Регистрация / Вход
Прислать материал

Проектирование и создание пространственных композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью для ракетно-космической техники

Номер контракта: 14.577.21.0130

Руководитель: Кобец Леонид Павлович

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
композиционные материалы, размеростабильные конструкции, проектирование, технология, испытания

Цель проекта:
1 Реализация проекта направлена на повышение весовой эффективности, стабильности формы и размеров рефлекторов антенн космических аппаратов. 2 Целью реализуемого проекта является создание перспективной технологии изготовления пространственных композитных конструкций для ракетно-космической техники, обладающих высокой весовой эффективностью и термостабильностью. 3 Реализация проекта позволит снизить погонную плотность антенных рефлекторов си-стем межспутниковой связи с сохранением заданной размерной стабильности.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
а) анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме создания пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники, обладающих высокой весовой эффективностью и термостабильностью;
б) результаты работ по обоснованию и выбору направления исследований по перспективной технологии изготовления пространственных композитных конструкций для ракетно-космической техники, обладающих высокой весовой эффективностью и термостабильностью;
в) результаты математического моделирования технологических и физических процессов, сопровождающих технологические операции радиального плетения армирующих преформ и трансферного формования;
г) методические рекомендации и обоснованные технологические ограничения на применение методов радиального плетения и трансферного формования;
д) результаты расчетов параметров технологических режимов для применения методов радиального плетения и трансферного формования;
е) обоснованный состав типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники, для изготовления которых наиболее эффективно применение технологий радиального плетения при создании армирующих преформ и трансферного формования;
ж) результаты экспериментальной верификации разработанных технологических режимоврадиального плетения и трансферного формования на примере изготавливаемых с их использованием типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники;
з) рекомендации по оптимизации параметров технологических режимов для изготовления типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники;
и) результаты исследовательских испытаний экспериментальных образцов типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники, изготовленных с применением разработанных технологий радиального плетения и трансферного формования;
к) требования к средствам технологического оснащения и проектирования пространственных композитных конструкций индустриального партнера - организации реального сектора экономики с целью эффективного применения в производственном процессе разработанных технологий радиального плетения и трансферного формования;
л) сведения по корректировке технологических регламентов для применения методов радиального плетения и трансферного формования для изготовления типовых пространственных композитныхконструкций ракетно-космической техники;
м) результаты сравнения разработанных технологий радиального плетения и трансферного формования с лучшими отечественными и зарубежными аналогами.
2 Отчет о патентных исследованиях в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3 Математические модели технологических и физических процессов, сопровождающих технологические операции радиального плетения армирующих преформ и трансферного формования.
4 Технологические регламенты для применения методов радиального плетения и трансферного формования при изготовлении пространственных композитных конструкций для ракетно-космической техники.
5 Методика проектирования технологической оснастки для применения технологий радиального плетения и трансферного формования при изготовлении типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники.
6 Эскизная конструкторская документация для изготовления технологической оснастка для применения технологий радиального плетения и трансферного формования при изготовлении типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники.
7 Технологическая оснастка для применения технологий радиального плетения и трансферного формования при изготовлении типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники.
8 Программа и методики экспериментальной верификации разработанных технологических режимов радиального плетения и трансферного формования на примере изготавливаемых с их использованием типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники.
9 Эскизная конструкторская документация для изготовления с применением разработанных технологий радиального плетения и трансферного формования экспериментальных образцов типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники.
10 Экспериментальные образцы типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники, изготовленные с применением разработанных технологий радиального плетения и трансферного формования.
11 Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов типовых пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники, изготовленных с применением разработанных технологий радиального плетения и трансферного формования.
12 Методические рекомендации по созданию новых перспективных схем армирования и новых конструктивных схем пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники, обеспечивающих высокую весовую эффективность и термостабильность конструкций.
13 Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
14 Проект технического задания на проведение ОКР по теме: Разработка пространственных композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью для ракетно-космической техники.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В настоящее время в нашей стране и за рубежом активно развиваются системы пространственных композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью для ракетно-космической техники.
Создание систем межспутниковой связи устраняет необходимость использования промежуточных земных станций для связи между космическими аппаратами. Наиболее перспективным для создания таких систем в настоящее время является диапазон частот с верхним пределом 60 ГГц, в котором большое затухание в центре линии поглощения кислорода делает практически невозможным применение активных
преднамеренных радиопомех с Земли для работы бортовой аппаратуры и перехват информации. Кроме того, повышение рабочей частоты антенны до 60 ГГц увеличивает скорость передачи информации.
При создании антенн для систем межспутниковой связи, рабочая частота которых достигает 60 ГГц, наибольшую сложность вызывает необходимость обеспечения высокой стабильности формы и размеров рефлектора, допустимые отклонения которых не должны превышать величины Λ/16, где Λ – длина волны радиоизлучения. Таким образом, допустимые отклонения формы рефлекторов зеркальных космических антенн должны составлять доли миллиметра.
Актуальность. За рубежом система межспутниковой связи была впервые применена в США на аппаратах Milstar запущенных в 1994-1995 гг. В настоящее время для их замены развертывается сеть спутников связи Advanced Extremely High Frequency (AEHF). Из-за отсутствия возможности приобретения за рубежом соответствующего оборудования актуальной является задача создания отечественной высокочастотной
системы межспутниковой связи, не уступающей зарубежным аналогам. Создание такой системы будет соответствовать таким критическим технологиям, как «Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения», «Технологии информационных, управляющих, навигационных
систем».
Обзор существующих систем межспутниковой связи и их характеристик приведен в работе Muri P. A Survey of Communication Sub-systems for Intersatellite Linked Systems and CubeSat Missions (Journal of Communications. 2012. Vol. 7, No. 4). Прогноз развития технологий в сфере систем космической связи приведен в документе «Проект стратегической программы исследований технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система» на 2012 – 2020 годы» (http://www.tp.issreshetnev.ru/index.php/documents?download=8:projectsrp1 ). В данном документе среди ключевых направлений исследований и разработок по развитию новых технологий фигурируют «Исследования и разработки в направлении создания новых технологий в области проектирования, изготовления и испытаний бортовых антенн перспективных КА». Таким образом, направленность проекта входит в российские и мировые научно-технологические приоритеты.
Новизна. Наилучшим образом для изготовления антенных рефлекторов, работающих в диапазоне частот с верхней границей 60 ГГц, обладающих одновременно малой погонной плотностью и высокой размерной стабильностью в условиях длительного пребывания в космосе и периодических теплосмен, вызванных заходами в тень Земли подходят полимерные композиционные материалы (ПКМ). Особенности композитных конструкций заключаются в неразрывном единстве материала, конструкции и технологии производства. Одним из следствий этого является необходимость использования новых подходов к созданию конструкций из ПКМ.
Традиционно рефлекторы зеркальных космических антенн имеют вид многослойных конструкций, в которых несущие слои оболочки рефлектора из ПКМ для жесткости подкреплены металлическими сотами.
Ограничения по массе выводимых на орбиту КА требуют совершенствования конструктивно-технологических решений зеркальных антенн в части придания им более высокой формо-размерной стабильности чем у существующих, имеющих погонную плотность на уровне 3,6 кг/м2. Оценки показывают возможность изготовления антенных рефлекторов в форме системы тонкостенных (толщина
менее 1,5 мм) оболочек. Такая конструкция может обладать погонной плотностью около 1,0 кг/м2, что в 3 раза ниже, чем у существующих конструкций. Однако, в связи с тем, что тонкостенная конструкция может охлаждаться на теневом участке орбиты до температуры минус 170°С, необходимо использование новых моделей теплообмена, учитывающих нестационарный и комбинированный характер теплообмена оболочек
рефлектора.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ожидаемые результаты могут использованы при проектировании пространственных композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью для ракетно-космической техники.

Текущие результаты проекта:
В рамках цикла расчетно-теоретических исследований разработаны геометрические модели представительных элементарных объемов плетеных структур из углепластика и построены соответствующие конечноэлементные модели. В результате выполненных расчетных исследований технологических процессов изготовления пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники посредством радиального плетения, с разными углами наклона нити, и с использованием разработанных математических моделей определено, что наибольшую деформативность и, следовательно, технологичность, имеют каркасы радиального плетения с углом наклона нитей 40°.
Разработана математическая модель технологического процесса изготовления пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники посредством трансферного формования. Предложенная математическая модель необходима для оптимизации технологии производства, на основе моделирования фронта распределения связующего, поля давления и степени полимеризации связующего в процессе пропитки капиллярно-пористой композитной преформы с учетом возможного появления дефектных зон. Модель обеспечивает возможность моделирования инжекции как «низкотемпературных» так и «высокотемпературных» связующих при давлении подачи вплоть до 1,0 МПа в капиллярно-пористое пространство композитной преформы с разряжением не менее 5 мбар.
Разработанная модель реализована в программном продукте ESI PAM-RTM, с помощью которого проведено численное моделирование процесса пропитки преформы. Проведен анализ времени процесса пропитки преформы связующим, времени гелеобразования и времени отверждения связующего для изотермических условий отверждения.
В результате проведенного расчетного исследования технологического процесса изготовления пространственной композитной конструкции, получены зависимости времени пропитки композитной преформы от ее проницаемости в плоскости армирования при различных значениях давления подачи связующего, характерных для метода трансферного формования. Определены оптимальные технологические параметры процесса пропитки композитной преформы: давление подачи связующего от 0,5 МПа до 0,6 МПа; температура связующего и преформы 50 ± 5 °С. Показано, что при увеличении температуры пропитки более 65 °С пропитка преформы невозможна по причине гелеобразования.
Обоснованы требования по проведению процесса отверждения связующего по следующему режиму: 80 °С - 24 часа, 100 °С – 6 часов, 120 °С – 4 часа