Departamentul a fost organizat în 2002-2008. îndreptat Bulanov Igor Mihailovici(1941–2008), prorector al Universității Tehnice de Stat din Moscova N.E.Bauman, Doctor în Științe Tehnice, Profesor, Laureat al Premiului Guvernului RF, Lucrător de Onoare al Înaltului învăţământul profesional RF, 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 2002 pentru a pregăti specialişti în proiectarea, producerea şi testarea rachetelor şi a navelor spaţiale, cu utilizare pe scară largă 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 de eroziune etc.).

Formarea și dezvoltarea școlii științifice a Universității Tehnice de Stat din Moscova NE Bauman în domeniul CM este indisolubil legat de istoria dezvoltării tehnologiei rachetelor și 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. Particularitatea 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 interne cu rază lungă de acțiune (UBRDD) conduși de S.P.Korolev s-au confruntat cu problema protecției termice a focoaselor de rachetă de încălzirea aerodinamică la intrarea în atmosferă. Absolvenți ai Școlii Tehnice Superioare din Moscova N.E.Bauman - angajații NII-88 V.N. Iordansky, G.G. Konradi împreună cu colegii-materisti de la OKB-1 (A.A. Severov și alții) și VIAM (A.T. .) au rezolvat pentru prima dată în lume această problemă prin utilizarea unui strat de ablație realizat din polimer CM (asboplastic) pe capul rachetei R-5 (8K51). Această abordare a depășirii „barierei termice” a fost ulterior implementată cu succes în proiectele de vehicule de coborâre ale navelor spațiale cu pilot „Vostok”, „Voskhod”, „Soyuz”, nave spațiale automate (SC) ale „Zenith”, „Zond”, „ Venus” și Marte, a devenit o soluție principală pentru aplicații similare în motoarele de rachete cu combustibil solid și centralele electrice. Un studiu profund al problemelor de protecție termică cu utilizarea CM a fost reflectat în lucrările profesorilor universității noastre I.S.Epifanovsky, V.V. Gorsky, D.S. RAS Yu.V. Polezhaeva, Acad. RAS S. T. Surjikov.

În anii 1960-1980, URSS a rezolvat complexitatea fără precedent a problemei creării de sisteme de rachete mobile și siloz cu UBRDD cu combustibil solid. A devenit necesar să se dezvolte propulsoare solide mixte compozite și tehnologii pentru înfășurarea cochiliilor mari cilindrice ale carcasei motoarelor rachete din fibră de sticlă, iar mai târziu cochilii de tip „cocon” din organoplastic. Printre pionierii acestei direcții se numără proiectantul șef al OKB-1, academicianul S.P. Korolev, care a inițiat proiectarea rachetelor 8K95 și 8K98, și cunoscutul om de știință în domeniul rachetelor cu propulsie solidă Yu. A. Pobedonostsev. Sub îndrumarea unui absolvent al Universității Tehnice de Stat din Moscova. NEBauman, proiectant-șef al lui TsKB-7 (KB „Arsenal”) PATyurin la începutul anilor 1960, a fost proiectat primul sistem mobil de rachete RT-15 cu o rachetă cu rază medie 8K96, a fost dezvoltată o rachetă balistică intercontinentală 8K98P, care a fost în alertă în Forțele Strategice de Rachete în 1971-1994. (fig. 1).

Orez. 1. Prima rachetă balistică intercontinentală internă pe combustibil solid 8K98P este compusă în proporție de 90% din compozite (motoare, focos, propulsoare compozite). Racheta a fost creată sub îndrumarea absolvenților Școlii Tehnice Superioare din Moscova. N.E.Bauman - S.P.Korolev și P.A. Torino. Muzeul SA „Motovilikhinskiye Zavody”, Perm

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

O parte integrantă a sistemelor Temp-2S, Pioneer, Topol și a altor sisteme mobile de rachete au devenit containere de transport și lansare din CM (Fig. 2). În studiul și implementarea tehnologiilor de înfășurare a carcaselor compozite ale carcaselor motoarelor rachete și a containerelor de transport-lansare, rolul unui elev al M.V. N.E.Bauman Chief Designer și Director TsNIISM, Membru Corespondent RAS 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 racheta 15Zh55: racheta și containerul de transport-lansare sunt realizate din compozite

Datorită amplorii opiniilor unui număr de oameni de știință și educatori remarcabili, cum ar fi V.I. Feodosiev și E.A. NE Bauman la departamentele M-1 (acum SM-1) și M-8 (acum SM-12) au fost susținute cursuri de pregătire, reflectând specificul proiectării, producției și testării structurilor compozite. În 1986, colegiul Ministerului Construcțiilor Generale de Mașini al URSS a luat o decizie cu privire la oportunitatea deschiderii unei noi specialități „Proiectare și fabricare de produse din CM” la Școala Tehnică Superioară din Moscova. S-a organizat recrutarea nu a unuia, ci a trei grupuri de studenți. 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 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 entuziaștii noii 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 de rezistență termică și termică a structurilor compozite au fost evidențiate în prelegerile lui V.S. Zarubin, V.N. Eliseev, S.V. Reznik. Sub conducerea lui GB 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.

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 compoziteîn aeronave

Introducere

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

1. Conceptul de materiale compozite și aplicarea în rachetă

Astăzi, compozitele sunt cele mai populare și mai frecvent utilizate materiale în avioane și rachete. Multe dintre aceste materiale sunt mai ușoare și mai rezistente decât cele mai potrivite pentru ele proprietăți fizice aliaje metalice (aluminiu și titan). În majoritatea compozitelor (cu excepția celor stratificate), componentele pot fi împărțite într-o matrice (sau liant) și elementele 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 armare si protejarea acestora de deteriorarea mecanica si mediul chimic agresiv. Atunci când elementele de armare și matricea 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 permite reducerea greutății unui produs (rachetă, navă spațială) cu 10 ... 50%, în funcție de tipul de construcție 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 fibre de sticlă, Kevlar sau carbon. Materialele compozite sunt utilizate pe scară largă în construcția de aeronave și în tehnologia spațială datorită greutății și caracteristicilor mecanice bune, care fac posibilă crearea de structuri ușoare și durabile 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 originile acestei cerințe. Exemple tipice un astfel de design este 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 combustibil solid se obține prin înfășurarea unui fir de sticlă pe un 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 de reintrare au fost proiectate cu o carcasă conică acoperită cu un strat de material de protecție termică, care se evaporă atunci când temperaturi mari, raceste structura.

Un alt exemplu izbitor de utilizare a materialelor compozite este naveta spațială orbitală, care este capabilă să zboare în atmosfera Pământului la viteze hipersonice (peste Mach 5 sau 6000 km/h). Aripile vehiculului au un cadru multi-spar; cabina monococă ranforsată, ca și aripile, este realizată 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: 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 operate rezervoare de combustibil, baloane, carcase de motor rachete, acumulatoare de presiune, cilindri de respirație pentru piloți și astronauți. Utilizarea materialelor organice și a fibrei de sticlă va face posibilă crearea de cilindri de presiune durabili, cu un coeficient ridicat de perfecțiune a greutății.

În prezent, ele sunt utilizate pe scară largă în aviație și rachetă, materiale plastice din carbon, adică. polimeri armați cu fibră de carbon.

Fibrele de carbon și compozitele lor sunt de culoare neagră? 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.

Conurile de nas pentru rachete, piesele pentru aeronavele de mare viteză supuse la sarcini aerodinamice maxime, duzele pentru motorul rachetei și așa mai departe sunt realizate din fibră de carbon. În plus, având în vedere că grafitul este un lubrifiant solid, plăcuțele și discurile de frână din fibră de carbon sunt fabricate pentru avioane de mare viteză, nave spațiale reutilizabile Shuttle și mașini de curse. Oglinzile 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 oferi o sarcină distructivă de 900 kgf cu o durată de viață de cel puțin 20 de ani. În comparație cu materialele cu un singur strat (monolitice) (cu trei straturi) din fibră de carbon în elementele portante ale structurilor în condiții de funcționare date și o creștere a sarcinilor la o masă dată a unui element va asigura: o scădere a masei a unui element structural cu 40 ... 50% și o creștere a rigidității acestuia cu 60 ... 80%; creșterea fiabilității cu 20 ... 25% și creșterea perioada de garantie cu 60 ... 70%.

2. Aplicarea nanotehnologiei în dezvoltarea materialelor compozite

NASA și Johnson Space Center au semnat un acord privind dezvoltarea și aplicarea în comun a tehnologiilor înalte și, în special, a nanotehnologiei pentru explorarea spațiului. NASA intenționează să simplifice retragerea navelor spațiale ??? pe orbită folosind un ascensor spațial cu nanotuburi.

Nanotuburile sunt caracterizate de o rigiditate ridicată și, prin urmare, materialele bazate pe acestea pot înlocui cele mai moderne aeronații materiale de construcție... Compozitele bazate pe nanotuburi vor reduce greutatea navelor spațiale moderne ??? aproape dublat.

Cercetătorii de la NASA și LiftPort Inc. oferta de a simplifica retragerea obiectelor mari ??? pe orbită folosind un sistem pe care l-au numit „liftul spațial”. Un ascensor spațial este o panglică cu un capăt atașat de suprafața Pământului și celălalt care orbitează Pământul 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 întinsă.

Variind lungimea benzii, 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 desprinsă de lift și iese în spațiul cosmic.

În acest caz, viteza capsulei 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 costurile lansării capsulei vor fi abia la începutul traseului acesteia pe orbită. Coborârea se va efectua 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 servi drept coloană vertebrală a unei centuri de lift.

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

Banda, 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 ultra-puternice și a dispozitivelor de memorie.

3.Materiale compozite cu auto-vindecare

material structural compozit pentru rachete

Experimental? structural? material pentru nave spatiale??? vor dubla durata de viață a carcaselor lor. Fisurile și gropile mici vor fi sigilate imediat cu un compus special cu priză rapidă, fără a compromite rezistența structurii.

Carcase nave spațiale ??? expus constant la contraste extreme de temperatură ???. 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 o simplă rotație duce la fluctuații constante de temperatură pe suprafața aparatului.

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

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

Nou material dezvoltat? în Agenția Spațială Europeană, a crescut rezistența la factorii de eroziune a spațiului datorită capacității de auto-reparare în caz de deteriorare. Când l-au creat, dezvoltatorii au fost inspirați de capacitatea țesuturilor vii de a vindeca în mod independent rănile 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. În materialul compozit a fost introdus un set din cele mai subțiri vase de sticlă cu diametrul exterior de 60 microni și diametrul interior de 30 microni.Vasele au fost umplute cu două lichide care, ca și componente. rășină epoxidică, se întăresc repede la amestecare. Când apare o fisură, vasele de sticlă sunt distruse și lichidele pe care le conțin umplu fisura. Viteza procesului este de așa natură încât lichidele nu au timp să se evapore în condițiile unui vid spațial. Astfel, propagarea ulterioară a fisurilor este imediat suprimată - 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 cu vid. Mai sunt în continuare numeroase teste, în primul rând pentru rezistență și rezistență la temperatură. 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 unei văduve să prelungească timpul de funcționare al acelor nave spațiale ???, pentru care eroziunea este un factor limitator.

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. Lubin. - M.: Inginerie mecanică, 1988

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

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

4. Materiale compozite în rachete și aparate spațiale, Ed. Gardymova G.P. - SPb.: SpetsLit, 1999

Postat 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. Aplicarea compozitelor spațiale „inteligente”.

raport adaugat la 26.09.2009


Informatii generale despre materialele compozite. Proprietățile materialelor compozite cum ar fi sibunitul. Gamă de materiale carbonice poroase. Materiale de ecranare și radio-absorbante. Ceramica fosfat-calcică este un biopolimer pentru regenerarea țesutului osos.

rezumat, adăugat 13.05.2011


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

rezumat, adăugat la 01.04.2011


Clasificarea materialelor compozite, caracteristicile și proprietățile lor geometrice. Utilizarea ca matrice a metalelor și aliajelor acestora, polimerilor, materialelor ceramice. Caracteristici ale metalurgiei pulberilor, proprietăți și aplicarea magnetodielectricilor.

prezentare adaugata la 14.10.2013


Conceptul de materiale compozite polimerice. Cerințe pentru ei. Utilizarea compozitelor în avioane și rachete, utilizarea fibrei de sticlă din poliester în industria auto. Metode de obținere a produselor din spumă rigidă.

rezumat, adăugat 25.03.2010


Materiale normative pentru raționalizarea forței de muncă, aplicarea acestora. Esența, varietatea, cerințele, dezvoltarea materialelor de reglementare. Prevederi metodologice pentru elaborarea materialelor de reglementare. Standarde industriale. Clasificarea standardelor muncii.

rezumat, adăugat 10.05.2008


Fabricarea produselor din materiale compozite. Procese tehnologice pregătitoare. Calculul cantității de material de armare. Selectarea, pregătirea pentru lucru a echipamentelor tehnologice. Formarea si calculul timpului piesei, turnare constructii.

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 dezvoltarea tehnologiilor de tăiere cu laser a materialelor. Compoziția echipamentului, selecția emițătorului.

lucrare de termen adăugată la 10.12.2013


Tehnologie de instalare pentru sisteme și echipamente sanitare. Fabricarea de ansambluri din tevi termoplastice, otel si fonta. Compoziția, structura și proprietățile materialelor compozite. Montare jgheaburi, retele de consum gaz intra-sfert si curte.

teză, adăugată 18.01.2014


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

Departamentul a fost organizat în 2002-2008. îndreptat Bulanov Igor Mihailovici(1941–2008), prorector al Universității Tehnice de Stat din Moscova N.E.Bauman, doctor în științe tehnice, profesor, laureat al Guvernului Federației Ruse, lucrător de onoare al Învățământului profesional superior al Federației Ruse, membru titular al Academiei Ruse de Științe ale Naturii 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 2002 pentru a pregăti specialişti în proiectarea, producerea şi testarea rachetelor şi a navelor spaţiale, cu utilizarea pe scară largă a materialelor compozite (CM), capabile să lucreze în cele mai dificile condiţii (temperaturi extrem de ridicate/ scăzute, vid, presiuni, medii chimic active, fluxuri de particule erozive etc.).

Formarea și dezvoltarea școlii științifice a Universității Tehnice de Stat din Moscova NE Bauman în domeniul CM este indisolubil legat de istoria dezvoltării tehnologiei rachetelor și 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. Particularitatea 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 interne cu rază lungă de acțiune (UBRDD) conduși de S.P.Korolev s-au confruntat cu problema protecției termice a focoaselor de rachetă de încălzirea aerodinamică la intrarea în atmosferă. Absolvenți ai Școlii Tehnice Superioare din Moscova N.E.Bauman - angajații NII-88 V.N. Iordansky, G.G. Konradi împreună cu colegii-materisti de la OKB-1 (A.A. Severov și alții) și VIAM (A.T. .) au rezolvat pentru prima dată în lume această problemă prin utilizarea unui strat de ablație realizat din polimer CM (asboplastic) pe capul rachetei R-5 (8K51). Această abordare a depășirii „barierei termice” a fost ulterior implementată cu succes în proiectele de vehicule de coborâre ale navelor spațiale cu pilot „Vostok”, „Voskhod”, „Soyuz”, nave spațiale automate (SC) ale „Zenith”, „Zond”, „ Venus” și Marte, a devenit o soluție principală pentru aplicații similare în motoarele de rachete cu combustibil solid și centralele electrice. Un studiu profund al problemelor de protecție termică cu utilizarea CM a fost reflectat în lucrările profesorilor universității noastre I.S.Epifanovsky, V.V. Gorsky, D.S. RAS Yu.V. Polezhaeva, Acad. RAS S. T. Surjikov.

În anii 1960-1980, URSS a rezolvat complexitatea fără precedent a problemei creării de sisteme de rachete mobile și siloz cu UBRDD cu combustibil solid. A devenit necesar să se dezvolte propulsoare solide mixte compozite și tehnologii pentru înfășurarea cochiliilor mari cilindrice ale carcasei motoarelor rachete din fibră de sticlă, iar mai târziu cochilii de tip „cocon” din organoplastic. Printre pionierii acestei direcții se numără proiectantul șef al OKB-1, academicianul S.P. Korolev, care a inițiat proiectarea rachetelor 8K95 și 8K98, și cunoscutul om de știință în domeniul rachetelor cu propulsie solidă Yu. A. Pobedonostsev. Sub îndrumarea unui absolvent al Universității Tehnice de Stat din Moscova. NEBauman, proiectant-șef al lui TsKB-7 (KB „Arsenal”) PATyurin la începutul anilor 1960, a fost proiectat primul sistem mobil de rachete RT-15 cu o rachetă cu rază medie 8K96, a fost dezvoltată o rachetă balistică intercontinentală 8K98P, care a fost în alertă în Forțele Strategice de Rachete în 1971-1994. (fig. 1).

Orez. 1. Prima rachetă balistică intercontinentală internă pe combustibil solid 8K98P este compusă în proporție de 90% din compozite (motoare, focos, propulsoare compozite). Racheta a fost creată sub îndrumarea absolvenților Școlii Tehnice Superioare din Moscova. N.E.Bauman - S.P.Korolev și P.A. Torino. Muzeul SA „Motovilikhinskiye Zavody”, Perm

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

O parte integrantă a sistemelor Temp-2S, Pioneer, Topol și a altor sisteme mobile de rachete au devenit containere de transport și lansare din CM (Fig. 2). În studiul și implementarea tehnologiilor de înfășurare a carcaselor compozite ale carcaselor motoarelor rachete și a containerelor de transport-lansare, rolul unui elev al M.V. N.E.Bauman Chief Designer și Director TsNIISM, Membru Corespondent RAS 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 racheta 15Zh55: racheta și containerul de transport-lansare sunt realizate din compozite

Datorită amplorii opiniilor unui număr de oameni de știință și educatori remarcabili, cum ar fi V.I. Feodosiev și E.A. NE Bauman la departamentele M-1 (acum SM-1) și M-8 (acum SM-12) au fost susținute cursuri de pregătire, reflectând specificul proiectării, producției și testării structurilor compozite. În 1986, colegiul Ministerului Construcțiilor Generale de Mașini al URSS a luat o decizie cu privire la oportunitatea deschiderii unei noi specialități „Proiectare și fabricare de produse din CM” la Școala Tehnică Superioară din Moscova. S-a organizat recrutarea nu a unuia, ci a trei grupuri de studenți. 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 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 entuziaștii noii 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 de rezistență termică și termică a structurilor compozite au fost evidențiate în prelegerile lui V.S. Zarubin, V.N. Eliseev, S.V. Reznik. Sub conducerea lui GB 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. În dezvoltarea instrumentelor de explorare a spațiului sunt necesare materiale noi care trebuie să reziste la sarcinile zborurilor spațiale (temperaturi și presiune ridicate, sarcini vibraționale în faza de lansare, temperaturi scăzute ale spațiului cosmic, vid profund, expunere la radiații, expunere la microparticule etc. .), având la aceasta este o masă destul de mică. Materialele compozite îndeplinesc toate aceste cerințe. Materialele compozite sunt utilizate pe scară largă în construcția de aeronave și în tehnologia spațială datorită greutății și caracteristicilor mecanice bune, care fac posibilă crearea de structuri ușoare și durabile care funcționează la temperaturi ridicate.

Conceptul de materiale compozite și aplicarea în rachetă

Astăzi, compozitele sunt cele mai populare și mai frecvent utilizate materiale în avioane și rachete. Multe dintre aceste materiale sunt mai ușoare și mai rezistente decât cele mai potrivite aliaje metalice (aluminiu și titan) în ceea ce privește proprietățile lor fizice. În majoritatea compozitelor (cu excepția celor stratificate), componentele pot fi împărțite într-o matrice (sau liant) și elementele de armare (sau umpluturi) incluse în aceasta. În compozitele cu scop structural, elementele de armare asigură de obicei caracteristicile mecanice necesare materialului (rezistență, rigiditate etc.), iar matricea asigură funcționarea în comun a elementelor de armătură și protecția acestora împotriva deteriorării mecanice și a unui mediu chimic agresiv. Atunci când elementele de armare și matricea 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 permite reducerea greutății unui produs (rachetă, navă spațială) cu 10 ... 50%, în funcție de tipul de construcție 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 fibre de sticlă, Kevlar sau carbon. Materialele compozite sunt utilizate pe scară largă în construcția de aeronave și în tehnologia spațială datorită greutății și caracteristicilor mecanice bune, care fac posibilă crearea de structuri ușoare și durabile 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 originile acestei cerințe. Exemple tipice ale acestui design sunt vehiculul de lansare cu combustibil lichid Atlas și designul rachetei solide. O carcasă monococă supraalimentată specială a fost creată pentru Atlas. O rachetă cu un motor cu combustibil solid se obține prin înfășurarea unui fir de sticlă pe un 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 de reintrare au fost proiectate cu o carcasă conică acoperită cu un strat de material de protecție termică, care se evaporă la temperaturi ridicate și răcește structura.

Un alt exemplu izbitor de utilizare a materialelor compozite este naveta spațială orbitală, care este capabilă să zboare în atmosfera Pământului la viteze hipersonice (peste Mach 5 sau 6000 km/h). Aripile vehiculului au un cadru multi-spar; cabina monococă ranforsată, ca și aripile, este realizată din aliaj de aluminiu. Ușile compartimentului de marfă sunt realizate din material compozit grafit-epoxi. Protecția termică a dispozitivului 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 operate rezervoare de combustibil, baloane, carcase de motor rachete, acumulatoare de presiune, cilindri de respirație pentru piloți și astronauți. Utilizarea materialelor organice și a fibrei de sticlă va face posibilă crearea de cilindri de presiune durabili, cu un coeficient ridicat de perfecțiune a greutății.

În prezent, ele sunt utilizate pe scară largă în aviație și rachetă, materiale plastice din carbon, adică. polimeri armați cu fibră de carbon.

Fibrele de carbon și compozitele lor sunt de culoare neagră? 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.

Conurile de nas pentru rachete, piesele pentru aeronavele de mare viteză supuse la sarcini aerodinamice maxime, duzele pentru motorul rachetei și așa mai departe sunt realizate din fibră de carbon. În plus, având în vedere că grafitul este un lubrifiant solid, plăcuțele și discurile de frână din fibră de carbon sunt fabricate pentru avioane de mare viteză, nave spațiale reutilizabile Shuttle și mașini de curse. Oglinzile pentru antenă din fibră de carbon vor fi utilizate pe scară largă pentru a rezolva problemele de comunicare prin sateliți. Este important să țineți cont de faptul că utilizarea lor cu o masă de până la 15 kg va oferi o sarcină distructivă de 900 kgf cu o durată de viață de cel puțin 20 de ani. În comparație cu materialele cu un singur strat (monolitice) (cu trei straturi) din fibră de carbon în elementele portante ale structurilor în condiții de funcționare date și o creștere a sarcinilor la o masă dată a unui element va asigura: o scădere a masei a unui element structural cu 40 ... 50% și o creștere a rigidității acestuia cu 60 ... 80%; creșterea fiabilității cu 20 ... 25% și creșterea perioadei de garanție cu 60 ... 70%.

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 tehnologiei rachete și spațiale, există mai multe direcții în care va juca utilizarea CM Rol cheie: structuri spațiale dislocabile (antene, centrale electrice, structuri la scară mare), conuri de rachetă, nave spațiale reutilizabile, avioane hipersonice cu motoare ramjet.

Învelișurile din plasă din CM au devenit un cuvânt nou în crearea structurilor spațiale de putere (Fig. 3-6). Teoria și tehnologia pentru producerea unor astfel de structuri sunt dezvoltate la TsNIISM sub conducerea membrului corespondent al Academiei Ruse de Științe. RAS RAS V. V. Vasiliev, colegii săi A. F. Razin, V. A. Bunakov ș.a.

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 dislocabile

Obiecte cercetare științifică profesorii A. M. Dumansky, G. V. Malysheva, P. V. Prosuntsova, S. V. Reznik, M. Yu. Rusin, B. I. Semenova, O. V. Tatarnikova, V. P. Timoshenko sunt nodurile, ansamblurile și compartimentele sateliților pământești artificiali, stații planetare și orbitale din clasa antenă spațială, reabilități. 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 la bord realizate din fibră de carbon

Orez. 8 Rezultate ale modelării matematice a stării de temperatură a reflectorului antenei spațiale oglinzii 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. SP Korolev „folosind programele de analiză cu elemente finite ale pachetului „CAR”, au fost studiate câmpurile de temperatură, tensiunile și deformațiile din elementele cu pereți subțiri ale structurii compozite a unei antene reflectoare cu diametrul de 14 m a unui satelit de comunicații geostaționar promițător. . Rezultatele obținute au fost în bună concordanță cu rezultatele calculelor independente efectuate de specialiștii italieni de la compania Alenia Spazio, folosind programele de calcul ale Agenției Spațiale Europene ESATAN și EASARAD, precum și cu datele obținute în timpul testelor termice la Centrul European pentru Cercetare și Tehnologie Spațială din Noordwijk, Țările de Jos.

Printre proiectele finalizate cu succes - participarea la proiectarea și depanarea bancurilor de testare și a instalațiilor în SA „ONPP” Tekhnologiya im. A. G. Romashin”. Conform specificațiilor tehnice ale OJSC „Kompozit”, au fost realizate o serie de proiecte de cercetare și dezvoltare privind dezvoltarea tehnologiilor de producție și un studiu cuprinzător al caracteristicilor materialelor carbon-ceramice. Din 2011, mai multe proiecte majore realizat în colaborare cu 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 lucrări de cercetare pe 5 granturi RFBR.

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

Absolvenții departamentului dobândesc cunoștințele, abilitățile și abilitățile necesare unui inginer modern pentru a efectua cercetări științifice și a produce noi tehnologii. Fundament teoretic proces educațional alcătuiesc disciplinele ciclului de matematică și științe naturale - matematică superioară, chimie, fizică, mecanică teoretică, termodinamica si transferul de caldura. Disciplinele speciale includ „Fundamentele chimiei fizice a compozitelor”, „Mecanica construcției structurilor compozite”, „Mecanica mediilor compozite”, „Optimizarea structurilor și tehnologiilor compozite”, „Fundamentals of Racket and Space Engineering”. Curriculum-ul prevede studiul metodelor de proiectare computerizată, producție și testare a structurilor compozite cu diverse combinatii 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 vehiculelor spațiale reutilizabile ", care nu sunt disponibile în nicio instituție de învățământ superior din Rusia.

Sala de demonstrații conține mostre unice de materiale și structuri la scară mare (element al marginii aripii navei Buran, conul nasului navei spațiale Bor, adaptoare de plasă ale vehiculului de lansare Proton, conducte pentru alimentarea componentelor de propulsie, butelii de gaz comprimat, rachetă conuri de nas S-300, X-35, blocuri de duze, truse de adeziv pentru reparații etc.). Departamentul a creat Centrul de Proiectare Tehnologia Informației, dotat cu calculatoare moderne.

Departamentul pregătește 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 Glyndor (Wrexem, Marea Britanie), Ecole Polytechnic, (Leon, Franța), Institutul de Tehnologie din Beijing (Universitatea), Universitatea Politehnică Harbin (China). ), Universitatea Națională Aerospațială numită după... N. Ye. Jukovski (KhAI), Harkiv, Ucraina etc. Relații fructuoase de parteneriat sunt menținute cu Institutul de transfer de căldură și masă. A. V. Lykov Academia Națională de Științe din Belarus, Minsk.

Personalul departamentului este organizatori de conferințe și simpozioane științifice internaționale: „Materiale și acoperiri în condiții extreme” (împreună cu Institutul de Matematică Aplicată IN Frantsevich al Academiei Naționale de Științe a Ucrainei, satul Katsiveli, Crimeea, 6 conferințe în 2002 –2012), Materiale și tehnologii avansate compozite pentru aplicații aerospațiale (Wrexham, Țara Galilor, Regatul Unit, anual în 2011–2015), Avansat sisteme tehniceși tehnologii „(Sevastopol, anual din 2005),” Tehnologia rachetelor și spațiale: probleme fundamentale și aplicate „(Moscova, 5 conferințe în 1998–2018).

În cadrul proiectului internațional INTAS 00-0652 în 2000-2005. au fost efectuate 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 nivel mondial.