Departamentul a fost organizat în 2002-2008. LED Bulanov Igor Mihailovici(1941–2008), prorector al Universității Tehnice de Stat din Moscova numită după N. E. Bauman, doctor în științe tehnice, profesor, laureat al Premiului Guvernului Federației Ruse, lucrător de onoare al superioarelor învăţământul profesional Federația Rusă, membru cu drepturi depline al Academiei Ruse de Științe Naturale și al Academiei Ruse de Cosmonautică. K. E. Ciolkovski. Din 2008 până în prezent, departamentul este condus de Reznik Serghei Vasilievici, doctor în științe tehnice, profesor, lucrător de onoare al învățământului profesional superior al Federației Ruse.

Departamentul a fost organizat în anul 2002 pentru formarea de specialiști în domeniul proiectării, producției și testării rachetelor și navelor spațiale, cu o largă utilizare. materiale compozite(KM), capabil să lucreze în cele mai dificile condiții (extrem de mare / temperaturi scăzute, vid, presiuni mari, medii chimic active, fluxuri de particule erozive etc.).

Formarea și dezvoltarea școlii științifice a MSTU. N. E. Bauman în domeniul navelor spațiale este indisolubil legat de istoria dezvoltării rachetelor și a tehnologiei spațiale. Paginile strălucitoare ale acestei istorii sunt rezultatul cooperării strânse dintre lucrătorii din industrie, științe academice și învățământul superior, dintre care mulți au absolvit universitatea noastră. O caracteristică a școlii științifice este o combinație de cercetare avansată în domeniul mecanicii, fizicii termice, știința materialelor și cele mai noi tehnologii.

La sfârșitul anilor 1940, proiectanții primelor rachete balistice ghidate interne cu rază lungă de acțiune (URBRDD), conduși de S.P. Korolev, s-au confruntat cu problema protecției termice a focoaselor de rachetă împotriva încălzirii aerodinamice în timpul intrării în atmosferă. Absolvenții MVTU-i. N. E. Bauman - angajații NII-88 V. N. Iordansky, G. G. Konradi, împreună cu colegii de știință în materie de materiale de la OKB-1 (A. A. Severov și alții) și VIAM (A. T. Tumanov și alții .) au rezolvat pentru prima dată în lume această problemă prin aplicarea o acoperire ablativă de polimer KM (asboplastic) pe capul rachetei R-5 (8K51). Această abordare a depășirii „barierei termice” a fost ulterior implementată cu succes în proiectele vehiculelor de coborâre ale navelor spațiale cu echipaj „Vostok”, „Voskhod”, „Soyuz”, nave spațiale automate (SC) de tip „Zenith”, „Zond”. „, „Venus” și Marte, a devenit soluția de bază pentru aplicații similare în motoarele de rachete cu combustibil solid și centralele electrice. Un studiu profund al problemelor protecției termice cu utilizarea CM a fost reflectat în lucrările profesorilor universității noastre I. S. Epifanovskiy, V. V. Gorsky, D. S. Mikhatulin, Corr. RAS Yu. V. Polezhaeva, acad. RAS S. T. Surzhikova.

În anii 1960-1980, URSS a rezolvat problemele de complexitate fără precedent în crearea sistemelor de rachete mobile și siloz cu UBRDD cu combustibil solid. Era nevoie să se dezvolte propulsoare solide mixte compozite și tehnologii pentru înfășurarea carcasei cilindrice de dimensiuni mari ale carcasei unui motor rachetă din fibră de sticlă, iar mai târziu carcase de tip „cocon” din organoplastic. Printre pionierii în această direcție se numără proiectantul șef al OKB-1, academicianul S.P. Korolev, care a inițiat proiectarea rachetelor 8K95 și 8K98, și Yu. A. Pobedonostsev, un cunoscut om de știință în domeniul rachetelor cu combustibil solid. Sub îndrumarea unui absolvent al Universității Tehnice de Stat din Moscova. N. E. Bauman, proiectant-șef al TsKB-7 (KB Arsenal) P. A. Tyurin, la începutul anilor 1960, a fost proiectat primul sistem mobil de rachete RT-15 cu o rachetă cu rază medie 8K96, o rachetă balistică intercontinentală 8K98P, care era în serviciu de luptă , a fost dezvoltat în cadrul Forțelor strategice de rachete în 1971–1994 (Fig. 1).

Orez. 1. Prima rachetă balistică intercontinentală internă pe combustibil solid 8K98P constă în 90% din compozite (motoare, focos, combustibili mixți). Racheta a fost creată sub îndrumarea absolvenților MVTU. N. E. Bauman - S. P. Korolev și P. A. Tyurin. Muzeul OAO Motovilikhinskiye Zavody, Perm

O contribuție remarcabilă la crearea sistemelor moderne de rachete RT-2PM „Topol” și RT-2PM2 „Topol-M” a fost făcută de designerii generali ai MIT B. N. Lagutin și Yu. S. Solomonov. LA anul trecut MIT a creat cele mai recente rachete balistice intercontinentale ale complexelor Yars și R-30 Bulava.

O parte integrantă a sistemelor mobile de rachete „Temp-2S”, „Pioneer”, „Topol” și altele au devenit containere de transport și lansare din CM (Fig. 2). În cercetarea și implementarea tehnologiilor de înfășurare a carcasei compozite ale carcasei motoarelor de rachetă și a containerelor de transport și lansare, rolul unui student al Universității Tehnice de Stat din Moscova, numit după V.I. N. E. Bauman proiectant-șef și director al TsNIISM, membru corespondent. RAS V. D. Protasov, colegii și adepții săi V. I. Smyslov, V. A. Barynin, A. A. Kulkov, A. B. Mitkevich și alții.

Orez. 2. Sistem mobil de rachete sol „Topol-M” cu o rachetă 15Zh55: racheta și containerul de transport și lansare sunt realizate din compozite

Datorită amplorii opiniilor unui număr de oameni de știință și educatori proeminenți, cum ar fi V.I. Feodosyev și E.A. N. E. Bauman la departamentele M-1 (acum SM-1) și M-8 (acum SM-12) au fost susținute cursuri de pregătire care reflectă specificul proiectării, producției și testării structurilor compozite. În 1986, Colegiul Ministerului Ingineriei Mecanice Generale al URSS a decis oportunitatea deschiderii unei noi specialități „Proiectare și producție de produse din materiale compozite” la Școala Tehnică Superioară din Moscova. S-a organizat recrutarea nu a unuia, ci a trei grupuri de studenți deodată. O atenție considerabilă a fost acordată creării unei baze moderne de testare în Centrul Educațional și Experimental din satul Orevo, districtul Dmitrovsky, regiunea Moscova (acum filiala Dmitrovsky a Universității Tehnice de Stat N.E. Bauman Moscova).

A. K. Dobrovolsky, S. S. Lenkov, I. M. Bulanov, M. A. Komkov, V. M. Kuznetsov, G. E. Nekhoroshikh, V. A. Shishatsky au devenit entuziaști ai unei noi direcții în domeniul tehnologiei. Elevii au stăpânit metodele de calcul a rezistenței structurilor compozite sub îndrumarea lui N. A. Alfutov, P. A. Zinoviev, B. G. Popov, V. I. Usyukin. Caracteristicile calculelor termice și de rezistență la căldură ale structurilor compozite au fost abordate în prelegerile lui V. S. Zarubin, V. N. Eliseev, S. V. Reznik. Sub conducerea lui G. B. Sinyarev, a fost dezvoltată teoria testării termice a structurilor compozite, multe dintre prevederile care s-au bazat pe rezultatele experimentelor efectuate pe noi bancuri de testare în satul Orevo.

Din 2008 până în prezent, departamentul este condus de Reznik Serghei Vasilievici, doctor în științe tehnice, profesor, lucrător de onoare al învățământului profesional superior al Federației Ruse.

Una dintre caracteristicile CM este că nu pot fi considerate separat de tehnologia de proiectare și producție. În stadiul actual de dezvoltare a rachetelor și a tehnologiei spațiale, există mai multe domenii în care va juca utilizarea navelor spațiale Rol cheie: structuri spațiale desfășurabile (antene, centrale electrice, structuri de volum mare), carenaje pentru rachete, reutilizabile nava spatiala, aeronave hipersonice cu motoare ramjet.

Învelișurile din plasă din CM au devenit un cuvânt nou în crearea structurilor spațiale portante (Fig. 3-6). Teoria și tehnologia pentru producerea unor astfel de structuri sunt dezvoltate la TsNIISM sub îndrumarea lui Corr. RAS V. V. Vasiliev, colegii săi A. F. Razin, V. A. Bunakov și alții.

Orez. 3 Compartiment din plasă compozită al vehiculului de lansare Proton-M

Orez. 4 Adaptor de sarcină utilă cu plasă compozită

Orez. 5 Plasă compozită Structură de bază carcasele navei spațiale din seria „Express”.

Orez. 6 spițe din plasă compozită ale unei antene spațiale desfășurate

Obiecte cercetare științifică profesorii A. M. Dumansky, G. V. Malysheva, P. V. Prosuntsov, S. V. Reznik, M. Yu. Rusin, B. I. Semenov, O. V. Tatarnikov, V. P. Timoshenko sunt noduri , unități și compartimente de sateliți artificiali ai Pământului, stații turistice planetare și orbitale, stații de antenă spațială reactivabile de clasă spațială nave spațiale, diverse rachete, motoare. O trăsătură caracteristică a acestor studii este combinația dintre experimentul computațional și fizic (Fig. 7-9).

Orez. 7 reflectoare ultraușoare ale antenelor spațiale din oglindă de bord din fibră de carbon

Orez. 8 Rezultatele modelării matematice a stării de temperatură a reflectorului antenei spațiale reflectorului de bord

Orez. 9 Proiect studentesc al navei spațiale reutilizabile „Sivka” (proiectul a fost inițiat de primul om de știință-cosmonaut, profesorul K. P. Feoktistov și a fost dezvoltat de studenții departamentelor SM-1 și SM-13)

În cadrul cercetării și dezvoltării cu PJSC RSC Energia im. S.P. Korolev” cu ajutorul programelor de analiză cu elemente finite ale pachetului „CAR”, au fost câmpuri de temperatură, tensiuni și deformații în elemente cu pereți subțiri ale structurii compozite a reflectorului antenei cu diametrul de 14 m a unui satelit de comunicații geostaționar promițător. studiat. Rezultatele obținute sunt în bună concordanță cu rezultatele calculelor independente efectuate de specialiștii italieni de la Alenia Spazio folosind programele de calculator ale Agenției Spațiale Europene ESATAN și EASARAD, precum și cu datele obținute în timpul testelor termice la Centrul European de Cercetare și Tehnologie Spațială. în Noordwijk, Olanda.

Printre proiectele finalizate cu succes se numără participarea la proiectarea și depanarea bancurilor de testare și a instalațiilor de la ONPP Tekhnologiya im. A. G. Romashina. Conform mandatului OJSC „Compozit”, au fost efectuate o serie de lucrări de cercetare și dezvoltare pentru a stăpâni tehnologiile de producție și studiul cuprinzător al caracteristicilor materialelor carbon-ceramice. Din 2011 mai multe proiecte majore realizat în comunitatea REC „Noi materiale, compozite și nanotehnologii” cu un volum total de aproximativ 300 de milioane de ruble.

Timp de 15 ani, sub îndrumarea științifică a profesorilor catedrei, au fost susținute 25 de teze de candidat și 3 de doctorat. Profesori, absolvenți și studenți ai catedrei au participat la cercetare în cadrul a 5 granturi RFBR.

În fiecare an, studenții catedrei prezintă 12-15 rapoarte la conferința SNTO numită după. N. E. Jukovski.

Absolvenții departamentului primesc cunoștințele, abilitățile și abilitățile necesare unui inginer modern pentru a efectua cercetări științifice și a produce noi tehnologii. Fundamentul teoretic proces educațional constituie disciplinele ciclului de matematică și științe naturale - matematică superioară, chimie, fizică, mecanică teoretică, termodinamica si transferul de caldura. Printre disciplinele speciale se numără „Fundamentele chimiei fizice a compozitelor”, „Mecanica construcției structurilor compozite”, „Mecanica mediilor compozite”, „Optimizarea structurilor și tehnologiilor compozite”, „Fundamentele tehnologiei rachetelor și spațiale”. Curriculumul prevede studiul metodelor de proiectare asistată de calculator, producție și testare a structurilor compozite cu combinație diferită umpluturi și matrice. În ultimii ani, noi discipline au fost incluse în curriculum: „Nanoingineria navelor spațiale”, „Metode pentru formarea unui mediu inovator”, „ Antrenament tehnic expediții spațiale”, „Tehnologia navelor spațiale reutilizabile”, care nu sunt disponibile în nicio universitate din Rusia.

Showroom-ul conține mostre unice de materiale și structuri la scară reală (elementul marginii aripii navei spațiale Buran, carenarea nasului navei spațiale Bor, adaptoare de plasă ale vehiculului de lansare Proton, conducte pentru alimentarea componentelor de propulsie, butelii de gaz comprimat, carenaje cu nas de rachetă S-300, X-35, blocuri de duze, truse de reparații adezive etc.). Departamentul a înființat un Centru de Proiectare Tehnologia Informației, dotat cu calculatoare moderne.

La departament studiază studenți din Belarus, Bulgaria, Vietnam, India, Italia, Kazahstan, China, Coreea, Myanmar, Slovacia, Franța, absolvenți din Belarus, Vietnam, Kazahstan, China, Myanmar. Au fost stabilite relații cu o serie de universități străine: Universitatea din Ljubljana (Slovenia), Universitatea din Glyndora (Wrexham, Marea Britanie), Ecole Polytechnic (Leon, Franța), Institutul de Tehnologie din Beijing (Universitatea), Harbin Universitatea Politehnică (China), Universitatea Națională Aerospațială numită după . N. E. Jukovski (KhAI), Harkiv, Ucraina etc. Se mențin parteneriate fructuoase cu Institutul de transfer de căldură și masă. A. V. Lykova Academia Națională de Științe din Belarus, Minsk.

Personalul departamentului este organizatorul unor conferințe și simpozioane științifice internaționale: „Materiale și acoperiri în condiții extreme” (împreună cu I. N. Frantsevich IPM al Academiei Naționale de Științe a Ucrainei, Katsiveli, Crimeea, 6 conferințe în 2002–2012), Materiale compozite avansate și tehnologii aerospațiale (Wrexham, Țara Galilor, Regatul Unit, anual în 2011–2015), avansat sisteme tehnice and Technology” (Sevastopol, anual din 2005), „Rocket and Space Technology: Fundamental and Applied Problems” (Moscova, 5 conferințe în 1998–2018).

În cadrul proiectului internațional INTAS 00-0652 în 2000–2005. a efectuat cercetări în comun cu specialiști din Belarus, Germania, Spania și Franța în domeniul materialelor de protecție termică pentru nave spațiale reutilizabile promițătoare, ale căror rezultate sunt de clasă mondială.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://allbest.ru

Raport

Materiale compozite în aeronave

Introducere

Tehnologia modernă a rachetelor și a spațiului este de neconceput fără materiale compozite polimerice. La dezvoltarea instrumentelor de explorare a spațiului, sunt necesare materiale noi care trebuie să reziste la sarcinile zborurilor spațiale (temperaturi și presiuni ridicate, sarcini vibraționale în stadiul de lansare, temperaturi scăzute ale spațiului, vid profund, expunere la radiații, expunere la microparticule etc.), având aceasta este o greutate destul de mică. Materialele compozite îndeplinesc toate aceste cerințe. Materialele compozite sunt utilizate pe scară largă în ingineria aeronautică și spațială datorită greutății și caracteristicilor mecanice bune, care fac posibilă crearea de structuri ușoare și puternice care funcționează la temperaturi ridicate.

1. Conceptul de materiale compozite și aplicarea în știința rachetelor

Astăzi, compozitele sunt cele mai populare și utilizate materiale în avioane și rachete. Multe dintre aceste materiale sunt mai ușoare și mai rezistente decât cele mai potrivite proprietăți fizice aliaje metalice (aluminiu și titan). În majoritatea compozitelor (cu excepția celor stratificate), componentele pot fi împărțite într-o matrice (sau liant) și elemente de armare (sau umpluturi) incluse în aceasta. În compozitele pentru scopuri structurale, elementele de armare asigură de obicei caracteristicile mecanice necesare ale materialului (rezistență, rigiditate etc.), iar matricea asigură munca în comun elemente de ranforsare si protejarea acestora de deteriorarea mecanica si mediul chimic agresiv. Atunci când elementele de armare și o matrice sunt combinate, se formează o compoziție care are un set de proprietăți care reflectă nu numai caracteristicile inițiale ale componentelor sale, ci și proprietăți noi pe care componentele individuale nu le posedă.

Utilizarea materialelor compozite face posibilă reducerea greutății unui produs (rachetă, navă spațială) cu 10...50%, în funcție de tipul de structură, și, în consecință, reducerea consumului de combustibil, sporind în același timp fiabilitatea. Au fost create și materiale compozite în care baza din plastic (polimer) este întărită cu fire de sticlă, Kevlar sau carbon. Materialele compozite sunt utilizate pe scară largă în ingineria aeronautică și spațială datorită greutății și caracteristicilor mecanice bune, care fac posibilă crearea de structuri ușoare și puternice care funcționează la temperaturi ridicate.

Reducerea greutății este o prioritate de top în proiectarea navelor spațiale. Multe progrese în domeniul scoicilor cu pereți subțiri își datorează originea acestei cerințe. Exemple tipice cu un astfel de design sunt vehiculul de lansare cu propulsor lichid Atlas și designul rachetei cu propulsor solid. O carcasă monococă supraalimentată specială a fost creată pentru Atlas. O rachetă cu un motor cu propulsor solid este obținută prin înfășurarea unui fir de sticlă în jurul unui dorn sub forma unei încărcături de propulsor solid și impregnarea stratului de rană cu o rășină specială, care se întărește după vulcanizare. Cu această tehnologie, atât carcasa de transport a aeronavei, cât și motorul rachetei cu o duză sunt obținute simultan. Cu ajutorul materialelor compozite moderne, navele spațiale returnabile au fost proiectate cu o carcasă în formă de con acoperită cu un strat de material de protecție termică, care, evaporându-se la temperaturi mari, raceste structura.

Un alt exemplu izbitor de utilizare a materialelor compozite este nava spațială orbitală Shuttle capabilă să zboare în atmosfera Pământului la viteze hipersonice (mai mult de 5 Mach sau 6000 km/h). Aripile aparatului au un cadru multi-spar; cockpit monococă ranforsat, ca aripi, din aliaj de aluminiu. Ușile compartimentului de marfă sunt realizate din material compozit grafit-epoxi. Protecția termică a aparatului este asigurată de câteva mii de plămâni. placi ceramice, care acoperă părți ale suprafeței expuse la fluxuri mari de căldură.

Pentru statie spatiala„Alpha”, creat în conformitate cu programul ruso-american, multe elemente structurale au fost realizate din materiale compozite: tije de înaltă rezistență, panouri solare, vase sub presiune, compartimente „uscate”, reflectoare etc.

Vasele ușoare și containerele realizate din materiale compozite polimerice și care funcționează sub presiune sunt utilizate cu succes în tehnologia rachetelor și spațiale. Au fost create și sunt folosite rezervoare de combustibil, baloane, carcase pentru motorul rachetelor, acumulatoare de presiune, cilindri de respirație pentru piloți și astronauți. Utilizarea fibrelor organice și de sticlă va face posibilă crearea de cilindri de presiune durabili, cu un coeficient ridicat de perfecțiune a greutății.

În prezent, materialele plastice armate cu fibră de carbon, adică, sunt utilizate pe scară largă în aviație și rachetă. polimeri întăriți cu fibre de carbon.

Fibrele de carbon și compozitele lor au negru adânc? colorează și conduc bine electricitatea, ceea ce oferă proprietăți electrofizice speciale (de exemplu, pentru antenele radar), precum și cerințe pentru rezistența la căldură și conductivitatea termică.

CFRP este utilizat pentru a face carenaje pentru rachete, componente de aeronave de mare viteză supuse la sarcini aerodinamice maxime, duze pentru motorul rachetei și așa mai departe. În plus, având în vedere că grafitul este un lubrifiant solid, fibra de carbon este folosită la fabricarea plăcuțelor și discurilor de frână pentru avioane de mare viteză, navete spațiale și mașini de curse. Oglinzile structurilor de antenă din fibră de carbon vor găsi aplicare largă pentru rezolvarea problemelor de comunicare prin sateliți. Este important să țineți cont de faptul că utilizarea lor cu o masă de până la 15 kg va asigura o sarcină de rupere de 900 kgf cu o durată de viață de cel puțin 20 de ani. Materialele compozite (cu trei straturi) realizate din fibră de carbon în elementele structurale portante în comparație cu un singur strat (monolitic) în condiții de funcționare date și sarcinile crescute pentru o anumită masă a elementului vor asigura: o reducere a masei unui element structural cu 40 ... 50% și o creștere a rigidității sale cu 60...80%; cresterea fiabilitatii cu 20...25% si cresterea perioada de garantie cu 60...70%.

2. Aplicarea nanotehnologiei în dezvoltarea materialelor compozite

NASA și Centrul Spațial Johnson au întocmit un acord privind dezvoltarea și aplicarea în comun a tehnologiilor înalte și, în special, a nanotehnologiei pentru explorarea spațiului. NASA intenționează să simplifice retragerea vehiculelor spațiale ??? pe orbită folosind un ascensor spațial bazat pe nanotuburi.

Nanotuburile se caracterizează printr-o rigiditate ridicată și, prin urmare, materialele bazate pe acestea pot înlocui majoritatea aerospațiale moderne materiale de construcție. Compozitele bazate pe nanotuburi vor reduce greutatea vehiculelor spațiale moderne??? aproape dublu.

Cercetătorii NASA și LiftPort Inc. oferă pentru a simplifica ieșirea de obiecte mari ??? pe orbită folosind ceea ce ei numesc „liftul spațial”. Un ascensor spațial este o panglică, al cărei capăt este atașat de suprafața Pământului, iar celălalt se află pe orbita Pământului în spațiu (la o altitudine de 100.000 km). Atracția gravitațională a capătului inferior al benzii este compensată de forța cauzată de accelerația centripetă a capătului superior, iar banda este în permanență în stare încordată.

Variind lungimea panglicii, pot fi realizate diferite orbite. Capsulă spațială care conține util? sarcina se va deplasa de-a lungul centurii. La stația finală, dacă este necesar, capsula este deconectată de la lift și merge în spațiul cosmic.

Viteza capsulei în acest caz va fi de 11 km/s. Această viteză va fi suficientă pentru a începe o călătorie către Marte și alte planete. Pe baza celor de mai sus, ajungem la concluzia că costul lansării capsulei va fi abia la începutul călătoriei sale pe orbită. Coborârea se va face în ordine inversă - la sfârșitul coborârii, capsula va fi accelerată de câmpul gravitațional al Pământului.

Nanotuburile de carbon cu un singur perete, inventate în 1991, sunt suficient de puternice pentru a forma baza unei centuri de lift.

Sunt de 100 de ori mai rezistente decât oțelul și teoretic de 3-5 ori mai rezistente decât ceea ce este necesar pentru a construi un lift.

O bandă formată din nanotuburi de 1 m lungime și 5 cm lățime are o rezistență ridicată. Raportul rezistență/greutate al materialului curelei este mai mare decât cel al oțelului întărit.

Nanotuburile vor fi, de asemenea, foarte utile în dezvoltarea dispozitivelor nanoelectronice, a computerelor super-puternice și a dispozitivelor de memorie.

3.Materiale compozite cu auto-vindecare

material structural compozit pentru rachete

Experimental? structural? material pentru nave spațiale vor dubla durata de viață a carcasei lor. Fisurile și adânciturile mici vor fi umplute imediat cu un compus special cu întărire rapidă, fără a provoca o reducere a rezistenței structurale.

Corpuri de nave spatiale??? expus constant la temperaturi extreme. Razele soarelui pot încălzi suprafața până la 100°C sau mai mult. Odată ajuns în umbra pământului, aparatul începe să se răcească rapid. Chiar și simpla rotație duce la fluctuații constante de temperatură pe suprafața dispozitivului.

Fluctuațiile constante de temperatură generează tensiuni în materialul carcasei și duc la apariția microfisurilor.

Un alt mecanism de eroziune cosmică este impactul micrometeorului???. Nu vorbim despre obiecte capabile să provoace daune grave - acestea sunt extrem de rare. Dar, în același timp, particulele de praf cosmic și particulele de resturi spațiale mai mici de un milimetru sunt destul de numeroase și, la viteze de zeci de kilometri pe secundă, provoacă degradarea treptată a structurilor.

Nou material dezvoltat? în Agenția Spațială Europeană, a crescut rezistența la factorii de eroziune a spațiului datorită capacității de a se auto-repara atunci când este deteriorat. Când l-au creat, dezvoltatorii s-au inspirat de capacitatea țesuturilor vii de a vindeca singure răni mici, datorită efectului coagulării sângelui.

Adevărat, coagularea sângelui are loc sub influența aerului, așa că a trebuit să se folosească o abordare ușor diferită pentru tehnologia spațială. Multe dintre cele mai subțiri vase de sticlă cu un diametru exterior de 60 de microni și un diametru interior de 30 de microni au fost introduse în materialul compozit.Vasele au fost umplute cu două lichide, care, ca și componentele rășină epoxidică, se întăresc rapid la amestecare. Când apare o fisură, vasele de sticlă se sparg și lichidele pe care le conțin umplu fisura. Viteza procesului este de așa natură încât lichidele nu au timp să se evapore în vidul spațiului. Astfel, propagarea ulterioară a fisurii este imediat oprită - un proces care provoacă mult mai multe daune decât fisura în sine.

Mostre din noul material au trecut cu succes primele teste într-o cameră de vid. Mai sunt în continuare numeroase teste, în primul rând pentru rezistență și stabilitate termică. Astfel încât aplicație practică Materialele de auto-vindecare din navele spațiale pot fi așteptate nu mai devreme de zece ani de acum încolo. Cu toate acestea, ESA crede deja acest lucru material nou va permite o dublare a timpului de funcționare a acelor vehicule spațiale, pentru care eroziunea este un factor limitativ.

Concluzie

După cum arată practica, materialele compozite, în ciuda costului ridicat și complexității lor în producție, pot deveni cele mai utilizate și mai convenabile materiale pentru aplicare corectă. Materialele compozite oferă structuri cu rezistență ridicată și rezistență la uzură, precum și greutate redusă a structurii, care este vitală în proiectarea aeronavelor și a navelor spațiale. În plus, materialele compozite nu sunt utilizate cu mai puțin succes în alte domenii, de la inginerie mecanică la medicină. De asemenea, se deschid perspective largi în crearea de noi materiale compozite, cu proprietăți unice care va deschide noi orizonturi în multe domenii ale activității umane.

Bibliografie

1. Carte de referință pe materiale compozite: în 2 cărți. Cartea 2 Ed. J. Lubina. - M.: Inginerie, 1988

2. Zuev N.I., Golikovskaya K.F. - Jurnalul „Procedurile Centrului Științific Samara al Academiei Ruse de Științe” Numărul nr. 4-2 / ​​​​Volumul 14 / 2012

3. Jurnalul „Probleme actuale ale aviației și astronauticii” Numărul nr. 6 / volumul 1 / 2010

4. Materiale compozite în ingineria rachetelor și a aparatelor spațiale Ed. Gardymova G.P. - Sankt Petersburg: SpetsLit, 1999

Găzduit pe Allbest.ru

Documente similare

Varietate de materiale spațiale. O nouă clasă de materiale structurale - compuși intermetalici. Spațiul și nanotehnologia, rolul nanotuburilor în structura materialelor. Materiale spațiale cu autovindecare. Utilizarea compozitelor spațiale „inteligente”.

raport, adaugat 26.09.2009


Informatii generale despre materialele compozite. Proprietățile materialelor compozite precum sibunit. O gamă de materiale carbonice poroase. Materiale de ecranare și absorbante radio. Ceramica fosfat-calcică este un biopolimer pentru regenerarea țesutului osos.

rezumat, adăugat 13.05.2011


Tipuri de materiale compozite: cu metal si matrice nemetalica, lor Caracteristici comparativeși specificul aplicației. Clasificarea, tipurile de materiale compozite și determinarea eficienței economice a fiecăruia dintre acestea.

rezumat, adăugat la 01.04.2011


Clasificarea materialelor compozite, caracteristicile și proprietățile lor geometrice. Utilizarea metalelor și aliajelor acestora, polimeri, materiale ceramice ca matrici. Caracteristici ale metalurgiei pulberilor, proprietăți și aplicarea magnetodielectricilor.

prezentare, adaugat 14.10.2013


Conceptul de materiale compozite polimerice. cerințe pentru ei. Utilizarea compozitelor în producția de avioane și rachete, utilizarea fibrei de sticlă din poliester în industria auto. Metode de obținere a produselor din spume rigide.

rezumat, adăugat 25.03.2010


Materiale normative pentru reglementarea muncii, aplicarea acestora. Esența, varietatea, cerințele, dezvoltarea materialelor de reglementare. Prevederi metodologice pentru elaborarea materialelor de reglementare. Standarde din industrie. Clasificarea standardelor muncii.

rezumat, adăugat 05.10.2008


Producerea produselor din materiale compozite. Procese tehnologice pregătitoare. Calculul cantității de material de armare. Selectarea, pregătirea pentru lucru a echipamentelor tehnologice. Modelarea si calculul timpului piesei, turnarea structurii.

lucrare de termen, adăugată 26.10.2016


Dezvoltarea principiilor și tehnologiilor de prelucrare cu laser a materialelor compozite polimerice. Investigarea unui eșantion de instalație laser bazată pe un laser cu fibră pentru testarea tehnologiilor pentru materiale de tăiat cu laser. Compoziția echipamentului, selecția emițătorului.

lucrare de termen, adăugată 10.12.2013


Tehnologia instalarii sistemelor si echipamentelor sanitare. Productie de unitati din tevi termoplastice, otel si fonta. Compoziția, structura și proprietățile materialelor compozite. Montaj canalizare, retele de consum gaz intra-sfert si curte.

teză, adăugată 18.01.2014


Structura materialelor compozite. Caracteristicile și proprietățile sistemului de aliaje întărite cu dispersie. Domeniul de aplicare al materialelor armate cu fibre. Rezistența pe termen lung a CM armată cu particule de diferite geometrii, aliaje de nichel îmbătrânite.

Departamentul a fost organizat în 2002-2008. LED Bulanov Igor Mihailovici(1941–2008), prorector al Universității Tehnice de Stat din Moscova numită după N. E. Bauman, doctor în științe tehnice, profesor, laureat al Premiului Guvernului Federației Ruse, lucrător de onoare al învățământului profesional superior al Federației Ruse, membru titular al Academiei Ruse de Științe Naturale și al Academiei Ruse de Cosmonautică. K. E. Ciolkovski. Din 2008 până în prezent, departamentul este condus de Reznik Serghei Vasilievici, doctor în științe tehnice, profesor, lucrător de onoare al învățământului profesional superior al Federației Ruse.

Departamentul a fost organizat în anul 2002 pentru a pregăti specialişti în domeniul proiectării, producţiei şi testării rachetelor şi navelor spaţiale, cu utilizarea pe scară largă a materialelor compozite (CM) capabile să funcţioneze în cele mai dificile condiţii (temperaturi extrem de ridicate/scăzute, vid, presiuni mari, medii chimic active), fluxuri de particule erozive etc.).

Formarea și dezvoltarea școlii științifice a MSTU. N. E. Bauman în domeniul navelor spațiale este indisolubil legat de istoria dezvoltării rachetelor și a tehnologiei spațiale. Paginile strălucitoare ale acestei istorii sunt rezultatul cooperării strânse dintre lucrătorii din industrie, științe academice și învățământul superior, dintre care mulți au absolvit universitatea noastră. O caracteristică a școlii științifice este o combinație de cercetare avansată în domeniul mecanicii, fizicii termice, știința materialelor și cele mai noi tehnologii.

La sfârșitul anilor 1940, proiectanții primelor rachete balistice ghidate interne cu rază lungă de acțiune (URBRDD), conduși de S.P. Korolev, s-au confruntat cu problema protecției termice a focoaselor de rachetă împotriva încălzirii aerodinamice în timpul intrării în atmosferă. Absolvenții MVTU-i. N. E. Bauman - angajații NII-88 V. N. Iordansky, G. G. Konradi, împreună cu colegii de știință în materie de materiale de la OKB-1 (A. A. Severov și alții) și VIAM (A. T. Tumanov și alții .) au rezolvat pentru prima dată în lume această problemă prin aplicarea o acoperire ablativă de polimer KM (asboplastic) pe capul rachetei R-5 (8K51). Această abordare a depășirii „barierei termice” a fost ulterior implementată cu succes în proiectele vehiculelor de coborâre ale navelor spațiale cu echipaj „Vostok”, „Voskhod”, „Soyuz”, nave spațiale automate (SC) de tip „Zenith”, „Zond”. „, „Venus” și Marte, a devenit soluția de bază pentru aplicații similare în motoarele de rachete cu combustibil solid și centralele electrice. Un studiu profund al problemelor protecției termice cu utilizarea CM a fost reflectat în lucrările profesorilor universității noastre I. S. Epifanovskiy, V. V. Gorsky, D. S. Mikhatulin, Corr. RAS Yu. V. Polezhaeva, acad. RAS S. T. Surzhikova.

În anii 1960-1980, URSS a rezolvat problemele de complexitate fără precedent în crearea sistemelor de rachete mobile și siloz cu UBRDD cu combustibil solid. Era nevoie să se dezvolte propulsoare solide mixte compozite și tehnologii pentru înfășurarea carcasei cilindrice de dimensiuni mari ale carcasei unui motor rachetă din fibră de sticlă, iar mai târziu carcase de tip „cocon” din organoplastic. Printre pionierii în această direcție se numără proiectantul șef al OKB-1, academicianul S.P. Korolev, care a inițiat proiectarea rachetelor 8K95 și 8K98, și Yu. A. Pobedonostsev, un cunoscut om de știință în domeniul rachetelor cu combustibil solid. Sub îndrumarea unui absolvent al Universității Tehnice de Stat din Moscova. N. E. Bauman, proiectant-șef al TsKB-7 (KB Arsenal) P. A. Tyurin, la începutul anilor 1960, a fost proiectat primul sistem mobil de rachete RT-15 cu o rachetă cu rază medie 8K96, o rachetă balistică intercontinentală 8K98P, care era în serviciu de luptă , a fost dezvoltat în cadrul Forțelor strategice de rachete în 1971–1994 (Fig. 1).

Orez. 1. Prima rachetă balistică intercontinentală internă pe combustibil solid 8K98P constă în 90% din compozite (motoare, focos, combustibili mixți). Racheta a fost creată sub îndrumarea absolvenților MVTU. N. E. Bauman - S. P. Korolev și P. A. Tyurin. Muzeul OAO Motovilikhinskiye Zavody, Perm

O contribuție remarcabilă la crearea sistemelor moderne de rachete RT-2PM „Topol” și RT-2PM2 „Topol-M” a fost făcută de designerii generali ai MIT B. N. Lagutin și Yu. S. Solomonov. În ultimii ani, la MIT au fost create cele mai recente rachete balistice intercontinentale ale complexelor Yars și R-30 Bulava.

O parte integrantă a sistemelor mobile de rachete „Temp-2S”, „Pioneer”, „Topol” și altele au devenit containere de transport și lansare din CM (Fig. 2). În cercetarea și implementarea tehnologiilor de înfășurare a carcasei compozite ale carcasei motoarelor de rachetă și a containerelor de transport și lansare, rolul unui student al Universității Tehnice de Stat din Moscova, numit după V.I. N. E. Bauman proiectant-șef și director al TsNIISM, membru corespondent. RAS V. D. Protasov, colegii și adepții săi V. I. Smyslov, V. A. Barynin, A. A. Kulkov, A. B. Mitkevich și alții.

Orez. 2. Sistem mobil de rachete sol „Topol-M” cu o rachetă 15Zh55: racheta și containerul de transport și lansare sunt realizate din compozite

Datorită amplorii opiniilor unui număr de oameni de știință și educatori proeminenți, cum ar fi V.I. Feodosyev și E.A. N. E. Bauman la departamentele M-1 (acum SM-1) și M-8 (acum SM-12) au fost susținute cursuri de pregătire care reflectă specificul proiectării, producției și testării structurilor compozite. În 1986, Colegiul Ministerului Ingineriei Mecanice Generale al URSS a decis oportunitatea deschiderii unei noi specialități „Proiectare și producție de produse din materiale compozite” la Școala Tehnică Superioară din Moscova. S-a organizat recrutarea nu a unuia, ci a trei grupuri de studenți deodată. O atenție considerabilă a fost acordată creării unei baze moderne de testare în Centrul Educațional și Experimental din satul Orevo, districtul Dmitrovsky, regiunea Moscova (acum filiala Dmitrovsky a Universității Tehnice de Stat N.E. Bauman Moscova).

A. K. Dobrovolsky, S. S. Lenkov, I. M. Bulanov, M. A. Komkov, V. M. Kuznetsov, G. E. Nekhoroshikh, V. A. Shishatsky au devenit entuziaști ai unei noi direcții în domeniul tehnologiei. Elevii au stăpânit metodele de calcul a rezistenței structurilor compozite sub îndrumarea lui N. A. Alfutov, P. A. Zinoviev, B. G. Popov, V. I. Usyukin. Caracteristicile calculelor termice și de rezistență la căldură ale structurilor compozite au fost abordate în prelegerile lui V. S. Zarubin, V. N. Eliseev, S. V. Reznik. Sub conducerea lui G. B. Sinyarev, a fost dezvoltată teoria testării termice a structurilor compozite, multe dintre prevederile care s-au bazat pe rezultatele experimentelor efectuate pe noi bancuri de testare în satul Orevo.

Introducere

Tehnologia modernă a rachetelor și a spațiului este de neconceput fără materiale compozite polimerice. La dezvoltarea instrumentelor de explorare a spațiului, sunt necesare materiale noi care trebuie să reziste la sarcinile zborurilor spațiale (temperaturi și presiuni ridicate, sarcini vibraționale în stadiul de lansare, temperaturi scăzute ale spațiului, vid profund, expunere la radiații, expunere la microparticule etc.), având aceasta este o greutate destul de mică. Materialele compozite îndeplinesc toate aceste cerințe. Materialele compozite sunt utilizate pe scară largă în ingineria aeronautică și spațială datorită greutății și caracteristicilor mecanice bune, care fac posibilă crearea de structuri ușoare și puternice care funcționează la temperaturi ridicate.

Conceptul de materiale compozite și aplicarea în știința rachetelor

Astăzi, compozitele sunt cele mai populare și utilizate materiale în avioane și rachete. Multe dintre aceste materiale sunt mai ușoare și mai rezistente decât aliajele metalice (aluminiu și titan), care sunt cele mai potrivite în ceea ce privește proprietățile lor fizice. În majoritatea compozitelor (cu excepția celor stratificate), componentele pot fi împărțite într-o matrice (sau liant) și elemente de armare (sau umpluturi) incluse în aceasta. În compozitele cu scop structural, elementele de armare asigură de obicei caracteristicile mecanice necesare ale materialului (rezistență, rigiditate etc.), iar matricea asigură funcționarea în comun a elementelor de armare și le protejează de deteriorarea mecanică și mediile chimice agresive. Atunci când elementele de armare și o matrice sunt combinate, se formează o compoziție care are un set de proprietăți care reflectă nu numai caracteristicile inițiale ale componentelor sale, ci și proprietăți noi pe care componentele individuale nu le posedă.

Utilizarea materialelor compozite face posibilă reducerea greutății unui produs (rachetă, navă spațială) cu 10...50%, în funcție de tipul de structură, și, în consecință, reducerea consumului de combustibil, sporind în același timp fiabilitatea. Au fost create și materiale compozite în care baza din plastic (polimer) este întărită cu fire de sticlă, Kevlar sau carbon. Materialele compozite sunt utilizate pe scară largă în ingineria aeronautică și spațială datorită greutății și caracteristicilor mecanice bune, care fac posibilă crearea de structuri ușoare și puternice care funcționează la temperaturi ridicate.

Reducerea greutății este o prioritate de top în proiectarea navelor spațiale. Multe progrese în domeniul scoicilor cu pereți subțiri își datorează originea acestei cerințe. Exemple tipice ale acestui design sunt vehiculul de lansare cu combustibil lichid Atlas și proiectarea rachetei cu combustibil solid. O carcasă monococă supraalimentată specială a fost creată pentru Atlas. O rachetă cu un motor cu propulsor solid este obținută prin înfășurarea unui fir de sticlă în jurul unui dorn sub forma unei încărcături de propulsor solid și impregnarea stratului de rană cu o rășină specială, care se întărește după vulcanizare. Cu această tehnologie, atât carcasa de transport a aeronavei, cât și motorul rachetei cu o duză sunt obținute simultan. Folosind materiale compozite moderne, navele spațiale returnabile au fost proiectate cu o carcasă conică acoperită cu un strat de material de protecție termică, care, evaporându-se la temperaturi ridicate, răcește structura.

Un alt exemplu izbitor de utilizare a materialelor compozite este nava spațială orbitală Shuttle capabilă să zboare în atmosfera Pământului la viteze hipersonice (mai mult de 5 Mach sau 6000 km/h). Aripile aparatului au un cadru multi-spar; cockpit monococă ranforsat, ca aripi, din aliaj de aluminiu. Ușile compartimentului de marfă sunt realizate din material compozit grafit-epoxi. Protecția termică a aparatului este asigurată de câteva mii de plăci ceramice ușoare, care acoperă părți ale suprafeței expuse la fluxuri mari de căldură.

Pentru stația spațială Alpha, creată în conformitate cu programul ruso-american, multe elemente structurale au fost realizate din materiale compozite: bare de înaltă rezistență, panouri solare, vase sub presiune, compartimente „uscate”, reflectoare etc.

Vasele ușoare și containerele realizate din materiale compozite polimerice și care funcționează sub presiune sunt utilizate cu succes în tehnologia rachetelor și spațiale. Au fost create și sunt folosite rezervoare de combustibil, baloane, carcase pentru motorul rachetelor, acumulatoare de presiune, cilindri de respirație pentru piloți și astronauți. Utilizarea fibrelor organice și de sticlă va face posibilă crearea de cilindri de presiune durabili, cu un coeficient ridicat de perfecțiune a greutății.

În prezent, materialele plastice armate cu fibră de carbon, adică, sunt utilizate pe scară largă în aviație și rachetă. polimeri întăriți cu fibre de carbon.

Fibrele de carbon și compozitele lor au negru adânc? colorează și conduc bine electricitatea, ceea ce oferă proprietăți electrofizice speciale (de exemplu, pentru antenele radar), precum și cerințe pentru rezistența la căldură și conductivitatea termică.

CFRP este utilizat pentru a face carenaje pentru rachete, componente de aeronave de mare viteză supuse la sarcini aerodinamice maxime, duze pentru motorul rachetei și așa mai departe. În plus, având în vedere că grafitul este un lubrifiant solid, fibra de carbon este folosită la fabricarea plăcuțelor și discurilor de frână pentru avioane de mare viteză, navete spațiale și mașini de curse. Oglinzile structurilor de antenă din fibră de carbon vor găsi o largă aplicație pentru rezolvarea problemelor de comunicare prin sateliți. Este important să țineți cont de faptul că utilizarea lor cu o masă de până la 15 kg va asigura o sarcină de rupere de 900 kgf cu o durată de viață de cel puțin 20 de ani. Materialele compozite (cu trei straturi) realizate din fibră de carbon în elementele structurale portante în comparație cu un singur strat (monolitic) în condiții de funcționare date și sarcinile crescute pentru o anumită masă a elementului vor asigura: o reducere a masei unui element structural cu 40 ... 50% și o creștere a rigidității sale cu 60...80%; creșterea fiabilității cu 20...25% și creșterea perioadei de garanție cu 60...70%.