Понятие композиционных материалов и применение в ракетостроении. Применение нанотехнологий в разработке композиционных материалов. Самоизлечивающиеся композиционные материалы как экспериментальный конструкционный материал для космических аппаратов.
Аннотация к работе
При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике изза их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике изза их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах.Как показывает практика, композитные материалы, несмотря на их высокую стоимость и сложности в производстве, могут стать самыми используемыми и удобными материалами при правильном применении.
Введение
Современная ракетно-космическая техника немыслима без полимерных композиционных материалов. При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Композиционные материалы соответствуют всем данным требованиям. Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике изза их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах.
1. Понятие композиционных материалов и применение в ракетостроении
На сегодняшний день, композиты являются самыми популярными и часто применяемыми материалами в авиастроении и ракетостроении. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включенные в нее армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают
Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10…50% в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность. Созданы также композиционные материалы, в которых пластиковая (полимерная) основа армируется стеклянными, кевларовыми или углеродистыми нитями. Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике изза их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах.
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. При использовании современных композитных материалов были спроектированы возвращаемые космические аппараты с оболочкой конической формы, покрываемой слоем теплозащитного материала, который, испаряясь при высоких температурах, охлаждает конструкцию.
Еще один яркий пример использования композитных материалов - орбитальный космический корабль «Шаттл», способный летать в атмосфере Земли с гиперзвуковыми скоростями (более 5 Мах или 6000 км/ч). 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.
Для космической станции «Альфа», созданной в соответствии с российско-американской программой, многие элементы конструкции изготавливались из композиционных материалов: высокопрочные штанги ферм, панели солнечных батарей, сосуды давления, «сухие» отсеки, рефлекторы и т. п.
Легкие сосуды и емкости, изго???ленные 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 космонав???. 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 черныи цвет и хорошо проводят электричество, что обеспечивает специальные электрофизические свойства (к примеру , для антенн радиолокаторов), а также требования по теплостойкости и теплопроводности.
Из углепластика делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самоле???, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и прочее. Кроме того, учитывая, что графит - это твердая смазка, из углепластика делают тормозные колодки и диски для скоростных самоле???, космических кораблей многоразового действия «Шаттл» и гоночных автомобилей. Зеркала антенных конструкций из углепластика найдут широкое применение для решения задач связи через спутники. Важно учесть, что их применение при массе до 15 кг обеспечит разрушающую нагрузку 900 кгс при сроке службы не менее 20 лет. Со???ые 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 % .
2. Применение нанотехнологий в разработке композиционых материалов
NASA и космический центр Джонсона составили договор о совместном развитии и применении высоких технологий и, в частности, нанотехнологий для исследования космического пространства. В планах NASA - упростить вывод космических аппара??? на орбиту с помощью космического лифта на базе нанотрубок.
Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных аэроконструкционных материалов. Композиты на основе нанотрубок позволят уменьшить вес современных космических аппара??? почти вдвое.
Исследователи из NASA и компания LIFTPORT Inc. предлагают упростить вывод крупных объек??? на орбиту, используя систему, названную ими «космическим лифтом». Космический лифт - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на орбите Земли в космосе (на высоте 100000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца и лента постоянно находится в натянутом состоянии.
Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезныи груз, будет передвигаться вдоль ленты. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос.
Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. На основании выше сказанного приходим к выводу, что затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке - в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли.
Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта.
Они прочнее стали в 100 раз и, теоретически, в 3-5 раз прочнее, чем необходимо для постройки лифта.
Лента, состоящая из нанотрубок длиной 1 м и шириной 5 см.обладает высокой прочностью. Соотношение прочность/вес материала ленты выше, чем у стали высокой закалки.
Нанотрубки также будут весьма полезны при разработке наноэлектронных устройств, сверхмощных компьютеров и устройств памяти.
3.Самоизлечивающиеся композиционные материалы композиционный ракетостроение конструкционный материал
Экспериментальныи конструкционныи материал для космических аппара??? позволит вдвое продлить срок службы из их корпусов. Трещины и небольшие выбоины будут немедленно затягиваться специальным быстро твердеющим составом, не вызывая снижения прочности конструкции.
Корпуса космических аппара??? постоянно подвергаются воздействию резких температурных контрас???. Солнечные лучи могут разогреть поверхность до 100°C и выше. Попав в земную тень, аппарат начинает стремительно остывать. Даже простое вращение приводит к постоянным колебаниям температуры на поверхности аппарата.
Постоянные перепады температур порождают напряжения в материале корпуса и ведут к появлению микротрещин.
Другой механизм космической эрозии - удары микрометеори???. Речь не идет об объектах, способных причинить серьезные разрушения, - такие встречаются крайне редко. Но при этом космические пылинки и частицы космического мусора размером меньше миллиметра достаточно многочисленны и при скоростях в десятки километров в секунду вызывают постепенную деградацию конструкций.
Новый материал, разработанныи в Европейском космическом агентстве, обладает повышенной устойчивостью к факторам космической эрозии благодаря способности самовосстанавливаться при повреждениях. При его создании разработчики вдохновлялись способностью живых тканей самостоятельно залечивать небольшие раны за счет эффекта свертывания крови.
Правда, свертывание крови происходит под действием воздуха, так что для космической техники пришлось использовать несколько иной подход. В композитный материал внедрили множество тончайших стеклянных сосудов внешним диаметром 60 микрон, а внутренним - 30. Сосуды заполнили двумя жидкостями, которые, подобно компонентам эпоксидной смолы, быстро затвердевают при смешивании. При возникновении трещины стеклянные сосуды разрушаются, и содержащиеся в них жидкости заполняют трещину. Скорость процесса такова, что жидкости не успевают испариться в условиях космического вакуума. Тем самым сразу пресекается дальнейшее распрост????ние трещины - процесс, наносящий гораздо больший ущерб, чем сама трещина.
Образцы нового материала успешно прошли первые испытания в вакуумной камере. Предстоят еще многочисленные испытания, в первую очередь на прочность и температурную устойчивость. Так что практического применения самовосстанавливающихся материалов в космических аппаратах можно ждать не ранее, чем лет через десять. Тем не менее уже сейчас ESA считает, что новый материал позволит вдовое продлить время работы тех космических аппара???, для которых эрозия является ограничивающим фактором.
Вывод
Как показывает практика, композитные материалы, несмотря на их высокую стоимость и сложности в производстве, могут стать самыми используемыми и удобными материалами при правильном применении. Композиционные материалы обеспечивают конструкции высокую прочность и износостойкость, а так же малый вес конструкции, что жизненно необходимо при проектировании авиационных и космических аппаратов. Кроме того, композиционные материалы не менее успешно применяются и в других областях, от машиностроения, до медицины. Широкие перспективы открываются и в создании новых композиционных материалов, с уникальными свойствами, что откроет новые горизонты во многих областях человеческой деятельности.
Список литературы
1. Справочник по композиционным материалам: в 2-х книгах. Кн.2 Под ред. Дж. Любина. - М.:Машиностроение, 1988
2. Зуев Н.И., Голиковская К.Ф. - Журнал "Известия Самарского научного центра Российской академии наук" Выпуск№ 4-2 / том 14 / 2012
3. Журнал "Актуальные проблемы авиации и космонавтики" Выпуск№ 6 / том 1 / 2010
4. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении Под ред. Гардымова Г.П. - СПБ.:СПЕЦЛИТ, 1999