Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов. Рубрика в журнале - Космическая техника и технологии
Влияние искажения формы конструкции на ее несущую способность
Статья научная
В статье описано искажение формы тонкостенных оболочек, вызванное поперечной и продольной усадкой конструкционного материала в процессе формирования сварного шва. Это явление характерно для топливных баков ракет-носителей, разгонных блоков, двигательных установок космических аппаратов и для герметичных отсеков: обитаемых, грузовых, приборных. Изложена методика аппроксимации искаженной формы оболочки, даны примеры расчета напряженно-деформированного состояния оболочки с фактически полученной в изготовлении геометрией. Показано, насколько радикально изменяются напряжения в зоне сварочных утяжек по сравнению с напряжениями в оболочке правильной формы. Приведены результаты расчетов и экспериментальные данные по снижению несущей способности оболочек из высокопрочных материалов, а также по многократному снижению ресурса оболочек из высокопластичного материала при циклическом нагружении вследствие искажения геометрии. Показано, что сварной шов в совокупности с измененной геометрией оболочки является наиболее уязвимым местом конструкции с точки зрения прочности. Отмечена наибольшая зависимость от утяжек конструкций из высокопрочных материалов. Приведены примеры из практики создания ракетно-космических конструкций.
Бесплатно
Влияние эффектов неравно весности на характеристики теплообмена возвращаемого аппарата "Орёл"
Статья научная
На основе численного решения системы уравнений Навье-Стокса проведено моделирование обтекания и теплообмена возвращаемого аппарата (ВА) сегментально-конической формы равновесным и неравновесным воздухом. Приводится краткое описание метода расчёта течения неравновесно-диссоциирующего воздуха. Расчёты выполнены в характерных точках траектории входа ВА в атмосферу Земли со второй космической скоростью с двумя погружениями. Приводится описание характерных пространственных расчётных сеток для решения задачи определения поля газодинамических параметров. Исследовано влияние на теплообмен эффектов химической неравновесности в ударном и пограничном слоях около ВА. Представлены результаты расчётов распределения тепловых потоков на поверхности В А при обтекании его равновесным и неравновесным воздухом.
Бесплатно
Статья научная
Разработаны составы и технология получения жаростойких покрытий на основе тугоплавких стекол и модифицирующих соединений для защиты деталей из жаропрочных никелевых сплавов и коррозионностойких сталей от высокотемпературной газовой коррозии при эксплуатации. Особенностью разработанных покрытий является возможность их формирования в окислительной атмосфере при температурах, близких к рабочим. Основой жаростойкого покрытия являются тугоплавкие фритты системы BaO-Al2O3-SiO2, при этом добавка тетраборида кремния SiB4 позволяет получать покрытия, температура формирования которых близка к их рабочей температуре. Небольшая плотность, недефицитность и невысокая стоимость сырья, относительно простая технология получения делают эти материалы конкурентоспособными. По своим эксплуатационным свойствам данный класс жаростойких покрытий превосходит отечественные и зарубежные аналоги и является перспективным материалом для применения в горячих узлах жидкостных реактивных и газотурбинных двигателей. Разработанные жаростойкие покрытия позволяют обеспечить эффективную защиту никелевых сплавов и коррозионностойких сталей от высокотемпературной газовой коррозии и возгорания при температурах вплоть до 1 250 °С.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассмотрены вопросы конструктивного исполнения системы обеспечения теплового режима нового научно-энергетического модуля Российского сегмента Международной космической станции с использованием двухфазного контура для сброса тепла в окружающее пространство. Приведено описание и логика работы двухфазного контура и входящих в его состав элементов. Изложены методика проведения и результаты численного моделирования гидравлических характеристик двухфазного контура. Вся система была разбита на отдельные участки. Для каждого из них с учетом гидравлических характеристик конкретных агрегатов, схемной компоновки, длин и диаметров трубопроводов, соединяющих агрегаты между собой, была определена гидравлическая характеристика в зависимости от расхода аммиака или его паров. Полученные значения гидравлических характеристик на различных участках гидравлической сети позволяют сделать вывод о работоспособности системы выбранной конфигурации и подтвердить поддержание системой обеспечения теплового режима заявленных характеристик.
Бесплатно
Статья научная
Освоение Луны является одним из перспективных направлений развития космонавтики. Также, помимо этого, важнейшей задачей является снижение стоимости транспортировки полезных грузов с низких орбит на более высокие. Межорбитальный многоразовый буксир с электрической ракетной двигательной установкой может служить эффективным решением для достижения обеих этих целей. Конструкция межорбитального многоразового буксира представляет собой многосекционную крупногабаритную ферму. Такие конструкции имеют несколько варьируемых параметров - диаметр стержней, толщина стенки стержня, количество секций, радиус основания конструкции. При проектировании крупногабаритных космических стержневых конструкций необходимо определение проекта с максимальными динамическими характеристиками и минимальной массой. В данной работе с использованием методов оптимизации решается задача нахождения оптимального, с точки зрения минимума массы, проекта стержне -вой конструкции, при соблюдении требования к минимальному значению первой собственной частоты. Также решается задача переходного динамического нагружения конструкции крепления электроракетного двигателя при запуске двигателя. Определяется зависимость максимальных эквивалентных напряжений от времени.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются результаты ускоренных биокоррозионных испытаний образцов двух алюминиевых сплавов, используемых при изготовлении космических пилотируемых объектов, с применением грибов-деструкторов, ранее выделенных с поверхностей на Российском сегменте МКС. Грибы-деструкторы, которыми обрастают конструкционные поверхности, вызывают их биокоррозионное повреждение. Приведена методика экспериментальных исследований образцов из алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С с биокоррозионными поражениями, которая позволяет оценить возможные риски, возникающие или могущие возникнуть при внештатных ситуациях, и новые результаты испытаний этих сплавов на механическую прочность и циклическую усталость. Также произведена оценка степени биокоррозионного поражения образцов различными методами, в т. ч. с использованием оптического микроскопа, сканирующей лазерной микроскопии, металлографических исследований, сканирующей электронной микроскопии и томографирования рентгеновским томографом.
Бесплатно
Исследование генераторов капель бескаркасных систем теплоотвода в космосе
Статья научная
Рассмотрены закономерности функционирования системы генерации капель в составе капельного холодильника-излучателя. Предложена методика определения рабочих параметров генератора капель (размера и скорости частиц, величины их угловой расходимости и т. д.), обеспечивающих устойчивое функционирование капельного холодильника-излучателя при выполнении его целевой функции - обеспечении заданного перепада среднемассовой температуры капельного потока. Предложены модели функционирования генераторов капель различных типов. Модели основаны на обобщении результатов экспериментальной отработки генераторов капель различных типов в условиях микрогравитации, а также на результатах теоретического анализа закономерностей протекания различных капиллярных явлений, связанных с процессами запуска и останова системы генерации капель. Выявлены условия устойчивой работы генераторов капель различных типов. Определены оптимальные параметры работы генераторов капель с плоской фильерой, а также с капиллярной форсункой.
Бесплатно
Статья научная
На основании технических требований к материалам выбраны высокотемпературные клеи различных производителей (разработчиков) для исследований прочности клеевых соединений при сдвиге. Рассматривались высокотемпературные клеи: эпоксидные К-300-61 и ВК-58, пленочный клей горячего отверждения ВК-36, вспенивающийся клей ВКВ-9, конструкционный клей ЦМК-22-1, эпоксидные металлонаполненные клеи-компаунды Анатерм-201, Анатерм-203, Анатерм-204, Анатерм-216, полиуретановые клеи АДВ-11-1 и АДВ-11-2. Изложены основные этапы технологии изготовления образцов клеевых соединений на основе синтактового композитного материала, углепластика, алюминиевого сплава Д16. Приведены режимы отверждения высокотемпературных клеев. Дано описание подготовки поверхности под склеивание. Приведены результаты экспериментальных исследований. Проведен сравнительный анализ полученных результатов предела прочности клеевых соединений при сдвиге и характера разрушения образцов клеевых соединений при температурах 20, 150, 200 °C.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрена роль конечноэлементных моделей в обеспечении отработки на прочность крупных изделий космической техники. Изложены основные проблемы при проведении верификации моделей такого размера по результатам вибропрочностных испытаний. Показана необходимость применения средств вычислительной техники при обработке результатов вибропрочностных испытаний для крупных изделий, а также необходимость предъявлять определённые требования к конечноэлементным моделям на этапе их разработки. Предложена методика автоматизированной верификации конечноэлементных моделей, которая позволит решить поставленную задачу в рамках допустимых затрат человеческого и машинного времени. Приведён пример автоматизированной верификации автономной конечноэлементной модели крупного узла космического модуля в качестве подтверждения работоспособности методики. Рассмотрены подходы к масштабированию методики на крупные космические аппараты и модули.
Бесплатно
Статья научная
В настоящей статье изложена методика расчётного прогнозирования динамических характеристик и испытательных режимов, реализуемых виброударными стендами взрывного действия. Виброударные стенды широко применяются при наземной экспериментальной отработке бортовой аппаратуры космических аппаратов на нестационарное широкополосное воздействие, возникающее вследствие срабатывания пиротехнических средств разделения. Принцип действия стендов этого типа основан на возбуждении с помощью взрывного источника энергии в системе упруго-инерционных элементов (резонаторе) интенсивного нестационарного широкополосного вибрационного режима, воздействующего на объект испытаний. Представленная аналитическая методика используется для прогнозирования испытательных режимов в форме ударного спектра и для предыспытательных расчётов с целью настройки характеристик стенда, обеспечивающей реализацию необходимых испытательных режимов. Достоверность результатов расчётов, выполненных по данной методике, подтверждается экспериментальными данными.
Бесплатно
Моделирование термоэмиссионной тепловой защиты при конвективном нагреве составной оболочки
Статья научная
В настоящее время разрабатываются высокоскоростные летательные аппараты, способные маневрировать в плотных слоях атмосферы. К ним относятся спускаемые аппараты перспективных космических кораблей многоразового применения и возвращаемые ступени ракет-носителей. Эти высокоскоростные летательные аппараты испытывают большие динамические и тепловые нагрузки, что может привести к разрушению и изменению их аэродинамических характеристик. Следовательно, очень важно обеспечить тепловую защиту их структурных элементов. Перспективным вариантом решения этой проблемы является использование термоэмиссионной технологии - электронного охлаждения в результате тепловой эмиссии электронов с поверхности эмиттера. Данная технология позволяет преобразовывать тепловую энергию, полученную от конвективного нагрева, непосредственно в электрическую. Для решения этой научно-технической задачи с высокой точностью необходимо развить математическое и физическое моделирование работы таких систем с учетом сложной природы взаимодействия высокоэнтальпийных потоков с теплозащитным материалом, когда сами элементы конструкции высокоскоростного летательного аппарата в большой мере участвуют в процессе их охлаждения. Применение этого подхода позволит моделировать системы термоэлектронной тепловой защиты высокоскоростных летательных аппаратов в условиях, которые соответствуют реальным нагрузкам вдоль их траектории.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена исследованию динамической реакции конструкции транспортного грузового корабля (ТГК) «Прогресс» на отсечку тяги двигателя последней ступени ракеты-носителя (РН) «Союз». Импульсное воздействие на связку в составе ТГК и третьей ступени РН рассмотрено в двух вариантах: первый - типичная отсечка тяги, второй - с уменьшенным градиентом спада тяги. Исследования проведены на основе многоуровневого динамического моделирования конструкций. Реализованная технология решения задачи позволила получить следующие результаты: определить конфигурацию трансформированного, приведенного к любому поперечному сечению изделия, воздействия; дать исчерпывающую картину динамического отклика конструкции на импульсное воздействие; выделить класс конструкций с наиболее интенсивной реакцией на рассматриваемое импульсное воздействие; локализовать зону конструкции ТГК с максимальным уровнем напряженно-деформированного состояния. Из проведенного исследования сделаны выводы, основные из которых следующие: отсечка тяги последней ступени не дает энергоемких динамических эффектов; смягчение градиента спада тяги снижает уровень нагружения конструкции в 1,5раза; максимальный уровень напряжений реализуется в узкой зоне на одной из балок рамы нижнего приборного отсека с числом циклов менее 10; для типичной отсечки тяги двигателя запас прочности по пиковым напряжениям более двух, для модифицированной отсечки - более трех. Представленные в статье результаты показывают, что отсечка тяги третьей ступени РН не является расчетным случаем, не формирует напряженного состояния, близкого к критическому, и не оказывает влияния на прочность ТГК.
Бесплатно
Напряженно-деформированное состояние и прочность сварной оболочки с тоннельной трубой
Статья научная
Тонкостенные сварные оболочки - основной вид конструкции герметичных отсеков и топливных баков изделий ракетно-космической техники. Утяжки в процессе формирования сварного шва приводят к искажению формы оболочки и, как следствие, к существенному изменению ее напряженно-деформированного состояния, которое, в свою очередь, влияет на прочность и ресурс. В ракетных блоках с несущими баками в нижнем баке, как правило, встроена тоннельная труба для прохода к двигателю расходной магистрали второго компонента. В статье на примере топливного бака рассмотрены особенности поведения оболочки с тоннельной трубой: искажение формы в результате сварочных утяжек, повышение уровня напряжений в сварном шве из-за искажения формы, снижение несущей способности и ресурса. Для выполнения расчетов построена конечно-элементная модель оболочки. Проведены расчетные исследования зависимости просадки фланца тоннельной трубы от поперечной усадки сварного шва, зависимости коэффициентов усиления напряжений от просадки фланца. Определено снижение несущей способности оболочки из высокопрочного материала. Расчетами с учетом геометрической и физической нелинейностей показано, что оболочка из высокопластичного материала не теряет прочности из-за искажения формы, но у нее снижается ресурс из-за повышенного уровня напряжений от циклически повторяющихся нагрузок. Указаны источники циклических нагрузок на всех этапах жизненного цикла изделия.
Бесплатно
Напряжённо-дефомированное состояние упругого слоя при локальном нагружении
Статья научная
В трёхмерной постановке рассмотрена задача локального нагружения упругого слоя. Решение краевой задачи для действия сосредоточенной силы построено в виде комбинации двух составляющих. Первая - классическое решение теории упругости А. Лява; вторая - решение, форма которого предложена И.М. Рапопортом. Специфика второй составляющей в том, что она описывает точечный краевой эффект, быстро затухающий по мере удаления от точки приложения силы. Это решение построено в форме рядов - разложений по собственным функциям вспомогательного несамосопряженного дифференциального оператора. Сходимость рядов обеспечивается быстрым ростом собственных значений. Затухание к нулю на бесконечности обусловлено экспоненциальным законом убывания функций Макдональда. Решение о действии сосредоточенной силы используется как функция влияния для определения компонентов вектора перемещений, тензоров деформаций и напряжений в задаче о произвольном локальном нагружении упругого слоя. В результате аналитическое решение сингулярной задачи даёт возможность корректно определить напряженно -деформированное состояние в зоне локального нагружения.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлен малогабаритный гироскопический измеритель вектора угловой скорости (МБИС) разработки и изготовления НИИ ПМ имени академика В.И. Кузнецова на базе динамически настраиваемого гироскопа с газодинамической опорой. В статье даны общие технические характеристики гироскопического прибора (габаритно-массовые параметры, точность измерения, количество измерительных осей, ресурс работы, энергопотребление и т. д.). В работе представлены преимущества и недостатки выбранного гироскопа (динамически настраиваемого) в качестве чувствительного элемента. Преимуществами данного выбора являются средняя точность измерения прибора при небольших габаритно-массовых характеристиках и длительный ресурс работы. Недостаток - необходимость применения специальных систем в составе гироскопических приборов (типа МБИС), предназначенных для защиты чувствительных элементов от внешних механических воздействий, возникающих при выведении ракетой-носителем космического аппарата. В статье изложены основные принципы обеспечения стойкости к таким воздействиям...
Бесплатно
Статья научная
В статье представлены результаты теоретических исследований обрабатываемости титанового сплава методом электроэрозионной обработки, основанные на решении тепловой задачи о перемещении границы фазового превращения материала. Приведено описание компьютерной программы для решения названной тепловой задачи. Предложена методика определения рациональных режимов электроэрозионной обработки титанового сплава ВТ14 и даны рекомендации по их назначению. Определены минимальные плотность теплового потока и время его действия, необходимые для реализации процесса электроэрозионной обработки титанового сплава ВТ14. Установлена зависимость минимальной длительности импульса теплового потока, при которой возможна электроэрозионная обработка титанового сплава ВТ14, от плотности теплового потока. Определены максимальная длительность импульса действующего теплового потока, вызывающая наибольший съем сплава ВТ14 за один импульс, и эффективная длительность теплового потока, обеспечивающая максимальную производительность процесса электроэрозионной обработки титанового сплава ВТ14.
Бесплатно
Статья научная
Одной из важнейших задач, которые должны быть решены в процессе проектирования и создания объектов космической техники, является динамический анализ нагрузок. Результатом такого анализа для космических аппаратов является определение параметров нагружения (внутренних усилий, моментов и ускорений) для силовой конструкции корпуса, а также отдельных компонентов конструкции космических аппаратов, таких как солнечные батареи, рефлекторы антенн, топливные емкости и другие элементы оборудования. В статье обобщается опыт верификации параметров нагружения силовой конструкции корпуса и оборудования одного из разработанных РКК «Энергия» космических аппаратов с переходной фермой. При разработке обобщенной конечноэлементной модели рассматриваемый объект исследования условно разделен на семь парциальных конструкций. Для каждой парциальной конструкции разработана индивидуальная конечноэлементная модель. Верификация парциальных динамических моделей проведена на основе результатов модальных и/или вибропрочностных (на этапе определения амплитудно-частотных характеристик) испытаний...
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены итоги применения автономных средств терморегулирования на базе контурных тепловых труб в составе долгоживущих космических аппаратов, разработанных РКК «Энергия». На примере двадцатилетнего полёта в составе геостационарного спутника «Ямал-200» и двенадцатилетнего полёта в составе модуля «Рассвет» Международной космической станции продемонстрирована стабильность работы контурных тепловых труб и пассивных средств их регулирования в условиях изменения внешних тепловых потоков, воздействующих на космический аппарат. Приведены данные по использованию резервных активных средств управления контурными тепловыми трубами. Рассмотрены некоторые особенности наземных испытаний контурных тепловых труб после их интеграции в состав космического аппарата. Проанализирована итоговая эффективность решения об использовании контурных тепловых труб в составе космических аппаратов различного назначения. Накопленный опыт эксплуатации контурных тепловых труб позволяет рекомендовать их как автономное средство обеспечения теплового режима тепловыделяющего оборудования перспективных космических аппаратов.
Бесплатно
Статья научная
В конструкции спускаемого аппарата пилотируемого космического корабля «Союз ТМА» применяются композиционные материалы на основе стеклянных волокон и фенольно-формальдегидного связующего. Связующее содержит в своем составе большое количество химически активных, в т. ч. и легковоспламеняющихся, компонентов. Формование и отверждение таких материалов производится вакуумно-автоклавным методом при повышенных температуре и давлении рабочей среды. Когда в качестве рабочей среды применяется воздух, существует возможность протекания реакций с участием кислорода, которые негативно сказываются на физико-механических свойствах материала и создают угрозы неуправляемых реакций окисления вплоть до термоокислительной деструкции материала. Разработанная технология формования в нейтральной среде исключает возможность окисления материала, разрушения и разгерметизации вакуумных резиновых чехлов, применяемых при формовании, повышает безопасность и стабильность производственного процесса, качество и надежность изделий. Особое внимание уделено созданию условий для обеспечения минимальных градиентов температур на изделиях при нагреве, термостатировании и охлаждении, а также обеспечению равномерного распределения связующего в материале в процессе формования. Результатом работы стало повышение уровня физико-механических характеристик теплозащитных материалов, точности геометрических параметров изделий и снижение их массы. Важнейшим фактором, обеспечившим достижение указанных результатов, является создание новой технологии производства теплозащитных покрытий в нейтральной среде и высокоавтоматизированного автоклавного комплекса, который также обеспечивает технологическую основу для производства новых перспективных изделий из композиционных материалов.
Бесплатно
Статья научная
В статье описывается новый подход к анализу состояния теплозащитного покрытия спускаемого аппарата пилотируемого корабля «Союз». Разработана математическая модель, позволяющая на основании набора цифровых фотографий наружной поверхности спускаемого аппарата строить ее развертку. В основу модели заложен принцип перспективных преобразований трехмерного объекта при построении его проекции на видовую плоскость. Приведены условия и допущения при математической обработке фотографий. Описана методика фотографирования и построения развертки. Приведены примеры последующей обработки развертки для получения дополнительной информации по состоянию теплозащитного покрытия и полученные результаты. Показано, что использование указанной методики существенно улучшает точность построения схемы состояния теплозащитного покрытия и в значительной степени облегчает сравнительный анализ состояния теплозащитного покрытия разных аппаратов.
Бесплатно
