Разработка авиационной управляемой ракеты

Связь между конфигурацией ракеты и ее аэродинамическими характеристиками на этапе формирования опорных вариантов допустимо выражать приближенными зависимостями, основанными на теории обтекания тонких тел. При таком подходе корпус расчленяют на составные части, для которых известны создаваемые нормальные силы и точки приложения этих сил. Обычно выделяют головную, центральную и кормовую части корпуса.

3.2 Определение нагрузок, действующих на ЛА

Выбор расчетного режима

Поперечная нагрузка, действующая на аппарат, зависит в основном от подъемной силы, величина которой (в зависимости от изменения максимальной перегрузки по траектории) определяется выражением:



G=mg - сила тяжести.

Так как второй член в этом выражении на маневренном участке полета как правило мал, то можно принять, что наибольшая нагрузка будет при условии максимума выражения:

Для этого был построен график n_zmax(t) исходя из результатов предыдущего раздела.

Таким образом, максимальные значения перегрузки возникают в момент времени t = 8 c.

Тогда исходными данными для расчета являются:

H=100 м

V=1078 м/с

в=5,2°

n_z = -22



По таблице стандартной атмосферы определяем скорость звука и плотность воздуха на расчетной высоте:

Определяем скоростной напор q:

Определяем число Маха:

Далее определяем нагрузки, действующие на отдельные части проектируемого ЛА.

Носовая часть

Положение аэродинамического фокуса:



Подъемная сила на носовой части:

- коэффициент подъемной силы

Цилиндрическая часть

Положение аэродинамического фокуса:

Подъемная сила на цилиндрической части корпуса:

Центральная часть ракеты имеет цилиндрическую форму. Аэродинамические характеристики цилиндрической части обусловлены поперечным, относительно корпуса, обтеканием.

Н

Несущие поверхности

Вычислим основные геометрические характеристики:



Производная коэффициента подъемной силы:

=0,023

Коэффициент подъемной силы крыльев:

Подъемная сила на крыльях:

Координата аэродинамического фокуса ЛА была найдена в предыдущем разделе:

Органы управления

Положение фокуса рулевых поверхностей было найдено в разделе «Общее проектирование»:

Подъемная сила на рулях выражается через суммарную подъемную силу:

Координата центра давления

Координату центра давления найдем из условия равенства моментов, создаваемых частями ЛА, моменту, создаваемому суммарной подъемной силой ЛА:



Определение балансировочных показателей

Следовательно, ракета статически устойчива.

Определение силы лобового сопротивления ЛА

Коэффициент лобового сопротивления ракеты C_x был найден ранее в разделе общего проектирования ЛА.

C_x=0,0397

Тогда лобовое сопротивление ракеты определяется из выражения:

3.4 Оценка управляемости ЛА

Для более ясного представления физической картины управления запишем управляющую силу в виде 2х составляющих:

Для оценки управляемости требуется, сравнить между собой балансировочную составляющую и суммарную силу управления .

Для этого определим :

Так как балансировочная составляющая по абсолютному значению меньше суммарной силы управления , то ракета управляема.



4. Определение нагрузок и расчет на прочность

4.1 Методика определения нагрузок, действующих на ЛА

Для определения нагрузок, действующих на ЛА в полете, прежде всего, следует разбить ЛА на n расчетных сечений. Причем точность расчета нагрузок будет зависеть от количества разбиений - чем больше n, тем выше точность. Оптимальным для проектируемого изделия число участков будет i=10. Таким образом, длина каждого такого участка составляет Дl=368.7 мм. Схема такого разбиения представлена на рисунке ниже.

Далее в соответствии с результатами общего проектирования были определены массы m_i каждого из участков. Результаты расчета представлены в результирующей таблице ниже.

Все аэродинамические нагрузки Z_i, действующие на корпус, несущие и рулевые поверхности ЛА, также нужно распределить по расчетным сечениям, находящимся в зоне их действия.

Массовая поперечная нагрузка каждого участка разбиения представляет собой сумму веса и инерционной силы в поперечном направлении:

Момент внешних поперечных сил определяется как

,

в общем случае не равен нулю и вызывает угловое ускорение. Вследствие этого углового ускорения возникают инерционные силы:



Сумма инерциальных сил Ф_i равна нулю и общего равновесия не нарушает.

Таким образом, в каждом расчетном сечении к массовой силе необходимо добавлять инерционную силу Ф_i. Тогда все силы приложенные к корпусу находятся в равновесии и можно перейти к определению перерезывающих сил и изгибающих моментов.

Перерезывающая сила в i-ом сечении определяется как:

Изгибающий момент в i-ом сечении определяется как:

В последнем сечении изгибающий момент должен быть равен нулю, однако как говорилось выше, точность сходимости момента в ноль зависит от количества разбиений i, исходя из этого, допускается погрешность в 5% от максимального значения изгибающего момента.

Кроме поперечных нагрузок на корпус действуют также и продольные силы. Массовые продольные силы определяются по формуле:



Сумма массовых сил равна разности между силой тяги и продольными аэродинамическими силами. Продольные силы приложены по оси ЛА и момента относительно центра масс не дают.

Имея необходимые исходные данные из прошлых разделов, был произведен расчет и построены эпюры. Результаты расчета представлены в таблице «Нагрузки, действующие на ЛА».

4.2 Нагрузки, действующие на ЛА

i	mi	xi(ц.т.)	xi		Pi	Mвнеш	Zi	Цi	Qi	Mi	Ni
1	4,25	0,18	-1,72	122,89	-917,47	-500,127	3401,07	-35,43	2448,17	902,64	221,03
2	8,57	0,55	-1,35	152,80	-1850,10		2512,22	-56,11	606,02	1126,08	666,73
3	18,81	0,92	-0,98	176,99	-4060,61		405,46	-89,46	-3744,61	-254,56	1644,97
4	18,81	1,29	-0,61	68,80	-4060,61		405,46	-55,78	-3710,92	-1622,78	2623,21
5	27,76	1,66	-0,24	15,93	-5990,37		405,46	-32,59	-5617,50	-3693,95	4066,34
6	4,95	2,03	0,13	0,78	-1068,17		2479,94	3,05	1414,82	-3172,30	4323,67
7	7,18	2,40	0,50	17,31	-1550,64		8885,05	17,29	7351,70	-461,73	4697,24
8	6,24	2,77	0,86	45,73	-1346,91		6177,25	26,19	4856,53	1328,87	5021,72
9	8,49	3,13	1,23	126,56	-1831,64		405,46	50,81	-1375,37	821,77	5462,98
10	11,23	3,50	1,60	282,65	-2424,05		3,46	87,35	-2333,24	-38,50	6046,95



4.4 Расчет на прочность элементов ЛА

Расчет обшивки корпуса ЛА

Так как технологически отсеки проектируемого ЛА изготавливаются из разных материалов, то необходимо рассмотреть работу каждого материала при его максимальном нагружении. Таким образом для расчета были приняты 1 ый аппаратурный отсек, отсек с БЧ и отсек с РДТТ.

Расчет обшивки 1-го аппаратурного отсека

Обшивка 1-го аппаратурного отсека выполнена из титанового сплава ОТ-4 и имеет следующие характеристики:

д = 1 мм; у_в = 52 кгс/мм²; R = 100 мм;

Значение расчетного изгибающего момента снимаем с эпюры выше:

Расчет обшивки производится по следующей формуле:

Далее сравнивая действующие и разрушающие напряжения имеем:

Условие прочности выполняется, отсеки из титанового сплава ОТ-4 отвечают требованиям прочности и хорошо работают в заданных условиях.

Расчет обшивки отсека с БЧ:

Исходные данные:

Материал сталь 30ХГСА, у_в = 74 кгс/мм²

д = 1 мм; R = 100 мм.

Значение расчетного изгибающего момента снимаем с эпюры выше:

Расчет обшивки:



Далее сравнивая действующие и разрушающие напряжения имеем:

Условие прочности выполняется, отсек из стали 30ХГСА отвечает требованиям прочности и хорошо работает в заданных условиях.

Расчет обшивки отсека с РДТТ

Для отсека с РДТТ воздействие внешних нагрузок не является определяющим. Расчетным является случай нагружения внутренним давлением при работе РДТТ.

Исходные данные:

; R = 100 мм, , сталь 32Х2НВМБР у_в = 200 кгс/мм²

Расчет обшивки РДТТ

;

Условие прочности выполняется, отсек из стали 30ХГСА отвечает требованиям прочности и хорошо работает в заданных условиях.

Расчет стыка отсеков ЛА

Клиновое соединение состоит из наружного и внутреннего шпангоутов, которые соединяются путем введения с заданным усилием клиновидных полос (клиньев) через специальные окна, равномерно расположенные по окружности.

Исходные данные:

R_н = 100 мм; R_в = 92 мм; д_н = д_в = 2,5 мм; у_в = 52 кгс/мм²; М_р= 3693 Н*м

Для расчета стыка применяется следующая формула:



- момент сопротивления изгибу, расположенный на наружной части стыка.

- момент сопротивления изгибу расположенный на внутренней части стыка

Условие прочности выполняется, клиновые стыки отвечают требованиям прочности и хорошо работают в заданных условиях.

Расчет на прочность консоли крыла

В рамках данного дипломного проекта был спроектирован агрегат - несущая поверхность ЛА, сборочный чертеж и спецификация, которой приложен в графической части работы. Для подтверждения корректности применения данного агрегата на проектируемом ЛА был проведен проектировочный расчет на прочность, в котором в качестве расчетной схемы используется балочная модель крыла.

Рисунок 4.1. Эпюра распределения изгибающего момента по размаху консоли



На рисунке изображена эпюра распределения изгибающего момента по размаху консоли крыла. Здесь видно, что максимальный изгибающий момент наблюдается в заделке, т.е. в месте крепления крыла к фюзеляжу.

Определив расчетный изгибающий момент, необходимо определится с расчетным сечением и найти его массово-центровочные характеристики. На рисунке ниже представлено сечение крыла в месте, где изгибающий момент имеет наибольшее значение.

Рисунок 4.2. Расчетное сечение

Данное сечение имеет следующие характеристики:

F = 4418 мм²; J_x = 47345 мм⁴; y_р = 5 мм.

Сравнивая действующие напряжения с разрушающими для стали 12Х18Н10Т у_в = 88 кгс/мм², получаем неравенство:

Данный вид расчёта несет весьма приближенный характер и является менее предпочтительным для данного типа крыльев.



5. Определение стойкости конструкционных материалов при воздействии высокоинтенсивного нагрева на экспериментальном стенде «Импульс-2» кафедры 602

Отработка перспективных летательных аппаратов требует проведения экспериментальных исследований по определению стойкости конструк-ционных материалов при воздействия высокоинтенсивного нагрева. В условиях повышающихся требований по тепловым и силовым нагрузкам на летательный аппарат (в т.ч. гиперзвуковые ЛА) создаются новые конструкционные материалы на основе высокотемпературных композитов и керамик. Стойкость жаропрочных металлических материалов - титановых сплавов, сталей в этих условиях оказывается недостаточной. Такие же материалы, как, например, вольфрам, сохраняющий достаточную прочность при температуре в 3000⁰С, непригоден из-за большого удельного веса и неспособности работать в окислительной среде (атмосфере).

Процессы, сопровождающие нагружение конструкций из композитов отличаются большой сложностью. Все они требуют получения надежных механических характеристик, подтвержденных экспериментальной проверкой их работоспособности в условиях неравномерного одностороннего программного и импульсного нагрева и нагружения растягивающими, сжимающими и изгибными усилиями.

Обычные методы, применяемые при исследовании работоспособности конструкций из металлических материалов для композитов недостаточны. Большинство композитов создается на основе высокопрочных армирующих элементов и матрицы, обладающей достаточно высокой степенью деформативности. Обычно это различные пластмассы, поведение которых под нагрузкой аналогично поведению твердого идеально упругого тела и в то же время поведению идеально вязкой жидкости, для которой напряжение прямо пропорционально скорости деформации.

Вязкоупругость пластмасс проявляется и в их способности медленно деформироваться с течением времени под постоянной нагрузкой. Если скорость деформации постоянна, то необходимое для этой деформации напряжение может увеличиваться, т.е. пластмасса релаксирует. Эти эффекты значительно увеличиваются при повышенных температурах, поэтому при испытаниях очень важен фактор времени. Отсюда следует, что испытания при различных скоростях могут дать существенно различные результаты.

С другой стороны прочность композитов определяется, в основном, прочностью армирующих элементов. При их разрушении или повреждении границы раздела с матрицей происходит перераспределение напряжений таким образом, что повреждение локализуется в сравнительно малом объёме. Благодаря этому эффективная прочность композита в целом практически не снижается, что является одним из преимуществ композитов перед большинством традиционных материалов.

В композитах виды разрушений более разнообразны из-за взаимо-действия двух или большего количества факторов. Даже в простейшем случае однонаправленного композита с непрерывными волокнами различают разрывы отдельных волокон, нарушение границы раздела матрица-волокно, разрушение по матрице, а также взаимодействие всех трех явлений. Еще более сложные явления протекают при работе композитов при повышенных температурах.

При проектировании конструкций из композитов, разрушающихся от потери устойчивости, интерес может представлять факт, что при нагреве у многих материалов модуль упругости падает медленней, чем разрушающее напряжение. Однако этот факт нуждается в каждом случае в экспериментальном подтверждении, тем более что испытания механических свойств композитов при нагреве даже в одной серии образцов могут дать разброс данных, доходящий до 70% (в настоящее время удалось его существенно уменьшить). Следовательно, для получения надежных данных для расчетов необходимо провести статистически достоверные испытания конкретного материала. Из вышесказанного следует исключительная важность экспериментальных методов отработки конструкций из композитов.

Так называемые прямые методы испытаний основаны на непосредственном измерении перемещений и деформаций при нагружении вплоть до разрушения образцов. Однако при испытании композитов необходимо учитывать целый ряд условий. Современные волокнистые композиционные материалы с однонаправленной слоистой и пространственной укладкой арматуры являются неоднородными существенно анизотропными материалами. Для этого класса материалов привычные термины - испытание на растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг становятся бессодержательными без указания направления между нагрузкой и осями упругой симметрии исследуемого материала. Принципиально важным является выбор схем нагружения, при которых характеристики материала наиболее просто связаны с величинами, определяемыми в эксперименте, выбор аналитического аппарата для обработки результатов эксперимента и оценка области применения расчетных зависимостей.

Исследование стойкости конструкционных материалов на воздействие высокоинтенсивного нагрева и нагружения проводится на стенде «Импульс-2», разработанном на кафедре 602 МАИ.

Стенд «Импульс-2» предназначен для исследования физико-механических характеристик новых конструкционных материалов, в том числе высокотемпературных композиционных. Он позволяет прогреть и прогрузить образцы материалов по программе полета ЛА, и затем разрушить их, определяя необходимые характеристики с учетом накопленных эффектов кратковременной ползучести и неравномерного температурного поля. Стенд является уникальным по достигнутому уровню тепловых импульсных нагрузок и по точности их воспроизведения. В настоящее время стенд доработан под новые элементы современной силовой электроники, средств автоматизации эксперимента и расширение возможностей испытания образцов на воздействие также сжимающих и изгибных нагрузок, тоже в условиях одностороннего нагрева.

5.1 Технические данные стенда

1. Усилие на образце……………………………………………… до 8 т

2. Температура образца……………………………………выше 1000⁰С

3. Размеры рабочей зоны нагревателя……………….….…. 100х30 мм

4. Напряжение питания систем нагрева и нагружения……. 3 ф., 380 В

5. Мощность нагревателей….……………………………… до 100 КВт

6. Длительность программ нагрева и нагружения…………. до 10 мин

7. Источники нагрева: галогенные лампы инфракрасного нагрева и дуговые лампы.

Состав стенда

Стенд «Импульс-2» состоит из следующих узлов и подсистем:

1. Силовая часть стенда с устройствами нагрева и нагружения.

2. Насосная станция ЦДМВ-30.

3. Пускорегулирующее устройство для дуговых ламп.

4. Устройство управления программами нагрева и нагружения, содержащее персональный компьютер и платы ввода-вывода.

Итоговой информацией получаемой при испытаниях, являются результаты измерения стойкости (прочностных и радиотехнических характеристик) в условиях эксплуатации ЛА при высокоинтенсивном нагреве. По этим данным проводится анализ работоспособности образцов конструкционного материала, даются рекомендации по его использованию в конструкции ЛА. В случае разрушения конструкционного материала исследуется характер разрушения и его причины.



5.2 Свойства композиционных материалов

Интерес к композиционным материалам возник сравнительно недавно, когда оказалось, что прочность основных применяемых конструкционных материалов примерно на три порядка ниже их теоретической прочности. Позднее научились получать материалы, приближающиеся к этой прочности, но лишь для достаточно тонких волокон (например алмазоподобные углеродные нити). Возможность соединения разнородных материалов в единое целое была известна уже давно, например, она реализована в таких материалах, как железобетон, в котором положительные качества разнородных материалов суммируются в окончательном продукте.

В современных композиционных материалах исключительно высокие прочностные и жесткостные свойства тонких волокон удалось использовать, объединив их с помощью материала матрицы - связующего с достаточной прочностью и хорошей адгезией к волокнам. Проще всего в качестве материала матрицы применить целый набор имеющихся смол - эпоксидных, полиэфирной, полиимидной и проч., но можно также использовать и керамику и даже металлы. Были созданы первые материалы, подтвердившие очень высокие механические свойства композитов - по удельной прочности и жесткости они на порядок превосходили высокопрочные стали. Им оказались свойствены и другие положительные качества - они могут терять прочность постепенно, как например металлический трос, который сохраняет работоспособность при разрыве до 20% проволок. Но при реальном изготовлении из композитов различных узлов и агрегатов конструкций выявился целый ряд сложностей, присущих новым материалам. Связаны они с большим количеством степеней свободы, которые им свойственны по сравнению с обычными изотропными материалами, например, металлами. Сюда относятся и соотношение масс матрицы и армирующих волокон, направление расположения волокон и т.д., сложности формирования деталей, сложная технология окончательной формовки, где также существует большое количество разнообразных методов.

Большие проблемы имеются в соединении композитных и металлических деталей в узлах и агрегатах конструкций, особенно в области повышенных температур, так как практически всем композитам свойственны низкие коэффициенты температурного расширения по сравнению с металлами и в местах их соединений могут возникать повышенные температурные напряжения. Известны некоторые решения проблем соединения - игольчатые, штифтоболтовые и даже сшивные соединения.

Все это затрудняет проектирование, изготовление, отработку конструкций, содержащих отдельные элементы из композитов. Тем не менее, их очевидные преимущества заставляют искать практические решения этих проблем, особенно в авиации, где вопросы жесткости стоят зачастую острее вопросов прочности. Фирмы «Боинг» и «Эйрбас», у нас фирма «Сухой» постоянно увеличивают долю композитов в силовых конструкциях. В качестве примера можно привести углепластик, у которого при плотности 1,9 г/мм² модуль упругости превышает модуль упругости стали.

Зарождение и широкий интерес к свойствам композитов возник в середине прошлого века, когда было обнаружено, что многие материалы в виде тонких монокристаллов игольчатой формы обладают фантастически высокой прочностью - 10 ГПа и более. В настоящее время получены новые виды неорганических поликристаллических волокон - углеродных с прочностью до 3,2 ГПа, борных с прочностью до 3,7 ГПа и модулем упругости в два - три раза превышающим модуль упругости стали.

Еще большую прочность достигают нитевидные кристаллы - усы - монокристаллические волокна, выращенные в специальных условиях. Усы имеют механическую прочность, эквивалентную прочности связи между атомами, что обеспечивается бездефектностью структуры нитевидных монокристаллов. Их прочность приближается к максимальной теоретической прочности материалов. Например, графитовые усы имеют прочность 21 ГПа (2100 Кг/мм²) и модуль упругости 980 ГПа.

Идеи, заложенные в композиционных материалах, могут дать обширный класс новых материалов с широким спектром применения. В настоящее время наиболее развита теория и практика применения достаточно узкого класса этих материалов. Это новые армированные и дисперсно упрочненные КМ на основе металлов, пластмасс и керамики. С прогрессом именно этих материалов связаны перспективы развития важнейших отраслей повой техники.

Армированные КМ - композиции, в которых матрица упрочнена элементами нитевидной формы. Именно в таких материалах возможно широкое варьирование свойств, усиление КМ в наиболее нагруженных направлениях, приспособление его к требованиям конструкции. Применение таких КМ вообще неразрывно связано с вопросами проектирования. Как правило, в разных направлениях конструкции испытывают различные нагрузки: в одних больше, в других меньше. Применение КМ в таких случаях весьма эффективно, поскольку сам материал можно получить с заранее заданными в соответствующих направлениях свойствами.

Матрицы. Важнейшим компонентом композита является матрица. Требования, предъявляемые к матрицам, можно подразделить на эксплуатационные и технологические. К первым относятся требования, обусловленные механическими и физико-химическими свойствами материала матрицы, которые обеспечивают работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов. Механические свойства матрицы должны обеспечивать эффективную совместную работу армирующих волокон при различных видах нагрузок. Прочностные характеристики материала матрицы являются определяющими при сдвиговых нагрузках, нагружении композиции в направлениях, отличных от ориентации волокна, а также при циклическом нагружении. Природа матрицы определяет уровень рабочих температур композита, характер изменения свойств при воздействии атмосферных и других факторов. С повышением температуры прочностные и упругие характеристики матричных материалов, также как и прочность их соединения со многими типами волокон, снижаются. После достижения некоторого температурного предела происходит резкое возрастание пластических деформаций, ухудшается несущая способность композита, особенно при сжатии и сдвиге. Матрица также характеризует устойчивость материала к воздействию внешней среды, химическую стойкость, частично теплофизические, электрические и другие свойства.

Для полимерных композитов в качестве матричных материалов используют термореактивные и термопластичные смолы. Термореактивные смолы - низковязкие жидкости, при нормальной температуре способные отверждаться (полимеризоваться) под действием отвердителей, катализаторов, при нагреве с образованием после отверждения необратимой - нерастворимой и неплавкой структуры. Термопластичные связующие - высокомолекулярные линейные полимеры, которые при нагревании расплавляются, а при последующем охлаждении затвердевают, и их состояние после отверждения обратимо.

В отвержденном состоянии матрица должна обладать достаточной жесткостью и обеспечивать совместную работу армирующих волокон; ее прочность является определяющей при нагружении, не совпадающем по направлению с ориентацией волокон, при этом важно, чтобы матрица сохраняла свою целостность вплоть до разрушения волокон.

Наиболее широко в качестве матричных материалов применяют при производстве конструкций из композитов фенолформальдегидные полиэфирные, кремнийорганические, эпоксидные, а также полиимидные - связующие на основе циклических олигомеров.

Фенолформальдегидные смолы отверждают при температурах 160 -200⁰С и давлении 30-40 МПа. Получаемые после отверждения полимеры стабильны и сохраняют достаточную прочность при длительной работе при температурах до 200⁰С, в течение ограниченного времени - нескольких суток до температур 250⁰С, несколько часов при температурах 250 - 500⁰С и несколько минут при 500 - 1000⁰С. Сами смолы начинают разлагаться при температуре около 3000⁰С.

Полиэфирные смолы в отвержденном состоянии отличаются высокой стойкостью к агрессивным воздействиям кислот, растворителей и т.п. и хорошими диэлектрическими свойствами. Однако, их температурная стойкость невысока, невысок также уровень механических характеристик.

Кремнийорганические смолы после отверждения могут длительно работать в широком интервале температур (от -200 до 350⁰С), отличаются химической стойкостью и высокими диэлектрическими свойствами. Однако их механические свойства также низки уже при невысоких температурах (?100⁰С).

Эпоксидные смолы представляют смесь олигомерных продуктов с эпоксидными группами на концах звеньев. В зависимости от состава смеси можно получать эпоксидные смолы с различающимися свойствами. Наиболее известны смолы типа ЭД, ЭФ, ЭМ, в последнее время ЭА, ЭМДА, ЭЦ, смолы на основе п-аминофенола (смола УП-610).

Эпоксидным матричным материалам присущ комплекс благоприятных свойств, определивших их широкое применение в конструкциях из композитов. Это высокие механические и адгезионные характеристики, позволяющие полнее использовать свойства армирующих волокон, высокая технологичность связующего, позволяющая проводить отверждение в широком интервале температур, без выделения летучих составляющих и при малой объемной усадке (1 -1,5%). Они также стойки к воздействию агрессивных средств. К их недостаткам можно отнести относительно невысокую теплостойкость. Модифицирование эпоксидного связующего позволяет повысить теплостойкость, и пластики на их основе могут длительно оставаться работоспособными при температурах 180 - 200⁰С.

Отвержденные полиимиды обладают высокой термостойкостью, хорошими механическими характеристиками и стойкостью к действию агрессивных сред, стабильностью размеров в широком температурном интервале. К их недостаткам относятся значительные технологические трудности в производстве изделий на их основе.

Термопластичные полимерные материалы находят в последние годы все более широкое применение. К конструкторским преимуществам на основе термопластов относят надежность изделий из них, достигаемую прежде всего вследствие низкого уровня остаточных напряжений, релаксирующих в термопластичной матрице в первые часы после формования изделий. Не менее значительными являются технологические преимущества термопластов в процессе изготовления изделий, возможность исправления технологических дефектов сваркой, местным деформированием конструкций путем нагрева, Им также свойствена длительная жизнеспособность изделий.

По уровню механических характеристик некоторые термопласты не уступают отвержденным термореактивным связующим, а по таким свойствам, как химическая стойкость и герметичность, как правило, превосходят их. К недостаткам термопластов относятся ярко выраженная зависимость свойств композитов на их основе от температуры, низкая теплостойкость термопластов (за исключением специальных теплостойких материалов).

Среди полимерных композиционных материалов (ПКМ) наибольшее распространение получили пластики, армированные стеклянными, углеродными, борными органическими и другими видами волокон. В качестве матрицы используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные и другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы. К преимуществам композитов с полимерной матрицей относятся высокая удельная прочность и жесткость, стойкость к химическим агрессивным средам, низкая тепло- и электропроводность и т.д.

Сравнение характеристик однонаправленных композитов при растяжении вдоль волокон показывает, что наибольшей удельной прочностью обладают органопластики, а угле- и боропластики значительно превосходят стекло- и органопластики по удельной жесткости.

При сжатии и растяжении в направлении вдоль волокон большинство однонаправленных композитов ведут себя как упругие тела, подчиняющиеся закону Гука вплоть до разрушения материала. Их модули упругости при растяжении и сжатии имеют одинаковое значение. У большинства ПКМ прочность при растяжении выше, чем при сжатии, за исключением боропластиков. Основные недостатки рассматриваемых ПКМ - их низкие механические характеристики при поперечном нагружении и сдвиге, обусловленные недостаточной прочностью матрицы и связи на границе раздела компонентов, низкие тепловая и радиационная стойкость,

Из числа новейших разработок в области композитов следует отметить металлические композиционные материалы (МКМ), где в качестве материала матрицы выступают металлы и их сплавы, а в качестве армирующих элементов - металлические и неметаллические волокна. Применение высокопрочных и высокомодульных волокон значительно повышает физико-механические характеристики МКМ, а использование металлической матрицы увеличивает прочность материала в направлении, перпендикулярном волокнам, и прочность при сдвиге до значений, сопоставимых с аналогичными значениями металлов, так как прочность при сдвиге КМ определяется свойствами матрицы. Их термостойкость определяется стойкостью металлов.

Следует отметить, что в настоящее время лишь незначительное число МКМ находится в стадии внедрения, в основном, в авиационной и ракетно-космической технике, что связано с определенными трудностями в технологии их применения для изготовления деталей.

Интересными свойствами, обеспечивающими их расширяющееся применение в ракетно-космической технике и ряде других областей обладают так называемые углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Они представляют собой углеродосодержащую или графитовую матрицу, армированную углеродным или графитовым волокном. Эти матрицы обладают как свойствами монолитного графита, так и свойствами волокнистых КМ. Основными их преимуществами является высокая теплостойкость, малая плотность, стойкость к тепловому удару и облучению. Эти материалы обладают высокими прочностными и жесткостными характеристиками при обычной и повышенной температурах, могут длительно работать при температурах до 500⁰С в окислительной среде, и до 3000⁰С в инертной среде и вакууме. При этом их прочность с ростом температуры повышается в 1,5-2 раза.

Особенно ценными качествами УУКМ является их способность противостоять значительным перепадом температур, которые в современных конструкциях могут достигать 1000⁰С/см. В этих условиях УУКМ оказываются вне конкуренции, так как от графитов у них унаследована углеродная матрица, обладающая высокой термостойкостью, а при этом армирующий каркас из углеродных волокон позволяет в несколько раз увеличить прочность композита по сравнению с графитами. При этом углеродные волокна в этих материалах действуют не только как подкрепляющий набор, но и как механизм, препятствующий распространению трещин.

УУКМ являются самыми перспективными материалами для конструкций, работающих при высоких температурах.

И, наконец, четвертым видом композитов являются керамические композиционные материалы (ККМ), в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических и неметаллических наполнителей. Высокие механические характеристики и термостойкость, а также радиопрозрачность, позволяют использовать некоторые виды керамических материалов без упрочнения их армирующими компонентами для головных обтекателей ЛА. Наряду с тугоплавкостью керамика может обладать высокой прочностью при растяжении и ударной вязкостью, стойкостью к вибрациям и термоудару.

В конструкциях обтекателей ЛА применяются следующие керамические материалы, названия которых происходят от основного компонента:

- ситаллы или стеклокерамика, представляющие собой стекло-кристаллические материалы, получаемые при введении в расплавленное стекло катализаторов, в результате чего в объеме стекла возникают центры кристаллизации, на которых происходит рост кристаллов основной фазы. В США эти материалы получили название «пирокерамов» и «фотокерамов», в России - «ситаллов»;

- оксидная керамика, являющаяся продуктом спекания чистых тугоплавких оксидов различных химических элементов - алюминия, кремния, магния, бериллия, иттрия, циркония и многих других;

нитридная керамика, представляющая собой соединения азота с металлами и неметаллами, получаемые различными технологическими процессами.

Керамические материалы для обтекателей ЛА используются в широком диапазоне температур (от 200⁰С до 2030⁰С и более), при работе от нескольких десятков секунд до часов в различных метеорологических условиях (снег, град, дождевые и пылевые облака и др.) в атмосфере, стратосфере и космосе.

Материалы испытывают динамические, вибрационные и стационарные сжимающие, растягивающие, изгибающие и скручивающие нагрузки, должны выдерживать резкие температурные перепады (от нескольких градусов до нескольких сот градусов в секунду) и мощные эрозионные воздействия гиперзвуковых воздушных потоков, а в некоторых случаях и высокоинтенсивные инфракрасные, ультразвуковые, нейтронные и другие излучения.

Из множества тугоплавких материалов приемлемой по радиотехническим свойствам является небольшая группа, состоящая из тугоплавких окислов и металлоидных нитридов. Вследствие доступности исходных компонентов, стоимости, степени изученности и общего уровня физико-технических свойств эта группа материалов еще больше ограничивается и включает в себя оксиды алюминия (Al₂O₃), кремния (SiO₂), магния (MgO), бериллия (ВеО) и нитриды бора (ВN), кремния (Si₃N₄) и алюминия (AlN).

Наибольшее практическое применение в конструкциях антенных обтекателей нашли алюмооксидная и кварцевая керамика, а также ситаллы и нитриды. Керамика на основе оксидов магния и бериллия не применяется широко из-за сравнительно низкой термо- и влагостойкости первой и высокой токсичности и дороговизны второй. Нитридные керамики обладают благоприятным сочетанием основных физико-технических свойств для применения в конструкции антенных обтекателей.

Основным требованием к высокотемпературным радиопрозрачньм материалам является высокая огнеупорность, поэтому одним из определяющих критериев при выборе материалов является температура их плавления (изменения состояния), в соответствии с которой рассматриваемые материалы располагаются в ряд:

Т_пл (BN, 3030⁰ С) > Т_пл (Мg0, 2830⁰С) > Т_пл (ВеО, 2550⁰С) >Т_пл(Аl₂O₃, 2050⁰С) > Т_пл (SiO₂, 1700⁰С) > (Ситалл, 1350⁰С).

Учитывая, что температура размягчения ситалла и кварцевой керамики составляет соответственно 1350⁰C и 1370⁰С, а температура заметной диссоциации нитрида бора около 2530⁰C, то преимущества последнего в термостабильности особенно очевидны при температуре выше 1530⁰ С.

Самым существенным фактором, ограничивающим применение неорганических огнеупорных материалов, является термостойкость, т.е. сопротивление воздействию термоудара и термоциклическим нагрузкам. Наиболее распространенным экспериментальным критерием оценки этого качества керамик является резкий температурный перепад, который выдерживает материал без разрушения. Согласно экспериментальным данным распределение керамики по термостойкости имеет вид:

T_TC (BN) > T_TC (SiO₂) > T_TC (BeO) «> Т_ТС (Ситалл) > Т_ТС (Al₂O₃) >Т_ТС (MgO).

Для высокотемпературных КМ перспективно использовать керамическую матрицу с углеродными волокнами. Когда предполагаемая температура эксплуатации деталей из ККМ превышает 2000⁰С, целесообразно применять керамическую матрицу на основе карбидов, выше 1000⁰С - на основе боридов и нитридов, при более низких температурах - оксидную матрицу. Важным условием для обеспечения прочности углеродистых волокон в ККМ является оптимальное соотношение модулей упругости волокон арматуры и матрицы, для армирования керамики следует применять высокомодульные волокна. Следует отметить, что большое влияние на физико-механические свойства ККМ оказывает выбранный способ формирования ККМ.

Основным достоинством волокнистых конструкционных КМ является возможность их работы без снижения несущей способности при значительном количестве накопленных повреждений, другими словами - повышенное сопротивление развитию разрушающих трещин.

Высокая прочность и ударопрочность, радиопрозрачность - вот те свойства, благодаря которым композиционные материалы оказываются наиболее подходящими для использования в конструкциях головных обтекателей одноразовых летательных аппаратов. В настоящее время продолжается все расширяющееся применение композиционных материалов в ответственных высокопрочных конструкциях. Разрабатываются новые все более прочные и жесткие материалы, расширяются пределы их температурной применимости. В качестве примера можно привести новые неэлектропроводные теплостойкие композиты на основе базальтовых волокон. Их модуль упругости в полтора раза превышает модуль упругости на основе стекловолокна. Прочность большинства стеклопластиков при предельной для них температуре в 400⁰С падает на 50…60%, при тех же температурах прочность базальтовых материалов падает всего на 20%. Предел применимости базальтовых композитов достигает 700⁰С, а при использовании специальных связующих может достигать 1100⁰С.

5.3 Система нагрева образцов

Отработка перспективных летательных аппаратов требует проведения экспериментальных исследований по определению стойкости композиционных материалов в условиях высокоинтенсивного одностороннего нагрева. Односторонний нагрев создает жесткие условия для работы образцов, так как композиционные материалы имеют меньшую теплопроводность по сравнению с металлами и при большой толщине создается по ней большой перепад температур. Это же условие не позволяет использовать обычные испытательные машины, где образец размещается в термокамере и где перепад температур по толщине образца отсутствует.

Такие испытания необходимы для подтверждения и уточнения теоретических зависимостей определения нарушений в структуре материала, приводящих к появлению в нем расслаивания и трещин.

Изучение стойкости конструкционных материалов требует высокой плотности облучения образцов тепловым потоком. Система нагрева должна обеспечивать два их вида: длительный стационарный нагрев со сравнительно низким тепловым потоком (температура поверхности при этом однако может доходить до 1000 ⁰С и более) и высокоинтенсивный импульсный и в том числе ударный нагрев на один - два порядка превышающий первый.

Для воспроизведения указанных условий система нагрева снабжена двумя источниками излучения: трубчатой галогенной лампой с вольфрамовой спиралью и импульсной дуговой лампой с возможностью их смены в процессе эксперимента.

В качестве галогенной для испытания образцов на растяжение используется лампа «OSRAM» №64583 R7s мощностью 1КВт. Она представляет собой кварцевую трубку диаметром 10 мм, в которой размещена вольфрамовая спираль длиной 100 мм. Пары галогена внутри лампы позволяют высаживать обратно на спираль испарившийся вольфрам (спираль работает при температуре до 3200⁰С) после ее отключения, на порядок увеличивая срок службы лампы. Лампа размещена в фокусе эллиптического концентратора энергии, выполненного из алюминиевого сплава АМГ6 с высокой отражающей способностью. В районе другого фокуса помещается образец, его температура с этой лампой может длительно поддерживаться на уровне до 950⁰С. Для охлаждения концентратора при длительной работе на его задней части размещены два кулера от ПК используемых для охлаждения процессоров. Они позволяют поддерживать температуру поверхности концентратора на уровне до 300⁰С.

Этот же концентратор с той же лампой используется при испытаниях образцов на изгиб.

Для испытания укороченных образцов на сжатие использована галогенная лампа со спиралью двойной свивки и длиной рабочей части 50 мм - «OSRAM» №64571.DXX мощностью 0,8 КВт.

На один, два порядка большие плотности теплового потока необходимы для воспроизведения ударных тепловых нагрузок. Для этого требуются лампы совсем другого типа. Это так называемые дуговые (газоразрядные) лампы, используемые для накачки мощных лазеров и в качестве фотовспышек, с длительностью импульса в сотые доли секунды.

Для описываемой установки проведена оценка возможностей их использования в режиме затянутого импульса с регулированием мощности и характеристик по облучению образцов.

Несмотря на то, что по конструкции дуговые лампы проще кварцевых галогенных - та же кварцевая трубка, спираль отсутствует, а по краям имеются вольфрамовые электроды, их применение требует решения на порядок более сложных проблем, связанных, в основном, со сложностью запуска лампы, нелинейной вольтамперной характеристикой с ветвью обратного сопротивления и высоким уровнем регулируемой мощности (до сотен киловатт), а также сжатыми сроками регулирования. Однако высокая удельная мощность и практическая безынерционность, связанная с ничтожно малой массой излучающего плазменного шнура делают их крайне привлекательными, а иногда и единственно приемлемыми для воспроизведения интенсивных тепловых режимов в современных конструкциях. Пример решения указанных проблем приведен ниже.

Газоразрядные источники излучения характеризуются ветвью обратного сопротивления на вольтамперной характеристике. Лампа устойчиво горит в диапазоне напряжений U, ограниченных некоторым минимальным U_мин. который для исследованных ламп находится в пределах 60-100 В и токах порядка единиц ампер, ее мощность при этом лежит в пределах 50 - 80 ватт (так называемый режим дежурной дуги). В точке U_мин имеется перегиб, левее которого лежит участок с обратным сопротивлением. На этом участке лампа может гореть только от источника тока, ток которого не зависит от подключаемого сопротивления.

При питании лампы от источника напряжения она работает на положительном участке вольтамперной характеристики. Изменяя выходное напряжение этого источника в пределах от U_мин до 500 и более вольт можно эффективно регулировать мощность, отдаваемую лампой, в пределах от 0,5 до 100%.

Для питания ламп необходим источник питания, который можно было бы перестраивать из источника тока в источник напряжения. Он был основан на тиристорах - первых элементах силовой электроники, появившихся ~ 50 лет назад. Полуволна синусоиды силового тока не может пройти через тиристор, пока на его управляющий электрод не будет подан импульс тока. Закрывается тиристор при уменьшении тока через него до нуля в конце синусоиды. Перемещая момент открытия тиристора по синусоиде, можно регулировать выходную мощность от нуля до максимума.

Для силового электропитания дуговых ламп и отработки формы профиля теплового импульса использовался тиристорный трехфазный регулятор мощности, собранный по схеме Ларионова на шести тиристорах, создающий на выходе при питании от силовой трехфазной сети 380 В напряжение 530 В. При использовании тиристоров Т16-320 на 320 А каждый) мощность регулятора достигает 500 КВт. Применение фазоимпульсной схемы управления тиристорами обеспечивает глубокое и точное регулирование мощности на выходе и, тем самым, точное воспроизведение формы профиля теплового импульса. Однако тиристорным регуляторам присущ органический недостаток: при точном воспроизведении среднего уровня напряжения мгновенные значения напряжения представляют собой остроконечную пилу из долей синусоид трехфазного тока. Так как дуговой разряд в лампе практически безынерционен, световой поток от лампы пульсирует с той же амплитудой и частотой, которая у этих типов регуляторов составляет 300 Гц.

Такая пульсация может сказаться на реакции экспериментальных образцов, особенно при низкой теплопроводности материала, и в этих случаях недопустима (по разным требованиям ее величина не должна превышать 10% от максимума). Проблема сглаживания пульсаций такой большой мощности была решена с использованием индуктивности (дросселя). Основным недостатком дросселя является его вес. Даже с учетом того, что сглаживание требуется на небольших мощностях, которым соответствуют острые пики напряжения, масса дросселя для одной лампы ИНП 16-250 превышает 30 Кг.

Качественно решить проблему сглаживания смог помочь переход на новые элементы силовой электроники - IGBT транзисторы и модули, так как при их частотах регулирования в единицы и десятки килогерц способствовать сглаживанию будет хоть и очень малая, но ненулевая плотность плазменного шнура. Стандартная частота силовых модулей до 20 КГц, транзисторов - до сотен КГц.

IGBT - модули, на которые в настоящее время осуществлен переход в системе силового питания импульсной нагревательной системы стенда «Импульс-2» основаны на биполярных транзисторах с изолированным затвором (русская транскрипция БТИЗ). Затвор такой же, как у полевых транзисторов, которые уже давно работают на больших токах. Особенность IGBT - модуля состоит в том, что он может работать на больших напряжениях, как обычный n-p-n или p-n-p транзистор. Преимущество БТИЗов перед тиристорами состоит в том, что их можно закрыть в любой момент при действующем напряжении, а скорость переключения на два порядка выше, чем у тиристоров. Цепь управления у них гальванически развязана с силовой частью, что позволяет организовать управление ими от слаботочных электронных схем.

Модули на 200, 400, 600 и более ампер, при напряжениях 1200,1600 и более вольт, объединяют положительные стороны биполярных и полевых транзисторов. Современные модули имеют прямоугольную площадь безопасной работы, т.е. могут работать при максимальном напряжении на максимальных токах (правда, при этом не на предельных частотах). Из-за отличных переключательных свойств модуль очень чувствителен к индуктивным броскам напряжения при его резком закрытии, они кратковременны, но легко превышают тысячи вольт, выводя из строя основные и управляющие переходы. Поэтому для борьбы с ними используются специальные снабберные цепи из конденсаторов, резисторов и диодов, размещаемых на коллекторе и эмиттере модуля. Большие токи требуют большой площади p-n переходов, создавая паразитную емкость. Поэтому IGBT модулями необходимо управлять от специальных микросхем драйверов, которые могут обеспечить перекоммутацию модуля, создавая на фронтах ШИМ-регулирования положительные и отрицательные броски тока в несколько ампер. Очень чувствительны модули к резисторам от драйвера к затвору, где легко могут возникнуть вредные осцилляции.

Все эти проблемы не возникают при тиристорных регуляторах, так как там происходит мягкое отключение мощности при переходе конкретной фазы через нуль.

Надежное функционирование IGBT модуля зависит от правильного низкокондуктивного проектирования выходной силовой шины. Для ограничения переходных перенапряжений применяют специальные пленочные низкоиндуктивные снабберные конденсаторы, размещаемыее непосредственно на силовых электродах модулей. Конденсатор работает в качестве фильтра низких частот, замыкающий через себя токи переходного процесса.

Так как все эти емкости, индуктивности и сопротивления управляемых и силовых цепей плохо поддаются расчету, необходима проверка и отработка на практике всех частей схемы во всем диапазоне мощностей и частот. Основным критерием проектного выбора является минимальное значение перенапряжений и отсутствие опасных осцилляций. Несмотря на описанные трудности применение IGBT модулей позволяет на два порядка уменьшить вес и сложность систем воспроизведения нагрузок на образцах.

Основная сложность применения дуговых ламп связана с их запуском перед подачей силового электропитания. Для ввода дуговой лампы в режим дежурной дуги необходимо специальное пусковое устройство. При этом в лампе горит тонкий плазменный шнур, и она потребляет мощность на два порядка меньше максимальной. В этом состояний лампа готова к мгновенному началу отработки мощного теплового импульса.

Устройство поджига основано на использовании импульсной системы «внешнего» поджига, когда кратковременный импульс высокого напряжения (до 20 КВ) подается не на электроды лампы, а на один из них и внешний электрод, представляющий собой тонкую проволоку на кварцевой колбе лампы, непосредственно не соединенную электрически с другими частями схемы. Эта система, использующая конденсаторно-тиристорный накопитель, разряжаемый на высоковольтную катушку, на два порядка меньше по габаритам и массе первоначально производившихся промышленностью и имеет ненадежность запуска менее 1%.

В результате создана новая система силового питания высокоинтенсивного нагрева стенда «Импульс-2», с помощью которого проводились испытания образцов новых конструкционных материалов перспективных ЛА.

В качестве источника излучения использована дуговая лампа ИНП3-7/80А мощностью до 60 КВт и длиной рабочей части 80 мм. Лампа снабжена источником поджига, отдельным источником поддержания дежурной дуги для защиты элементов источника силового электропитания. Управление регулятором для отработки заданного профиля высокоинтенсивного нагрева осуществляется с помощью специально разработанной программы от персонального компьютера и системы LabVIEW по оптоволоконной связи для защиты системы от высоковольтных цепей запуска.