Некоторые виды материалов, применяемых в конструкции космических аппаратов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

В ракетно – космической технике нашли применение достаточно ограниченное количество материалов. Это объясняется тем, что эти материалы хорошо освоены производством, имеют хорошо отработанную технологию обработки и имеют соответствующий сертификат качества на применение материала в конструкции космических аппаратов. Рассмотрим основные материалы, их физико-механические характеристики и основные области применения.

Начнём с рассмотрения алюминиевых сплавов, находящих наибольшее применение в конструкции космических аппаратах.

Столь широкое применение объясняется малыми величинами плотности и удовлетворительными физико-механическими характеристиками. Они находят применение как в герметичных, так и в негерметичных отсеках. Ниже, в таблице 1 приведены физико-механические характеристики алюминиевых сплавов для конструкции не герметичных конструкций. К ним относятся несущие корпуса, элементы крепления приборов, различные обтекатели и гаргроты.

Таблица 1 – Алюминиевые сплавы

Марка материала	g, кг/см³	, ГПа	, МПа
+20^оС	+100^оС	+200^оС	+300^оС
Д16Т	2, 85
В95Т1	2, 85
АК4-2	2, 85

Из материала Д16Т изготавливают листы, плиты, различные профили. Материал обладает достаточной пластичностью. Из него обычно делают обшивки отсеков и другие элементы конструкции. Это объясняется тем, что после гибки в конструкции практически не наблюдается остаточных деформаций.

Материал В95Т1, и ему подобные, находит применение в конструкции при значительных нагрузках, но имеет меньшую пластичность по сравнению с предыдущим материалом и из него выполняют отдельные силовые элементы (лонжероны, стрингеры, кронштейны и т.д.). Выпускается в виде профилей, катаных плит, листов и т.д.

Из материала АК4-2 и ему подобных изготавливают кронштейны для восприятия сосредоточенных нагрузок. Заготовку подвергают ковке с целью получения надлежащей прочности материала по всем направлениям.

Материалы этого типа требуют обязательной защиты от коррозии. Обычно детали из этих материалов подвергают химической обработке (анодному оксидированию), а после этого грунтуют в два слоя и окрашивают.

Герметичные ёмкости изготавливают из алюминиевых сплавов, имеющих более низкие физико-механические характеристики, но они обладают хорошей свариваемостью. Это свойство крайне важно, так как позволяет получить конструкцию с заданной степенью герметичности. В таблице 2 приведены механические характеристики основных алюминиевых сплавов.

Таблица 2 – Материалы, применяемые в конструкции герметичных ёмкостей

Марка материала	g, кг/см³	, ГПа	_,МПа
293 К	176 К	77 К	20 К
АМГ-6	2, 64		340/170	360/180	440/200	530/210
			293 К	176 К	20 К
	2, 78		440/350	550/400	650/420

Из этих материалов изготавливают листы, профили, поковки (массой до 2500 кг), проволоки и т.д.

Для защиты от коррозии детали, работающие в особо агрессивных средах, подвергают химической обработке.

Из сталей наибольшее распространение в ракетно – космической промышленности находят высокопрочные стали типа 30ХГСА. Из этой стали делают элементы крепежа и силовые несущие детали. Из нержавеющей стали Х18Н10Т изготавливают элементы конструкции пневмогидросистем. Высокопрочные стали типа ВНС применяют при изготовлении силовых элементов конструкции. В таблице 3 приведены механические характеристики основных сталей.

Таблица 3 – Стали

Марка материала	g, кг/см³	, ГПа	_, МПа
+20^оС	+100^оС	+200^оС	+300^оС
30 ХГСА	7, 85
30 ХГСНА	7, 85
Х18Н10Т	7, 9
ВНС	7, 85

Полуфабрикатами сталей являются плиты, поковки (они имеют более высокие механические характеристики за счёт нагортовки материала), прутки, листы и т.д.

Для обеспечения коррозионной устойчивости детали из стали типа 30ХГСА покрывают кадмием и в некоторых случаяхдополнительно окрашивают, а детали из нержавеющих сталей химически пассивируют.

Для конструкции корпусов космических кораблей, межпланетных космических аппаратов и им подобным используют магниевые сплавы. Это объясняется тем, что плотность этих материалов по сравнению с алюминиевыми сплавами почти в два раза меньше. И, несмотря на то, что они имеют достаточно низкие механические характеристики, применение этих материалов выгодно при рациональном конструировании аппарата.

Серьёзным недостатком магниевых сплавов является склонность их к коррозии и, более того, они легко возгораются и горят с образованием большого количества тепла, что затрудняет их тушение, требуя специальных средств. Несмотря на это, материал достаточно хорошо освоен в производстве и из него выполняют герметичные ёмкости методом аргонодуговой сварки. Для предотвращения коррозии и возгорания детали из магниевых сплавов подвергают химической обработки с последующим покрытием грунтом в несколько слоёв и окраской.

Для примера в таблице 4 приведены механические характеристики магниевого сплава.

Таблица 4 – Магниевые сплавы

Марка материала	g, кг/см³	, ГПа	, МПа
+20^оС	+100^оС	+200^оС	+300^оС
МА8	1, 8

Как у алюминиевых сплавов, так и для магниевых сплавов характерно снижение прочности при нагревании. Это обстоятельство требует учёта при прочностных расчётах.

Кроме перечисленных материалов, в конструкции космических аппаратов находит применение различные титановые сплавы. В основном из них изготавливают силовые элементы. К ним относятся конструкция посадочных устройств межпланетных аппаратов, различные силовые кронштейны, иногда элементы крепежа и т.д. Такое применение обусловлено тем, что титановые сплавы обладают высокими механическими характеристиками и в то же время почти в 1, 5 раза меньшей плотностью по сравнению со сталью. На поверхности деталей из титана образуется окисная плёнка, которая предотвращает проникновение коррозии дальше в глубину материала. По этому обычно проводят химическую обработку с целью создания защитной плёнки определённой толщины. Для особо нагруженных деталей применяют поковки. В процессе ковки структура материала выравнивается и материал упрочняется. Однако объём заготовки должен быть с минимальным припуском, чтобы обеспечить одинаковую структуру материала по всему сечению детали.

В таблице 5 приведены механические характеристики титанового сплава Вт-6.

Таблица 5 – Титан

Марка материала	g, кг/см³	, ГПа	, МПа
+20^оС	+100^оС	+200^оС	+300^оС
Вт-6	4, 55			-

В конструкции космических аппаратов для размещения приборов в корпусе применяют приборные рамы, которые изготовляют методом литья из алюминиевых сплавов. Сплавы типа АЛ не пригодны для этой цели. Они имеют низкие механические характеристики и недостаточные литейные характеристики, что не позволяет получить детали, обладающие достаточной прочностью и массой. Эти недостатки в значительной мере компенсирует сплав с добавлением бериллия ВАЛ8. Этот сплав нашёл применение при изготовлении сложных по форме и достаточно прочных деталей космической техники.

Сплав ВАЛ8 обладает хорошими литейными свойствами и является одним из наиболее прочных сплавов, рекомендуемых для производства силовых и герметичных деталей с рабочими температурами до 250°С, получаемых методом точного литья в кокиль. Сплав ВАЛ8 хорошо обрабатывается резанием и сваривается аргоно-дуговой сваркой. Сварные соединения не склонны к коррозии под напряжением.

Сплав имеет достаточно хорошие механические характеристики = 400 МПа, = 340 МПа.

Кроме металлических материалов, в конструкции космических аппаратов находят применение композиционные материалы. Применение таких материалов требует иного подхода к разработке конструкции. Если при разработке конструкции из металла применяют материал с определёнными механическими характеристиками, то при разработке деталей из композиционных материалов одновременно разрабатывается и сам материал. Материал формируют из нитей, лент и тканого полотна. Все эти составляющие соединяют между собой специальными связующими, которые отверждают горячим или холодным способом. В качестве нитей применяют стекловолокно, углепластовое волокно, органическое волокно и нити из высокопрочных сталей или бороволкон. В качестве связующих применяют полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы. После отверждения материал имеет достаточно высокие механические свойства. Так, углепластик имеет плотность 1, 5 кг/м³, предел прочности при растяжении 1, 1 ГПа. Однако все композиты имеют ряд недостатков, которые сдерживают их широкое применение в промышленности. К ним необходимо отнести трудоёмкость производства и способность сохранять свои прочностные характеристики при нагреве до 100°С. Кроме того они на сегодня достаточно дороги в производстве.

НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ (КА)

Конструкция космического аппарата, как и любого другого инженерного сооружения, может быть представлена в виде системы несущих (силовых) и ненесущих (не силовых) элементов.

Несущими считаются те элементы, которые используются для восприятия силового воздействия со стороны окружающей среды и всякого рода грузов, размещаемых внутри корпуса КА (двигательных установок, различного оборудования, аппаратуры и коммерческого груза), а также для связи всех элементов конструкции в единую механическую систему (части, отсеки, блоки). Остальные элементы являются не силовыми. Обычно к последним относят и те элементы, которые (в рассматриваемом режиме нагружения КА) оказывают сравнительно небольшое влияние на несущую способность конструкции в целом.

Совокупность связанных между собой силовых элементов составляет несущую конструкцию. Упрощенная модель такой несущей конструкции описывается конструктивно-силовой схемой.

Вид последней зависит от компоновочной схемы КА и от характера внешнего воздействия со стороны окружающей среды. Принципы разработки конструктивно-силовой схемы всего аппарата и отдельных отсеков и агрегатов будут рассмотрены позже.

Определение вида внешних нагрузок, действующих на КА в период его эксплуатации, целесообразно проводить исходя из характера их распределения по частям и элементам конструкции, а также из характера их изменения по времени. Именно эти факторы оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние частей конструкции и на значения соответствующих внутренних усилий, определяющих силовое воздействие частей конструкции между собой.

По характеру распределения все нагрузки могут быть разделены на поверхностные и массовые (объемные). Поверхностные нагрузки распределяются по поверхности элементов конструкции и характеризуются давлением или значением равнодействующей силы. Массовые нагрузки распределяются по объему элементов конструкции и пропорциональны плотности их материала. Значения массовых нагрузок обычно характеризуются величинами коэффициентов перегрузок ( , , ). Последние определяются ускорениями элементов конструкции и ускорениями КА как твердого тела, обусловленным действием на него внешних неуравновешенных поверхностных сил.

⇐ Предыдущая 123 4 5 Следующая ⇒