Определение параметров трёхслойных композитных панелей для конструкции платформы космических аппаратов дистанционного зондирования Земли

Одной из важных задач Федеральной космической программы России на период до 2025 г. является создание космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ).

Увеличение срока эксплуатации КА ДЗЗ до 10–15 лет и более, повышение требований к точности поддержания формы и размеров ответственных элементов конструкции, необходимость уменьшения массы требуют разработки новых материалов и проектных решений. Для изготовления размеро- стабильных платформ и рефлекторов космических антенн используют полимерные композиционные материалы (ПКМ), преимущественно — высокомодульные углепластики [1–6].

Наряду с обычными ПКМ, состоящими из наполнителя одной химической природы и матрицы, всё шире используются гибридные ПКМ, в т. ч. с добавлением нетканых материалов. Нетканые материалы фактически также относятся к композиционным, поскольку состоят из двух элементов, один из которых выполняет функцию наполнителя, второй — связующего [7].

Созданы новые типы нетканых материалов, которые по своей структуре близки к сотовым заполнителям [8], однако исследования применения их в составе конструкции носят разрозненный характер.

Цель настоящей работы заключается в улучшении массово-габаритных характеристик форморазмеростабильных конструкций космического назначения за счёт применения гибридных ПКМ, включающих углепластик и органический нетканый материал, а также в уменьшении временных затрат на проектирование.

Результаты моделирования движения КА ДЗЗ

Особый интерес для применения гибридных полимерных композиционных материалов представляют космические аппараты ДЗЗ, эксплуатирующиеся преимущественно на околоземных солнечно-синхронных орбитах (ССО). Для таких орбит внешние потоки излучения быстро меняются в течение одного витка (~1,5 ч), что повышает требования к точности поддержания формы и размеров ответственных элементов конструкции.

На основе комплексного анализа характеристик орбит, используемых для аппаратов ДЗЗ [9], определена кратная ССО со следующими рабочими параметрами:

высота h                         514 км;

наклонение i                         97,4°;

местное время прохождения восходящего узла mfi             6 ч утра;

эксцентриситет е                 0,00135;

период кратности                  14 сут.

Результаты моделирования температурного поля и напряжённо-деформированного состояния платформы КА ДЗЗ

КА при эксплуатации подвергается воздействию тепловых потоков, обусловленных нагревом прямым солнечным излучением, отражённым от Земли излучением и собственным излучением Земли, а также тепловыделением от бортового оборудования. Для оценки воздействия теплообмена на элементы конструкции КА необходимо применение специальных методов расчёта [10].

Для оценки изменения температурного поля и влияния его на напряжённо-деформированное состояние платформы КА ДЗЗ заданы условия, соответствующие движению по определённой выше ССО. Распределение температурного поля и напряжённо-деформированное состояние в конструкции КА анализировались в течение года полёта по орбите, в связи с чем выбраны четыре наиболее показательные точки изменения светотеневой обстановки: зимнее и летнее солнцестояние, весеннее и осеннее равноденствие.

На этом этапе исследования проведено моделирование для конструкции КА в составе: платформа, рефлектор антенны и солнечные батареи. Упрощённая геометрическая модель КА представляла собой платформу в форме параллелепипеда размерами 1 600×2 000×2 000 мм, панели солнечных батарей размерами 8 000×1 700 мм и рефлектор антенны 01 200 мм со строительной высотой 100 мм. Элементы геометрической модели представляли собой трёхслойные конструкции с обшивками из углепластика и алюминиевым сотовым заполнителем общей толщиной 16 мм. Необходимые для моделирования данные по теплофизическим характеристикам материалов заимствовались из справочника [11], а по оптическим характеристикам — из справочника [12]. Моделирование проводилось в программном комплексе NX ( Siemens , ФРГ) [13] с использованием плоских конечных элементов со средним размером 100 мм.

Вычисления проведены с помощью модуля NX/Space Systems Thermal [14], реализующего метод Монте-Карло, в котором учтены параметры орбиты, ориентация КА в пространстве, положение Солнца относительно орбиты. Моделирование выполнено для одного витка орбиты с шагом 45 с с учётом возможного переотражения от элементов конструкции. Исходные динамические данные КА заданы в объекте моделирования Orbital heating , с помощью которого определены условия теплового нагружения, вызванные потоками излучения Солнца и Земли.

Из результатов моделирования определено, что распределение температурного поля меняется от -70 до +80 °С [15].

Эксплуатационные перемещения в конструкции не превышают 18 мм, а напряжения не превышают 100 МПа (рис. 1). Полученные результаты находятся в диапазоне допустимых значений, однако требования снижения массы конструкции КА без потери жёсткости приводят к необходимости разработки новых проектных решений и материалов для создания платформ.

Рис. 1. Перемещения в конструкции КА под влиянием нагрева потоками теплового излучения от Солнца в период зимнего солнцестояния и Земли (освещённая часть витка), мм

Одним из таких вариантов считается применение гибридных ПКМ в обшивках трёхслойных панелей, а также замена традиционных алюминиевых сот. Гибридные ПКМ, благодаря разработке нетканых материалов из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и аналогичных, которые по своей структуре близки к сотовым заполнителям [16], в сочетании с полимерным связующим показывают высокие физико-механические характеристики. Для оценки возможности применения трёхслойных композитных панелей с нетканым заполнителем далее проводятся необходимые экспериментальные исследования.

Экспериментальное исследование образцов ПКМ

В работе проведено исследование свойств гибридных ПКМ с добавлением органического нетканого материала из ПЭТФ в зависимости от количества нетканых слоёв. В качестве объекта исследования использовался полиэфирный нетканый материал, отличающийся упорядоченной сотовой структурой. Между собой соты разделены специальными каналами, которые содержат микросферы (рис. 2).

а)

б)

Рис. 2. Фотография нетканого материала: а — в исходном состоянии; б — при увеличении ×500

В качестве волокнистого наполнителя использовались углеродная ткань марки АСМ С200Т [17], эпоксидное связующее на основе смолы ЭД-20 [18], отвердитель — изометилтетрагидрофталевый ангидрид и активный растворитель — диэтиленгликоль марки ДЭГ-1 [19].

Изготовлены и исследованы три типа образцов: без нетканого материала, а также с одним и двумя слоями нетканого материала. Образец 1 изготовлен из 6 слоёв углеродной ткани; 2 — из 7 слоёв (3 слоя углеродной ткани + + 1 слой нетканого материала + 3 слоя углеродной ткани), а образец 3 — из 8 слоёв (2 слоя углеродной ткани + + 1 слой нетканого материала + 2 слоя углеродной ткани + 1 слой нетканого материала + 2 слоя углеродной ткани). Для всех образцов и слоёв угол выкладки составил 0° (по основе ткани). Одними из важных параметров трёхслойных композитных панелей считаются изгибная жёсткость и эффективный поперечный модуль упругости. Для его определения используется динамомеханический анализатор. Определено влияние температуры на модуль упругости образцов с одним и двумя слоями нетканого материала. В таблице приведены отдельные результаты экспериментальных исследований для всех трёх типов образцов в зависимости от температуры испытания.

Анализ полученных результатов показывает, что значение модуля упругости гибридного ПКМ, состоящего из двух слоёв нетканого материала (образец 3 ), повышается практически на 25% при температуре 30 °С по сравнению с образцом 2 , состоящим из одного слоя нетканого материала. Образцы 2 и 3 , по сравнению с исходным образцом из углепластика (образец 1 ), обладают в среднем в три раза большими значениями модуля упругости при температурах до 200 °С. Таким образом, использование нетканого материала в структуре гибридного ПКМ позволяет повысить отдельные физико-механические характеристики.

В результате проведённых экспериментальных исследований установлено, что при увеличении в гибридном ПКМ количества слоёв из нетканого материала имеет место повышение модуля упругости в поперечном направлении. По сравнению с исходным образцом из углепластика (образец 1), образцы, в составе которых есть нетканый материал, обладают в среднем в три раза большими значениями модуля упругости при температурах до 200 °С.

Моделирование напряжённо-деформированного состояния элемента платформы КА ДЗЗ

В работе рассмотрены варианты конструкции с заполнителями в форме сот из различных материалов. Проводится анализ напряжённо-деформированного состояния элемента платформы КА со следующими конструктивными исполнениями:

• 1    — панель состоит из двух обшивок из углепластика толщиной 2 мм и заполнителя в виде алюминиевых сот толщиной 4 мм;

• 2    — панель состоит из двух обшивок из углепластика толщиной 2 мм и заполнителя в виде стеклопластиковых сот толщиной 4 мм;

• 3    — панель состоит из двух обшивок из углепластика толщиной 2 мм и заполнителя в виде углепластиковых сот толщиной 4 мм;

• 4    — панель состоит из трёх обшивок из углепластика (толщины внешних обшивок — 1,9 мм; средней — 0,2 мм),

между ними — по одному слою заполнителя, состоящего из гибридного ПКМ в виде сот из эпоксидного полимера и нетканого полиэфирного материала, находящегося внутри сот (толщина каждого слоя 2 мм);

• 5    — панель состоит из трёх обшивок из углепластика (толщины внешних обшивок — 1,9 мм; средней — 0,2 мм), между ними — по одному слою заполнителя, состоящего из гибридного ПКМ в виде сот из эпоксидного полимера и

• пенополиимида, находящегося внутри сот (толщины слоёв — 2 мм).

Значения модулей упругости гибридных ПКМ, МПа

Температура испытания, °С	Образец 1 (6 слоёв углеродной ткани)	Образец 2 (3 слоя углеродной ткани + 1 слой нетканого материала + 3 слоя углеродной ткани)	Образец 3 (2 слоя углеродной ткани + 1 слой нетканого материала + 2 слоя углеродной ткани + 1 слой нетканого материала + 2 слоя углеродной ткани)
30	12 678	12 264	15 301
50	10 420	12 161	15 279
100	1 655	11 710	14 657
150	1 486	9 622	10 678
200	1 605	5 597	5 234

Размер элемента выбран 100×100×8 мм, а общая толщина всех пяти вариантов — 8 мм.

Моделирование проводилось в программном комплексе NX [13] с использованием трёхмерных конечных элементов размером 5 мм. На внешнюю поверхность элемента платформы, ориентированной в надир, действует характерный температурный градиент, аналогичный случаю изменения светотеневой обстановки во время весеннего равноденствия. Элементы конструкции панели взаимосвязаны с помощью контактных конечных элементов, и учитываются условия симметрии по граням. Материал обшивки считался трёхмерным ортотропным, а сотовый заполнитель рассматривался как изотропный. В геометрической модели элемента платформы учитывалась сотовая структура заполнителя, длина стороны ячейки 10 мм, толщина стороны ячейки — 1 мм.

При сравнении массово-габаритных характеристик пяти вариантов панелей установлено, что наименьшим весом обладает панель с полиэфирным нетканым материалом (вариант 4 ). Однако, с учётом условий эксплуатации КА и действия факторов космического пространства, необходима разработка поли-имидного нетканого материала.

На рис. 3 представлены отдельные результаты по напряжениям и перемещениям в различных вариантах панелей.

На основе результатов моделирования установлено, что по массовогабаритным характеристикам предпочтительнее вариант 4 с нетканым материалом, а наименьшими перемещениями обладают вариант 4 и вариант 5 с пено-полиимидом.

а)

б)

в)

г)

д)

ж)

е)

0,00219978

0,00201647

0,00183315 0,00164984 0,00146652

0,00128321 0,00109989

0,000916576 0.000733261 0,000549946 0,000366631 0,000183315

з)

■ 0.00254284

| 0,00233094

| 0,00211903

0.00190713

0.00169523

— 0,00148332

I 0,00127142

0.00105952

- 0.000847614

i 0,00063571

i 0,000423807

8 0,000211903

и)

к)

Рис. 3. Напряжения (МПа) и перемещения (мм) в панели с заполнителем в виде алюминиевых сот (а, б); стеклопластиковых сот (в, г); углепластиковых сот (д, е); из эпоксидных сот и нетканого материала (ж, з); из эпоксидных сот и пенополиимида (и, к)

Заключение

На основе разрабатываемой методики выбора проектных параметров платформ КА ДЗЗ выполнены оценки характеристик рабочей орбиты (постоянство солнечной освещённости; видимости земной поверхности в заданное время полёта над одними и теми же участками обследуемой местности; глобального обзора Земли; наилучшей оперативности наблюдения районов земной поверхности; требуемых коррекций высоты орбиты, понижающейся вследствие торможения), а также рассчитаны тепловые эксплуатационные нагрузки.

Рассмотрены возможные варианты замены традиционных трёхслойных панелей платформ КА, состоящих из углепластиковых обшивок и заполнителя из алюминиевых сот, на новые гибридные ПКМ.

С помощью численного моделирования температурного и напряжённо-деформированного состояния предложенных конструктивных вариантов панелей платформ КА показано, что применение трёх обшивок из углепластика (толщины внешних обшивок — 1,9 мм; средней — 0,2 мм) и между ними по одному слою заполнителя, состоящего из гибридного ПКМ в виде сот из эпоксидного полимера и нетканого полиэфирного материала, находящегося внутри (толщина каждого слоя 2 мм) позволяет снизить массу и общие перемещения по сравнению с традиционными трёхслойными с заполнителем из алюминиевых сот.

Дальнейшие исследования направлены на адаптацию выбранного конструктивного варианта панели платформы к действиям факторов космического пространства и необходимости обеспечения её работоспособности в течение 15 лет.

Полученные результаты могут представлять интерес на стадии эскизного проектирования КА ДЗЗ.