Регистрация / Вход
Прислать материал

Проведение прикладных научных исследований в области технологического проектирования и создания пространственных композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью для ракетно-космической техники

Номер контракта: 14.577.21.0131

Руководитель: Халиулин Валентин Илдарович

Должность: заведующий кафедрой

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
термостабильные конструкции, технология изготовления, композиционные материалы, радиальное плетение, направленная укладка, трансферное формование, моделирование, макеты пространственных конструкций космических аппаратов

Цель проекта:
Задачи: • Разработка новых конструктивно-технологических решений по созданию пространственных композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью для снижения габаритно-массовых характеристик элементов конструкций космических аппаратов. • Разработка научно-технического задела в области повышения точности наведения антенн космических аппаратов за счет применения размеростабильных элементов конструкций из композиционных материалов. Цель: Повышение конкурентоспособности отечественных КА за счет разработки новых конструктивных и технологических решений изготовления элементов пространственных композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и размеростабильностью.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта будут получены следующие основные результаты:

Методики расчета конструктивных параметров и напряженно- деформированного состояния элементов пространственных композитных конструкций с учетом свойств выбранного материала, схемы армирования и условий эксплуатации.
Программа и методики исследовательских испытаний технологии изготовления типовых элементов пространственных композитных конструкций методами радиального плетения и трансферного формования.
Лабораторный технологический регламент изготовления типовых элементов пространственных композитных конструкций методами радиального плетения преформ с би- и три- аксиальной схемой армирования с использованием высокопрочных и высокомодульных волокон и трансферного формования.
Программа и методики проведения исследовательских испытаний прочности, жесткости и термостабильности элементов пространственных конструкций, изготовленных методами радиального плетения и трансферного формования.
Методические рекомендации по созданию новых перспективных конструктивных схем пространственных композитных конструкций ракетно-космической техники, изготавливаемых методом радиального плетения и трансферного формования.
Эскизная конструкторская документация на элементы пространственных конструкций и экспериментальную технологическую оснастку для их изготовления.
Экспериментальная технологическая оснастка для отработки технологии и оценки возможности изготовления типовых элементов пространственных композитных конструкций методом радиального плетения, намоткой и трансферного формования.
Макеты элементы пространственных конструкций типа ШОКК, штанг силовых и интегральных конструкций для крепления оборудования КА.
Демонстрационные образцы композитных пространственных конструкций собранные из макетов ШОКК и интегральных конструкций для крепления оборудования КА.
Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации пространственных композитных конструкций с повышенной весовой эффективностью и термостабильностью с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
Проекты технических заданий на проведение ОКР и ОТР по теме: «Разработка пространственных конструкции с высокими весовыми и термостабильными характеристиками из типовых элементов типа штанг, изготавливаемых методами радиального плетения и трансферного формования».

Основные характеристики результатов:
Разработанные методики будут позволять проводить расчет механических и термоупругих характеристик композитной конструкции с учетом схемы армирования и реальных условий эксплуатации.
Методика создания направленной схемы армирования композита из высокопрочных и высокомодульных волокон методом радиального плетения, будет позволять реализовать сбалансированную триаксиальную укладку в одном монослое с малыми углами отклонения от осевого (до 4 гр.), а также обеспечивать армирование высокомодульными волокнами в осевом направлении от 50 до 97% в одном монослое,
Методика математического моделирования процесса пропитки деталей со сложной конфигурацией с учетом реальных характеристик материала, будет позволять получать данные о скорости пропитки, вероятности получения дефектов, что позволит проводить оптимизацию схемы пропитки и выбрать рациональные конструктивные параметры технологической оснастки, что позволит сократить срок проведения опытно-конструкторских и технологических работ;
Разработанные конструктивно-технологические схемы реализации трансферного формования интегральных конструкций будут позволять изготавливать элементы конструкций с малой толщиной стенки, большой протяженностью профиля и высокой степенью армирования (не менее 52%);
Методические рекомендации по разработке процесса формования и выбору технологических параметров процесса будут разработаны для использования в условиях производства Индустриального партнера;
Экспериментальные образцы элементов пространственных конструкций, изготовленных методами трансферного формования с интегрированными интерфейсными элементами типа фланцев, позволят продемонстрировать результат разработки, провести исследования и доказать достижение заявленных характеристик.
Разрабатываемая технология изготовления композитных элементов пространственных конструкций методами радиального плетения и трансферного формования позволит получать детали с коэффициентом температурного расширения близким к нулю (0,5 х 10^(-6)) и модулем упругости не менее 200 ГПа.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом являются элементы конструкции перспективных космических аппаратов, в том числе космических обсерваторий, к которым предъявляются высокие требования к прочности, термостабильности и точности изготовления.
Результаты, полученные при выполнении данного проекта предназначены для:
- совершенствования процесса разработки и проектирования элементов конструкции КА с использованием современных цифровых методов моделирования и оптимизации их конструктивных параметров;
- внедрения методов цифрового моделирования параметров технологического процесса трансферного формования элементов конструкции и проектировании технологической оснастки с учетом полученных данных
- внедрения технологии изготовления композитных элементов пространственных конструкций методами радиального плетения и трансферного формования.
Внедрение полученных результатов позволит сократить время разработки и постановки на производство новых композитных изделий, а также повысить их функциональные характеристики, что позволит снизить массу конструкции и повысить срок эксплуатации КА.
Оценка элементов новизны:
- методика создания направленной схемы армирования композита из высокопрочных и высокомодульных волокон методом радиального плетения, которая позволяет реализовать сбалансированную триаксиальную укладку в одном монослое, обеспечить от 50 до 97% армирования высокомодульными волокнами в осевом направлении в одном монослое;
- конструктивно-технологические схемы реализации трансферного формования интегральных конструкций, в том числе с малой толщиной стенки и большой протяженности профиля;
- методические рекомендации по разработке процесса формования и выбору технологических параметров процесса для использования в условиях производства Индустриального партнера;
- методика математического моделирования процесса пропитки деталей со сложной конфигурацией с учетом реальных характеристик материала, что позволяет сократить срок проведения опытно-конструкторских и технологических работ;
- результаты экспериментальных исследований технологического процесса изготовления элементов прстранственных конструкций и их физико-механических свойств;
- получение экспериментальных образцов элементов пространственных конструкций изготовленных методами трансферного формования с интегрированными интерфейсными элементами типа фланцев, которые позволят продемонстрировать результат разработки, провести исследования и доказать достижение заявленных характеристик.
Результаты работы соответствуют мировому уровню, в том числе:
- по использованию современного программного обеспечения для реализации разработанных методик моделирования и расчета напряженно-деформированного состояния конструкций и моделирования параметров технологического процесса трансферного формования композитных конструкций;
- использованию перспективных методов создания триаксиально армированных преформ методом плетения из высокомодульных и высокопрочных углеволокон;
- использованию перспективного метода трансферного формования элементов конструкций с высоким коэффициентом армирования (не менее 54%);
- достижению высоких прочностных и упругих характеристик готовых изделий, а также низкому коэффициенту температурного расширения.

Достижение заявленных результатов возможно при полной реализации целей проекта при непосредственном участии Индустриального партнера ИСС им. М.Ф.Решетнева.
Риски связаны с ограничениями на поставки высокомодульных углеродных волокон в РФ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Получение основных результатов работы направленно на удовлетворение потребностей Индустриального партнера –АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», во внедрении новых технологий и материалов при реализации эффективных композитных конструкций для космических аппаратов.
В то же время, потребителями результатов проекта могут являться предприятия ракетно-космической, авиационной, судостроительной отрасли, транспортного машиностроения, станкостроения и другие.

Полученные результаты будут планируется использовать для разработки и изготовления элементов космической обсерватории "Милимитрон", в том числе штанг опорной конструкции контррефлектора, прецизионных плат монтажа оборудования космических аппаратов, силовых конструктивных элементов типа опорных стоек и трубчатых элементов ферм, многостеночных интерфейсных плат и т.п.

Реализация проекта позволит создать научно-технический задел для внедрения новых технологических методов изготовления высокопрочных и термостабильных композитных конструкций для ракетно-космической, авиационной отрасли и станкостроения.
А также могут быть использованы для разработки высокопрочных профилей для строительства и транспортного машиностроения.


Создание технологии изготовления высокопрочных и термостабильных композитных элементов конструкций методами плетения и трансферного формования является актуальной темой исследований в зарубежных научных центрах. На данном этапе налажены связи с университетами Германии (г.Аахен, Брауншвейг), обсуждаются возможность двухстороннего обмена студентами и молодыми специалистами/учеными между КНИТУ-КАИ и RTWHA (г.Аахен, Германия), проводится согласование тематик совместных исследовательских проектов с двухсторонним финансированием со стороны РФ и Евросоюза.

Текущие результаты проекта:
Методики расчета конструктивных параметров и напряженно- деформированного состояния элементов пространственных композитных конструкций с учетом свойств выбранного материала, схемы армирования и условий эксплуатации.
Программа и методики исследовательских испытаний технологии изготовления типовых элементов пространственных композитных конструкций методами радиального плетения и трансферного формования.
Лабораторный технологический регламент изготовления типовых элементов пространственных композитных конструкций методами радиального плетения преформ с би- и три- аксиальной схемой армирования с использованием высокопрочных и высокомодульных волокон и трансферного формования.
Программа и методики проведения исследовательских испытаний прочности, жесткости и термостабильности элементов пространственных конструкций, изготовленных методами радиального плетения и трансферного формования.
Эскизная конструкторская документация на элементы пространственных конструкций и экспериментальную технологическую оснастку для их изготовления.
Изготовлена экспериментальная технологическая оснастка для формования элементов пространственных композитных конструкций типа штанг опорной конструкции контррефлектора и штанги силовой. Изготовлены первые экспериментальные образцы конструкций.