Сосуды давления для космических аппаратов

1Космические аппараты нового поколения ОАО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева» выполнены в так называемом «негерметичном» исполнении: в конструктивно-силовой схеме КА нет герметичного контейнера (гермоконтейнера) в связи с изменением принципов выполнения аппаратуры, способной работать в открытом космосе, и изменением системы терморегулирования.

За полувековой период работы в космосе накоплен значительный опыт проектирования, производства, испытаний сосудов давления ракетно-космической отрасли.

Гермоконтейнер (ГК) предназначался для создания комфортных условий функционирования целевой аппаратуры и аппаратуры служебных систем в условиях длительного действия дестабилизирующих факторов космического пространства.

Давление воздушной среды было определено из условий обеспечения температурного режима аппаратуры за счет организованного газового потока внутри ГК с охлаждением газа при прохождении через теплообменник

и переносом тепла жидкостью в радиатор, расположенный вне ГК.

Рабочее давление было принято равным 1,2 кг/см2.

Избыточное давление при проверке герметичности по гелиевой методике соответствовало максимально возможному рабочему давлению при изменении температуры газа в диапазоне от плюс 5 до плюс 40 градусов Цельсия и равнялось 1,3 кг/см2. Для давления гидроиспытаний при контроле сварных швов в целях гарантии безопасности при последующих проверках герметичности методом «щупа» для обнаружения точечных течей необходимо иметь не менее 150 % превышения над давлением контроля. Поэтому проверка прочности проводится при давлении 2,0 кг/см2.

Приведенная схема контроля прочности и герметичности сварных ГК из магниевых и алюминиевых сплавов при стабильной технологии сварки позволила создать КА, сохраняющие герметичность более 10 лет.

Расчет длительной прочности ГК проведен на основании положений, опубликованных в статье С. Н. Журкова «Кинетическая концепция прочности твердого тела» (журнал

«Известия АН СССР «Неорганические материалы». 1967. № 3 [1]).

В статье впервые рассмотрен термофлуктуационный механизм разрушения и приведены значения начального энергетического барьера при разрушении для алюминия (AL) U = 53–54 ккал/моль и магния (Mg) U = 34 ккал/моль.

С учетом последующих публикаций [2–5], подтверждающих справедливость закона Журкова, при учете времени действия нагрузок ²⁶ и температуры испытаний для определения ресурса конструкций типа сосудов давления из металлов может быть рекомендована [6] следующая зависимость:

lg t = 13(Tпл/T – 1)(1 – P/Pк), где t – время до разрушения при постоянной нагрузке и температуре (сек);

Т _пл – температура плавления металла, К;

Т – температура испытаний (эксплуатации), К;

Р _к - разрушающее давление при кратковременном нагружении – нагружение до разрушения при постоянной скорости роста давления;

Р – давление испытаний ( эксплуатации).

Принимая за Р _к расчетное разрушающее давление для ГК из магниевого сплава, равное

Рк = оb 5/R =1600^2/650 = 4,92 кг/см2, где оb - предел кратковременной прочности магниевого сплава, кг/см2;

δ и R – толщина и радиус цилиндрической оболочки, мм, и делая допущение [6] о справедливости соотношения U = 30R Тпл, при Тпл = 34,0/30R = 567 К имеем lg t = 13(567/303 – 1)(1 – 1,2/4,92) = 8,56, что соответствует времени нахождения под избыточным давлением t = 3,66×10-8 сек =11,6 года.

Для ГК «Sеsat» из алюминиевого сплава, находящийся в эксплуатации с апреля 2000 года,

Рк = 3200^1,5/650 = 7,38 кг/см2, где оb = 3200 кг/см2 - предел кратковременной прочности алюминиевого сплава; 1,5 мм и 650 мм – толщина и радиус цилиндрической оболочки. При Тпл = 54/0,06 = 900 К, имеем lg t = 13(900/313 – 1)(1 – 1,2/7,38) = 20,4, что соответствует эксплуатации без ограничений по данному критерию.

Для справки: толщина цилиндрической оболочки ГК выбрана из условия ограничений по сварке и обеспечения устойчивости оболочки при наземной транспортировке КА.

Таким образом, при запасе прочности более 4, соответствующему отношению разрушающего давления к рабочему давлению, долговечность ГК намного больше срока активного существования КА.

Баллоны высокого давления

Для отработки гелиевой автоматики разгонного блока на компонентах фтор-аммиак, с опережением по времени изготовления летной модификации баллонов высокого давления, на Омском авиационном заводе была отработана технология сварки толстостенных баллонов с рабочим давлением 200 атм емкостью до 60 л из материала АМг6.

Предприятиями-разработчиками был выпущен научно-технический отчет «Разработка технологии сварки и термообработки толстостенных шарбаллонов из сплава АМг6 и оценка их конструктивной прочности при температурах 20 °С и –196 °С» [7].

Проведем анализ долговечности отработанных вариантов. Используемые результаты испытаний до разрушения приведены в таблице.

Разрушение носило, как правило, хрупкий характер независимо от числа циклов (от 1 до 250) испытаний давлением 200 кг/см2.

Среднее значение разрушающего давления при 20 °С равно 376 кг/см2.

Долговечность при давлении 200 кг/см2 и температуре 50 °С (323 К) определится по следующей зависимости:

lg t = 13(900/323 – 1)(1 – 200/376) = 12,35.

Долговечность для значений, соответствующих баллону с минимальным разрушающим давлением, lg t = 13(900/323 – 1)(1 – 200/320) = 8,7, что почти на четыре порядка меньше значения долговечности, соответствующего среднему значению разрушающего давления. Среднее значение разрушающего давления при -196 °С равно 457 кг/см2. Долговечность при 20 °С, соответствующая давлению разрушения 402 г/см2 при температуре -196 °С, равна lg t = 13(900/293 – 1)(1 – 200/402) = 13,46.

Сосуды давления для космических аппаратов

Результаты испытаний до разрушения

№ п/п	Зав. №	Диаметр, мм	Температура, °С	Давление, кг/см2	Место разрушения
1	36	491	20	424	По центру шва
2	48	491	20	435	По основному металлу
3	54	491	20	380	По зоне сплавления кольцевого шва
4	19	491	20	365	По зоне сплавления кольцевого шва
5	21	491	20	348	По сварному шву
6	23	491	20	385	По основному металлу
7	22	491	20	387	По основному металлу
8	4	491	20	320	По основному металлу
9	1	491	20	340	По зоне сплавления кольцевого шва		27
10	Р2122/65	491	–196	470	По зоне сплавления кольцевого шва
11	Р2121/38	428	–196	500	По зоне сплавления кольцевого шва
12	Р2121/44	428	–196	420	По зоне сплавления кольцевого шва
13	Р2122/62	491	–196	490	По зоне сплавления кольцевого шва
14	Р2122/59	491	–196	420	По зоне сплавления кольцевого шва
15	Р2121/39	428	–196	440	По сварному шву

Испытания до разрушения проводились на одном стенде, поэтому разрушающее давление пропорционально времени достижения максимального давления.

Решим обратную задачу: предполагая известной [1] энергию активации разрушения алюминиевого сплава АМг6 на уровне 54 ккал/моль, при разных скоростях достижения предельных величин, найдем для каждого разрушенного баллона кратковременную прочность Рк при длительности выдержки при максимальном давлении 1 сек.

Пусть скорость нагружения при нормальной температуре соответствовала достижению давления 300 кг/см2 за 300 сек.

Воспользуемся формулой достижения предельного состояния, приведенной в [6]:

t j = [0,434( U 0 / RT ) + lg t 0 + lg(σ 0 /σ k ) +

+ lg( B/RT )]/[0,434( B / RT ) ∙ (σ 0 /σ k )], где t – время до разрушения при постоянной скорости увеличения напряжений и постоянной температуре.

Делая допущение о справедливости для металлов следующих зависимостей:

U/RT = 30 RT пл / RT = 30 Т _пл/ Т и

B/RT = (U – 30RT)/RT = 30(Tпл/T – 1), имеем t = (13Тпл/Т – 13 + lg(dP/dt) –

– lg P к + lg30( Т пл / Т – 1)) /

/ (13( Т пл / Т – 1)∙( dP/dt ) / Р к ).

При Р = 300 кг/см² и t = 300 сек, получим: 300 = (13(900/293 - 1) + 0 - lg P _к+

+ lg30(900/293 – 1))/(13(900/293 – 1)∙1/ Р к );

300 = (26,93 + 0 - lg P _к +

+ lg62,15)/(26,93/ Р к );

300/ Р _к = 1 + 0,0371(1,794 - lg P к ) = = 1,067 – 0,0371lg Р к ;

300/308 = 1,067 – 0,0371∙2,49 = 0,975.

Пусть Р = 400 кг/см² и t = 350 сек. Тогда при скорости роста давления, равной 400/350 = 1,143 кг/(см²^сек) получим:

350 = (26,93 + 0,058 – lg Р к + 1,794) /

/ (26,93∙1,143/ Р к );

350/ Р к = (28,784 – lg Р к )/30,78 =

= 0,935 – 0,0325lg Р к .

Принимая Р _к = 410 кг/см², получим:

350/410 = 0,935 – 0,0325∙2,612 = 0,85;

0,8536 = 0,935 – 0,0325∙2,612 = 0,85.

Таким образом, кратковременное разрушающее давление для баллона, разрушенного при 300 кг/см2, соответствует 308 кг/см2, а при 400 кг/см2 - 410 кг/см2.

В запас прочности для определения долговечности в зависимости от температуры эксплуатации и рабочего давления целесообразно для диаграммы предельных состояний прини-

U ИССЛЕДОВАНИЯ

ПАуКО-

■ ГРАДА

мать за величину кратковременной прочности величину разрушающего давления, полученную при испытании до разрушения. Это некоторым образом компенсирует наше незнание фактического уровня остаточных сварочных напряжений после термообработки и фактических сварочных дефектов типа следов разрушения вольфрамовых электродов, степени зашлакованности при сварке в три этапа и других мелких дефектов, соответствующих отработанной технологии изготовления.

Длительная прочность баллонов высокого давления при нормальной температуре 293 К при рабочем давлении 200 кг/см2 изменяется от 10-10 до 10-14 сек.

При давлении 250 кг/см2 долговечность может находиться в пределах от 10-5 сек до 10-11 сек. Это подтверждает тот факт, что прямые испытания на долговечность при своей большой трудоемкости дают результаты со значительно большим разбросом, чем при испытании образцов на растяжение по стандарт- ным методикам.

Ускоренные испытания на проверку длительной прочности могут быть проведены при большем давлении и при повышенной, по сравнению с температурой эксплуатации, температуре. При выборе условий ускоренных испытаний на долговечность необходимо соблюдение следующих ограничений.

• 1.    Необходимо постоянство механизма разрушения, в частности, при ускоренных испытаниях коррозия под повышенным напряжением может ускорить процесс разрушения.

• 2.    Температура испытаний не должна превосходить 50 % температуры плавления металла конструкции, так как при нарушении этого ограничения вклад в механизм разрушения тепловых колебаний атомов существенно возрастает.

• 3.    Повышенная нагрузка не должна вызывать пластическую деформацию.

Примечание: ползучесть металла, проявляющаяся при длительных испытаниях, не противоречит кинетической концепции прочности твердых тел, поэтому не влияет на выводы по результатам испытаний.

Таким образом, расчет долговечности сосудов давления для космических аппаратов при эксплуатации в стационарных условиях, когда нет коррозии под напряжением, может основываться на результатах испытаний до разрушения. При этом необходимо учитывать разброс результатов и принимать во внимание минимальные ожидаемые результаты.