Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0131

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0131
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"
Название доклада
Cоздание композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью методом радиального плетения и трансферного формования для ракетно-космической техники
Докладчик
Халиулин Валентин Илдарович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание перспективной технологии изготовления пространственных композитных конструкций для ракетно-космической техники, обладающих высокой весовой эффективностью и термостабильностью.
Задачи:
- Разработка технологии изготовления композитных пространственных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью на основе методов получения рационально армированной структуры изделия методами радиального плетения, направленной укладки волокна и трансферного формования.
- Разработка методик расчета и проектирования пространственных композитных конструкций с учетом влияния температурных деформаций неодноднородного материала на конфигурацию изделия.
- Изготовление макетов образцов пространственных композитных конструкций и определение их функциональных характеристик экспериментальными способами.
Актуальность и новизна исследования
Космические аппараты (КА) являются наиболее технологичными и дорогостоящими образцами техники. Для повышения конкурентоспособности отечественных КА необходимо разрабатывать новые конструктивные и технологические решения с целью изготовления конструкций с высокой весовой эффективностью, точностью и размеростабильностью. Наблюдаемое отставание в этой области, обуславливает необходимость проведения отечественных научных разработок и создания недостающей научно-технологической базы, что делает представленные исследования актуальными. Новизна работы заключается в использовании технологии радиального плетения и трансферного формования для изготовления пространственных композитных конструкций КА, а так же разработке расчетных методик определения их конструктивных параметров. Разработанные макеты ШОКК, ШС и ИК по конструктивно - технологическим решениям не имеют аналогов.
Описание исследования

На первом этапе работ были выбраны элементы пространственных композитных конструкций, для которых наиболее приемлемы технологии радиального плетения и трансферного формования. К таким конструкциям были отнесены:

- штанга опорной конструкции контррефлектра (ШОКК);

- штанга силовая (ШС);

- интегральная конструкция (ИК).

К выбранным конструкциям были предъявлены технические требования, составленные на основании условий функционирования разрабатываемой в РФ космической обсерватории «Миллиметрон». Особо высокие требования были предъявлены к температуре эксплуатации - 4К, модулю упругости более - 200ГПа и коэффициенту линейного термического расширения – менее 0,8 * 10-6 1/С0.

Для определения оптимальных конструктивных параметров разрабатываемых конструкций были разработаны методики определения НДС и выполнены расчетные исследования при заданных условиях силового нагружения и теплового воздействия. Исходные данные относительно свойств материалов для проведения расчетов были получены при испытании специально изготовленных образцов. Далее был разработан технологический процесс изготовления деталей КА с использованием метода радиального плетения и трансферного формования.

Для разработки технологического процесса использовался комплекс иммитационного моделирования ESI Group , формообразующая оснастка и конструкции макетов, были спроектированы с использованием программного обеспечения Unigraphics NX 8.0. и FiberSim.

Изготовление осуществлялось с использованием плетельного комплекса HERZOG RF1/144 100 и промышленного робота KUKA GWA 180-270. Основным армирующим материалом было выбрано высокомодульное углеродное волокно M46J (Toray), пропитка осуществлялась связующим Т-26 (ИНУМИТ). Были рассчитаны воспроизведены два типа армирующей структуры с параметрами 72х12К M46J 0̊ (96,3%) / 16x1K T300 ±60̊ (3,7%) и 72х6К M46J 0̊ / 72х6К ±14̊ M46J, которые обеспечивали требуемые физико-механические параметры.

При проведении технологической отработки было установлено, что существующее оборудование не позволяет осуществить процесс радиального плетения высокомодульными углеродными волокнами, которые были выбраны для изготовления ШОКК. Для достижения поставленной задачи плетельное оборудование было модернизировано. Изготовленные детали ШОКК, ШС и ИК испытывались согласно разработанной программе и методикам испытаний. Исследование механических свойств макетов осуществлялось университетом, физических (КЛТР, формо- и размеростабильность) – Индустриальным партнером. Индустриальным партнером (с использованием изготовленных изделий) был собран конструкторско-технологический макет.

На основании созданного в процессе выполнения ПНИЭР научно-технологического задела было составлено технологическое задание на выполнение ОКР по созданию пространственных композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью.

Результаты исследования

Основные результаты выполнения проекта:

- Технология создания элементов пространственных конструкций макетов штанг опорных конструкций контррефлектора (ШОКК), штанги силовой (ШС), интегральной конструкции (ИК) крепления оборудования космического аппарата инновационными способами получения преформ методами радиального плетения и трансферного формования.

- Методики расчета НДС пространственных конструкций с учетом технологии их изготовления и рекомендации по созданию рациональных схем армирования для достижения высокой термостабильности конструкции.

- Методики и технологические инструкции по разработке и проектированию технологической оснастки для реализации указанных методов изготовления пространственных конструкций.

- Результаты исследовательских испытаний материалов и элементов пространственных конструкций.

- Экспериментальная технологическая оснастка для изготовления макетов элементов пространственных конструкций с высокой термостабильностью.

- Проекты технического задания на проведение ОКР по разработке опорной конструкции контррефлектора антенны космического аппарата, интегральных плат для размещения оборудования космического аппарата.

Для практической апробации разработанной технологии и верификации расчетной методики был изготовлен комплект ШОКК, ШС и ИК крепления оборудования КА к которым предъявлялись высокие требования по жесткости и размеростабильности в осевом направлении.

Испытания ШОКК, ШС и ИК крепления оборудования КА проводились в термовакуумной камере при содействии Индустриального партнера АО «Информационные спутниковые системы» им. Академика М.Ф. Решетнева.

В результате испытаний макетов КА, было доказано жостижение высокой весовой эффективности и размеростабильности. Проведенные исследования показали, что использование для изготовления опорных конструкций КА методов радиального плетения и трансферного формования в закрытой формообразующей оснастке (RTM) позволяет изготавливать трубчатые элементы с высокими показателями жесткости и размеростабильности. 

Практическая значимость исследования
Основной областью применения результатов проекта является ракетно-космическая отрасль. Возможно осуществление трансфера разработанных методик и технологии в другие области промышленности, в том числе авиастроение и машиностроение. Разработанные конструктивные решения позволяют создать интегральные конструкции с высокими показателями жесткости и размеростабильности, что может найти применение во многих отраслях техники. Реализация проекта позволит увеличить массу полезной нагрузки КА за счет снижения массы изготавливаемых конструкций, создать технологический задел в области изготовления интегральных конструкций с высокими механическими характеристиками и термостабильностью и в целом повысить конкурентоспособность отечественных КА. Впервые в мире были использованы технологии радиального плетения и трансферного формования при изготовлении термостабильных конструкций КА.
Получение основных результатов работы направленно на удовлетворение потребностей Индустриального партнера во внедрении новых технологий и материалов при реализации эффективных композитных пространственных конструкций для КА.
К основным результатам имеющим практическое значение можно отнести:
- верификацию расчетных методик по результатам испытаний макетов ШОКК, ШС и ИК;
- создание элементов КА методами радиального плетения и трансферного формования;
- разработку методик испытаний макетов и их проведение при повышенных пониженных температурах
- физико-механические характеристики конструкций полученные при испытаниях.
Доведение результатов ПНИЭР до потребителя или заинтересованных организаций будет организовано в виде:
- передачи научно-технических отчетов, протоколов результатов испытаний материалов и типовых конструктивных элементов на основе заключения совместных соглашений или договоров;
- разработки технических заданий на проведение ОКР для конкретных образцов техники;
- методик выбора конструктивно-технологических параметров пространственных конструкций;
- методик проектирования технологической оснастки;
- рекомендаций по организации новых технологических производств под задачи отрасли и конкретных предприятий.