Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-методической базы и технологий обеспечения качества, надежности и безопасности металлокомпозитных баков высокого давления для перспективных электрореактивных двигателей космических аппаратов

Номер контракта: 14.607.21.0038

Руководитель: Москвичев Владимир Викторович

Должность: Директор

Организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
апогейная двигательная установка, космический аппарат, ксеноновый бак высокого давления, композит, качество, надежность, безопасность

Цель проекта:
1) Реализация проекта направлена на решение проблемы обеспечения прочности, надежности и безопасности перспективных композитных конструкций баков для апогейных двигательных установок космических аппаратов с длительными сроками активного существования на орбите. 2) Цель проекта заключается в разработке научно-методической базы обеспечения прочности, надежности и безопасности металлокомпозитных баков высокого давления, изготавливаемых с использованием перспективных конструкционных и композиционных материалов, и обеспечивающих повышение энергомассовых характеристик и экономических показателей электрореактивных двигателей и габаритно-массовых характеристик космических аппаратов и перспективных космических систем.

Основные планируемые результаты проекта:
1) Вычислительные модели деформирования и разрушения волокнистых композитных материалов с учетом нелинейного поведения связующего и накопления повреждений на различных масштабных уровнях;
Вычислительные модели анализа напряженно-деформированного состояния и конструктивно-технологической оптимизации металлокомпозитных баков с учетом контактного взаимодействия лейнера и композитной оболочки.
Расчетно-экспериментальные оценки прочности, ресурса и стабильности конструкции бака при кратковременном и длительном статическом нагружении;
Вероятностные модели предельных состояний, методы риск-анализа и расчетно-экспериментальной оценки границ областей безопасных значений конструктивно-технологических параметров баков;
Требования к обеспечению качества, надежности и безопасности металлокомпозитных баков высокого давления.
2) Разработанные модели и методы позволяют решать комплекс расчетно-теоретических задач анализа работоспособности металлокомпозитных баков с оценкой напряженно-деформированных и предельных состояний анизотропных структурно неоднородных конструкций и материалов. Модели реализованы с использованием возможностей современных вычислительных пакетов.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1) Конечным продуктом является научно-методическая база для разработки и производства металлокомпозитных сосудов высокого давления для апогейных реактивных двигателей перспективных космических аппаратов с повышенными сроками активного существования на орбите.
2) Новизна научных решений заключается в разработке системы моделей предельных состояний, вероятностных моделей анализа надежности и риск-анализа конструкции бака, а так же модели оптимизации конструкции бака.
Система моделей предельных состояний отличается от традиционных подходов рассмотрением многоуровневой согласованной иерархии предельных состояний конструкции и предельных состояний конструкционных материалов. Для каждого предельного состояния обоснованы и определены соответствующие критерии.
Новизна вероятностных моделей надежности заключается в том, что в отличие от традиционных статистических моделей они основаны на вероятностном анализе напряженно-деформированного состояния и предельных состояний конструкции бака. При этом в зависимости от стадии жизненного цикла бака параметры напряженно-деформированного состояния рассматриваются как случайные функции или случайные процессы.
Модель оптимизации конструкции бака является оригинальной разработкой, основанной на ряде допущений о свойствах и структуре композитного материала.
3) Разрабатываемые модели и методы обеспечат научно-методический паритет с опытом и достижениями NASA и ESA в части проектирования металлокомпозитных баков высокого давления.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Основными областями применения результатов ПНИ являются ракетно-космическая и транспортная отрасли, где разрабатываются и используются сосуды высокого давления, изготавливаемые из композитных материалов или с применением композитных материалов.
2) Возможными потребителями результатов являются АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», РКК «Энергия», ЦНИИМАШ, НИИТП, ОКБ «Факел», НПО им. Лавочкина, а также другие предприятия космической отрасли, занимающиеся проектированием и изготовлением космических аппаратов с использованием перспективных конструкционных и композиционных материалов и металлокомпозитных конструкций.
3) Перспективы использования результатов ПНИ заключаются в возможности создания номенклатурной линейки легких, высокопрочных и высокоэффективных баков из композитных материалов для электрореактивных двигательных установок космических аппаратов. Использование таких баков обеспечивает возможности довыведения аппаратов на орбиту за счет собственных двигателей (без дополнительных разгонных блоков) и увеличения сроков активного существования аппаратов на орбите до 15-17 лет.
4) Влияния полученных результатов ПНИ на развитие научно-технических направлений заключается в том, что будут разработаны уточненные модели деформирования и разрушения металлокомпозитных сосудов с расширением перспектив их проектирования и применения. Получит развитие технологическое направление изготовления высокоэффективных металлокомпозитных сосудов, обеспечивающее технологическую независимость и технологический паритет отечественных космических аппаратов с зарубежными аналогами.

Текущие результаты проекта:
- Сформулирована базовая концепция моделирования предельных состояний баков, основанная на принципах структурного моделирования, сформулирована иерархическая система предельных состояний материалов и конструкции, определены базовые формулировки тензоров напряжений и деформаций, а также эффективные характеристики жесткости композиционных материалов.
- Сформулированы и разработаны расчетные модели предельных состояний металлокомпозитных баков, учитывающие особенности конструктивного исполнения и механического поведения структурно-неоднородной конструкции при действии статических и динамических нагрузок. Модели реализуют концепцию структурно-феноменологического моделирования и включают численныемодели конструкции, модели нагрузок, модели напряженно-деформируемого состояния, модели сопротивления материалов нагрузкам и воздействиям.
- Разработана вычислительная модель анализа НДС металлокомпозитного бака при рабочих нагрузках и воздействиях. Модель построена на базе 20-ти узлового конечного элемента с тремя степенями свободы в каждом из узлов с использованием оригинальных пользовательских процедур, интегрированных в коммерческий пакет инженерного анализа ANSYS.
- Разработана вычислительная модель деформирования и разрушения металлокомпозитных баков, учитывающая многоуровневые иерархическое прогрессирующее разрушение волокнистых композиционных материалов.
- Сформулированы задачи оценки надежности и риск-анализа МКБВД по критериям герметичности и прочности. Разработана вероятностная модель надежности и предложены методы анализа надежности с учетом влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Как развитие вероятностной модели надежности, предложена вероятностная модель анализа риска аварий МКБВД.
- Выполнен анализ подходов к решению задач оптимального проектирования композитных конструкций. Разработана модель оптимизации конструкции металлокомпозитного бака, включающая модель конструкции, физические и технологические ограничения, критерии проектирования, дополнительные (рациональные) ограничения, параметры проектирования, методы решения задачи и процедуры верификации.
- Сформулирована задача учета неоднородности, анизотропии и неупругости (нелинейности) поведения композитов под нагрузкой в виде двух подзадач: задачи учета вязкоупругости материала и задачи учета структурной неоднородности. Выполнены расчеты длительной прочности МКБВД с 7-ми и 9-ти слойной композитной оболочкой. Получены сравнительные диаграммы длительной прочности оболочки по критериям Райнера-Вайссенберга, максимальной энергии деформирования, максимальной деформации, модифицированному критерию Райнера-Вайссенберга.
- Выполнено численное моделирование и исследование особенностей НДС сварного соединения расходного фланца с днищем лейнера. Расчеты выполнены с использованием пакета ANSYS в геометрически линейной и нелинейной, упругопластической постановке с использованием мультилинейной диаграммы деформирования. В расчетах использовалась регулярная сетка с осесимметричными плоскими 8-ми узловыми КЭ Plane18 с размером ребра элемента 0,1 мм.
- Выполнен сравнительный анализ международного опыта разработки, технологий изготовления, отработки и испытаний металлокомпозитных баков, отраженный в стандартах NASA и ECSS. Выявлены конкретные решения, которые могут быть использованы в рамках тематики ПНИ.
- Выполнен сравнительный анализ технологии изготовления и испытаний отечественных и зарубежных металлокомпозитных баков. Установлено, что отечественные и зарубежные технологии различаются по ряду важных положений. На основании проведенного анализа разработаны рекомендации по совершенствованию отечественной НТД с учетом требований зарубежных стандартов.
- На основе разработанных численных моделей выполнена расчетная оценка прочности и устойчивости лейнера с учетом контактного взаимодействия поверхностей и давления композитной оболочки на лейнер.
- С использованием вычислительных технологий выполнена расчетная оценка прочности и стабильности геометрии металлокомпозитного бака при заданных рабочих и предельных нагрузках.
- Для обоснованных моделей предельного состояния баков выполнены расчетные (численные) оценки предельных (разрушающих) давлений, учитывающих процессы накопления повреждений в композитной оболочке.
- Выполнена расчетная оценка ресурса металлокомпозитного бака при воздействии циклических технологических нагрузок при испытаниях баков и случайных транспортных нагрузок при запуске космического аппарата.
- На основе разработанных моделей проведена расчетная оценка надежности и риска аварий металлокомпозитных баков при заданных рабочих и предельных нагрузках.
Исследованы и систематизированы по степени опасности факторы воздействий внешней среды (космического излучения, солнечной радиации, метеорных потоков, космического мусора и пр.), способные приводить к потере прочности и герметичности бака на в течение заданного срока активного существования космического аппарата на орбите.
- На основании выполненного расчетного анализа процессов накопления повреждений, прочности и предельных состояний баков выполнены обоснования требований к обеспечению качества, надежности и безопасности металлокомпозитных баков.