Перспективные космические композиционные материалы

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ СПО Красносулинский металлургический колледж

РЕФЕРАТ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ г. Красный Сулин 2006 г.
СОДЕРЖАНИЕ

1. МНОГООБРАЗИЕ КОСМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

2. КОСМОС И НАНОТЕХНОЛОГИИ

3. САМОИЗЛЕЧИВАЮЩИЕСЯ КОСМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

4. «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ» КОСМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.   МНОГООБРАЗИЕ КОСМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

При разработке космических средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температура и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, микрочастицы и т.д.) и иметь достаточно низкую удельную массу.

Металлы – основные конструкционные материалы для изделий ракетно-космической техники, их масса в массе сухих изделий составляет более 90 %. Поэтому совершенствование тактико-технических характеристик изделий во многом определяется свойствами применяемых сплавов. За последние годы разработано и в дальнейшем получит новое развитие поколение алюминиевых сплавов, легированных литием и скандием. Замена традиционных сплавов новыми позволит снизить массу узлов изделий космических аппаратов на 10...30 % в зависимости от типа конструкции. Технология получения деталей из новых гранулированных сплавов наряду с возможностью повышения рабочих температур до 850 °С обеспечит снижение массы узлов на 10...30 %.

Революционные решения в создании перспективных изделий космической техники XXI в. может обеспечить новый класс конструкционных материалов – интерметаллиды (химические соединения титан-алюминий, никель-алюминий и др.). Эти материалы имеют низкую плотность (3,7...6,0 г/см³) и обладают высокой жаропрочностью (до 1200 °С), высокими характеристиками коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости.

Интерметаллидные сплавы на основе титана могут работать до температуры +850 °С без защитных покрытий, сплавы на основе никеля - до температуры +1500 °С.

Использование интерметаллидов в двигательных установках (ротор, статор, крыльчатки, клапанная группа, неохлаждаемые сопла и т.п.) позволит повысить удельную тягу двигателей на 25...30 %, обеспечит снижение массы конструкций до 40 %.

Снижение веса является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию.

Типичными примерами такой конструкции являются жидкостная ракета-носитель «Атлас» и конструкция твердотопливной ракеты. Для «Атласа» была создана специальная монококовая оболочка с наддувом. Ракета с двигателем на твердом топливе получается посредством наматывания на оправку, имеющую форму твердотопливного заряда, стеклянной нити и пропитки намотанного слоя специальной смолой, которая отверждается после вулканизации. При такой технологии получается сразу и несущая оболочка летательного аппарата, и ракетный двигатель с соплом.

Были спроектированы возвращаемые космические аппараты с оболочкой конической формы, которая покрывалась слоем теплозащитного материала, который испаряясь при высоких температурах охлаждает конструкцию.

Орбитальный космический корабль «Шаттл» способен летать в атмосфере Земли с гиперзвуковыми скоростями. Крылья аппарата имеют многолонжеронный каркас; усиленный монокок кабины экипажа, как и крылья, изготовлен из алюминиевого сплава. Двери грузового отсека выполнены из графито-эпоксидного композиционного материала. Теплозащиту аппарата обеспечивают несколько тысяч легких керамических плиток, которыми покрывают части поверхности, подверженные воздействию больших тепловых потоков

Современная авиация и ракетно-космическая техника, немыслимы без полимерных композитов. Чем больше развиваются эти отрасли техники, тем больше в них используют композиты, тем выше становится качество этих материалов. Многие из них легче и прочнее лучших металлических (алюминиевых и титановых) сплавов, и их применение позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) и, соответственно, сократить расход топлива. В качестве рекламы этих материалов в США был изготовлен самолет «Вояджер», практически полностью изготовленный из армированных пластиков. Этот самолет облетел вокруг Земли без посадки.

Легкие сосуды и емкости, изготовленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением, успешно применяются в ракетно-космической технике. Созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей, аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для летчиков и космонавтов. Применение органо- и стекловолокон позволит создавать долговечные баллоны давления с высоким коэффициентом весового совершенства.

В настоящее время широко применяются в авиации и ракетостроении, углепластики, т.е. полимеры армированные углеродными волокнами.

Углеродные волокна и композиты из них имеют глубокий черный цвет и хорошо проводят электричество, что обеспечивает специальные электрофизические свойства (например, для антенн радиолокаторов), а также требования по теплостойкости и теплопроводности.

Из углепластика делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самолетов, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и прочее. Кроме того, так как графит – это твердая смазка, из углепластика делают тормозные колодки и диски для скоростных самолетов, космических кораблей многоразового действия «Шаттл» и гоночных автомобилей. Зеркала антенных конструкций из углепластика найдут широкое применение для решения задач связи через спутники. Их применение при массе до 15 кг обеспечит разрушающую нагрузку 900 кгс при сроке службы не менее 20 лет. Сотовые материалы (трехслойные) из углепластика в несущих элементах конструкций в сравнении с однослойными (монолитными) при заданных условиях эксплуатации и увеличении нагрузок при заданной массе элемента обеспечат: снижение массы элемента конструкции на 40...50 % и повышение его жесткости на 60...80 %; повышение надежности на 20...25 % и увеличение гарантийного срока на 60...70 % .