Le département a été organisé en 2002-2008. à tête Boulanov Igor Mikhaïlovitch(1941-2008), vice-recteur de l'Université technique d'État de Moscou N.E.Bauman, docteur en sciences techniques, professeur, lauréat du prix du gouvernement RF, travailleur honoraire de l'enseignement supérieur enseignement professionnel RF, membre à part entière de l'Académie russe des sciences naturelles et de l'Académie russe de cosmonautique. K.E. Tsiolkovski. De 2008 à nos jours, le département est dirigé par Reznik Sergueï Vassilievitch, docteur en sciences techniques, professeur, travailleur honoraire de l'enseignement professionnel supérieur de la Fédération de Russie.

Le département a été organisé en 2002 pour former des spécialistes de la conception, de la production et des essais de fusées et d'engins spatiaux, avec une utilisation généralisée matériaux composites(KM) capable de travailler dans les conditions les plus difficiles (extrêmement haute / basses températures, vide, hautes pressions, milieux chimiquement actifs, flux de particules d'érosion, etc.).

Formation et développement de l'école scientifique de l'Université technique d'État de Moscou NE Bauman dans le domaine de la CM est inextricablement lié à l'histoire du développement de la technologie des fusées et de l'espace. Les pages lumineuses de cette histoire sont le résultat d'une coopération étroite entre les travailleurs de l'industrie, de la science académique et de l'enseignement supérieur, dont beaucoup sont diplômés de notre université. La particularité de l'école scientifique est une combinaison de recherches avancées dans le domaine de la mécanique, de la physique thermique, de la science des matériaux et des dernières technologies.

À la fin des années 1940, les concepteurs des premiers missiles balistiques domestiques à longue portée (UBRDD) dirigés par S.P.Korolev ont été confrontés au problème de la protection thermique des ogives de missiles contre l'échauffement aérodynamique lors de leur entrée dans l'atmosphère. Diplômés de l'École technique supérieure de Moscou N.E.Bauman - les employés de NII-88 V.N. Iordansky, G.G. Konradi avec des collègues scientifiques des matériaux de OKB-1 (A.A. Severov et autres) et VIAM (A.T.) pour la première fois au monde ont résolu ce problème en utilisant un revêtement d'ablation en polymère CM (asboplastique) sur la tête de la fusée R-5 (8K51). Cette approche pour surmonter la "barrière thermique" a ensuite été mise en œuvre avec succès dans les conceptions de véhicules de descente des engins spatiaux habités "Vostok", "Voskhod", "Soyouz", engins spatiaux automatiques (SC) du "Zenith", "Zond", " Vénus" et Mars, est devenue une solution principale pour des applications similaires dans les moteurs de fusée à combustible solide et les centrales électriques. Une étude approfondie des problèmes de protection thermique avec l'utilisation de CM s'est reflétée dans les travaux des professeurs de notre université I.S.Epifanovsky, V.V. Gorsky, D.S. RAS Yu.V. Polezhaeva, Acad. RAS S.T. Surzhikov.

Dans les années 1960-1980, l'URSS a résolu la complexité sans précédent du problème de la création de systèmes de missiles mobiles et en silos avec UBRDD à combustible solide. Il est devenu nécessaire de développer des propergols solides mixtes composites et des technologies pour le bobinage de grosses coques cylindriques de coques de moteurs-fusées en fibre de verre, et plus tard des coques de type "cocon" en organoplastique. Parmi les pionniers de cette direction figurent le concepteur en chef d'OKB-1, l'académicien S.P. Korolev, qui a initié la conception des missiles 8K95 et 8K98, et le scientifique bien connu dans le domaine des fusées à propergol solide Yu. A. Pobedonostsev. Sous la direction d'un diplômé de l'Université technique d'État de Moscou. NEBauman, concepteur en chef du TsKB-7 (KB "Arsenal") PATyurin au début des années 1960, le premier système de missile mobile RT-15 avec un missile à moyenne portée 8K96 a été conçu, un missile balistique intercontinental 8K98P a été développé, qui a été en alerte dans les Forces de missiles stratégiques en 1971-1994. (Fig. 1).

Riz. 1. Le premier missile balistique intercontinental domestique à combustible solide 8K98P est composé à 90 % de composites (moteurs, ogive, propergols composites). La fusée a été créée sous la direction de diplômés de l'École technique supérieure de Moscou. N.E.Bauman - S.P.Korolev et P.A.Turin. Musée JSC "Motovilikhinskiye Zavody", Perm

Une contribution exceptionnelle au développement des systèmes de missiles modernes RT-2PM "Topol" et RT-2PM2 "Topol-M" a été apportée par les concepteurs généraux du MIT BN Lagutin et Yu. S. Solomonov. V dernières années Le MIT a créé les derniers missiles balistiques intercontinentaux des complexes Yars et R-30 Bulava.

Une partie intégrante du Temp-2S, Pioneer, Topol et d'autres systèmes de missiles mobiles sont devenus des conteneurs de transport et de lancement en CM (Fig. 2). Dans l'étude et la mise en œuvre des technologies d'enroulement des coques composites des carters de moteurs-fusées et des conteneurs de transport-lancement, le rôle d'un élève du M.V. N.E.Bauman Concepteur en chef et directeur de TsNIISM, membre correspondant RAS RAS V. D. Protasov, ses collègues et disciples V. I. Smyslov, V. A. Barynin, A. A. Kulkov, A. B. Mitkevich et autres.

Riz. 2. Système mobile de missile au sol "Topol-M" avec la fusée 15Zh55 : la fusée et le conteneur de transport-lancement sont en composites

Grâce à l'étendue des points de vue d'un certain nombre de scientifiques et d'éducateurs exceptionnels, tels que V.I. Feodosiev et E.A. NE Bauman aux départements M-1 (maintenant SM-1) et M-8 (maintenant SM-12) des cours de formation ont été dispensés, reflétant les spécificités de la conception, de la production et des essais de structures composites. En 1986, le collège du ministère de la Construction mécanique générale de l'URSS a pris une décision sur l'opportunité d'ouvrir une nouvelle spécialité "Conception et fabrication de produits à partir de CM" à l'École technique supérieure de Moscou. Le recrutement non pas d'un, mais de trois groupes d'étudiants a été organisé. Une attention considérable a été accordée à la création d'une base d'essais moderne dans le Centre éducatif et expérimental du village d'Orevo, dans le district de Dmitrovsky, dans la région de Moscou (maintenant la branche Dmitrovsky de l'Université technique d'État Bauman de Moscou).

A. K. Dobrovolsky, S. S. Lenkov, I. M. Bulanov, M. A. Komkov, V. M. Kuznetsov, G. E. Nekhoroshikh, V. A. Shishatsky sont devenus les passionnés de la nouvelle direction dans le domaine de la technologie. Les étudiants ont maîtrisé les méthodes de calcul de la résistance des structures composites sous la direction de N. A. Alfutov, P. A. Zinoviev, B. G. Popov, V. I. Usyukin. Les caractéristiques des calculs de résistance thermique et thermique des structures composites ont été mises en évidence dans les conférences de V.S. Zarubin, V.N. Eliseev, S.V. Reznik. Sous la direction de GB Sinyarev, la théorie des tests thermiques des structures composites a été développée, dont la plupart des dispositions étaient basées sur les résultats d'expériences menées sur de nouveaux bancs d'essai dans le village d'Orevo.

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Reportage

Matériaux composites en avion

introduction

La technologie moderne des fusées et de l'espace est inconcevable sans les matériaux composites polymères. Dans le développement d'outils d'exploration spatiale, de nouveaux matériaux sont nécessaires qui doivent résister aux charges des vols spatiaux (températures et pression élevées, charges vibratoires pendant la phase de lancement, basses températures de l'espace extra-atmosphérique, vide poussé, exposition aux rayonnements, exposition aux microparticules, etc. .), ayant à cela une masse assez faible. Les matériaux composites répondent à toutes ces exigences. Les matériaux composites sont largement utilisés dans la construction aéronautique et la technologie spatiale en raison de leur bon poids et de leurs caractéristiques mécaniques, qui permettent de créer des structures légères et durables qui fonctionnent à des températures élevées.

1. Le concept de matériaux composites et son application en fusée

Aujourd'hui, les composites sont les matériaux les plus populaires et les plus fréquemment utilisés dans les avions et les fusées. Beaucoup de ces matériaux sont plus légers et plus résistants que ceux qui conviennent le mieux à leur propriétés physiques alliages métalliques (aluminium et titane). Dans la plupart des composites (à l'exception des stratifiés), les composants peuvent être divisés en une matrice (ou liant) et les éléments de renforcement (ou charges) inclus dans celle-ci. Dans les composites à usage structurel, les éléments de renforcement fournissent généralement les caractéristiques mécaniques nécessaires du matériau (résistance, rigidité, etc.), et la matrice fournit travail conjoint renforçant les éléments et les protégeant des dommages mécaniques et de l'environnement chimique agressif. Lorsque les éléments de renforcement et la matrice sont combinés, une composition est formée qui possède un ensemble de propriétés qui reflètent non seulement les caractéristiques initiales de ses composants, mais également de nouvelles propriétés que les composants individuels ne possèdent pas.

L'utilisation de matériaux composites permet de réduire le poids d'un produit (fusée, engin spatial) de 10 ... 50%, selon le type de construction et, par conséquent, de réduire la consommation de carburant, tout en augmentant la fiabilité. Des matériaux composites ont également été créés dans lesquels la base en plastique (polymère) est renforcée de fibres de verre, de Kevlar ou de carbone. Les matériaux composites sont largement utilisés dans la construction aéronautique et la technologie spatiale en raison de leur bon poids et de leurs caractéristiques mécaniques, qui permettent de créer des structures légères et durables qui fonctionnent à des températures élevées.

La réduction du poids est une priorité absolue dans la conception des engins spatiaux. De nombreuses avancées dans le domaine des coques à parois minces doivent leur origine à cette exigence. Exemples typiques une telle conception est le lanceur à propergol liquide Atlas et la conception de fusée à propergol solide. Une coque monocoque suralimentée spéciale a été créée pour l'Atlas. Une fusée à moteur à combustible solide est obtenue en enroulant un fil de verre sur un mandrin sous la forme d'une charge propulsive solide et en imprégnant la couche enroulée d'une résine spéciale qui durcit après vulcanisation. Avec cette technologie, on obtient à la fois la coque porteuse de l'avion et le moteur-fusée à tuyère. Avec l'utilisation de matériaux composites modernes, les engins spatiaux de rentrée ont été conçus avec une coque conique recouverte d'une couche de matériau de protection thermique, qui s'évapore lorsque hautes températures, refroidit la structure.

Autre exemple frappant d'utilisation de matériaux composites, la navette spatiale orbitale, capable de voler dans l'atmosphère terrestre à des vitesses hypersoniques (supérieures à Mach 5 ou 6000 km/h). Les ailes du véhicule ont un châssis à longerons multiples ; le cockpit monocoque renforcé, comme les ailes, est en alliage d'aluminium. Les portes du compartiment à bagages sont en matériau composite graphite-époxy. La protection thermique de l'appareil est assurée par plusieurs milliers de poumons carreaux de céramique, qui couvrent les parties de la surface exposées à des flux de chaleur élevés.

Pour station spatiale"Alpha", créé conformément au programme russo-américain, de nombreux éléments structurels étaient en matériaux composites : barres de renfort à haute résistance, panneaux solaires, appareils à pression, compartiments "secs", réflecteurs, etc.

Les récipients et conteneurs légers en matériaux composites polymères et fonctionnant sous pression sont utilisés avec succès dans la technologie des fusées et de l'espace. Des réservoirs de carburant, des ballons, des carters de moteurs-fusées, des accumulateurs de pression, des cylindres respiratoires pour les pilotes et les astronautes ont été créés et sont exploités. L'utilisation d'organique et de fibre de verre permettra de créer des cylindres de pression durables avec un coefficient de perfection de poids élevé.

Actuellement, ils sont largement utilisés dans l'aviation et les fusées, les plastiques au carbone, c'est à dire. polymères renforcés de fibres de carbone.

Les fibres de carbone et leurs composites sont d'un noir profond ? colorent et conduisent bien l'électricité, ce qui fournit des propriétés électrophysiques spéciales (par exemple, pour les antennes radar), ainsi que des exigences en matière de résistance à la chaleur et de conductivité thermique.

Les cônes de nez de missiles, les pièces d'avions à grande vitesse soumis à des charges aérodynamiques maximales, les tuyères de moteurs de fusée, etc. sont en fibre de carbone. De plus, étant donné que le graphite est un lubrifiant solide, les plaquettes et disques de frein en fibre de carbone sont conçus pour les avions à grande vitesse, les navettes spatiales réutilisables et les voitures de course. Les miroirs d'antenne en fibre de carbone trouveront large application pour résoudre les problèmes de communication par satellite. Il est important de prendre en compte que leur utilisation avec une masse allant jusqu'à 15 kg fournira une charge destructive de 900 kgf avec une durée de vie d'au moins 20 ans. Par rapport aux matériaux monocouches (monolithiques) (trois couches) en fibre de carbone dans les éléments porteurs des structures dans des conditions de fonctionnement données et une augmentation des charges à une masse donnée d'un élément fournira : une diminution de la masse d'un élément structurel de 40 ... 50 % et une augmentation de sa rigidité de 60 ... 80 % ; augmentation de la fiabilité de 20 ... 25 % et augmentation période de garantie de 60 ... 70%.

2. Application de la nanotechnologie dans le développement de matériaux composites

La NASA et le Johnson Space Center ont signé un accord sur le développement et l'application conjoints de hautes technologies et, en particulier, de nanotechnologies pour l'exploration spatiale. La NASA envisage de simplifier le retrait des engins spatiaux ??? en orbite à l'aide d'un ascenseur spatial à nanotubes.

Les nanotubes se caractérisent par une grande rigidité et, par conséquent, les matériaux à base d'eux peuvent déplacer la plupart des aérodynamiques modernes. Matériaux de construction... Les composites à base de nanotubes réduiront le poids des engins spatiaux modernes ??? presque doublé.

Des chercheurs de la NASA et de LiftPort Inc. offre pour simplifier le retrait des gros objets ??? en orbite à l'aide d'un système qu'ils ont appelé « l'ascenseur spatial ». Un ascenseur spatial est un ruban dont une extrémité est attachée à la surface de la Terre et l'autre en orbite autour de la Terre dans l'espace (à une altitude de 100 000 km). L'attraction gravitationnelle de l'extrémité inférieure du ruban est compensée par la force provoquée par l'accélération centripète de l'extrémité supérieure et le ruban est constamment tendu.

En faisant varier la longueur de la bande, différentes orbites peuvent être atteintes. Capsule spatiale contenant utile? la charge se déplacera le long de la bande. A la station terminale, si nécessaire, la capsule est détachée de l'ascenseur et sort dans l'espace extra-atmosphérique.

Dans ce cas, la vitesse de la capsule sera de 11 km/s. Cette vitesse sera suffisante pour commencer un voyage vers Mars et d'autres planètes. Sur la base de ce qui précède, nous arrivons à la conclusion que les coûts de lancement de la capsule ne seront qu'au début de sa mise en orbite. La descente s'effectuera dans l'ordre inverse - à la fin de la descente, la capsule sera accélérée par le champ gravitationnel de la Terre.

Les nanotubes de carbone à paroi simple, inventés en 1991, sont suffisamment solides pour servir de colonne vertébrale à une ceinture élévatrice.

Ils sont 100 fois plus résistants que l'acier et, théoriquement, 3 à 5 fois plus résistants que nécessaire pour construire un ascenseur.

Le ruban, composé de nanotubes de 1 m de long et 5 cm de large, a une haute résistance. Le rapport résistance/poids du matériau de la courroie est supérieur à celui de l'acier à haute trempe.

Les nanotubes seront également très utiles dans le développement de dispositifs nanoélectroniques, d'ordinateurs ultra-puissants et de dispositifs de mémoire.

3.Matériaux composites auto-cicatrisants

matériau composite de structure de fusée

Expérimental? de construction? matériel pour vaisseau spatial ??? doublera la durée de vie de leurs boîtiers. Les fissures et les petits nids-de-poule seront immédiatement scellés avec un composé spécial à prise rapide sans compromettre la résistance de la structure.

Coques d'engins spatiaux ??? constamment exposé à des contrastes de température extrêmes ???. Les rayons du soleil peuvent chauffer la surface jusqu'à 100°C ou plus. Une fois à l'ombre de la terre, l'appareil commence à se refroidir rapidement. Même une simple rotation entraîne des fluctuations de température constantes à la surface de l'appareil.

Des fluctuations de température constantes génèrent des contraintes dans le matériau du boîtier et conduisent à l'apparition de microfissures.

Un autre mécanisme d'érosion cosmique est l'impact des micrométéores ???. Nous ne parlons pas d'objets qui peuvent causer de graves dommages - ceux-ci sont extrêmement rares. Mais dans le même temps, les particules de poussières cosmiques et les particules de débris spatiaux de moins d'un millimètre sont assez nombreuses et, à des vitesses de plusieurs dizaines de kilomètres par seconde, provoquent une dégradation progressive des structures.

Nouveau matériel développé ? à l'Agence spatiale européenne, a augmenté la résistance aux facteurs d'érosion spatiale en raison de la capacité de s'auto-réparer en cas de dommages. Lors de sa création, les développeurs se sont inspirés de la capacité des tissus vivants à guérir de manière indépendante de petites plaies en raison de l'effet de la coagulation du sang.

Certes, la coagulation du sang se produit sous l'influence de l'air, une approche légèrement différente a donc dû être utilisée pour la technologie spatiale. Un ensemble des récipients en verre les plus minces d'un diamètre extérieur de 60 microns et d'un diamètre intérieur de 30 microns a été introduit dans le matériau composite. Les récipients ont été remplis de deux liquides qui, comme des composants une résine époxy, durcissent rapidement une fois mélangés. Lorsqu'une fissure se produit, les récipients en verre sont détruits et les liquides qu'ils contiennent remplissent la fissure. La vitesse du processus est telle que les liquides n'ont pas le temps de s'évaporer dans les conditions d'un vide spatial. Ainsi, la propagation des fissures est immédiatement supprimée - un processus qui cause beaucoup plus de dommages que la fissure elle-même.

Des échantillons du nouveau matériau ont passé avec succès les premiers tests dans une chambre à vide. De nombreux tests sont encore à venir, principalement pour la résistance et la résistance à la température. De sorte que application pratique des matériaux d'auto-guérison dans les engins spatiaux peuvent être attendus au plus tôt dans dix ans. Cependant, l'ESA estime déjà que nouveau matériel permettra à une veuve d'allonger la durée de fonctionnement de ces engins ???, pour lesquels l'érosion est un facteur limitant.

Conclusion

Comme le montre la pratique, les matériaux composites, malgré leur coût élevé et leur complexité de production, peuvent devenir les matériaux les plus utilisés et les plus pratiques pour application correcte... Les matériaux composites offrent aux structures une résistance et une résistance à l'usure élevées, ainsi qu'un faible poids de la structure, ce qui est vital dans la conception des aéronefs et des engins spatiaux. En outre, les matériaux composites ne sont pas moins utilisés avec succès dans d'autres domaines, de l'ingénierie mécanique à la médecine. De larges perspectives s'ouvrent également dans la création de nouveaux matériaux composites, avec propriétés uniques qui ouvrira de nouveaux horizons dans de nombreux domaines de l'activité humaine.

Bibliographie

1. Ouvrage de référence sur les matériaux composites : en 2 livres. Livre 2 éd. J. Lubin. - M. : Génie Mécanique, 1988

2. Zuev N.I., Golikovskaya K.F. - Revue "Izvestia du Centre Scientifique de Samara de l'Académie des Sciences de Russie" Numéro 4-2 / ​​​​volume 14/2012

3. Revue "Problèmes réels de l'aviation et de la cosmonautique" n° 6 / volume 1/2010

4. Matériaux composites dans les fusées et les appareils spatiaux, éd. Gardymova G.P. - SPb. : SpetsLit, 1999

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Le département a été organisé en 2002-2008. à tête Boulanov Igor Mikhaïlovitch(1941-2008), vice-recteur de l'Université technique d'État de Moscou N.E.Bauman, docteur en sciences techniques, professeur, lauréat du gouvernement de la Fédération de Russie, travailleur honoraire de l'enseignement professionnel supérieur de la Fédération de Russie, membre titulaire de l'Académie russe des sciences naturelles et de l'Académie russe de cosmonautique. K.E. Tsiolkovski. De 2008 à nos jours, le département est dirigé par Reznik Sergueï Vassilievitch, docteur en sciences techniques, professeur, travailleur honoraire de l'enseignement professionnel supérieur de la Fédération de Russie.

Le département a été organisé en 2002 pour former des spécialistes de la conception, de la production et des essais de fusées et d'engins spatiaux, avec une large utilisation de matériaux composites (CM), capables de travailler dans les conditions les plus difficiles (températures extrêmement hautes / basses, vide, haute pressions, milieux chimiquement actifs, flux de particules érosives, etc.).

Formation et développement de l'école scientifique de l'Université technique d'État de Moscou NE Bauman dans le domaine de la CM est inextricablement lié à l'histoire du développement de la technologie des fusées et de l'espace. Les pages lumineuses de cette histoire sont le résultat d'une coopération étroite entre les travailleurs de l'industrie, de la science académique et de l'enseignement supérieur, dont beaucoup sont diplômés de notre université. La particularité de l'école scientifique est une combinaison de recherches avancées dans le domaine de la mécanique, de la physique thermique, de la science des matériaux et des dernières technologies.

À la fin des années 1940, les concepteurs des premiers missiles balistiques domestiques à longue portée (UBRDD) dirigés par S.P.Korolev ont été confrontés au problème de la protection thermique des ogives de missiles contre l'échauffement aérodynamique lors de leur entrée dans l'atmosphère. Diplômés de l'École technique supérieure de Moscou N.E.Bauman - les employés de NII-88 V.N. Iordansky, G.G. Konradi avec des collègues scientifiques des matériaux de OKB-1 (A.A. Severov et autres) et VIAM (A.T.) pour la première fois au monde ont résolu ce problème en utilisant un revêtement d'ablation en polymère CM (asboplastique) sur la tête de la fusée R-5 (8K51). Cette approche pour surmonter la "barrière thermique" a ensuite été mise en œuvre avec succès dans les conceptions de véhicules de descente des engins spatiaux habités "Vostok", "Voskhod", "Soyouz", engins spatiaux automatiques (SC) du "Zenith", "Zond", " Vénus" et Mars, est devenue une solution principale pour des applications similaires dans les moteurs de fusée à combustible solide et les centrales électriques. Une étude approfondie des problèmes de protection thermique avec l'utilisation de CM s'est reflétée dans les travaux des professeurs de notre université I.S.Epifanovsky, V.V. Gorsky, D.S. RAS Yu.V. Polezhaeva, Acad. RAS S.T. Surzhikov.

Dans les années 1960-1980, l'URSS a résolu la complexité sans précédent du problème de la création de systèmes de missiles mobiles et en silos avec UBRDD à combustible solide. Il est devenu nécessaire de développer des propergols solides mixtes composites et des technologies pour le bobinage de grosses coques cylindriques de coques de moteurs-fusées en fibre de verre, et plus tard des coques de type "cocon" en organoplastique. Parmi les pionniers de cette direction figurent le concepteur en chef d'OKB-1, l'académicien S.P. Korolev, qui a initié la conception des missiles 8K95 et 8K98, et le scientifique bien connu dans le domaine des fusées à propergol solide Yu. A. Pobedonostsev. Sous la direction d'un diplômé de l'Université technique d'État de Moscou. NEBauman, concepteur en chef du TsKB-7 (KB "Arsenal") PATyurin au début des années 1960, le premier système de missile mobile RT-15 avec un missile à moyenne portée 8K96 a été conçu, un missile balistique intercontinental 8K98P a été développé, qui a été en alerte dans les Forces de missiles stratégiques en 1971-1994. (Fig. 1).

Riz. 1. Le premier missile balistique intercontinental domestique à combustible solide 8K98P est composé à 90 % de composites (moteurs, ogive, propergols composites). La fusée a été créée sous la direction de diplômés de l'École technique supérieure de Moscou. N.E.Bauman - S.P.Korolev et P.A.Turin. Musée JSC "Motovilikhinskiye Zavody", Perm

Une contribution exceptionnelle à la création des systèmes de missiles modernes RT-2PM "Topol" et RT-2PM2 "Topol-M" a été apportée par les concepteurs généraux du MIT BN Lagutin et Yu. S. Solomonov. Ces dernières années, le MIT a créé les derniers missiles balistiques intercontinentaux des complexes Yars et R-30 Bulava.

Une partie intégrante du Temp-2S, Pioneer, Topol et d'autres systèmes de missiles mobiles sont devenus des conteneurs de transport et de lancement en CM (Fig. 2). Dans l'étude et la mise en œuvre des technologies d'enroulement des coques composites des carters de moteurs-fusées et des conteneurs de transport-lancement, le rôle d'un élève du M.V. N.E.Bauman Concepteur en chef et directeur de TsNIISM, membre correspondant RAS RAS V. D. Protasov, ses collègues et disciples V. I. Smyslov, V. A. Barynin, A. A. Kulkov, A. B. Mitkevich et autres.

Riz. 2. Système mobile de missile au sol "Topol-M" avec la fusée 15Zh55 : la fusée et le conteneur de transport-lancement sont en composites

Grâce à l'étendue des points de vue d'un certain nombre de scientifiques et d'éducateurs exceptionnels, tels que V.I. Feodosiev et E.A. NE Bauman aux départements M-1 (maintenant SM-1) et M-8 (maintenant SM-12) des cours de formation ont été dispensés, reflétant les spécificités de la conception, de la production et des essais de structures composites. En 1986, le collège du ministère de la Construction mécanique générale de l'URSS a pris une décision sur l'opportunité d'ouvrir une nouvelle spécialité "Conception et fabrication de produits à partir de CM" à l'École technique supérieure de Moscou. Le recrutement non pas d'un, mais de trois groupes d'étudiants a été organisé. Une attention considérable a été accordée à la création d'une base d'essais moderne dans le Centre éducatif et expérimental du village d'Orevo, dans le district de Dmitrovsky, dans la région de Moscou (maintenant la branche Dmitrovsky de l'Université technique d'État Bauman de Moscou).

A. K. Dobrovolsky, S. S. Lenkov, I. M. Bulanov, M. A. Komkov, V. M. Kuznetsov, G. E. Nekhoroshikh, V. A. Shishatsky sont devenus les passionnés de la nouvelle direction dans le domaine de la technologie. Les étudiants ont maîtrisé les méthodes de calcul de la résistance des structures composites sous la direction de N. A. Alfutov, P. A. Zinoviev, B. G. Popov, V. I. Usyukin. Les caractéristiques des calculs de résistance thermique et thermique des structures composites ont été mises en évidence dans les conférences de V.S. Zarubin, V.N. Eliseev, S.V. Reznik. Sous la direction de GB Sinyarev, la théorie des tests thermiques des structures composites a été développée, dont la plupart des dispositions étaient basées sur les résultats d'expériences menées sur de nouveaux bancs d'essai dans le village d'Orevo.

introduction

La technologie moderne des fusées et de l'espace est inconcevable sans les matériaux composites polymères. Dans le développement d'outils d'exploration spatiale, de nouveaux matériaux sont nécessaires qui doivent résister aux charges des vols spatiaux (températures et pression élevées, charges vibratoires pendant la phase de lancement, basses températures de l'espace extra-atmosphérique, vide poussé, exposition aux rayonnements, exposition aux microparticules, etc. .), ayant à cela une masse assez faible. Les matériaux composites répondent à toutes ces exigences. Les matériaux composites sont largement utilisés dans la construction aéronautique et la technologie spatiale en raison de leur bon poids et de leurs caractéristiques mécaniques, qui permettent de créer des structures légères et durables qui fonctionnent à des températures élevées.

Le concept de matériaux composites et son application en fusée

Aujourd'hui, les composites sont les matériaux les plus populaires et les plus fréquemment utilisés dans les avions et les fusées. Beaucoup de ces matériaux sont plus légers et plus résistants que les alliages métalliques (aluminium et titane) les plus appropriés en termes de propriétés physiques. Dans la plupart des composites (à l'exception des stratifiés), les composants peuvent être divisés en une matrice (ou liant) et les éléments de renforcement (ou charges) inclus dans celle-ci. Dans les composites à usage structurel, les éléments de renforcement fournissent généralement les caractéristiques mécaniques nécessaires du matériau (résistance, rigidité, etc.), et la matrice assure le fonctionnement conjoint des éléments de renforcement et leur protection contre les dommages mécaniques et un environnement chimique agressif. Lorsque les éléments de renforcement et la matrice sont combinés, une composition est formée qui possède un ensemble de propriétés qui reflètent non seulement les caractéristiques initiales de ses composants, mais également de nouvelles propriétés que les composants individuels ne possèdent pas.

L'utilisation de matériaux composites permet de réduire le poids d'un produit (fusée, engin spatial) de 10 ... 50%, selon le type de construction et, par conséquent, de réduire la consommation de carburant, tout en augmentant la fiabilité. Des matériaux composites ont également été créés dans lesquels la base en plastique (polymère) est renforcée de fibres de verre, de Kevlar ou de carbone. Les matériaux composites sont largement utilisés dans la construction aéronautique et la technologie spatiale en raison de leur bon poids et de leurs caractéristiques mécaniques, qui permettent de créer des structures légères et durables qui fonctionnent à des températures élevées.

La réduction du poids est une priorité absolue dans la conception des engins spatiaux. De nombreuses avancées dans le domaine des coques à parois minces doivent leur origine à cette exigence. Des exemples typiques de cette conception sont le lanceur à propergol liquide Atlas et la conception de fusée solide. Une coque monocoque suralimentée spéciale a été créée pour l'Atlas. Une fusée à moteur à combustible solide est obtenue en enroulant un fil de verre sur un mandrin sous la forme d'une charge propulsive solide et en imprégnant la couche enroulée d'une résine spéciale qui durcit après vulcanisation. Avec cette technologie, on obtient à la fois la coque porteuse de l'avion et le moteur-fusée à tuyère. Avec l'utilisation de matériaux composites modernes, les engins spatiaux de rentrée ont été conçus avec une coque conique recouverte d'une couche de matériau de protection thermique, qui s'évapore à haute température et refroidit la structure.

Autre exemple frappant d'utilisation de matériaux composites, la navette spatiale orbitale, capable de voler dans l'atmosphère terrestre à des vitesses hypersoniques (supérieures à Mach 5 ou 6000 km/h). Les ailes du véhicule ont un châssis à longerons multiples ; le cockpit monocoque renforcé, comme les ailes, est en alliage d'aluminium. Les portes du compartiment à bagages sont en matériau composite graphite-époxy. La protection thermique de l'appareil est assurée par plusieurs milliers de carreaux de céramique légers, qui recouvrent les parties de la surface exposées à des flux de chaleur élevés.

Pour la station spatiale "Alpha", réalisée conformément au programme russo-américain, de nombreux éléments de structure ont été réalisés en matériaux composites : barres de renfort à haute résistance, panneaux solaires, récipients sous pression, compartiments "secs", réflecteurs, etc.

Les récipients et conteneurs légers en matériaux composites polymères et fonctionnant sous pression sont utilisés avec succès dans la technologie des fusées et de l'espace. Des réservoirs de carburant, des ballons, des carters de moteurs-fusées, des accumulateurs de pression, des cylindres respiratoires pour les pilotes et les astronautes ont été créés et sont exploités. L'utilisation d'organique et de fibre de verre permettra de créer des cylindres de pression durables avec un coefficient de perfection de poids élevé.

Actuellement, ils sont largement utilisés dans l'aviation et les fusées, les plastiques au carbone, c'est à dire. polymères renforcés de fibres de carbone.

Les fibres de carbone et leurs composites sont d'un noir profond ? colorent et conduisent bien l'électricité, ce qui fournit des propriétés électrophysiques spéciales (par exemple, pour les antennes radar), ainsi que des exigences en matière de résistance à la chaleur et de conductivité thermique.

Les cônes de nez de missiles, les pièces d'avions à grande vitesse soumis à des charges aérodynamiques maximales, les tuyères de moteurs de fusée, etc. sont en fibre de carbone. De plus, étant donné que le graphite est un lubrifiant solide, les plaquettes et disques de frein en fibre de carbone sont conçus pour les avions à grande vitesse, les navettes spatiales réutilisables et les voitures de course. Les miroirs d'antenne en fibre de carbone seront largement utilisés pour résoudre les problèmes de communication via les satellites. Il est important de prendre en compte que leur utilisation avec une masse allant jusqu'à 15 kg fournira une charge destructive de 900 kgf avec une durée de vie d'au moins 20 ans. Par rapport aux matériaux monocouches (monolithiques) (trois couches) en fibre de carbone dans les éléments porteurs des structures dans des conditions de fonctionnement données et une augmentation des charges à une masse donnée d'un élément fournira : une diminution de la masse d'un élément structurel de 40 ... 50 % et une augmentation de sa rigidité de 60 ... 80 % ; augmentation de la fiabilité de 20 ... 25 % et augmentation de la période de garantie de 60 ... 70 %.

De 2008 à nos jours, le département est dirigé par Reznik Sergueï Vassilievitch, docteur en sciences techniques, professeur, travailleur honoraire de l'enseignement professionnel supérieur de la Fédération de Russie.

L'une des caractéristiques de CM est qu'elles ne peuvent pas être considérées séparément de la technologie de conception et de production. Au stade actuel du développement de la technologie des fusées et de l'espace, il existe plusieurs directions dans lesquelles l'utilisation de CM jouera rôle clé: structures spatiales déployables (antennes, centrales électriques, structures à grande échelle), cônes de fusée, engins spatiaux réutilisables, avions hypersoniques à statoréacteurs.

Les coques maillées en CM sont devenues un nouveau mot dans la création de structures spatiales de pouvoir (Fig. 3-6). La théorie et la technologie pour la production de telles structures sont développées au TsNIISM sous la direction du membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie. RAS RAS V. V. Vasiliev, ses collègues A. F. Razin, V. A. Bunakov et autres.

Riz. 3 Compartiment en maille composite du lanceur Proton-M

Riz. 4 Adaptateur de charge utile en maille composite

Riz. 5 Maille composite Structure basique coques du vaisseau spatial de la série "Express"

Riz. 6 rayons en maille composite d'une antenne spatiale déployable

Objets recherche scientifique les professeurs A. M. Dumansky, G. V. Malysheva, P. V. Prosuntsova, S. V. Reznik, M. Yu. Rusin, B. I. Semenova, O. V. Tatarnikova, V. P. Timoshenko sont les nœuds, les assemblages et les compartiments des satellites terrestres artificiels, des stations touristiques planétaires et orbitales réutilisables, des antennes spatiales vaisseau spatial, fusées diverses, moteurs. Une caractéristique de ces études est la combinaison d'expériences computationnelles et physiques (Fig. 7-9).

Riz. 7 réflecteurs ultralégers d'antennes spatiales à miroirs embarqués en fibre de carbone

Riz. 8 Résultats de la modélisation mathématique de l'état de température du réflecteur de l'antenne spatiale miroir embarquée

Riz. 9 Projet étudiant du vaisseau spatial réutilisable "Sivka" (le projet a été initié par le premier scientifique-cosmonaute, le professeur K. P. Feoktistov et a été développé par les étudiants des départements SM-1 et SM-13)

Dans le cadre de la recherche et du développement avec PJSC RSC Energia im. SP Korolev "à l'aide des programmes d'analyse par éléments finis du package" CAR ", les champs de température, les contraintes et les déformations dans les éléments à parois minces de la structure composite d'une antenne à réflecteur d'un diamètre de 14 m d'un satellite de communication géostationnaire prometteur ont été étudiés . Les résultats obtenus étaient en bon accord avec les résultats de calculs indépendants effectués par les spécialistes italiens de la société Alenia Spazio, en utilisant les programmes de calcul de l'Agence spatiale européenne ESATAN et EASARAD, ainsi qu'avec les données obtenues lors d'essais thermiques au Centre européen de recherche et de technologie spatiales à Noordwijk, aux Pays-Bas.

Parmi les projets menés à bien - participation à la conception et au débogage de bancs d'essai et d'installations dans JSC "ONPP" Tekhnologiya im. A. G. Romachine ". Selon les spécifications techniques de l'OJSC "Kompozit", un certain nombre de projets de recherche et développement ont été menés sur le développement de technologies de production et une étude approfondie des caractéristiques des matériaux carbone-céramique. Depuis 2011, plusieurs projets majeurs réalisée en collaboration avec REC "Nouveaux matériaux, composites et nanotechnologies" avec un volume total d'environ 300 millions de roubles.

Depuis 15 ans, sous la direction scientifique des professeurs du département, 25 candidats et 3 thèses de doctorat ont été soutenus. Les enseignants, les étudiants de troisième cycle et les étudiants du département ont participé aux travaux de recherche sur 5 subventions RFBR.

Chaque année, les étudiants du département présentent 12 à 15 rapports à la conférence du SNTO qui porte son nom. N.E. Joukovski.

Les diplômés du département acquièrent les connaissances, les compétences et les capacités nécessaires à un ingénieur moderne pour mener des recherches scientifiques et produire de nouvelles technologies. Fondement théorique processus éducatif composent les disciplines du cycle mathématiques et sciences naturelles - mathématiques supérieures, chimie, physique, mécanique théorique, thermodynamique et transfert de chaleur. Les disciplines spéciales comprennent « Fondements de la chimie physique des composites », « Mécanique du bâtiment des structures composites », « Mécanique des médias composites », « Optimisation des structures et technologies composites », « Principes fondamentaux de l'ingénierie des fusées et de l'espace ». Le programme prévoit l'étude des méthodes de conception informatique, de production et d'essai de structures composites avec diverses combinaisons charges et matrices. Ces dernières années, de nouvelles disciplines ont été intégrées au cursus : "Nano-ingénierie des engins spatiaux", "Méthodes pour la formation d'un environnement innovant", " Entrainement technique expéditions spatiales "," Technologie des véhicules spatiaux réutilisables ", qui ne sont disponibles dans aucun établissement d'enseignement supérieur en Russie.

Le hall de démonstration contient des échantillons uniques de matériaux et de structures grandeur nature (élément du bord d'aile du navire Bourane, cône avant du vaisseau spatial Bor, adaptateurs de maille du lanceur Proton, canalisations d'approvisionnement en composants propulseurs, bouteilles de gaz comprimé, fusée cônes de nez S-300, X-35, blocs de buses, kits de colle de réparation, etc.). Le département a créé le Center for Information Technology Design, équipé d'ordinateurs modernes.

Le département forme des étudiants de Biélorussie, de Bulgarie, du Vietnam, d'Inde, d'Italie, du Kazakhstan, de Chine, de Corée, du Myanmar, de Slovaquie, de France, des étudiants diplômés de Biélorussie, du Vietnam, du Kazakhstan, de Chine et du Myanmar. Des relations ont été établies avec un certain nombre d'universités étrangères : l'Université de Ljubljana (Slovénie), l'Université de Glyndor (Wrexem, ), Université nationale de l'aérospatiale du nom de ... N. Ye. Zhukovsky (KhAI), Kharkiv, Ukraine, etc. Des relations de partenariat fructueuses sont entretenues avec l'Institut de transfert de chaleur et de masse. A. V. Lykov Académie nationale des sciences du Bélarus, Minsk.

Le personnel du département organise des conférences et des colloques scientifiques internationaux : "Matériaux et revêtements dans des conditions extrêmes" (en collaboration avec l'Institut de mathématiques appliquées IN Frantsevich de l'Académie nationale des sciences d'Ukraine, village de Katsiveli, Crimée, 6 conférences en 2002 –2012), Advanced Composite Materials and Technologies for Aerospace Applications (Wrexham, Pays de Galles, Royaume-Uni, chaque année en 2011-2015), Advanced systèmes techniques et technologies "(Sébastopol, chaque année depuis 2005)," Technologie des fusées et de l'espace: problèmes fondamentaux et appliqués "(Moscou, 5 conférences en 1998-2018).

Dans le cadre du projet international INTAS 00-0652 en 2000-2005. des recherches conjointes ont été menées avec des spécialistes de Biélorussie, d'Allemagne, d'Espagne et de France dans le domaine des matériaux de protection thermique pour des engins spatiaux réutilisables prometteurs, dont les résultats sont de niveau mondial.