МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИСЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» (МАИ)

__________________________________________________________________

Б.В.Грабин

Основы конструктивно-технологического формирования элементов конструкции космического аппарата

(материал для непрофильных специальностей)

Москва2016г

Содержится материал, освещающий основы конструирования космических разгонных блоков и космических аппаратов различного назначения. Рассмотрены вопросы, предшествующие изучению конкретных видов конструкции такие, как требования, предъявляемые к конструкции космических аппаратов, выбор материала, нагрузки, действующие на аппарат и т.д. Материал представляет собой расширенный конспект лекций, читаемых в МАИ и предназначен для студентов непрофильных специальностей.

ВВЕДЕНИЕ

При разработке конструкции КА, как и при разработке конструкции любого другого летательного аппарата или другой технической системы, достигается две основные задачи: образуется реальный облик, разрабатываемого аппарата и появляется возможность его конструктивно-технологического формирования, т.е. отрабатывается конструкторская документация и проводится технологическая подготовка для запуска аппарата в производство. При применении последовательного метода разработки аппарата, а именно такой применяется на сегодняшнее время во всех странах, производящих КА, конструкторская разработка стоит сразу после проведения проектных проработок. Именно конструкторская проработка должна ответить на самые важные вопросы при создании КА. Прежде всего, она должна подтвердить правильность выбранной конструктивно-силовой схемы и возможность создания данного аппарата с заложенными при проектировании массовыми характеристиками при обеспечении прочности и жёсткости.

Разработанная рабочая документация является основополагающей для разработки технологии изготовления деталей, узлов, всего аппарата в целом и организации производственного процесса. В процессе прохождения курса конструкции предполагается, что слушатели прошли и усвоили такие курсы, как прочность, материаловедение, строительную механику, метрологию, аэродинамику, технологию производства летательных аппаратов и другие дисциплины и могут успешно применять их при решении задач, которые возникают при разработке конструкции летательных аппаратов.

При освоении курса конструкции летательных аппаратов слушатель должен получить навыки конструирования типовых элементов конструкции и практическое применение знаний по использованию ЕСКД при разработке конструкторской документации. Для получения знаний в области конструирования предусматривается прослушивание цикла лекций по этой дисциплине, проведение лабораторных работ по изучению реальной конструкции аппаратов и выполнение самостоятельно курсового проекта по разработке конкретной конструкции отсека или агрегата летательного аппарата.

Часто прииходится слышать: конструкция, коструирование. Особенно любят так говорить те, кторые никогда не принимали участие в этом прцссе и не разрабатывал докуметации для производства самой простой детали - шайбы. Очевидно, целесообразно ответить на вопрос: «Что такое конструкция и какое место она занимает в общем процессе создания аппарата? »

1.Разработка проектно-конструкторской документации.

В процессе разработки изделий РКТ в конструкторском бюро разделение разработки аппарата идет по основным подразделениям: проектным и конструкторским.

На проектные подразделения возлагаются определение основных характеристик, разработка конструктивно-компоновочных схем, определение состава агрегатов и систем, а также корректировка характеристик, состава, компоновки и массовых характеристик в ходе отработки. В обязанность проектных подразделений входит, кроме того, ведение основной документации: технических предложений; эскизных и технических проектов.

В конструкторских подразделениях разрабатываются конструкции корпусов, механических агрегатов и узлов, приборов и оборудования, конструктивные элементы для монтажа; осуществляется авторский надзор в производстве и испытаниях; корректируется конструкторская документация в процессе отработки. Среди документации, которую ведут эти подразделения, основными являются чертежи, спецификации, ведомости, расчеты, программы конструкторских испытаний, инструкции по эксплуатации, технические описания.

Технологические службы проводят технологическую отработку конструкторской документации, разрабатывают директивную технологию и технологии сборочно-монтажных операций изготовления корпусов, механизмов, пневмогидроарматуры, приборов, оборудования, конструкций узлов, технологической оснастки и приспособлений. Результаты работы технологических служб отражаются в директивной технологии, картах техпроцессов, документации на оснастку и приспособления.

Опытное производство занимается изготовлением деталей, узлов, сборкой агрегатов, блоков; проводит заводские контрольные испытания; изготавливает оснастки и приспособления. К основной документации опытного производства относятся технологические паспорта и паспорта на узлы и агрегаты.

На испытательные службы возложены лабораторные испытания материалов и элементов конструкции, конструкторско-доводочные испытания; отработочные испытания на макетах и моделях, стендовые и летно-конструкторские испытания. Их основная документация: программы испытаний, инструкции по эксплуатации, технические задания на испытания оборудования, отчеты и акты об испытаниях.

Процесс разработки конструкций включает следующие стадии проектирования:

Технический проект. На этой стадии анализируются конструкторские решения по существующим изделиям, формируется конструкция на основании традиционных решений, проводится оценка степени соответствия ее исходным данным и ее технического уровня. Разрабатываются варианты, соответствующие современным прогрессивным техническим решениям. Проводится сравнительный анализ вариантов по технико-экономическим показателям, массовым характеристикам, надежности, технологичности и т.д. Выбирается один (оптимальный) вариант для дальнейшей разработки.

Разработку рабочей документации, которая состоит в детальной проработке всех элементов конструкции, выпуске самой документации, в изготовлении изделий для контрольно-доводочных испытаний (КДИ) и проведении КДИ, в технологическом контроле и корректировке документации по результатам отработочных испытаний;

Опытное производство. Оно начинается после подготовки конструкторской документации, подготовки производства и заключается в изготовлении головного образца (после завершения отработки технологии) и экспериментальных изделий для испытаний;

Испытания. На этой стадии по результатам наземной отработки подготавливается заключение о готовности изделия к ЛКИ, корректируются проектная и конструкторская документация.

Работа над конструкцией начинается с получения и рассмотрения эскизного или технического проекта изделия, технического задания на отдельный узел или агрегат, технических условий, эскизной разработки агрегата, выполняемой ведущим инженером, и заканчивается передачей конструкции в эксплуатацию, уже опробованной в испытаниях, исправленной по результатам испытаний, " доведенной", отчего этот вид испытаний получил название доводочных.

В конструкциях различных изделий встречается большое количество однотипных элементов: типовых конфигураций деталей (резьбы, проточки, головки под ключ, закругления и т.п.), деталей и узлов конструкций целиком (крепежные детали, подшипники). Практика требует ограничить их разнообразие, унифицировать, выбрать ряд типоразмеров, рекомендуемых к применению в подавляющем большинстве случаев, особенно когда нет необходимости в каких-либо необычных конструктивных решениях этих элементов. Унифицироваться могут также типовые требования к технологии изготовления, к операциям контроля, к документации и т.д.

Работа по унификации того или иного технического решения завершается созданием стандарта. В зависимости от степени распространения в промышленности действуют: стандарты предприятия (СТП), отраслевые стандарты (ОСТы) и государственные стандарты (ГОСТы).

Состав конструкторской документации на различных стадиях проект-но-конструкторской разработки, требования к содержанию и оформлению различных конструкторских документов (графических и текстовых) определены комплексом стандартов Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Осуществленное за последние полтора десятилетия внедрение стандартов ЕСКД в большинстве отраслей промышленности обеспечило единообразие конструкторской документации, упростило взаимный обмен опытом, технической информацией, а главное создало предпосылки для широкой кооперации при создании сложных изделий новой техники. Хорошее знание стандартов ЕСКД - необходимое условие для овладения азбукой конструкторского труда. Известны случаи и всемирной унификации в технике, например, уже внедренная в нашей стране международная система единиц (СИ).

Рассмотрим один из возможных вариантов цикла производства аппарата. При этом остановимся на самом простом и, но наиболее длительном, последовательном цикле. Он отражает вид мышления у большинства разработчиков аппаратов. Сам процесс состоит из ряда шагов, которые будем рассматривать с некоторыми упрощениямии и сокращениями.

Последовательный цикл производства аппарата состоит из следущих операций:

ПРОЕКТНОЕ ПРИЗВОДСТВО – разрабатывают копмоновочный облик аппарата. Это значит, что на основании знания движения аппарата по траектории, определяют состав служебных систем и их применение по траектории полёта. Определяют место расположения их на аппарате. Составляют их объёмно-массовые характеристики и разрабтывают компоновочную схему. На основании этого составляют массовою сводку конструкции аппарата. В неё входит масса конструкции систем приборов и масс кострукции самого аппарата, на которой размещаются вся аппаратура и

ислужебные элементы, необходимые для эксплуатации аппарата.

Масса конструкции аппарата и его элементов определяют или статистичексим способом или, если это возможно, прямым расчётом.

Такая схема не обладает достаточной точностью и уточнение возможно только по результатам конструкторской проработки. Это говорит о том, что мы имее повод к возврату разработки компоновки и проведению необходимых уточнений.

КОНСТРУКТОРСКАЯ ПРОРАБОТКА- на основании комоновочного чертежа аппарата и результатов расчёта траектории полёта разрабвттывается конструктивно-силовая схема. Выявляются основные силовые элементы конструкции аппарата. Элементы для размещения приборов и агрегатов систем. Проводится расчёт нагрузок на каждый элемент конструкции и приступают к разработке конструкторской документации. Это означает, что вупускается чертёж кождой детали. При этом определяется вид материала, из которого предполагается изготовление детали и определяются требования по механическим характеристикам и возможным способам обработки. По результатам разработки конструкции определяют массу конструкции и сравнивают её с массой, заложенной в компоновку аппарата. Возможны два варианта результатов: первый, достаточо редкий, - массы совпадают, и второй- масса конструкции превышает лимит. Это требует возвращения к проработке компоновки. Учёт технологии производства проводился на уровне знаний конструкторов, которое бывает часто недостаточным. Это в дальнейшем вызовет определённые трудности. Это более очевидные осложнения, но могут возникнуть и другие при проедении последущих разработках.

_____________________________________________________________

технологическая разработка- на основании конструктоской документации разрабатывается техпроцесс производства отдельных деталей аппарата и общая технология сборки его. Определяют основные требования к проезводственному оборудованию и производственной оснастке. В это время выевляются недостатки учёта технологичности при разработке конструкции, а иногда и невозможности обеспечитъ требуемые характеристики. Это требует изменения конструкции или её уточнение. Кроме этого, проводят анализ конструкции и технологического процесса на возможность производства на предполагаемом предприятии. Последнее несколько упрощает процесс постановки производства аппарата.

____________________________________________________

постановка на производсво- на основании конструкторской и технологической докаментации проводят технологическую разработку произвадства аппарата с учётом производственных возможностей предприятия и определяют небходимые дооснащения производство оборудованием ( к примеру станочным или освоением нового технологического процесса и т.д.) Проводятся уточнениие техпроцесса и возможные конструкторские решения с целью обеспечения более быстрого запуска производства аппарата.

Процесс поэтапного согласования документации увеличивает подготовку к запуску в произвадство аппаата и делает его сложным и требует, как правило, выпуска большого колличества документации, в которой могут допускаться ошибкии, исправление которых ещё больше увеличивает время постановки аппарата на производство. Выхдом из этого может быть совмещение операций и взаимные промежуточные консультации и подключение производственных подразделений на более раньших стадиях. Приступая к разработке конструкции аппарата или отдельных его частей необходимо ответить на вопрос, что мы хотим получить. Ответом будут требования, предьявляемые к конструкции аппарата или отдельных его частей. Рассмотрим общие и основные требования, которые нужно предьявить в этом случае.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИИ КА

Каждый раз перед началом разработки конструкции летательного аппарата определяют ряд требований, которым должна удовлетворять разрабатываемая конструкция. Эти требования обычно конкретизируются и являются как бы граничными условиями решаемой задачи. В противном случае поиск приемлемого решения был бы настолько широк, что принять конкретный вариант конструкции было бы очень сложно. Кроме этого, обычно в требованиях оговаривают какие-либо специальные условия производства и эксплуатации, которые оказывают влияние на разрабатываемую конструкцию летательного аппарата. В учебной постановке рассмотрим некоторые требования, предъявляемые к разрабатываемой конструкции летательного аппарата, характерные для большинства аппаратов этого класса. Все требования важны, и установить приоритет одного над другим не возможно.

· Требование прочности

Все силовые элементы и узлы должны иметь достаточную прочность, т.е. выдерживать все виды нагрузок в соответствии с требованиями норм прочности, которые предусматривают различные случаи нагружения агрегатов или отсеков аппарата на всех этапах эксплуатации.

Необходимо учитывать особенности характера действия нагрузок. Известно, что обеспечение статической прочности не является достаточной гарантией надежности конструкции. В эксплуатации на аппарат действуют знакопеременные нагрузки, что обуславливает необходимость учитывать влияние работы элементов на усталость. Необходимо стремиться к тому, чтобы конструкция наиболее полно отвечала требованиям равнопрочности, т.е. чтобы напряжения в силовых элементах были одинаковыми. Необходимо учитывать, что для всех аппаратов этого класса большое значение имеет обеспечение необходимой прочности при минимальной массе конструкции. Это достигается совершенством расчётов и высоким качеством разработки конструкции.

· Требование жёсткости

При разработке конструкции необходимо обеспечить наивысшую жёсткость без увеличения общей массы, что позволило бы обеспечить сохранение заданной формы агрегатов и отсеков, не допустит чрезмерных деформаций конструкции в полёте (прогибов и углов крутки, которые могут привести к возникновению опасных вибраций конструкции) и остаточных деформаций. Недостаточная жёсткость конструкции может привести к её преждевременному разрушению. Недостаточная жёсткость конструкции космического аппарата не позволяет организовать надлежащего управления, что приводит к преждевременному прекращению полётной программы.

· Требование обеспечения наименьшей массы конструкции

При выбранных параметрах летательного аппарата необходимо рационально определить конструктивно-силовую схему, причём следует стремиться к эффективному использованию усиленных элементов конструкции. Как известно, одним из важных критериев совершенства конструкции является минимум массы. Делая конструкцию равнопрочной, можно существенно уменьшить её массу. Другими путями снижения массы являются применение новых более прочных конструкционных материалов, уменьшение количества не силовых элементов, увеличение функций, выполняемых одним силовым элементом при различных случаях нагружения. Снижение массы конструкции может быть достигнуто путём совмещения функций технологических и эксплуатационных разъёмов. Кроме этого, необходимо совершенствование методов прочностных расчётов и улучшение управление аппаратом с целью обеспечения расчётной траектории движения. Кроме этого, необходимо совершенствовать технологию изготовления конструкции.

· Эксплуатационные требования

Эти требования удовлетворяются целым комплексам качеств конструкции. К ним относятся такие, как:

1. надёжность, т.е. способность летательного аппарата выполнять поставленные перед ним задачи с сохранением своих лётных и эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение заданного промежутка времени. Надёжность обеспечивается прочностью и жёсткостью конструкции. Кроме проведения соответствующих расчётов для определения надёжности конструкции, проводят всесторонние испытания конструкции с целью подтверждения расчётной величины надёжности;

2. в процессе разработки конструкции важно предусмотреть хороший доступ к элементам конструкции, требующим текущий ремонт или проведения регламентных работ. Возможность хранения аппарата при различных атмосферных осадках на различных этапах эксплуатации;

3. обеспечение удобного обслуживания систем заправки топливных ёмкостей. Необходимо обеспечить полную безопасность работ и не допускать пролива топлива на аппарат и на заправочную команду. Для этого необходимо в конструкции предусмотреть удобство доступа к заправочным горловинами т.д.

· Производственно-технологические требования

Конструкция должна быть рассчитана на возможность применения наиболее прогрессивных и экономичных технологических

процессов при заданном объёме производства. Так, при серии в два аппарата в год, изготовление детали методом фрезерования из плиты технологично, а при серии тысячи аппаратов в год будет не технологично уже из-за больших отходов металла.

Под технологичностью конструкции летательного аппарата и его агрегатов понимают комплекс её свойств, позволяющих при сохранении заданных эксплуатационных показателей, изготавливать рассматриваемую конструкцию с минимальными производственными затратами и в наиболее короткие сроки. Сокращению сроков производства летательного аппаратов во многом способствует надлежащая конструкторская проработка, направленная на разработку более простых и менее металлоёмких конструкций.

Можно отметить ряд основных мероприятий, повышающих технологичность конструкции аппаратов.

· Возможно более широкое применение в конструкции стандартизованных, нормализованных и унифицированных конструктивных элементов.

В конструкции летательных аппаратов к ним относятся: нормализованные крепёжные элементы (болты, винты, гайки, заклёпки, шайбы и т.д.); арматура пневмогидросистемы (редуктора, различные клапана, элементы соединения трубопроводов и т.д.); элементы электрооборудования (электроклапана, электроразъёмы, трансформаторы и т.д.). Широкое применение в конструкции летательных аппаратов стандартизованных и нормализованных элементов является одним из важнейших условий ускорения и удешевления производства летательных аппаратов. Эффект достигается за счёт отсутствия разработки технической документации и проведения испытаний конструкции на работоспособность и надёжность.

· Уменьшение количества и номенклатуры отдельных деталей, из которых собираются узлы, панели и секции отдельных агрегатов летательного аппарата.

· Выбор рациональных технологических допусков классов чистоты обрабатываемых поверхностей на

основании строго обоснованных технических соображений.

Завышение точности изготовления конструкции влечёт за собой применение более точного оборудования и контрольного инструмента, что повышает стоимость изготовления, и исполнителей более высокой квалификации, что также увеличивает стоимость производства. Кроме этого, следует стремиться к сокращению количества обрабатываемых на заготовка поверхностей. Это снижает трудоёмкость и энергозатраты в производстве конструкции летательных аппаратов.

· Выбор рациональной технологии для заготовок должен производится с учётом экономичности изготовления из них деталей и предъявляемых к ним требованиям по прочности, массе, форме и размерам.

Важное значение при этом имеет выбор материала заготовки с точки зрения его механической обрабатываемости, сварки, возможности обработки его давлением.

Наряду с этим необходимо стремиться к максимальному приближению

формы заготовки к форме изготавливаемой детали.

Рассмотрим некоторые основные современные технологичные способы получения заготовок.

Прокат один из наиболее экономичных и производительных методов получения заготовок и полуфабрикатов, особенно в виде специальных профилей.

Штамповка широко применяется как экономичный и производительный метод изготовления деталей. В процессе получения заготовки происходит упрочнение материала, что нередко удаётся использовать в работе конструкции и за счёт этого снизить массу детали.

Литьё часто является единственно возможным способом изготовления сложных деталей и панелей. Особенно большой эффект достигается при применении литья в кокиль. На таких деталях и

заготовках количество механически обрабатываемых поверхностей и припуски на их обработку сводятся к минимуму. Основной недостаток таких деталей состоит в том, что литейные материалы обладают очень низкими механическими характеристиками.

Прессование – один из наиболее распространённых методов изготовления профилей и панелей. Профили из алюминиевых сплавов широко применяются в авиационной и ракетно-космической технике.

· Выбор рационального способа обработки заготовки, который должен быть направлен на то, чтобы возможно больше сократить механически обрабатываемую поверхность без значительного удорожания производства. При этом необходимо иметь в виду, что производство космических аппаратов связано с очень малыми сериями, исчисляемыми иногда единицами.

· Выбор рационального способа соединения элементов конструкции, который должен упростить сборку узлов и повысить производительность сборочных операций. Необходимо стремиться к уменьшению технологических разъёмов и обеспечению хорошего доступа к элементам крепления, что повышает качество сборки и надёжность конструкции в целом.

Расчетный случай нагружения

Тот случай, которому соответствует наибольшее потребное значение функции несущей способности по одному из предельных состояний для какой-либо части (или элемента) конструкции ЛА, называется расчетным случаем нагружения.

Очевидно, что знание расчетных случаев нагружения позволяет значительно упростить выбор и анализ конструктивно-силовых схем летательного аппарата в период проектирования и экспериментальных исследований в области прочности конструкций и процессе разработки проекта. Вообще говоря, теоретически количество расчетных случаев нагружения для любого летательного аппарата может быть равно произведению числа частей конструкции на число предельных состояний. Практически количество их обычно намного меньше. Одни и те же расчетные случаи нередко определяют потребную несущую способность нескольких частей (или многих элементов) конструкции. Но все же число расчетных случаев для ЛА может быть значительным, и поэтому при существующем разнообразии их конструктивно-силовых схем и условий эксплуатации не представляется возможным установить такие случаи нагружения, не привязываясь к конкретному аппарату или узкому классу этих аппаратов.