Разработка расчетно-экспериментального метода проектирования технологически несимметричных многослойных труб формостабильных космических конструкций

Последние два десятилетия характеризуются высокой активностью ведущих стран мира в освоении космического околоземного пространства и фундаментальных исследованиях дальнего космоса. Это приводит к созданию глобальных спутниковых систем связи высокой точности, орбитальных транспортных платформ и обитаемых станций, космических радиотелескопов и оптических систем с высокой разрешающей способностью.

В связи ужесточением требований по точности космических систем нового поколения и значительным увеличением их геометрических размеров относительно недавно появился и быстро стал актуальным новый класс конструкций, качество которых определяется такими нетрадиционными свойствами, как высокая стабильность линейных размеров и пространственных форм при длительной эксплуатации в условиях изменения температур, влажности и радиации в течение многих лет. При этом, как правило, силовые воздействия на подобные конструкции не являются определяющими и составляют настольно малую величину, что обеспечение прочностных свойств не вызывает затруднений. Несущая способность космических конструкций определяется, в основном, характеристиками жесткости, а именно, стабильностью линейных и угловых размеров, т. е. фодмостабильностью. г.

Трубы являются одним из строительных элементов, наиболее часто применяемых для сборки космических конструкций: каркасов космических радиотелескопов и концентраторов солнечной энергии, приводов поворотных устройств космических аппаратов, каркасов оптических приборов и лазерных установок, строительных ферм орбитальных станций и космических аппаратов.

К таким конструкциям предъявляются высокие требования по формоста-бильности, которые можно разделить на две группы. Первая группа требований касается стабильности линейных размеров в виде близких к нулю осевых перемещений, вторая — стабильности формы в виде ограничений пространственных деформаций. Для трубчатых элементов деформации оцениваются по углу относительной закрутки торцев и консольному прогибу обезвешенной конструкции, которые составляют величину несколько десятков угловых секунд и микрон соответственно.

Малый уровень эксплуатационных перемещений элементов космических конструкций в сочетании с высокой жесткостью на растяжение, изгиб, кручение и минимальной массой недостижим даже за счет использования специальных металлических сплавов, что способствует использованию в конструкциях многослойных полимерных композитов, армированных углеродными волокнами. В таблице 1 и на рис. 1 приведены сравнительные термические, весовые и механические характеристики материалов, применяемых в космических конструкциях [43].

Таблица 1. Свойства конструкционных материалов при нормальных условиях.

Материал Коэффициент термического линейного расширения, К" 1 х Ю-6 Удельный вес, кг/м3 Модуль упругости, ГПа.

Алюминиевый сплав Д16Т 22,7 2780 71.

Легированная сталь ЗОХГСА 11,0 7850 198.

Титановый сплав ВТ-14 8,7 4520 115.

Сплав «Инвар» * 1,2 7740 f 200.

Стеклопластик на основе ровинга РВМН 1,2(1> 2100 100(1).

Алюминий, армированный углеродными волокнами 1,1(1) 2380 1730).

Углепластик на основе ленты ЛУ-24П -1,2<'> -4,5(2) 1500 215(,) 172(2).

Органопластик на основе пара-арамидных волокон Армос®- -3,8(1) 1300 70(,).

Примечание: 1 — свойства вдоль одноосно ориентированных волокон;

2 — свойства вдоль оси перекрестно ориентированных волокон б&bdquoМПа i s s 2400 и 2200 а а.

2000 —1800 — -1600-g 1400 о 1200 z.

5 1000 с 800.

600-и u 400 а.

С 200.

О*.

ДЙАТ800.

ВыСОКОПрОЧНЫе^-/— Д-КОНструкции — • VX:

ШЩ аукн-п/?000 вт14ф.

0т4<

Ауол-зоо А’элур-п ф H46J.

Высокомодульные н размеростабильные конструкции.

I Д16.

IАНг2Н.

1 I I 1 I I I I 1 I 1 I 1 I I 1 1 I I 1 I I 1 1 1.

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240.

Модуль упругости при растяжении Е^ГПо.

Рис. 1. Механические характеристики конструкционных материалов:? — алюминиевые сплавыО — титановые сплавыА* + — углепластики.

Применение, например, специального сплава «Инвар» или алюминиевого сплава, армированного высокомодульными углеродными волокнами, позволяет получить конструкции с близким к нулю коэффициентом линейного расширения, но при этом сам материал и технология его переработки в изделие отличаются повышенной стоимостью,^ габаритные размеры деталей имеют существенные ограничения.

Использование углепластиков на основе углеродных волокон и полимерных связующих, имеющих удельный вес в 1,5 — 5,2 раза ниже металлических материалов, обеспечивает получение легкого, высокомодульного изделия с близким к нулю осевым коэффициентом термического линейного расширения.

Уникальной особенностью полимерных углепластиков является ярко выраженная анизотропия свойств одноосно армированных слоев, которая наряду с наличием больших технологических возможностей по реализации практически любых схем армирования позволяет получать конструкцию с более отрицательным коэффициентом линейного термического расширения, чем KJITP исходного одноосно армированного слоя (рис. 2, [95]).

Рис. 2. Зависимости среднего KJITP от угла армирования ф°в диапазоне Те (-50°С, +50°С) перекрестно армированного углепластика.

КМУ-4Л/0.1 на основе ленты ЛУ-П/01.

Другой особенностью эпоксидных углепластиков является их высокая радиационная стойкость, что обеспечивает длительную эксплуатацию изделия в условиях космического пространства без применения специальных средств за* щиты [12, 72]. 9.

Создание эффективного изделия, позволяющего не только реализовать требования технического задания, но и получить принципиально новые возможности для существенного ужесточения этих требований, открывает пути для внедрения конструкций из ПКМ даже при условии их высокой стоимости.

Одним из существенных недостатков полимерных углепластиков является их чувствительность к влажности внешней среды, которая выражается в процессах адсорбции и десорбции влаги в композиционном материале. Это приводит не только к изменению (деградации) свойств композита, но и вызывает деформирование композиционного материала в процессе воздействия, аналогичное термическому деформированию. Этот факт требует применения и исследования дополнительных коэффициентов линейного деформирования слоя углепластика — коэффициентов линейного влажностного расширения (KJIBP).

Актуальность работы определяется тем, что в силу выше названных требований задачи проектирования многослойных труб формостабильных космических конструкций отличаются от задач традиционной оптимизации нагруженных многослойных стержней. Эксплуатационные перемещения трубы настолько малы, что для реализации требований технического задания при проектировании необходимо применять принципиально новые и нетрадиционные конструктивно-технологические решения, а также учитывать дополнительный комплекс факторов: как хорошо известных (например, конструктивные и технологические отклонения), так и не достаточно изученных (например, гигроупру-гость и непроклеи). Это решающим образом влияет на все стадии создания, начиная с самой постановки задачи проектирования (определение критериев качества, проектных параметров и ограничений), заканчивая выбором эффективных методов практической реализации найденных решений.

В данной работе показано, что показатель формостабильности является функцией отклонений от номинальных величин, и уточнено само понятие оптимальной конструкции. Критерий оптимальности включает в себя не только обеспечение требуемых номинальных значений характеристик конструкции, но и максимальную устойчивость этих характеристик к вариациям структурных параметров и свойств материалов, а также возможность обеспечения требуемых значений при изготовлении. Поэтому неотъемлемой частью процесса поиска оптимальных значений структурных параметров является процедура анализа чувствительности свойств композитной конструкции к отклонениям геометрических размеров, траекторий армирования отдельных слоев и характеристик материалов композитной конструкции.

Указанные факторы обусловливают новизну и сложность задачи оптимального проектирования углепластиковых труб. Так, конструкция, обладающая оптимальными характеристиками (жесткость, коэффициенты термического и влажностного расширения и т. п.), может быть неоптимальной с точки зрения устойчивости этих характеристик к технологическим отклонениям, неизбежным в реальных условиях серийного производства. С другой стороны, оптимальная с точки зрения чувствительности характеристик конструкция может обладать не самыми наилучшими номинальными свойствами. В этом случае проектировщик несколько поступается характеристиками изделия в угоду обеспечения их повторяемости от изделия к изделию при производстве.

Кроме того, при оптимизации параметров композитной трубы необходимо предусмотреть учет следующих факторов:

— зависимость свойств материалов элементов трубы от температуры, требующая корректной аппроксимации свойств;

— эффекты, обусловленные нетонкостенностью труб и требующие учета изменения метрики при переходе от слоя к слою.

На первом этапе проектирования обеспечиваются заданные техническим заданием номинальные характеристики конструкции, прежде всего, близкие к нулю KJ1TP и KJ1BP, а так же модуль упругости и предел прочности. Результатом работ по данному этапу является термическая и влажностная стабильность линейных размеров вдоль продольной оси будущего трубчатого изделия.

На втором эуапе обеспечивается максимальная устойчивость выбранных характеристик многослойной трубы к вариациям структурных параметров, свойств материалов, технологических параметров и режимов изготовления, результатом чего является термическая и влажностная стабильность формы изделия. Термогигроупругие свойства углепластиков, обусловленные поведением полимерной матрицы, существенно влияют на характеристики формы конструкции, по своей природе имеют большую вариацию значений, а их прямые измерения являются затруднительными и могут иметь значительную погрешность. По этой причине проектные значения конструкции находятся в областях наименьшей чувствительности к этим свойствам материала. Эти зоны находятся в точках пересечения семейства кривых, описывающих зависимости средних KJITP и KJIBP трубы от величин отклонений Д. Предельные отклонения других параметров, значения которых невозможно разместить в зонах наименьшей чувствительности, рассчитываются и назначаются индивидуально.

Нормирование, реализация и контроль предельных конструктивно-технологических отклонений на разных стадиях изготовления обеспечивает хорошую воспроизводимость показателей формостабильности композитных конструкций при их тиражировании в условиях серийного производства.

Характерной особенностью полимерных композиционных материалов является повышенный по сравнению с металлами разброс физико-механических характеристик исходных однонаправленных слоев материала, применяемых для получения сложно армированных конструкций (более 7%). Процесс термического формования изделия происходит одновременно с процессом полимеризации (получения) армированного материала при термических режимах и по технологии, имеющих значительный допустимый диапазон изменения значений. Имеющиеся в авиакосмической отрасли методики определения свойств, как исходных слоев полимерных материалов, так и армированного многослойного материала в изделии, ориентированы на параметры прочности и жесткости и совершенно не предусматривают отбраковку по термическим характеристикам и показателям разбррса контролируемых параметров ниже величины 710%. Все это требует специализированной доработки производственно-технологической и нормативно-контрольной базы в плане ужесточения отклонений в свойствах материала уже на этапе входного контроля сырья и полуфабрикатов, в конструктивных параметрах изделия и технологических режимах переработки ПКМ в конструкцию.

С целью обеспечения постоянства характеристик формостабильности от-вержденная конструкция подвергается специальной термостабилизации в положительной области температур, суть которой заключается в проведении релаксации внутренних напряжений, имеющихся на поверхности контакта углеродных волокон с полимерной матрицей, и стабилизации химического состояния самой матрицы. Выбор режима производится экспериментальными методами на основе исследования термоупругого поведения образцов, вырезанных из готовой конструкции.

В результате циклического изменения температуры, содержащего переходы из положительной в отрицательную область температур, могут приводить к микрорастрескиванию матрицы многослойной трубы [6, 84, 79]. Это проявляется в некотором уменьшении модуля упругости (повышении пластичности) материала и, как следствие, в появлении остаточных деформаций и изменении термогигроупругого поведения конструкции. Для предотвращения этого явления многослойные готовые трубы подвергаются термоциклической адаптации.

В углепластиках на основе полимерных матриц протекают процессы поглощения и удаления влаги, которые сопровождаются изменениями линейных размеров и геометрических форм конструкции даже при неизменной температуре, но которые прекращаются при достижении материалом равновесного состояния влагонасыщения. Это обусловливает применение влажностной адаптация готового изделия к условиям эксплуатации, которая заключается в приведении материала конструкции в равновесное состояние по отношению к условиям окружающей среды ее эксплуатации. В случае необходимости на этом же этапе проводится вакуумная дегазации изделия.

Приведенные выше мероприятия, проводимые с готовой многослойной трубой, обеспечивают постоянство показателей формостабильности при эксплуатации в реальных условиях в течение длительного времени.

В данной работе проведены исследования в пяти основных направлениях, обеспечивающих создание оптимальных прецизионных трубчатых конструкций из ПКМ, сохраняющих с высокой точностью свои геометрические размеры и форму при эксплуатации в условиях космического пространства:

1) разработка расчетных моделей оптимального проектирования на основе критериев минимизации параметров трубчатой конструкции при наличии отклонений от номинальных величин физико-механических характеристик материалов и конструктивно-технологических параметров;

2) проведение расчетно-экспериментального исследования влияния отклонений на функциональные характеристики изделия;

3) проектирование оптимальной трубчатой конструкции и определение допустимых полей отклонений от номинальных величин физико-механических характеристик материалов и конструктивно-технологических параметров;

4) исследование путей конструктивного и технологического обеспечения допустимых полей отклонений при производстве прецизионных труб;

5) экспериментальная реализация и апробирование принятых подходов на образцах, модельных фрагментах и опытных трубах натурного размера.

Весь комплекс исследований проведен для большой группы многослойных труб каркаса рефлектора антенны космического радиотелескопа КА «Спектр-Р» НПО им. С. А. Лавочкина (г. Химки) и труб поворотного устройства КА «Кондор» НПО машиностроения (г. Реутов) с внутренними диаметрами от 68 до 126 мм и длинами от 740 до 2440 мм. г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с поставленной целью в диссертации получены следующие результаты:

1. Осуществлено исследование и проведен сравнительный анализ отечественных композиционных материалов, используемых для изготовления фор-мостабильных труб. Установлено, что применительно к космическим конструкциям для интервала температур эксплуатации -150 °С ч- +100 °С наилучшими конструктивно-технологическими и экономическими свойствами обладают углепластики на основе лент ЛУ-П, однонаправленных жгутов УКН-П, КУЛОН и эпоксидных связующих с температурами отверждения 160°Сь 180 °C.

2. Определены и исследованы константы термои гигроупругости однонаправленных и армированных эпоксидных углепластиков.

3. Предложена конструкция формостабильной трубы из многослойного углепластика с низкой чувствительностью к технологическим несовершенствам.

4. Проведен анализ технологии изготовления трубы, выявлены конструктивно-технологические отклонения, приводящие к технологической несимметрии изготовленной трубы и вызывающие ее кручении и изгиб при изменении температуры и влажности. Определены диапазоны значений отклонений.

5. Разработана методика расчета термо гигроупругих свойств материала трубы с учетом изменения метрических характеристик слоев.

6. Разработана методика расчета термовлажностных перемещений многослойных труб с учетом технологической несимметричности.

7. Проведены расчетные исследования термических и влажностных перемещений углепластиковых труб с армированием (±ф°/0°/±ф°). Получены зависимости этих перемещений от факторов технологической несимметричности.

8. Для формостабильных труб установлены оптимальные соотношения слоев продольных и спиральных слоев ф, диапазон критических углов укладки.

Ф от 41° до 50°, обеспечивающие минимальную чувствительность термовлаж-ностных перемещений к технологическим отклонениям (разброс геометрических размеров, отклонения свойств материалов, изменения направлений и последовательности укладки слоев, наплывы связующего и непроклеи).

9. Установлены предельные величины отклонений конструктивно-технологических параметров, характеристик исходных материалов и структурных дефектов, обеспечивающие термовлажностную формостабильность композитных труб.

10. На основе полученных результатов проведено проектирование, экспериментальная отработка, исследование и серийное изготовление натурных раз-меростабильных углепластиковых труб с длинами от 740 до 2440 мм и внутренними диаметрами от 74 до 114 мм для космических конструкций (рис. 70):

— каркаса космического телескопа «Радиоастрон» для КА «Спектр-Р» НПО им. С. А. Лавочкина;

— поворотного устройства К, А «Кондор» НПО Машиностроения.

Благодаря достигнутым научным результатам впервые в России получены трубчатые композитные конструкции с уникальными характеристиками формо-стабильности, гарантированно повторяемыми в условиях серийного производства.

Дальнейшее развитие работы следует направить на выявление новых технологических отклонений, возникающих при изготовлении формостабильных композитных труб, на их классификацию, набор статистических данных по размерам этих отклонений и частоте повторяемости при серийном производстве с целью выявления значимости этих отклонений и определения их весовых коэффициентов. Это позволит создать методику расчета суммарных пространственных перемещений трубы при одновременном влиянии нескольких технологических факторов. б).

Рис. 70. Космическиечсонструкции: а — углепластиковые трубы формостабильного каркаса космического радиотелескопа «Радиоастрон» (© НПО им. С.А. Лавочкина) б — углепластиковые трубы поворотного устройства КА «Кондор» (НПО Машиностроения).