Кафедру организовал и в 2002–2008 гг. возглавлял Буланов Игорь Михайлович (1941–2008 гг.), проректор МГТУ им. Н. Э. Баумана, д. т. н., профессор, Лауреат премии Правительства РФ, Почетный работник высшего профессионального образования РФ, действительный член Российской академии естественных наук и Российской академии космонавтики им. К. Э. Циолковского. С 2008 года по настоящее время кафедру возглавляет Резник Сергей Васильевич , д. т. н., профессор, Почетный работник высшего профессионального образования РФ.
Кафедра организована в 2002 году для подготовки специалистов в области проектирования, производства и испытания ракет и космических аппаратов, с широким использованием композиционных материалов (КМ), способных работать в самых сложных условиях (экстремально высокие/низкие температуры, вакуум, высокие давления, химически активные среды, потоки эрозионных частиц и т. д.).
Становление и развитие научной школы МГТУ им. Н. Э. Баумана в области КМ неразрывно связано с историей развития ракетно-космической техники. Яркие страницы этой истории - результат тесного сотрудничества работников промышленности, академической науки и высшей школы, многие из которых закончили наш вуз. Особенность научной школы - сочетание передовых исследований в области механики, теплофизики, материаловедения и новейших технологий.
В конце 1940-х годов перед конструкторами первых отечественных управляемых баллистических ракет дальнего действия (УБРДД) во главе с С. П. Королевым встала проблема тепловой защиты головных частей ракет от аэродинамического нагрева при входе в атмосферу. Выпускники МВТУ им. Н. Э. Баумана - сотрудники НИИ-88 В. Н. Иорданский, Г. Г. Конради вместе с коллегами-материаловедами из ОКБ-1 (А.А. Северов и др.) и ВИАМ (А.Т. Туманов и др.) впервые в мире решили эту проблему, применив на головной части ракеты Р-5 (8К51) абляционное покрытие из полимерного КМ (асбопластика). Этот подход к преодолению «теплового барьера», позднее был успешно реализован в конструкциях спускаемых аппаратов пилотируемых космических кораблей «Восток», «Восход», «Союз», автоматических космических аппаратов (КА) типа «Зенит», «Зонд», «Венера» и «Марс», стал магистральным решением для аналогичных приложений в ракетных двигателях твердого топлива и энергетических установках. Глубокая проработка вопросов тепловой защиты с применением КМ нашла отражение в трудах профессоров нашего университета И. С. Епифановского, В. В. Горского, Д. С. Михатулина, чл.-корр. РАН Ю. В. Полежаева, акад. РАН С. Т. Суржикова.
В 1960–1980-е годы в СССР решены беспрецедентные по сложности проблемы создания мобильных и шахтных ракетных комплексов с УБРДД на твердом топливе. Возникла необходимость разработки композитных смесевых твердых топлив и технологий намотки крупногабаритных цилиндрических оболочек корпуса ракетных двигателей из стеклопластика, а позднее оболочек типа «кокон» из органопластика. Среди пионеров этого направления - главный конструктор ОКБ-1, академик С. П. Королев, ставший инициатором проектирования ракет 8К95 и 8К98 и известный ученый в области ракет на твердом топливе Ю. А. Победоносцев. Под руководством выпускника МВТУ им. Н. Э. Баумана главного конструктора ЦКБ-7 (КБ «Арсенал») П. А. Тюрина в начале 1960-х спроектирован первый мобильный ракетный комплекс РТ-15 с ракетой средней дальности 8К96, разработана межконтинентальная баллистическая ракета 8К98П, находившаяся на боевом дежурстве в РВСН в 1971–1994 гг. (рис. 1).
Рис. 1. Первая отечественная межконтинентальная баллистическая ракета на твердом топливе 8К98П на 90% состоит из композитов (двигатели, головная часть, смесевые топлива). Ракета создана под руководством выпускников МВТУ им. Н. Э. Баумана - С. П. Королева и П. А. Тюрина. Музей ОАО «Мотовилихинские заводы», г. Пермь
Выдающийся вклад в создание современных ракетных комплексов РТ-2ПМ «Тополь» и РТ-2ПМ2 «Тополь-М» внесли генеральные конструкторы МИТ Б. Н. Лагутин и Ю. С. Соломонов. В последние годы в МИТе созданы новейшие межконтинентальные баллистические ракеты комплексов «Ярс» и Р-30 «Булава».
Неотъемлемой частью мобильных ракетных комплексов «Темп-2С», «Пионер», «Тополь» и др. стали транспортно-пусковые контейнеры из КМ (рис. 2). В исследовании и реализации технологий намотки композитных оболочек корпусов ракетных двигателей и транспортно-пусковых контейнеров велика роль воспитанника МВТУ им. Н. Э. Баумана главного конструктора и директора ЦНИИСМ, чл.-корр. РАН В. Д. Протасова, его коллег и последователей В. И. Смыслова, В. А. Барынина, А. А. Кулькова, А. Б. Миткевича и др.
Рис. 2. Подвижный грунтовой ракетный комплекс «Тополь-М» с ракетой 15Ж55: ракета и транспортно-пусковой контейнер сделаны из композитов
Благодаря широте взглядов ряда выдающихся ученых-педагогов, таких как В. И. Феодосьев и Э. А. Сатель, и под влиянием запросов практики в МГТУ им. Н. Э. Баумана на кафедрах М-1 (ныне СМ-1) и М-8 (ныне СМ-12) были поставлены учебные курсы, отражающие специфику проектирования, производства и испытания композитных конструкций. Коллегия Министерства общего машиностроения СССР в 1986 г. приняла решение о целесообразности открытия в МВТУ новой специальности «Конструирование и производство изделий из КМ». Был организован набор не одной, а сразу трех групп студентов. Значительное внимание уделялось созданию современной испытательной базы в Учебно-экспериментальном центре в п. Орево Дмитровского р-на Московской области (ныне Дмитровский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана).
Энтузиастами нового направления в области технологии стали А. К. Добровольский, С. С. Леньков, И. М. Буланов, М. А. Комков, В. М. Кузнецов, Г. Е. Нехороших, В. А. Шишацкий. Методы расчета на прочность композитных конструкций студенты осваивали под руководством Н. А. Алфутова, П. А. Зиновьева, Б. Г. Попова, В. И. Усюкина. Особенности тепловых и теплопрочностных расчетов композитных конструкций освещались в лекциях В. С. Зарубина, В. Н. Елисеева, С. В. Резника. Под руководством Г. Б. Синярева получила развитие теория тепловых испытаний композитных конструкций, многие положения которой опирались на результаты экспериментов, проведенных на новых испытательных стендах в п. Орево.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Доклад
Композитные материалы в летательных аппаратах
Введение
Современная ракетно-космическая техника немыслима без полимерных композиционных материалов. При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Композиционные материалы соответствуют всем данным требованиям. Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике из-за их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах.
1. Понятие композиционных материалов и применение в ракетостроении
На сегодняшний день, композиты являются самыми популярными и часто применяемыми материалами в авиастроении и ракетостроении. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают
Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10…50% в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность. Созданы также композиционные материалы, в которых пластиковая (полимерная) основа армируется стеклянными, кевларовыми или углеродистыми нитями. Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике из-за их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах.
Снижение веса является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию. Типичными примерами такой конструкции являются жидкостная ракета-носитель «Атлас» и конструкция твердотопливной ракеты. Для «Атласа» была создана специальная монококовая оболочка с наддувом. Ракета с двигателем на твердом топливе получается посредством наматывания на оправку, имеющую форму твердотопливного заряда, стеклянной нити и пропитки намотанного слоя специальной смолой, которая отверждается после вулканизации. При такой технологии получается сразу и несущая оболочка летательного аппарата, и ракетный двигатель с соплом. При использовании современных композитных материалов были спроектированы возвращаемые космические аппараты с оболочкой конической формы, покрываемой слоем теплозащитного материала, который, испаряясь при высоких температурах, охлаждает конструкцию.
Еще один яркий пример использования композитных материалов -- орбитальный космический корабль «Шаттл», способный летать в атмосфере Земли с гиперзвуковыми скоростями (более 5 Мах или 6000 км/ч). Крылья аппарата имеют многолонжеронный каркас; усиленный монокок кабины экипажа, как и крылья, изготовлен из алюминиевого сплава. Двери грузового отсека выполнены из графито-эпоксидного композиционного материала. Теплозащиту аппарата обеспечивают несколько тысяч легких керамических плиток, которыми покрывают части поверхности, подверженные воздействию больших тепловых потоков.
Для космической станции «Альфа», созданной в соответствии с российско-американской программой, многие элементы конструкции изготавливались из композиционных материалов: высокопрочные штанги ферм, панели солнечных батарей, сосуды давления, «сухие» отсеки, рефлекторы и т. п.
Легкие сосуды и емкости, изго???ленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением, успешно применяются в ракетно-космической технике. Созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей, аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для летчиков и космонав???. Применение органо- и стекловолокон позволит создавать долговечные баллоны давления с высоким коэффициентом весового совершенства.
В настоящее время широко применяются в авиации и ракетостроении, углепластики, т.е. полимеры армированные углеродными волокнами.
Углеродные волокна и композиты из них имеют глубокий черныи? цвет и хорошо проводят электричество, что обеспечивает специальные электрофизические свойства (к примеру, для антенн радиолокаторов), а также требования по теплостойкости и теплопроводности.
Из углепластика делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самоле???, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и прочее. Кроме того, учитывая, что графит - это твердая смазка, из углепластика делают тормозные колодки и диски для скоростных самоле???, космических кораблей многоразового действия «Шаттл» и гоночных автомобилей. Зеркала антенных конструкций из углепластика найдут широкое применение для решения задач связи через спутники. Важно учесть, что их применение при массе до 15 кг обеспечит разрушающую нагрузку 900 кгс при сроке службы не менее 20 лет. Со???ые материалы (трехслойные) из углепластика в несущих элементах конструкций в сравнении с однослойными (монолитными) при заданных условиях эксплуатации и увеличении нагрузок при заданной массе элемента обеспечат: снижение массы элемента конструкции на 40...50 % и повышение его жесткости на 60...80 %; повышение надежности на 20...25 % и увеличение гарантийного срока на 60...70 % .
2. Применение нанотехнологий в разработке композиционых материалов
NASA и космический центр Джонсона составили договор о совместном развитии и применении высоких технологий и, в частности, нанотехнологий для исследования космического пространства. В планах NASA - упростить вывод космических аппара??? на орбиту с помощью космического лифта на базе нано-трубок.
Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных аэроконструкционных материалов. Композиты на основе нанотрубок позволят уменьшить вес современных космических аппара??? почти вдвое.
Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объек??? на орбиту, используя систему, названную ими «космическим лифтом». Космический лифт - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на орбите Земли в космосе (на высоте 100000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца и лента постоянно находится в натянутом состоянии.
Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезныи? груз, будет передвигаться вдоль ленты. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос.
Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. На основании выше сказанного приходим к выводу, что затраты на пуск капсулы будут только в начале её пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке - в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли.
Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта.
Они прочнее стали в 100 раз и, теоретически, в 3-5 раз прочнее, чем необходимо для постройки лифта.
Лента, состоящая из нанотрубок длиной 1 м и шириной 5 см.обладает высокой прочностью. Соотношение прочность/вес материала ленты выше, чем у стали высокой закалки.
Нанотрубки также будут весьма полезны при разработке наноэлектронных устройств, сверхмощных компьютеров и устройств памяти.
3.Самоизлечивающиеся композиционные материалы
композиционный ракетостроение конструкционный материал
Экспериментальныи? конструкционныи? материал для космических аппара??? позволит вдвое продлить срок службы из их корпусов. Трещины и небольшие выбоины будут немедленно затягиваться специальным быстро твердеющим составом, не вызывая снижения прочности конструкции.
Корпуса космических аппара??? постоянно подвергаются воздействию резких температурных контрас???. Солнечные лучи могут разогреть поверхность до 100°C и выше. Попав в земную тень, аппарат начинает стремительно остывать. Даже простое вращение приводит к постоянным колебаниям температуры на поверхности аппарата.
Постоянные перепады температур порождают напряжения в материале корпуса и ведут к появлению микротрещин.
Другой механизм космической эрозии - удары микрометеори???. Речь не идет об объектах, способных причинить серьезные разрушения, - такие встречаются крайне редко. Но при этом космические пылинки и частицы космического мусора размером меньше миллиметра достаточно многочисленны и при скоростях в десятки километров в секунду вызывают постепенную деградацию конструкций.
Новый материал, разработанныи? в Европейском космическом агентстве, обладает повышенной устойчивостью к факторам космической эрозии благодаря способности самовосстанавливаться при повреждениях. При его создании разработчики вдохновлялись способностью живых тканей самостоятельно залечивать небольшие раны за счет эффекта свертывания крови.
Правда, свертывание крови происходит под действием воздуха, так что для космической техники пришлось использовать несколько иной подход. В композитный материал внедрили множество тончайших стеклянных сосудов внешним диаметром 60 микрон, а внутренним - 30. Сосуды заполнили двумя жидкостями, которые, подобно компонентам эпоксидной смолы, быстро затвердевают при смешивании. При возникновении трещины стеклянные сосуды разрушаются, и содержащиеся в них жидкости заполняют трещину. Скорость процесса такова, что жидкости не успевают испариться в условиях космического вакуума. Тем самым сразу пресекается дальнейшее распрост????ние трещины - процесс, наносящий гораздо больший ущерб, чем сама трещина.
Образцы нового материала успешно прошли первые испытания в вакуумной камере. Предстоят еще многочисленные испытания, в первую очередь на прочность и температурную устойчивость. Так что практического применения самовосстанавливающихся материалов в космических аппаратах можно ждать не ранее, чем лет через десять. Тем не менее уже сейчас ESA считает, что новый материал позволит вдовое продлить время работы тех космических аппара???, для которых эрозия является ограничивающим фактором.
Заключение
Как показывает практика, композитные материалы, несмотря на их высокую стоимость и сложности в производстве, могут стать самыми используемыми и удобными материалами при правильном применении. Композиционные материалы обеспечивают конструкции высокую прочность и износостойкость, а так же малый вес конструкции, что жизненно необходимо при проектировании авиационных и космических аппаратов. Кроме того, композиционные материалы не менее успешно применяются и в других областях, от машиностроения, до медицины. Широкие перспективы открываются и в создании новых композиционных материалов, с уникальными свойствами, что откроет новые горизонты во многих областях человеческой деятельности.
Список литературы
1. Справочник по композиционным материалам: в 2-х книгах. Кн.2 Под ред. Дж. Любина. - М.:Машиностроение, 1988
2. Зуев Н.И., Голиковская К.Ф. - Журнал "Известия Самарского научного центра Российской академии наук" Выпуск№ 4-2 / том 14 / 2012
3. Журнал "Актуальные проблемы авиации и космонавтики" Выпуск№ 6 / том 1 / 2010
4. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении Под ред. Гардымова Г.П. - СПб.:СпецЛит, 1999
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Многообразие космических материалов. Новый класс конструкционных материалов – интерметаллиды. Космос и нанотехнологии, роль нанотрубок в строении материалов. Самоизлечивающиеся космические материалы. Применение "интеллектуальных" космических композитов.
доклад , добавлен 26.09.2009
Общие сведения о композиционных материалах. Свойства композиционных материалов типа сибунита. Ассортимент пористых углеродных материалов. Экранирующие и радиопоглощающие материалы. Фосфатно-кальциевая керамика – биополимер для регенерации костных тканей.
реферат , добавлен 13.05.2011
Типы композиционных материалов: с металлической и неметаллической матрицей, их сравнительная характеристика и специфика применения. Классификация, виды композиционных материалов и определение экономической эффективности применения каждого из них.
реферат , добавлен 04.01.2011
Классификация композиционных материалов, их геометрические признаки и свойства. Использование металлов и их сплавов, полимеров, керамических материалов в качестве матриц. Особенности порошковой металлургии, свойства и применение магнитодиэлектриков.
презентация , добавлен 14.10.2013
Понятие полимерных композиционных материалов. Требования, предъявляемые к ним. Применение композитов в самолето- и ракетостроении, использование полиэфирных стеклопластиков в автомобильной индустрии. Методы получения изделий из жестких пенопластов.
реферат , добавлен 25.03.2010
Нормативные материалы для нормирования труда, их применение. Сущность, разновидность, требования, разработка нормативных материалов. Методические положения по разработке нормативных материалов. Отраслевые нормативы. Классификация нормативов по труду.
реферат , добавлен 05.10.2008
Производство изделий из композиционных материалов. Подготовительные технологические процессы. Расчет количества армирующего материала. Выбор, подготовка к работе технологической оснастки. Формообразование и расчет штучного времени, формование конструкции.
курсовая работа , добавлен 26.10.2016
Разработка принципов и технологий лазерной обработки полимерных композиционных материалов. Исследование образца лазерной установки на основе волоконного лазера для отработки технологий лазерной резки материалов. Состав оборудования, подбор излучателя.
курсовая работа , добавлен 12.10.2013
Технология монтажа санитарно-технических систем и оборудования. Изготовление узлов из термопластов, стальных и чугунных труб. Состав, строение и свойства композиционных материалов. Монтаж водостоков, внутриквартальной и дворовой сети газопотребления.
дипломная работа , добавлен 18.01.2014
Структура композиционных материалов. Характеристики и свойства системы дисперсно-упрочненных сплавов. Сфера применения материалов, армированных волокнами. Длительная прочность КМ, армированных частицами различной геометрии, стареющие никелевые сплавы.
Кафедру организовал и в 2002–2008 гг. возглавлял Буланов Игорь Михайлович (1941–2008 гг.), проректор МГТУ им. Н. Э. Баумана, д. т. н., профессор, Лауреат премии Правительства РФ, Почетный работник высшего профессионального образования РФ, действительный член Российской академии естественных наук и Российской академии космонавтики им. К. Э. Циолковского. С 2008 года по настоящее время кафедру возглавляет Резник Сергей Васильевич , д. т. н., профессор, Почетный работник высшего профессионального образования РФ.
Кафедра организована в 2002 году для подготовки специалистов в области проектирования, производства и испытания ракет и космических аппаратов, с широким использованием композиционных материалов (КМ), способных работать в самых сложных условиях (экстремально высокие/низкие температуры, вакуум, высокие давления, химически активные среды, потоки эрозионных частиц и т. д.).
Становление и развитие научной школы МГТУ им. Н. Э. Баумана в области КМ неразрывно связано с историей развития ракетно-космической техники. Яркие страницы этой истории - результат тесного сотрудничества работников промышленности, академической науки и высшей школы, многие из которых закончили наш вуз. Особенность научной школы - сочетание передовых исследований в области механики, теплофизики, материаловедения и новейших технологий.
В конце 1940-х годов перед конструкторами первых отечественных управляемых баллистических ракет дальнего действия (УБРДД) во главе с С. П. Королевым встала проблема тепловой защиты головных частей ракет от аэродинамического нагрева при входе в атмосферу. Выпускники МВТУ им. Н. Э. Баумана - сотрудники НИИ-88 В. Н. Иорданский, Г. Г. Конради вместе с коллегами-материаловедами из ОКБ-1 (А.А. Северов и др.) и ВИАМ (А.Т. Туманов и др.) впервые в мире решили эту проблему, применив на головной части ракеты Р-5 (8К51) абляционное покрытие из полимерного КМ (асбопластика). Этот подход к преодолению «теплового барьера», позднее был успешно реализован в конструкциях спускаемых аппаратов пилотируемых космических кораблей «Восток», «Восход», «Союз», автоматических космических аппаратов (КА) типа «Зенит», «Зонд», «Венера» и «Марс», стал магистральным решением для аналогичных приложений в ракетных двигателях твердого топлива и энергетических установках. Глубокая проработка вопросов тепловой защиты с применением КМ нашла отражение в трудах профессоров нашего университета И. С. Епифановского, В. В. Горского, Д. С. Михатулина, чл.-корр. РАН Ю. В. Полежаева, акад. РАН С. Т. Суржикова.
В 1960–1980-е годы в СССР решены беспрецедентные по сложности проблемы создания мобильных и шахтных ракетных комплексов с УБРДД на твердом топливе. Возникла необходимость разработки композитных смесевых твердых топлив и технологий намотки крупногабаритных цилиндрических оболочек корпуса ракетных двигателей из стеклопластика, а позднее оболочек типа «кокон» из органопластика. Среди пионеров этого направления - главный конструктор ОКБ-1, академик С. П. Королев, ставший инициатором проектирования ракет 8К95 и 8К98 и известный ученый в области ракет на твердом топливе Ю. А. Победоносцев. Под руководством выпускника МВТУ им. Н. Э. Баумана главного конструктора ЦКБ-7 (КБ «Арсенал») П. А. Тюрина в начале 1960-х спроектирован первый мобильный ракетный комплекс РТ-15 с ракетой средней дальности 8К96, разработана межконтинентальная баллистическая ракета 8К98П, находившаяся на боевом дежурстве в РВСН в 1971–1994 гг. (рис. 1).
Рис. 1. Первая отечественная межконтинентальная баллистическая ракета на твердом топливе 8К98П на 90% состоит из композитов (двигатели, головная часть, смесевые топлива). Ракета создана под руководством выпускников МВТУ им. Н. Э. Баумана - С. П. Королева и П. А. Тюрина. Музей ОАО «Мотовилихинские заводы», г. Пермь
Выдающийся вклад в создание современных ракетных комплексов РТ-2ПМ «Тополь» и РТ-2ПМ2 «Тополь-М» внесли генеральные конструкторы МИТ Б. Н. Лагутин и Ю. С. Соломонов. В последние годы в МИТе созданы новейшие межконтинентальные баллистические ракеты комплексов «Ярс» и Р-30 «Булава».
Неотъемлемой частью мобильных ракетных комплексов «Темп-2С», «Пионер», «Тополь» и др. стали транспортно-пусковые контейнеры из КМ (рис. 2). В исследовании и реализации технологий намотки композитных оболочек корпусов ракетных двигателей и транспортно-пусковых контейнеров велика роль воспитанника МВТУ им. Н. Э. Баумана главного конструктора и директора ЦНИИСМ, чл.-корр. РАН В. Д. Протасова, его коллег и последователей В. И. Смыслова, В. А. Барынина, А. А. Кулькова, А. Б. Миткевича и др.
Рис. 2. Подвижный грунтовой ракетный комплекс «Тополь-М» с ракетой 15Ж55: ракета и транспортно-пусковой контейнер сделаны из композитов
Благодаря широте взглядов ряда выдающихся ученых-педагогов, таких как В. И. Феодосьев и Э. А. Сатель, и под влиянием запросов практики в МГТУ им. Н. Э. Баумана на кафедрах М-1 (ныне СМ-1) и М-8 (ныне СМ-12) были поставлены учебные курсы, отражающие специфику проектирования, производства и испытания композитных конструкций. Коллегия Министерства общего машиностроения СССР в 1986 г. приняла решение о целесообразности открытия в МВТУ новой специальности «Конструирование и производство изделий из КМ». Был организован набор не одной, а сразу трех групп студентов. Значительное внимание уделялось созданию современной испытательной базы в Учебно-экспериментальном центре в п. Орево Дмитровского р-на Московской области (ныне Дмитровский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана).
Энтузиастами нового направления в области технологии стали А. К. Добровольский, С. С. Леньков, И. М. Буланов, М. А. Комков, В. М. Кузнецов, Г. Е. Нехороших, В. А. Шишацкий. Методы расчета на прочность композитных конструкций студенты осваивали под руководством Н. А. Алфутова, П. А. Зиновьева, Б. Г. Попова, В. И. Усюкина. Особенности тепловых и теплопрочностных расчетов композитных конструкций освещались в лекциях В. С. Зарубина, В. Н. Елисеева, С. В. Резника. Под руководством Г. Б. Синярева получила развитие теория тепловых испытаний композитных конструкций, многие положения которой опирались на результаты экспериментов, проведенных на новых испытательных стендах в п. Орево.
Введение
Современная ракетно-космическая техника немыслима без полимерных композиционных материалов. При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Композиционные материалы соответствуют всем данным требованиям. Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике из-за их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах.
Понятие композиционных материалов и применение в ракетостроении
На сегодняшний день, композиты являются самыми популярными и часто применяемыми материалами в авиастроении и ракетостроении. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают
Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10…50% в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность. Созданы также композиционные материалы, в которых пластиковая (полимерная) основа армируется стеклянными, кевларовыми или углеродистыми нитями. Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике из-за их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах.
Снижение веса является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию. Типичными примерами такой конструкции являются жидкостная ракета-носитель «Атлас» и конструкция твердотопливной ракеты. Для «Атласа» была создана специальная монококовая оболочка с наддувом. Ракета с двигателем на твердом топливе получается посредством наматывания на оправку, имеющую форму твердотопливного заряда, стеклянной нити и пропитки намотанного слоя специальной смолой, которая отверждается после вулканизации. При такой технологии получается сразу и несущая оболочка летательного аппарата, и ракетный двигатель с соплом. При использовании современных композитных материалов были спроектированы возвращаемые космические аппараты с оболочкой конической формы, покрываемой слоем теплозащитного материала, который, испаряясь при высоких температурах, охлаждает конструкцию.
Еще один яркий пример использования композитных материалов -- орбитальный космический корабль «Шаттл», способный летать в атмосфере Земли с гиперзвуковыми скоростями (более 5 Мах или 6000 км/ч). Крылья аппарата имеют многолонжеронный каркас; усиленный монокок кабины экипажа, как и крылья, изготовлен из алюминиевого сплава. Двери грузового отсека выполнены из графито-эпоксидного композиционного материала. Теплозащиту аппарата обеспечивают несколько тысяч легких керамических плиток, которыми покрывают части поверхности, подверженные воздействию больших тепловых потоков.
Для космической станции «Альфа», созданной в соответствии с российско-американской программой, многие элементы конструкции изготавливались из композиционных материалов: высокопрочные штанги ферм, панели солнечных батарей, сосуды давления, «сухие» отсеки, рефлекторы и т. п.
Легкие сосуды и емкости, изго???ленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением, успешно применяются в ракетно-космической технике. Созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей, аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для летчиков и космонав???. Применение органо- и стекловолокон позволит создавать долговечные баллоны давления с высоким коэффициентом весового совершенства.
В настоящее время широко применяются в авиации и ракетостроении, углепластики, т.е. полимеры армированные углеродными волокнами.
Углеродные волокна и композиты из них имеют глубокий черныи? цвет и хорошо проводят электричество, что обеспечивает специальные электрофизические свойства (к примеру, для антенн радиолокаторов), а также требования по теплостойкости и теплопроводности.
Из углепластика делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самоле???, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и прочее. Кроме того, учитывая, что графит - это твердая смазка, из углепластика делают тормозные колодки и диски для скоростных самоле???, космических кораблей многоразового действия «Шаттл» и гоночных автомобилей. Зеркала антенных конструкций из углепластика найдут широкое применение для решения задач связи через спутники. Важно учесть, что их применение при массе до 15 кг обеспечит разрушающую нагрузку 900 кгс при сроке службы не менее 20 лет. Со???ые материалы (трехслойные) из углепластика в несущих элементах конструкций в сравнении с однослойными (монолитными) при заданных условиях эксплуатации и увеличении нагрузок при заданной массе элемента обеспечат: снижение массы элемента конструкции на 40...50 % и повышение его жесткости на 60...80 %; повышение надежности на 20...25 % и увеличение гарантийного срока на 60...70 % .
С 2008 года по настоящее время кафедру возглавляет Резник Сергей Васильевич , д. т. н., профессор, Почетный работник высшего профессионального образования РФ.
Одна из особенностей КМ заключается в том, что их нельзя рассматривать отдельно от конструкции и технологии производства. На современном этапе развития ракетно-космической техники выделяются несколько направлений, в которых применение КМ будет играть ключевую роль: развертываемые космические конструкции (антенны, энергетические установки, сооружения большого объема), головные обтекатели ракет, многоразовые космические аппараты, гиперзвуковые летательные аппараты с прямоточными воздушно-реактивными двигателями.
Новым словом в создании силовых космических конструкций стали сетчатые оболочки из КМ (рис. 3-6). Теория и технология производства таких конструкций развиваются в ЦНИИСМ под руководством чл.-корр. РАН В. В. Васильева, его коллег А. Ф. Разина, В. А. Бунакова и др.
Рис. 3 Композитный сетчатый отсек ракеты-носителя «Протон-М»
Рис. 4 Композитный сетчатый адаптер полезной нагрузки
Рис. 5 Композитная сетчатая несущая конструкция корпуса космического аппарата серии «Экспресс»
Рис. 6 Композитные сетчатые спицы развертываемой космической антенны
Объектами научных исследований профессоров А. М. Думанского, Г. В. Малышевой, П. В. Просунцова, С. В. Резника, М. Ю. Русина, Б. И. Семенова, О. В. Татарникова, В. П. Тимошенко являются узлы, агрегаты и отсеки искусственных спутников Земли, напланетных и орбитальных станций, космических антенн, многоразовых космических аппаратов туристического класса, разнообразных ракет, двигателей. Характерная особенность этих исследований - сочетание вычислительного и физического эксперимента (рис. 7-9).
Рис. 7 Сверхлегкие рефлекторы бортовых зеркальных космических антенн из углепластика
Рис. 8 Результаты математического моделирования температурного состояния рефлектора бортовой зеркальной космической антенны
Рис. 9 Студенческий проект многоразового космического аппарата «Сивка» (проект был инициирован первым ученым-космонавтом, профессором К. П. Феоктистовым и разрабатывался студентами кафедр СМ-1 и СМ-13)
В рамках НИР с ПАО «РКК «Энергия» им. С. П. Королева» с помощью программ конечно-элементного анализа пакета «CAR» были изучены температурные поля, напряжения и деформации в тонкостенных элементах композитной конструкции рефлектора антенны диаметром 14 м перспективного геостационарного спутника связи. Полученные результаты хорошо совпали с результатами независимых расчетов, проведенных итальянскими специалистами из фирмы Alenia Spazio, по вычислительным программам Европейского космического агентства ESATAN и EASARAD, а также с данными, полученными при тепловых испытаниях в Европейском центре космических исследований и технологий в г. Нордвейк, Нидерланды.
Среди успешно выполненных проектов - участие в проектировании и отладке испытательных стендов и установок в АО «ОНПП «Технология им. А. Г. Ромашина». По техническим заданиям ОАО «Композит» выполнен ряд НИР и ОКР по освоению технологий производства и комплексному исследованию характеристик углерод-керамических материалов. С 2011 г. несколько крупных проектов выполнены в содружестве НОЦ «Новые материалы, композиты и нанотехнологии» общим объемом около 300 млн. руб.
За 15 лет под научным руководством профессоров кафедры защищены 25 кандидатских и 3 докторских диссертации. Преподаватели, аспиранты и студенты кафедры были участниками НИР по 5 грантам РФФИ.
Ежегодно студенты кафедры представляют 12-15 докладов на конференции СНТО им. Н. Е. Жуковского.
Выпускники кафедры получают знания, умения и навыки, необходимые современному инженеру для проведения научных исследований и производства новой техники. Теоретический фундамент учебного процесса составляют дисциплины математического и естественно-научного цикла - высшая математика, химия, физика, теоретическая механика, термодинамика и теплопередача. Среди специальных дисциплин - «Основы физической химии композитов», «Строительная механика композитных конструкций», «Механика композитных сред», «Оптимизация композитных конструкций и технологий», «Основы ракетно-космической техники». Учебным планом предусмотрено изучение методов компьютерного проектирования, производства и испытания композитных конструкций с различным сочетанием наполнителей и матриц. В последние годы в учебный план включены новые дисциплины: «Наноинженерия космических аппаратов», «Методы формирования инновационной среды», «Техническая подготовка космических экспедиций», «Техника многоразовых космических аппаратов», которых нет ни в одном вузе России.
В демонстрационном зале собраны уникальные образцы материалов и натурных конструкций (элемент кромки крыла корабля «Буран», носовой обтекатель КА «Бор», сетчатые адаптеры ракеты-носителя «Протон», трубопроводы для подачи компонентов ракетных топлив, баллоны для сжатого газа, головные обтекатели ракет С-300, Х-35, сопловые блоки, ремонтные клеевые комплекты и др.). На кафедре создан Центр информационных технологий проектирования, оснащенный современной вычислительной техникой.
На кафедре обучаются студенты из Беларуси, Болгарии, Вьетнама, Индии, Италии, Казахстана, Китая, Кореи, Мьянмы, Словакии, Франции, аспиранты из Беларуси, Вьетнама, Казахстана, Китая, Мьянмы. Установлены связи с рядом зарубежных вузов: Люблянским университетом (Словения), Университетом Глиндора (Рексэм, Великобритания), Эколь Политехник, (Леон, Франция), Пекинским технологическим институтом (университетом), Харбинским политехничес¬ким университетом (Китай), Национальным аэрокосмическим университетом им. Н. Е. Жуковского (ХАИ), Харьков, Украина и др. Плодотворные партнерские отношения поддерживаются с Институтом тепломассобмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, Минск.
Сотрудники кафедры - организаторы международных научных конференций и симпозиумов: «Материалы и покрытия в экстремальных условиях» (совместно с ИПМ им. И. Н. Францевича НАН Украины, п. Кацивели, Крым, 6 конференций в 2002–2012 гг. г.), «Перспективные композиционные материалы и технологии аэрокосмического назначения» (г. Рексэм, Уэльс, Великобритания, ежегодно в 2011–2015 гг. г.), «Передовые технические системы и технологии» (г. Севастополь, ежегодно с 2005 г.), «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (г. Москва, 5 конференций в 1998–2018 гг. г.).
В рамках международного проекта INTAS 00-0652 в 2000–2005 гг. проведены совместные исследования со специалистами Беларуси, Германии, Испании и Франции в области теплозащитных материалов для перспективных многоразовых космических аппаратов, результаты которых имеют мировой уровень.