отзыв)
