Технологии соединения труб двигателей малых космических аппаратов

Для коррекции орбиты и ориентации малых космических аппаратов и спутников применяются двигатели и двигательные установки на базе электрореактивных двигателей (ЭРД), жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и газовых двигателей (ГД) [1-4]. Для них характерно наличие множества пневмогидравлических элементов, соединяемых трубопроводами, работающими при высоких давлениях (до 400 кгс/см2).

Для небольших установок применяются бесшовные стальные трубки малых диаметров, не включаемые в государственные отраслевые стандарты. Для них характерен ряд конструктивных особенностей [5, 6]:

• -    преобладание пространственных элементов над плоскостными;

• -    наличие упругих деформаций участков трубопроводов в процессе работы двигательной установки;

• -    выполнение подсоединений непосредственно на изделии;

• -    малые диаметры (от 1 до 10 мм);

• -    высокие давления на отдельных участках;

• -    размещение участков магистралей в стеснённых условиях при плотной компоновке изделия и, следовательно, большое количество мест присоединения трубопроводов к частям изделия.

Они должны отвечать предъявляемым к ним требованиям: прочность и герметичность на максимальных режимах работы, сопротивление монтажным и эксплуатационным деформациям, компенсация монтажных неточностей; сопротивление повышению давления в системах; доступность для выполнения всех работ по монтажу, сварке и испытаниям.

Актуальным вопросом при разработке таких двигателей, а также двигательных установок, является обеспечение технологичности, в частности, при сборке трубопроводов высокого и низкого давлений.

EDN OTDUGD

В рамках настоящей работы интерес представляет возможность применения различных типов соединений трубопроводов ЖРД и ЭРД.

Неразъёмные соединения

К неразъёмным относятся соединения, разборка которых невозможна без механического воздействия, приводящего разрушению (повреждению).

Присоединение трубопроводов к элементам двигательных установок в большинстве случаев осуществляется путём сварки (аргонодуговая, лазерная, орбитальная) или пайки

Данные технологии имеют ряд преимуществ:

• -    высокая герметичность (так как создается сплошное соединение);

• -    устойчивость к агрессивным средам;

• -    возможность соединения труб малых диаметров;

• -    малый вес.

Надежность неразъёмных соединений выше по сравнению с разъёмными, а их конструкция существенно проще ввиду отсутствия дополнительных элементов (болтов, гаек, шпилек, фланцев и т.д.).

Однако они не позволяют осуществлять быструю переналадку соединения и имеют риск появления дефектов.

В некоторых случаях в процессе сварки трубопроводов могут возникать дефекты, которые трудно обнаружить рентгенографическим контролем ввиду конфигурации сварного шва. Такие несоответствия обнаруживаются только при последующих пневматических испытаниях.

В наиболее общем случае получение отдельно взятого соединения включает в себя следующие операции:

• -    выполнение сварочных образцов и их подготовка к металлографическому исследованию;

• -    металлографическое исследование;

• -    подготовка трубопроводов к сварке;

• -    сварка трубопроводов;

• -    рентгенографический контроль;

• -    пневматические испытания на прочность и герметичность.

Таким образом, на предварительные работы и контрольные проверки может приходиться до 30-50 % времени, затрачиваемого на изготовление изделия.

Кроме того, для отдельных изделий, имеющих в своём составе множество близкорасположенных трубопроводов, выполнение и контроль сварных швов может представлять значительные сложности ввиду затруднения доступа как сварочного, так и испытательного оборудования.

Альтернативой соединению трубопроводов сваркой (пайкой) является применение разъёмных соединений.

Разъёмные соединения

Принятая в научной литературе классификация подразумевает разделение разъёмных соединений по типу конструкции на фланцевые, муфтовые (резьбовые, бугельные, байонетные, штуцерные, клапанные) и сальниковые [7, 8].

Исследованию и проектированию разъёмных соединений посвящены работы таких учёных как Божко Г.В., Погодин В.К., Продан В.Д., Тру-таев В.В., Долотов А.М., Домашнев А.Д., Карасев Л.П., Огар П.М., Румянцев О.В., Bickford J., Dekker C.J, Kohmura S., Nishioka K., Stikvoort W.J., Thompson, G и др. [8-12].

Фланцевые соединения представляют собой конструкцию, состоящую из соединяемых участков трубопроводов, фланцев, крепежных элементов, а также уплотнительного элемента (прокладки) из упругого материала.

В промышленности применяются фланцевые соединения, изготавливаемые по ГОСТ 33259-2015. Согласно стандарту, масса фланца Ду15, обеспечивающего герметичность 200 кгс/см2, составляет до 2,11 кг. Для соединения рекомендуется применение 4 болтов/шпилек М20.

Масса, затрудненный доступ слесарносборочного инструмента, а также размеры соединения делают его применение нерациональным в трубопроводах малых ЖРД и ЭРД.

Муфтовые соединения устанавливаются в соединениях деталей трубопроводов с арматурой, а также трубок между собой. Они состоят из резьбы, нарезаемой на концах труб, контргайки и муфты. Для уплотнения резьбы применяют полимерные материалы, поджимаемые контргайкой.

Одним из частных случаев муфтового соединения является бугельное [13], состоящее из бугеля, размещаемого на концевых частях трубопровода и стягиваемого при помощи крепежа, а также уплотнительного кольца.

ГОСТ Р 55429-2013 регламентирует конструкцию и порядок применения бугельных соединений трубопроводов номинальными диаметрами от 32 мм, что выходит за рамки данной работы.

В то же время в рамках НИОКР, проводимых АО «ИркутскНИИхиммаш», было разработано и продолжается производство бугельных соединений труб номинальным диаметром 20 мм для давлений до 320 кгс/см2. В обзоре [7] указывается о сниженной более чем в 3 раза металлоёмкости и, соответственно, массе соединения по сравнению с фланцевым.

Информация об изготовлении бугельных соединений для меньших диаметров соединяемых трубок в научной и методической литературе не упоминается.

Однако если учесть данные [7], предполагаемая масса соединения трубок Ду15 составила бы ~0,70 кг без учёта веса крепежа, что является критичным для применения при сборке двигательных установок.

Штуцерные соединения применяют в трубопроводах высокого и низкого давлений. Они позволяют осуществлять монтаж, ремонт и переналадку в короткие сроки, обеспечивая более высокую технологичность изделия.

Для них характерно наличие резьбы на штуцерах и накидной гайке, от точности выполнения которой зависит герметичность изделия. Для уплотнения применяют прокладки, устанавливаемые между соединяемыми трубопроводами.

Имеются свидетельства о применении штуцерных соединений с уплотняющим элементом (металлическая прокладка по ОСТ 92-849793) в пневмосистемах двигателей типов РД 107А/108А для трубопроводов Ду4 [14]. Отмечается, что затяжка штуцерного соединения может выполняться как установленным моментом при помощи динамометрического ключа, так и на заданный угол, определяемый расчётом с учётом шага резьбы и параметров уплотнительного элемента по п. 2.5.5 ГОСТ 19749-84.

В работе [15] экспериментально получено гарантированное обеспечение герметичности соединения при давлении до 82,9 МПа (930 кгс/см2) с учётом угла затяжки 90 град.

Для сравнительной оценки массы учитывается информация табл. 2 ГОСТ 5890-78. Масса соединения трубок Ду15 составляет 0,255 кг, что кратно ниже массы фланцевых и бугельных типов.

Из-за малых габаритов и массы элементов, штуцерные соединения являются привлекательным типом трубопроводной арматуры в двигательных установках, поскольку обеспечивают технологичность при сборке на изделиях.

В байонетных соединениях предусмотрены поворотные крышки или кольца. При затяжке кольцо поворачивается с помощью гидроцилиндра, при этом выступы крышки и кольца совпадают [8].

Несмотря на преимущества, выраженные в быстром сборе-разборе, недостатком соединения является возможность самораскрытия при высоких нагрузках, а также вероятность смещения при сборке, если штыри и пазы окажутся не совмещены должным образом.

Для обеспечения герметичности соединение нуждается в поддержании избыточного давления под уплотнительным элементом, превышающим рабочее на 0,05…0,1 МПа.

Таким образом, применение байонетных соединений может быть нецелесообразно в рассматриваемом случае.

Клапанные и сальниковые соединения применяются для решения специальных задач – управление потоком рабочей среды, обеспечение герметичности технологических элементов оборудования (карманы термопар, датчики) и т.д. Они не могут быть использованы для шататного подсоединения трубопроводов к пневмогидравлическим элементам.

Исходя из вышеизложенного, наиболее привлекательной альтернативой соединениям пайкой или сваркой в двигательных установках являются штуцерные соединения с уплотнительным элементом.

Соединения при помощи вставок из материалов с памятью формы (МПФ)

Термомеханическое соединение трубопроводов при помощи муфт являлось одним из первых применений материалов с памятью формы [16].

Принцип работы заключается в следующем: изначально изготавливается муфта с внутренним диаметром меньше, чем диаметр соединяемых трубопроводов. После чего внутренний диаметр муфты расширяют дорнованием и надевают её на концы трубопроводов. При нагреве она восстанавливает первоначальную форму, в результате чего получается герметичное обжатие трубок.

Подобный тип соединений не требует высокой квалификации у исполнителя, применения специального слесарно-сборочного инструмента или больших трудовых затрат на выполнение соединения.

Негативным аспектом является высокая стоимость и сложность изготовления изделий из сплавов с памятью формы, поскольку МПФ системы Ti-Ni-Fe необходимо деформировать, хранить и устанавливать при криогенных температурах, что технологически неудобно. Однако данный недостаток может быть преодолен путём использования МПФ систем Ti-Ni-Nb, что исследовалось в работах [17, 18].

В работе [16] рассматривались образцы из МПФ систем Ti-Ni-Fe и Ti-Ni-Nb. В ходе исследования и разработки опытной технологии было установлено, что предпочтительнее использование муфт из сплавов Ti-Ni-Nb. Для трубопроводов диаметром 12 мм было получено значение герметичности 60 МПа (611,8 кгс/см2) и прочности 90 МПа (917,7 кгс/см2).

Для сплавов Ti-Ni-Fe у трубопроводов диаметром 14 мм было получено значение герметичности 17 МПа (173,4 кгс/см2) и прочности 23 МПа (234,5 кгс/см2) [19].

Заключение

В настоящей работе рассмотрены типы соединений трубопроводов для двигателей малых космических аппаратов. Описаны разъёмные и неразъёмные соединения, а также термомеханическое соединение трубопроводов при помощи муфт из материалов с памятью формы.

Приведены преимущества и недостатки упомянутых соединений, которые могут влиять на их выбор при проектировании установок с трубками малых диаметров.

Неразъемные соединения штуцерного типа представляются перспективными с точки зрения применения в двигательных установках на базе ЭРД, ЖРД и ГД, поскольку обеспечивают требуемые характеристики – небольшой вес конструкции, простоту монтажа, возможность повторной сборки и высокие показатели герметичности, в то время, как другие типы разъёмных соединений (в т.ч. бугельное, фланцевое, байонетное) имеют ряд критических недостатков, ограничивающих их применение.

Сложным аспектом здесь является точность выполнения резьбы в соединении, от которой зависит степень соответствия ожидаемым параметрам, а также выбор материала уплотнительного элемента. Однако этот вопрос может быть решен путем подбора технологии изготовления, а также выбором подходящего типа резьбы.