Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0038

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0038
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка научно-методической базы и технологий обеспечения качества, надежности и безопасности металлокомпозитных баков высокого давления для перспективных электрореактивных двигателей космических аппаратов
Докладчик
Москвичев Владимир Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на решение проблемы обеспечения прочности, надежности и безопасности перспективных композитных конструкций баков для апогейных двигательных установок космических аппаратов (КА) с длительными сроками активного существования (САС) на орбите.
Цель проекта заключается в разработке научно-методической базы обеспечения прочности, надежности и безопасности металлокомпозитных баков высокого давления (МКБВД), 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 задачи проекта заключаются в разработке теоретических положений и методических основ расчетно-экспериментальной оценки прочности металлокомпозитных баков, экспериментальных исследованиях прочности баков и разработке проектов нормативно-технических документов по методам контроля и обеспечения качества и надежности металлокомпозитных баков.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследований определяется необходимостью повышения функциональных возможностей и сроков активного существования перспективных космических аппаратов. Это достигается за счет совершенствования конструкций двигательных установок. Проект направлен на создание научно-методических основ создания новых, легких и прочных, топливных баков для двигательных установок.
Новизна научных решений заключается в разработке моделей и методов расчетно-экспериментальной оценки прочности, надежности и риска разрушений металлокомпозитных баков, учитывающих совместные условия работы металлического лейнера и силовой композитной оболочки. Исследования основываются на современных достижениях механики деформирования и разрушения, механики композитных материалов, теории надежности и технологий неразрушающего контроля.
Описание исследования

В соответствии с техническим заданием выполнены экспериментальные исследования характеристик механических свойств конструкционных материалов и прочности натурных образцов МКБВД.  В результате исследований получены следующие основные результаты.

Разработана «Программа и методики испытаний металлокомпозитных баков на прочность до разрушения». Целью испытаний является подтверждение требуемой прочности и установление фактического коэффициента запаса. 

Разработана «Программа и методики ускоренных ресурсных испытаний металлокомпозитных баков» на основе опыта Индустриального партнера (ИП) и с учетом специфики МКБВД, выявленной в ходе ранее выполненного расчетного анализа особенностей напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции. 

Разработана «Программа и методики испытаний металлокомпозитных баков на длительную прочность» с целью определения геометрической стабильности конструкции, обеспечения герметичности и прочности. Основное внимание в программе уделяется выявлению эффектов низкотемпературной ползучести композитного материала при действии длительной статической нагрузки. 

Разработана «Программа и методики экспериментальных исследований лабораторных образцов конструкционных материалов баков». Программа регламентирует порядок вырезки и изготовления образцов, форму и размеры образцов, методы испытаний, порядок обработки и представления полученных результатов. Программа включает испытания образцов металла лейнера и композитной силовой оболочки на статическое растяжение и изгиб. Применяемые методы испытаний соответствуют существующим отечественным и зарубежным стандартам в области механических испытаний образцов конструкционных материалов.

В соответствии с разработанной программой испытаний проведены испытания на растяжение 15 образцов из металла лейнера, 20 образцов на растяжение и 20 образцов на изгиб из композитного материала. Определены средние значения и коэффициенты вариации характеристик механических свойств конструкционных материалов баков. 

В соответствии с требованиями назначения созданы экспериментальные натурные образца перспективного МКБВД двух типов: тип 1 – массой рабочего тела 350 кг и тип 2 – массой рабочего тела 500 кг. Определены комплектность их поставки, объем и последовательность предъявительских и приемо-сдаточных испытаний. Описан технологический комплекс изготовления МКБВД с указанием рисков влияния производственных отношений на качество работ.

Проведены испытания натурных образцов МКБВД внутренним пневматическим давлением до разрушения с проведением инструментального контроля процессов деформирования и разрушения. Экспериментально установлены два вида предельных состояний МКБВД (потеря герметичности и полное разрушение), для которых получены величины предельных давлений и перемещений стенок баков. По результатам испытаний получены оценки надежности и безопасности МКБВД, проведены усовершенствования конструкции, определены радиусы зон поражения и тротиловый эквивалент при взрывном характере разрушения бака. 

Проведено испытание МКБВД внутренним пневматическим давлением на длительную прочность в течение одного года с применением акустико-эмисионного контроля. В процессе испытаний оценивались параметры рабочего давления в баке и окружающей среды в испытательном боксе, величины перемещений и деформаций бака. По результатам испытаний на основе оценки характера деформирования и акустической активности выявлены процессы перераспределения напряжений в композитной оболочке, не оказывающих значительного влияния на НДС бака. Результаты указывают на отсутствие явных процессов развития повреждений и ползучести бака. 

Проведены ускоренные ресурсные испытания МКБВД внутренним циклическим давлением в течение 82 циклов нагружения с применением тензометрии и с последующим визуально-измерительным контролем. В процессе испытаний выявлены незначительные изменения деформаций, свидетельствующие о процессах перераспределения напряжений в композитном материале, не приведшие к возникновению дефектов и повреждений в конструкции. 

На экспериментальной базе ИП проведены испытания МКБВД на воздействие вибрационных, ударных и температурных нагрузок. По результатам испытаний оценены предельные значения основных параметров МКБВД, качество разработанной КД и применяемых технологических процессов при изготовлении. Сделаны выводы о соответствии применяемых материалов и покрытий техническим требованиям

Результаты исследования

Мировой уровень исследований и разработок в данном направлении представлен в стандартах NASA и ECSS (NASA-STD-5019, ANSI/AIAAS-080, ANSI/AIAAS-081, ECSS-E-ST-32-02C и др.). В отечественной практике подобных стандартов, определяющих требования к конструкциям, технологии их изготовления, методам контроля качества, экспериментальной оценки прочности и надежности нет. Предусмотренные проектом комплексные расчетно-экспериментальные исследования, ориентированные на создание металлокомпозитных баков большой емкости для космических аппаратов, выполняются впервые. Полученные в проекте результаты в целом соответствуют мировому уровню, отраженному в указанных зарубежных стандартах и литературных источниках по металлокомпозитным бакам высокого давления для космических аппаратов. При этом следует отметить, что результаты получены на основе оригинальных отечественных разработок.

Практическая значимость исследования
Основными областями применения результатов прикладного научного исследования являются ракетно-космическая и транспортная отрасли, где разрабатываются и используются сосуды высокого давления, изготавливаемые из композитных материалов или с применением композитных материалов.
Возможными потребителями результатов являются предприятия – участники и инициаторы технологических платформ: АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», РКК «Энергия», ЦНИИМАШ, НИИТП, ОКБ «Факел», НПО им. Лавочкина, другие предприятия космической отрасли, занимающиеся проектированием, изготовлением металлокомпозитных баков и проектированием космических аппаратов с использованием перспективных конструкционных и композиционных материалов и металлокомпозитных конструкций.
Практическая значимость результатов исследования заключаются в возможности создания номенклатурной линейки легких, высокопрочных и высокоэффективных баков из композитных материалов для двигательных установок космических аппаратов. Использование таких баков обеспечивает возможности довыведения аппаратов на орбиту за счет собственных двигателей (исключается применение дополнительных разгонных блоков) и увеличения сроков активного существования аппаратов на орбите до 15-17 лет. При этом получит развитие технологическое направление изготовления высокоэффективных металлокомпозитных сосудов, обеспечивающее технологическую независимость и технологический паритет отечественных космических аппаратов с зарубежными аналогами.
Эффекты от внедрения результатов прикладного научного исследования состоят в следующем: в космических аппаратах вместо устанавливаемых 4 баков с единичной емкостью 32 литра будет устанавливаться один бак емкостью 370 или 550 литров, с эквивалентной конструктивной массой. Это обеспечит увеличение срока активного существования космических аппаратов на орбите до 15 – 17 лет, а также позволит проводить довыведение аппаратов на орбиту без использования разгонных блоков. Экономический эффект от применения разрабатываемого бака может измеряться десятками миллионов рублей на один запуск аппарата.