Новые материалы и технологии в космической технике. Рубрика в журнале - Космические аппараты и технологии
Оптические свойства и радиационная стойкость полипропилена, модифицированного наночастицами MgO
Статья
Полимерные композиционные материалы широко используются в космических аппаратах и станциях в терморегулирующих покрытиях, в качестве герметиков, уплотнений, теплоизоляции, а также во многих других конструкциях и изделиях. Основной характеристикой таких материалов является стабильность свойств и рабочих характеристик к действию факторов космического пространства, среди которых основными повреждающими являются различные виды излучений. Поэтому актуальными являются исследования влияния потоков электронов, протонов, квантов солнечного спектра на изменение оптических, электрических, механических и других свойств полимерных композиционных материалов. В данной работе представлены результаты исследования оптических свойств и радиационной стойкости нанокомпозитов на основе полипропилена, модифицированного твердотельным способом наночастицами MgO в диапазоне концентраций 1–5 масс.%. Регистрацию спектров диффузного отражения осуществляли в вакууме 2·10-6 торр до и после облучения электронами (in situ, Е = 30 кэВ, Ф = 2·1016 см-2). Выполнен анализ природы полос поглощения, зарегистрированных в спектрах диффузного отражения, которые обусловлены образованием свободных радикалов: – С3Н5 –, – С3Н6 –, – C4H6 –, – C4H7 –, – C4H8–, – C4H12 –, – C5H7 –, – C5H10 –. Установлено оптимальное значение концентрации наночастиц, равное 2 масс.%, при которой площадь интегральной полосы поглощения при 360 нм после облучения уменьшилась в 3,35 раза, ее интенсивность в максимуме – в 3,88 раза по сравнению с немодифицированным полипропиленом.
Бесплатно
Организация кластера высокой готовности
Статья
Одним из способов обеспечения надежности системы обработки и хранения данных, ежесекундного обеспечения пользователей оперативной и достоверной информацией является кластеризация серверных систем, за счет которой поддерживается ее высокий уровень. В статье рассмотрено построение кластера высокой готовности. Для повышения отказоустойчивости используются несколько серверов, подключенных через несколько коммутаторов. В серверах предусматривается несколько сетевых интерфейсов с использованием технологии bonding и RAID-массив. Серверы и коммутаторы подключаются к источникам бесперебойного питания, которые тоже резервируются. Приведены программные пакеты и их конфигурационные файлы, необходимые для функционирования кластера: bond, drbd, pacemaker, corosync. Дано описание конфигурации pacemaker и ресурс агентов: виртуальный IP-адрес – для того, чтобы у кластера был единый адрес, drbd – для зеркалирования RAID-массивов, programmControl – для управления приложениями, wakeUp – для управления включением и выключением серверов. В результате был спроектирован кластер высокой готовности, у которого, помимо серверной части, резервируется сеть и память. При переходе от одного сервера к другому обслуживание клиентов сервером прерывается на очень короткое время.
Бесплатно
Особенности ориентации навигационных космических аппаратов
Статья
Проведен анализ особенностей целевого использования навигационного космического аппарата. Сделан вывод о необходимости детального моделирования воздействующих гравитационных сил от Земли, Луны, Солнца и сил негравитационной природы для высокоточного прогнозирования движения космического аппарата на длительный период. Также сделан вывод о необходимости запрета на использование реактивных систем для разгрузки исполнительных органов системы ориентации космического аппарата в течение всего срока активного существования. Рассмотрены общие требования, предъявляемые к системе ориентации навигационного космического аппарата. Приведены преимущества ориентированного космического аппарата по отношению к неориентированному. Рассмотрено влияние погрешности ориентации навигационных антенн на качество излучаемого сигнала. Проведена оценка влияния погрешности ориентации панелей солнечных батарей на величину снимаемой с них мощности. Определены принципы построения системы ориентации, удовлетворяющие требованиям навигационного космического аппарата в части точности. Рассмотрены особенности ориентации навигационных космических аппаратов на теневых орбитах. Приведена формула для расчета длительности теневого участка от Земли. Приведена кинематика движения направления на Солнце из центра масс космического аппарата для невозмущенного вращения осей космического аппарата. Представлены результаты анализа динамики ориентации космического аппарата при прохождении особых зон теневых орбит и разработаны рекомендации по организации упреждающих разворотов. Сформулированы специальные требования к системе ориентации навигационного космического аппарата. Представлена оценка влияния погрешности ориентации космического аппарата на величину сил от солнечного давления, действующего на космический аппарат. По результатам данной оценки был сделан вывод о влиянии погрешности системы ориентации на ошибку прогнозирования движения центра масс космического аппарата.
Бесплатно
Статья
В настоящее время к материалам на углеродной основе проявляется большой интерес. Они обладают высокими термомеханическими свойствами и массовыми характеристиками, являются достаточно технологичными. В авиационной и космической технике такие материалы нашли широкое применение, например, для изготовления силовых элементов, балок, каркасов, а также элементов обшивки самолетов и ракет. В статье рассматривается напряженное состояние изгибаемых балок круглого и кольцевого сечения из углепластиков. При испытаниях на растяжение и сжатие такие материалы, называемые разномодульными, обнаруживают различные свойства. Поэтому для расчетов на прочность необходимо использовать специальные модели прочности. Предлагается методика расчета на изгиб балок круглого и кольцевого сечения из углепластиков марок М46 и IMS-65. Их модули упругости на растяжение и сжатие, а также соответствующие пределы прочности были определены при испытаниях на машине ZDM-10 с точностью ±1,25 %. На примерах показано, что при расчетах необходимо учитывать различие в свойствах на растяжение и сжатие, а также реальное положение нейтральной оси сечения изгибаемой балки.
Бесплатно
Статья
Разработан способ подготовки поверхности титановых сплавов, обеспечивающий увеличение прочностных характеристик клеевых соединений титан–композит. При подготовке поверхности деталей из титановых сплавов недостаточно применение только механической обработки, а при сочетании с химической обработкой поверхности возможно образование прочных связей. Для получения на деталях из титановых сплавов более развитой поверхности с целью повышения адгезии производят подготовку перед склеиванием вновь разработанным комбинированным механохимическим способом. Подготовка поверхности осуществляется за счет формирования рельефной структуры посредством нанесения рифления на станке с последующим удалением окисной пленки и формированием высокой степени микрошероховатости при помощи травления в смеси кислот. Подготовка поверхности титановых поверхностей новым методом позволяет минимизировать влияние человеческого фактора, улучшить адгезионные характеристики поверхностей деталей, увеличить временной интервал между механической подготовкой и склеиванием. Проведены исследования по определению предела прочности при сдвиге, изгибе, кручении, сжатии, растяжении, а также по определению влияния разрыва временных интервалов между механической подготовкой поверхности и склеиванием на прочностные характеристики клеевого соединения на образцах титан–композит с различной подготовкой поверхности титана. Проведен анализ влияния способов обработки поверхностей деталей из титановых сплавов на прочность клеевого соединения с учетом влияния термического воздействия в условиях вакуума, имитирующего эксплуатацию космического аппарата в условиях космоса.
Бесплатно
Статья
Композиты на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, модифицированные наночастицами карбида бора B4C и композита B4C/W, для материалов защиты от быстрых и медленных (тепловых) нейтронов и γ-излучения сформированы методом механохимического синтеза в высокоэнергетических планетарных шаровых мельницах. Фазовый состав и микроструктурные характеристики композитов изучены методами рентгенографического фазового анализа (дифрактометр D8 Advance, Bruker), электронной микроскопии (сканирующий электронный микроскоп CamScan 4) и инфракрасной Фурье-спектроскопии (Фурье-спектрометр Nikolet iS10). Совместная механическая обработка в планетарной мельнице порошков сверхвысокомолекулярного полиэтилена и карбида бора В4С приводит к формированию полимерных композиционных частиц чешуйчатой формы с хаотичным распределением в них частиц карбида бора и равномерным распределением нанокристаллического железа в матрице полимера (~ 9 масс. %). Кроме того, формируется структура карбида бора с меньшим содержанием углерода (В6.5С), а также происходит разрыв молекулярных цепочек полиэтилена и его аморфизация. Совместная обработка в планетарной мельнице сверхвысокомолекулярного полиэтилена и механокомпозита B4C/W приводит к формированию полимерных композиционных частиц чешуйчатой формы с равномерным распределением в полимерной матрице частиц карбида бора и вольфрама. Изменяются параметры тонкой структуры карбида бора B4C. В результате взаимодействия полимерной матрицы и дисперсных порошков модификатора происходит образование поперечно сшитых структур и деструкция полимера с уменьшением его молекулярной массы.
Бесплатно
Статья научная
Цель работы заключается в приложении уравнений общей теории оболочек для исследования изгибающих локальных моментных факторов так называемого краевого эффекта при расчете напряженно-деформированного состояния тороидального бака от внутреннего давления. В работе повторен вывод уравнения общей теории оболочек В. З. Власова в системе криволинейных координат. Получены выражения внутренних мембранных усилий, изгибающих и крутящих моментов. Составлены общие дифференциальные уравнения равновесия расчета изотропных оболочек переменной толщины и кривизны. Для расчета торового бака введена тороидальная система координат; разрешающие уравнения преобразованы в уравнение для решения осесимметричной задачи. Чтобы уменьшить порядок производных, полученное уравнение равновесия преобразовано в вариационное уравнение. Дифференциальные операторы заменены конечно-разностными аналогами, интегрирование заменено ступенчатым суммированием. Континуальная задача сведена к задаче дискретной, вариационно-разностной, с конечным числом переменных...
Бесплатно
Применение аддитивных технологий в машиностроении для изготовления формообразующей оснастки
Статья
Рассматривается процесс применения аддитивных технологий при изготовлении крупногабаритной формообразующей оснастки. Предполагается сократить сроки изготовления и трудозатраты рабочих путем применения нетрадиционных технологических систем при изготовлении модели формообразующей оснастки, которая имеет качественно новые свойства и возможности, а также существенно повышает уровень автоматизации и интенсификации производственных процессов. При проектировании технологического процесса необходима высокая информационность и компьютеризация, определенный уровень электрификации и энергообеспечения, поэтому проектирование новых технологий базируется на рациональных технологических процессах с использованием накопленного опыта и нового системного подхода, разработанного на единстве технологий проектирования производства с помощью CAD/CAE/CAM систем. За основу изготовления формообразующей оснастки был принят экструзионный метод трехмерной печати по технологии FDM (Fused Deposition Modeling) с применением нового модифицированного материала марки PA12CF. Данный материал представляет собой композитный пластик из полиамида-12, армированный углеродными волокнами. Применение аддитивных технологий с использованием современного компьютерного моделирования, в основе которого лежит единство технологических систем, является актуальной задачей. Данные технологические системы позволят значительно повысить производительность, сократить занимаемые оборудованием производственные площади, уменьшить длительность производственного цикла, сократить число рабочих, занятых в производстве, и осуществить возможность перехода к технологиям, не требующим конструкторской документации в бумажном виде. Вместе с тем аддитивные технологии являются открытыми к дальнейшему их развитию и имеют большой потенциал эволюционировать и модифицироваться в соответствии с изменяющимися внешними условиями на рынке труда.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается применение способа бесконтактной пайки для создания высоконадежных прецизионных соединений антенно-фидерных устройств космических аппаратов негерметичного исполнения с увеличенными сроками активного существования. Переход к разработке и использованию приемопередающих устройств, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн для связи космических аппаратов с Землей, позволяет существенно снизить массо-габаритные показатели антенно-фидерных систем за счет уменьшения геометрических размеров составных частей антенно-фидерных систем - антенно-фидерных устройств: антенн, фильтров, волноводов, переходов, делителей, соединений и др. при сохранении требуемых радиотехнических и эксплуатационных характеристик. В связи с уменьшением размеров антенно-фидерных систем космических аппаратов нового поколения требуется создание малогабаритных антенно-фидерных устройств с повышенной точностью конструктивно-технологического исполнения, высоконадежными паяными соединениями, но предъявляет дополнительные требования к конструкции и технологии сборки, точности совмещения деталей между собой, получению высоконадежных, в том числе и прецизионных паяных, соединений с длительными сроками использования в условиях воздействия факторов открытого космоса...
Бесплатно
Статья
Одной из наиболее критичных систем наноспутника является система энергопитания, а аккумуляторные батареи, входящие в ее состав, подвержены существенному температурному влиянию. Поэтому для повышения эффективности системы энергопитания и повышения срока службы аккумуляторов требуется использовать систему обеспечения теплового режима. В работе предложен подход к проектированию системы обеспечения теплового режима модуля аккумуляторных батарей наноспутника. Подход состоит из двух этапов. На первом этапе проводится серия термовакуумных испытаний системы. В рамках испытаний оцениваются термодинамические свойства элементов системы энергопитания (удельная теплоемкость и теплопроводность). Оценка происходит по результатам обработки выборок измерений температуры отдельных элементов системы. Параметром согласования полученного решения является значение степени черноты компонентов. На втором этапе оценивается охлаждение блока аккумуляторных батарей при полете наноспутника на теневом участке орбиты. При оценке учитываются термодинамические параметры компонентов системы, полученные экспериментально. Таким образом, была проведена оценка «сверху» излучаемой мощности системы энергопитания. На основе экспериментальных и расчетных данных была проведена оценка достаточности выбранной мощности нагревателя блока аккумуляторных батарей. В статье приводится экспериментальная отработка предложенного подхода, используемые математические модели и эквивалентные схемы расчета модуля аккумуляторных батарей.
Бесплатно
Статья
Важный элемент конструкции рефлекторов космических антенн – отражающая поверхность. В настоящее время в качестве отражающей поверхности наиболее часто используется металлизированное трикотажное сетеполотно, которое полностью отвечает требованиям по физико-механическим свойствам, предъявляемым к таким поверхностям. Для крупногабаритных рефлекторов особенно важны такие параметры, как малая удельная масса и высокий коэффициент светопропускания, которые обеспечивает сетеполотно с увеличенным размером ячеек. Однако структурные особенности такого сетеполотна накладывают дополнительные требования к его использованию в качестве отражающей поверхности для крупногабаритных трансформируемых рефлекторов. В статье рассматривается особый подход к проектированию выкроек для отражающей поверхности из сетеполотна с крупной ячейкой. Сформулированы критерии, в соответствии с которыми велась разработка варианта раскроя, позволяющего получить отражающую поверхность с наименьшими искажениями. Авторами предложен способ получения выкроек сетеполотна, описаны преимущества разработанного варианта перед классическим. Выполнен раскрой параболической поверхности для офсетного рефлектора. Проведен анализ предложенного варианта раскроя, а также его оптимизация, которая позволила сохранить целостность ячеистой структуры выкроек вдоль одного петельного ряда. Полученные результаты показывают, что разработанный вариант раскроя полностью соответствует поставленным требованиям и может использоваться для формирования отражающей поверхности из сетеполотна с крупноячеистой структурой.
Бесплатно
СВ-синтез TiB2-MgAl2O4 композитов для жаростойких покрытий
Статья
Бориды металлов широко используются в качестве теплоизоляционных материалов, но в условиях высокотемпературных окислительных сред эффективность их применения значительно снижается. Для повышения термостойкости конструкционных материалов на основе диборида титана и предотвращения роста кристаллов TiB2 применяли добавки химически стойкой алюмомагнезиальной шпинели, обладающей огнеупорными свойствами. Целью данной работы являлось исследование структуры композита TiB2-MgAl2O4, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза двумя способами. Первый – СВ-синтез диборида титана из его элементов с добавкой алюмомагнезиальной шпинели. Другим способом решения получения термостойкого композиционного материала является СВ-синтез алюмомагнезиальной шпинели с добавлением готового диборида титана. Наилучшие результаты получены первым способом. Структура с равномерным распределением мелких зерен TiB2 синтезирована с добавкой 25 % масс. MgAl2O4. Cоставы исследовали рентгенофазовым анализом (ДРОН-3M, фильтрованное Сu-kα-излучение), ИК-спектроскопией (Nicolet 5700) и сканирующей электронной микроскопией (Philips SEM 515). Полученный материал представляет собой композит, в котором частицы TiB2, имеющие размер, не превышающий 5 мкм, равномерно распределены в матрице алюмомагнезиальной шпинели.
Бесплатно
Статья научная
При изготовлении конструкций летательных аппаратов из алюминиевых сплавов применяется сварка, физическая сущность которой заключается в получении неразъемного соединения путем расплавления и совместной кристаллизации материалов сварочного электрода и соединяемых деталей. При этом структура сварного шва и соединяемых деталей в области влияния нагрева укрупняется, что приводит к уменьшению механических свойств сварного изделия. Известно, что металлоизделия с мелкокристаллической структурой обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с крупнокристаллическими. При этом в практике литейного производства с целью измельчения структуры литых изделий применяется модифицирование, суть которого заключается во введении в жидкий металл с помощью лигатур веществ, служащих центрами кристаллизации. Однако возможности таких средств модифицирования достигли пределов, и в последние годы нашел применение новый способ модифицирования с использованием нанопорошков (НП) химических соединений (нитриды, карбиды, бориды, оксиды), который дает более высокий эффект повышения механических свойств литых изделий...
Бесплатно
Синтез композиционных материалов на основе МАХ-фазы Ti3SiC2, содержащей бориды
Статья
Исследованы микроструктура, фазовый состав и жаростойкость МАХ-фазы Ti3SiC2 и композиционного наноламинатного соединения Ti3SiC2-В, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме послойного горения. Процесс синтеза проводили в бомбе постоянного давления в атмосфере аргона. Волну безгазового горения инициировали раскаленной вольфрамовой спиралью. Максимальную температуру горения определяли вольфрам-рениевой термопарой ВР5-ВР20. Фазовый состав и структурные параметры полученных материалов определяли на дифрактометрах Shimadzu XRD-6000 (CuKα-излучение) и ДРОН-2 (СоКα-излучение). Количественный фазовый анализ проводили с помощью программы POWDER CELL 2,4. Для изучения микроструктуры использовали оптический (Axiovert 200M, Karl Zeiss) микроскоп. Установлено, что бор не входит в состав твердого раствора МАХ-фазы при концентрации менее 0,2 мол. %. Продукты с содержанием бора более 0,2 мол. % содержат дисперсные частицы диборида титана, располагающиеся между пластинами МАХ-фазы. Проведенные испытания на жаростойкость при температуре 1373 К показали, что исследованные в работе композиционные материалы на основе соединения Ti3SiC2 соответствуют жаростойкости стехиометрической фазы и превосходят по жаростойкости сплавы системы Ni-Cr-Al-Y, широко используемые для защиты деталей газотурбинного двигателя. Абразивная износостойкость композиционного материала в 1,6 раза выше, чем у МАХ-фазы и в 2,8 раза превосходит износостойкость сплава Ni-CrAl-Y. Полученные материалы перспективны для использования в качестве жаростойких и износостойких покрытий.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается управление малым космическим аппаратом с использованием двигателя-маховика при действии возмущений, статистические свойства которых неизвестны, но ограничены по абсолютной величине. Задача рассматривается как дифференциальная игра двух игроков, так как в качестве одного игрока, стратегия которого неизвестна, выступает возмущающий момент, а в качестве другого игрока - космический аппарат, управление которого нужно выбрать. Особенность решения состоит в том, что множество управлений малого космического аппарата разбивается на два подмножества: одно подмножество управлений используется для компенсации возмущений, а второе - для решения исходной задачи при отсутствии возмущений. Полученная траектория называется траекторией поводыря. Множество управлений разделить на два удается в редких случаях, поэтому в данной работе заранее выделяется подмножество управлений для решения исходной задачи при отсутствии возмущений, строится траектория поводыря, а затем в результате моделирования определяется допустимый диапазон возмущений с заданными статистическими свойствами, при которых возможно решение исходной задачи с допустимой точностью...
Бесплатно
Статья научная
Многие современные программы термовакуумных испытаний при наземной отработке космических аппаратов требуют обеспечения с высокой точностью температурного режима в широком диапазоне температур. Термовакуумные испытания отличаются значительными материальными затратами. Поэтому требование снижения эксплуатационных расходов, в том числе связанных с обеспечением температурного режима, не менее актуально. Это объясняет повышенный интерес к перспективным энергоэффективным технологиям, одна из которых основана на кондиционировании газообразного азота. Системы с установками кондиционирования газообразного азота обладают оптимальным сочетанием эксплуатационных и технических характеристик и по сравнению с системами, где жидкий азот заливается в криогенные экраны, имеют меньшее потребление жидкого азота и электроэнергии, особенно в установившемся температурном режиме. При их применении исключен риск загрязнения термовакуумной камеры и объекта испытаний из-за утечек жидкого теплоносителя. Благодаря тому, что свойства азота достаточно точно соответствуют уравнению состояния идеального газа, моделирование таких систем относительно просто, а характеристики предсказуемы и стабильны. В статье проведен краткий анализ характеристик установок кондиционирования газообразного азота двух ведущих зарубежных производителей, приведены результаты практического применения четырех установок зарубежного производства с различными характеристиками с типичной термовакуумной камерой. Рассмотрены основные направления совершенствования зарубежными производителями характеристик установок кондиционирования газообразного азота. Сделан вывод о высокой эффективности и экономической оправданности применения технологии кондиционирования газообразного азота в большинстве случаев термовакуумных испытаний.
Бесплатно
Электромагнитное устройство для ориентирования космических аппаратов
Статья
Показано, что в основу создания «искусственной» массы, не связанной ни с объемом, ни с плотностью материала, заключенного в искусственно инертном объекте, положено требование удовлетворения второму закону Ньютона. Представляет интерес возможность создания условий для возникновения искусственного момента инерции. Поскольку принцип эквивалентности инертной и гравитационной массы не распространяется на искусственную массу, устройство с искусственной массой может быть несопоставимо легче своего механического аналога с таким же моментом инерции. Это качество делает такое устройство особенно привлекательным для использования в космонавтике в качестве легких маховиков для ориентирования космических аппаратов. Цель исследования состоит в аналитическом синтезировании искусственного момента инерции и установлении определяющих его параметров. Если поместить искусственный электрический маховик в «черный ящик» с выведением вала наружу, то никакими экспериментами невозможно установить, искусственный или «натуральный» маховик находится внутри. Главными преимуществами искусственного или электромагнитного маховика над «натуральным» являются несопоставимо меньший вес и возможность электрического управления его моментом инерции в широких пределах путем изменения магнитного поля (возбуждения) и емкости.
Бесплатно
Эллипсометрический контроль параметров многослойных наноструктур Fe/Si в процессе роста
Статья
С использованием метода одноволновой лазерной эллипсометрии in situ проведено исследование процесса формирования многослойной структуры [Si/Fe57/Fe56]3/SiO2/Si(100). Были получены сведения об оптических и структурных свойствах данной структуры. Изменение морфологии поверхности растущих слоев и их оптических характеристик оказываются неидентичными для случаев осаждения железа на поверхность слоя кремния и осаждения кремния на поверхность слоя железа. Полученные профили оптических постоянных свидетельствуют об увеличении толщины переходных слоев, содержащих твердые растворы «железо–кремний» и силициды. Характер изменения оптических постоянных усложняется с каждым последующим слоем железа, осаждаемым на поверхность кремния. Поведение профилей n и k, соответствующих формированию кремниевых слоев, имеет более простой характер по сравнению с поведением подобных профилей железа. Эти профили имеют лишь некоторые особенности на начальных этапах роста и соответствуют формированию аморфных слоев кремния. Полученные данные согласуются с данными просвечивающей электронной микроскопии.
Бесплатно
