CC BY
615
УДК 629.12:678.5
В. И. Сливинский, Г. В. Ткаченко, М. В. Сливинский
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИИ В ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ
Обоснована эффективность применения сотовых заполнителей и сотовых конструкций в изделиях ракетнокосмической техники. Показаны примеры создания современных сотовых конструкций для летательных аппаратов. Описаны новые возможности создания рациональных сотовых конструкций.
В настоящее время сотовые трехслойные конструкции широко применяются в ответственных агрегатах летательных аппаратов (ЛА) всех классов: пассажирских и военных самолетах, вертолетах, двигателях летательных аппаратов, ракетах различных типов, космических аппаратов (КА) [1]. Столь широкое использование этих конструктивно-технологических решений связано с высокой эффективностью сотовых заполнителей (СЗ) и конструкций [2...6].
Подтверждением этому служат высокие разрушающие напряжения сотовых конструкций (СК) по сравнению с другими при продольном сжатии (рис. 1), сдвиге (рис. 2), высокая усталостная прочность при изгибе (рис. 3, 4), долговечность трехслойных панелей при воздействии переменных нагрузок (рис. 5), низкая поверхностная масса в широком диапазоне погонных сжимающих нагрузок при сжатии (рис. 6).
Рис. 1. Зависимость разрушающих напряжений при продольном сжатии от коэффициента напряженности различных конструкций [5]: 1 - панель с сотовым заполнителем; 2 - панель монолитная;
3 - панель стрингерная клепаная
Рис. 2. Сравнительная эффективность работающих на срез стенок различных конструкций [5]: 1 - конструкция с сотовым заполнителем; 2 - конструкция стрингерная;
3 - конструкция без подкрепления
Сотовые конструкции обладают и рядом специфических свойств: акустической стойкостью (рис. 7), повышенной теплопроводностью (рис. 8), имеют низкую массу при использовании в качестве теплоизоляции гиперзву-ковых ЛА (рис. 9), обладают повышенной звукоизолирующей способностью (рис. 10), длительной акустической стойкостью (рис. 11) и многими другими уникальными свойствами.
рА-іо~;мн/п‘
Рис. 3. Сравнение удельной массы паяных сотовых панелей с панелями других конструкций при изгибе [6]:
1 - трехслойная панель с гофрированным заполнителем с несущими слоями из стали ВНС-2, От >1 250 МПа;
2 - стрингерная панель с обшивкой из стали ВНС-2,
От > 1 250 МПа; 3 - трехслойная панель с сотовым заполнителем и несущими слоями из стали СН-4,
Ов= (1 300 ± 100) МПа; 4 - то же, Ов = (1 600 ± 100) МПа
Рис. 4. Сравнение удельной массы стальных сотовых панелей и титановых конструкций при изгибе при 20 °С [6]:
1 - трехслойная панель с гофрированным заполнителем с несущими слоями из титана ОТ-4, Ов = (800 ± 10) МПа;
2 - стрингерная панель с обшивкой из титана ОТ-4,
Ов = (800 ± 10) МПа; 3 - трехслойная панель с сотовым заполнителем и несущими слоями из стали СН-4,
<5в = (1 300 ± 100)МПа; 4 - то же, Ов =(1 600 ± 100) МПа
Сотовые конструкции в авиации применяются уже более 50 лет. Типичными примерами эффективного ис-
пользования СК в авиастроении являются носовые обтекатели, створки шасси и грузолюков, рулей высоты, элероны, панели пола и интерьера.
101 101 10* 10ч 10> 1дЦ
Рис. 5. Зависимость предела выносливости от числа циклов до разрушения для различных типов конструкций [6]:
1 - однослойного образца при растяжении - сжатии;
2 - трехслойного сварного образца РН 15-7М (США) при изгибе; 3 - трехслойного паяного образца с несущими слоями из стали СН-4 (СССР) при изгибе; 3 - трехслойного паяного образца РН 15-7М (США) при изгибе
Рис. 6. Зависимость приведенной массы панелей от величины погонной нагрузки при сжатии [5]
А, дБ
соответствующего разрушению конструкции, от времени акустического воздействия [6]:
1 - стрингерная подкрепленная панель с обшивкой из стали ВНС-2; 2 - сотовая конструкция с несущими слоями из стали ВНС-2
В ракетно-космической технике можно выделить три направления использования СК:
- конструкционное (для головных обтекателей (ГО) ракет, переходных отсеков, гаргротов, обтекателей антенн, элементов управления крылатых ракет);
- теплозащитное и теплоизоляционное (для аэродинамических экранов, лобовых щитов, спускаемых аппаратов и др.);
- конструкциях, длительно работающих в условиях открытого космоса (антенны, панели негерметичных космических аппаратов, панели солнечных батарей (СБ), размеростабильные платформы и др.).
Рис. 8. Теплопроводность различных конструкций [5]:
1 - трехслойная панель с сотовым заполнителем (несущий слой из стали РН-15-7Мо); 2 - несущая панель с гофровым заполнителем (несущие слои и заполнитель из титана Ti-AI-4V; 3 - стрингерная панель из титана Ti-6AI-4V
Ъдб
170
160
150
шг —-V
0,1
1,0
10 і,ч 100
Рис. 9. Влияние применения конструкций с сотовым заполнителем на относительную массу теплоизоляции т [5]
Одним из первых предприятий, применившим СК в конструкции ракет-носителей (PH) в бывшем СССР, явилось ЦСКБ (г. Самара). Это предприятие в конце 60-х -начале 70-х гг. освоило изготовление головных обтекателей (ГО), переходных отсеков, агрегатных отсеков с обшивками и СЗ на основе стеклоткани. СК производились по интегральной технологии с соединением «мокрых» обшивок с СЗ за счет связующего [7].
В переходных отсеках, ГО, гаргротах PH класса «Про-тон-М», «Рокот», «Ангара» ГКНПЦ имени М. В. Хруни-чева широкое применение нашли трехслойные СК с углепластиковыми обшивками и сотовыми заполнителями из
алюминиевой фольги. Эти конструкции выполнили свою роль в концепции модернизации PH «Протон»:
- за счет применения новых конструкционных материалов с целью повышения энергомассовых характеристик PH;
- создания новейших конструкций и современных технологий для увеличения массы выводимых полезных грузов.
50 100 150 ZOO 250 tcp°C
Рис. 11. Сопротивление различных конструкций при воздействии на них акустических нагрузок во времени [5]
За последние десять лет разработаны и внедрены в производстве модификации ГО ракето-носителя «Протон» диаметром от 4 100 мм до 4 350 мм и длиной от 10 до 15 м: 77КЭ (масса 16 кг/м2), 14С75 (масса 13,5 кг/м2), БКБ (масса 12,5 кг/м2), БКА (масса 11 кг/м2). Начаты работы над современным ГО диаметром 5,1 м, поверхностная масса такого изделия будет около 6 кг/м2 [8].
В период с 1997 г. по настоящее время совершено более 40 успешных пусков РН «Протон-М» с головными обтекателями из сотовых конструкций.
В спускаемых аппаратах РКК «Энергия» имени С. П. Королева и НПО имени С. А. Лавочкина сотовый заполнитель из стеклоткани изолирует металлический корпус от высоких тепловых нагрузок, воспринимаемых лобовым щитом.
Примером эффективного сочетания полимерных композиционных материалов и СЗ являются панели солнечных батарей космического назначения [9; 10], которые позволили существенного уменьшить толщину выпускаемых промышленностью препрегов путем раскатки пасмы углеродных волокон до толщины в один монослой [11].
Панели СБ и панели негерметичных КА с тепловыми трубами успешно использованы в работающем на орбите КА «Ямал-100» (РКК «Энергия»).
Современным этапом совершенствования конструктивно-технологических решений и снижения массы панелей СК для КА «Ямал-200» является применение облегченного сотового заполнителя марки 5056-6,0-23П и нанесение клея ВК-36 на торцы СЗ. За счет этих мероприятий масса каркаса панелей СБ снизилась на 0,5 кг/м2 и составила 1,6 кг/м2.
Сотовые конструкции успешно применяются и в ГКБ «Южное». Это солнечные батареи КА «Микроспутник», панели тепло- шумоизоляции для ГО РН «Днепр», «Зе-нит-2М».
Современные тенденции развития ракетно-космических систем и ужесточение требований по массовым характеристикам предопределяют более широкое применение СК в новых разработках ГКБ «Южное» [12]. Так, предполагается возможность создания ГО для новых модификаций РН «Зенит» и «Циклон» на основе трехслойной СК. Предварительный расчет показывает, что массу изделий можно уменьшить до 40 % по сравнению с металлическим вариантом.
Одним из путей снижения массы КА «Микроспутник» является изготовление силовой конструкции платформы (СКП) с использованием сотовых панелей. Такое решение позволит снизить массу СКП на 30...40 % по сравнению с существующим аналогом.
ФГУП НПО ПМ имени академика М. Ф. Решетнева является наиболее динамичным предприятием, быстро осваивающим производство СК космического назначения. Оригинальная конструкция негерметичных панелей КА с жидкостными коллекторами сложной формы - это лишь одна из многих задач, которые в настоящее время успешно решает это предприятие. Для этого потребовалась мобилизация не только собственных ресурсов (организация производства СК, приобретение нового оборудования и др.), но и ужесточение требований к качеству выпускаемых СЗ, а также разработка новых видов сотовых заполнителей (только за последний два года нами для НПО ПМ разработаны десять новых типоразмеров СЗ).
Среди разработок СК этого предприятия хотелось бы выделить следующие: эллипсовидную вырезку из параболоида вращения спутника непосредственного телевизионного вещания; плиту полезной нагрузки спутника обеспечения подвижной связи; астроплаты для размещения приборов системы ориентации и стабилизации; сотовую базовую плиту и приборные стойки для размещения блоков ретрансляции и антенн спутника телевизионного вещания; панели негерметичного исполнения спутника фиксированной связи и др.
Для обеспечения предприятий ракетно-космического комплекса в ОАО «УкрНИИТМ» организованно производство СЗ из различных материалов: алюминиевой фольги, полимерной бумаги «Номекс», стеклоткани, крафт-бумаги, пленки ПЭТФ, углеродной ленты. Производятся более 60 типоразмеров СЗ. Каждый из перечисленных заполнителей имеет свои специфические особенности и свою сферу применения.
Так, СЗ из фольги имеют высокие показатели удельной прочности и жесткости, а также теплопроводны.
Заполнитель из полимерной бумаги «Номекс» относится к самозатухающим материалам, он влаго- и химически стоек, радиопрозрачен. Кроме того, этот СЗ обладает уникальной способностью сохранять эксплуатационные качества без необратимых повреждений при перегрузках в локальных участках.
Сотовые заполнители на основе стеклоткани имеют хорошие теплозащитные и теплоизоляционные свойства, ра-диопрозрачны.
Сотовые заполнители из крафт-бумаги являются самыми дешевыми, а с помощью пропитывающих составов им можно придать свойства негорючести, влаго- и грибос-тойкости, повысить их механические характеристики.
Углесотопласт обладает максимальными абсолютными и удельными механическими характеристиками, с обшивками из углепластика он дает химически однородную и размеростабильную конструкцию.
Сотовый заполнитель на основе стеклоткани с ячейкой гибкой формы позволяет изготавливать изделия сложной геометрической формы.
Паяные СЗ из стали и титановых сплавов применяются в изделиях ракетно-космической техники, эксплуатируются до температур 450 °С. Для конструкций, нагреваемых до 1 000 °С и выше, применяются СЗ из стали, полученные сваркой [13].
С целью дальнейшего совершенствования характеристик массы ЛА разработана методика оптимизации СК с включением в параметры оптимизации геометрических и механических характеристик СЗ [1]. На примере ГО показана возможность дополнительного снижения его массы (на 10...13 %) за счет использования эксклюзивного СЗ.
В последнее время возникла необходимость в разработке суперлегких (массой < 1 кг/м2) сотовых панелей (панели СБ и панели теплоизоляции внутриобтекатель-ного пространства). Применение серийно выпускаемых пленочных клеев массой 280...300 г/м2 в таких конструкциях не оправдано, так как относительная масса клеев в СК при этом достигает 55...70 %.
Разработана и освоена технология адресного нанесения клея на торцы ячеек СЗ, позволяющая регулировать массу клея от 20 до 120 г/м2 при одностороннем его нанесении [14].
Применение всех вышеперечисленных возможностей позволяет совершенствовать характеристики массы ЛА. Опыт показывает, что при замене монолитных или подкрепленных конструкций на сотовые достигается снижение массы на 25...40 %, а новые возможности создания рациональных СК позволяют повысить этот показатель до 45...55 %.
Достигнутый и перспективный уровень массовых характеристик изделий ракетно-космической техники СК приведен в таблице.
Рациональное применение СК в той или иной области должно основываться на принципе достаточности их функциональных характеристик, связанном с экономическим аспектом [15]. Это в свою очередь требует комп-
лексного анализа конструктивно-технологических решений применяемых СК с учетом технологии изготовления СЗ на различных стадиях подготовки производства и изготовления изделий.
Таким образом, объективными предпосылками для эффективного применения СК в ракетно-космической технике и других областях являются не только реализованные преимущества СК, но и решение ряда проблем, связанных с оптимизацией технологических допусков на параметры СЗ в зависимости от назначения СК, в которой он применяется, разработкой классификатора СЗ, его квалиметрии в системе управления качеством продукции и др., в комплексе составляющими научные основы технологической подготовки и производства сотовых заполнителей и сотовых конструкций.
Библиографический список
1. Сливинский, В. И. Конструктивно-технологические решения по созданию рациональных сотовых конструкций различного назначения / В. И. Сливинский // Машиностроение Украины: Новые технологии / ДГУ Днепропетровск, 1999. С. 51-88.
2. Сливинский, В. И. Научно-технические предпосылки создания в Украине наукоемкой технологии и производства сотовых заполнителей и конструкций на их основе для различных отраслей промышленности / В. И. Сливинский // Технологические системы. 1999. № 2. С. 16-18.
3. Сливинский, В. И. Сотовые заполнители. Классификация, применение, расчет физико-механических характеристик / В. И. Сливинский, В. В. Пергат, Г. В. Ткаченко; ЦНТИ «Поиск». Киев , 1990. 43 с.
4. Ендогур, А. И. Сотовые конструкции. Выбор параметров и проектирование / А. И. Ендогур, М. В. Вайн-берг, К. Н. Иерусалимский. М.: Машиностроение, 1986. 200 с.
5. Панин, В. Ф. Конструкции с заполнителями: справ. / В. Ф. Панин, Ю. А. Гладков. М.: Машиностроение, 1991. 272 с.
6. Кобелев, В. Н. Расчет трехслойных конструкций /
В. Н. Кобелев, Л. М. Коварский, С. И. Тимофеев. М.: Машиностроение, 1984. 304 с.
7. Таран, Г. Ф. Применение конструкций из полимерных композиционных материалов как перспективное на-
Уровень массовых характеристик изделий ракетно-космической техники СК
Изделие Фирма Погонная масса, кг/м2
достигнутая на 2003 г. перспектива 2007 г.
Каркасы панелей солнечных батарей «Ямал-100»,«Ямал-200» РКК «Энергия» 1,622 1,0
«Микроспутник», каркасы батарей фотопреобразо-вателей ГКБ «Южное» 1,6 1,0
Головные обтекатели PH «Протон-М» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева 11,0 6,0
Панели негерметичных корпусов КА «Ямал» с тепловыми трубами РКК «Энергия» 6,0-8,0 4,0-7,0
Панели негерметичных корпусов КА связных спутников с жидкостными коллекторами НПО ПМ 5,4-12,4 5,0-10,0
правление решения задач по созданию изделий типа «Союз» / Г. Ф. Таран, А. Н. Кашицин, С. В. Максимов и др. // Композиционные материалы в промышленности: материалы XXII Междунар. науч.-практ. конф. Ялта, 2002. С. 117118.
8. Петраковский, С. В. Возможности повышения энергомассовых характеристик ракеты-носителя «Протон-М» путем внедрения конструкций из полимерных композиционных материалов / С. В. Петраковский, Ю. О. Бахвалов, Н. В. Мухин и др. // Тез. докл. XII науч.-техн. конф. Обнинск, 2001. С. 107-110.
9. Гайдачук, А. В. Методика оптимального проектирования облегченных конструкций солнечных батарей /
А. В. Гайдачук, В. В. Кириченко, В. И. Сливинский и др. // Авиационно-космическая техника и технология: сб. науч. тр. / ХАИ. Харьков, 1995. С. 212-217.
10. Гайдачук, В. Е. Концепция теоретического обеспечения технологии изготовления суперлегких панелей солнечных батарей космического назначения / В. Е. Гайдачук, А. И. Грошевой, В. В. Кириченко и др. // Авиационно-космическая техника и технология: тр. Харьков. авиац. ин-та им. Н. Е. Жуковского за 1997 г. / ХАИ. Харьков, 1998.
С. 322-327.
11. Сливинский, В. И. Технологические возможности формирования супертонких препрегов для несущих панелей солнечных батарей космического назначения /
B. И. Сливинский, X. Э. Тамайо // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Гос. аэрокосм. ун-та им. Н. Е. Жуковского / ХАИ. Харьков, 1999. Вып. 17 (4). С. 68-77.
12. Ситало, В. Г. Перспективы применения СК в разработках КБ «Южное» / В. Г. Ситало, Ю. Г. Артеменко, Ф. М. Телевной // Космическая техника, ракетное вооружение: сб. науч.-техн. тр. / ГКБ «Южное». Вып. 1. Днепропетровск, 2004. 335 с.
13. Иванов, А. А. Новое поколение сотовых заполнителей для авиационно-космической техники / А. А. Иванов, С. М. Кашин, В. И. Семенов. М.: Энергоатомиздат, 2000. 584 с.
14. Сливинский, В. И. Эффективность нанесения клея из расплава на торцы сотового заполнителя / В. И. Сли-винский, X. Э. Тамайо // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. НАКУ «ХАИ», посвящ. 70-летию ХАИ / ХАИ. Вып. 22 (5). Харьков, 2000. С. 146-150.
15. Гайдачук, А. В. О концепции квалиметрии и управления качеством производства сотовых заполнителей и конструкций / А. В. Гайдачук, В. И. Сливинский // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. трудов гос. аэрокосмич. унта им. Н. Е. Жуковского / ХАИ. Вып 22(5). Харьков, 2000.
C. 56-64.
V. I. Slivinsky, G. V Tkachenko, M. V. Slivinsky
EFFECTIVENESS OF THE APPLYING OF CELLULAR CONSTRUCTIONS IN AIRCRAFT
Is substantiated the effectiveness of applying cellular fillers and cellular constructions in the products of aerospace techology. Are show the examples of the creation of modern cellular constructions for aircraft. Are described the new possibilities of creation rational cellular constructions.
