Техника

Техника

наука

Космонавтика

оглавление

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОСМОНАВТИКИ В РОССИИ

КАЧЕСТВЕННЫЙ СКАЧОК В РАЗВИТИИ ОРБИТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ

Перспективные космические материалы

Решение всей совокупности сложных конструкционных, схемотехнических и технологических задач при разработке, создании и эксплуатации космических средств невозможно без широкого развития и внедрения результатов космического материаловедения. При разработке космических средств требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температура и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, микрочастицы и т.д.) и иметь достаточно низкую удельную массу. Весь спектр сильных, зачастую с резкими переходами воздействий на металлические и неметаллические конструкции и элементы оказывает существенное влияние на их глубинные структурные свойства и, как следствие, на надежность и долговечность космических средств различного назначения.

Металлы - основные конструкционные материалы для изделий ракетно-космической техники, их масса в массе сухих изделий составляет более 90 %. Поэтому совершенствование тактико-технических характеристик изделий во многом определяется свойствами применяемых сплавов. За последние годы разработано и в дальнейшем получит новое развитие поколение алюминиевых сплавов, легированных литием и скандием. Замена традиционных сплавов новыми позволит снизить массу узлов изделий РКТ на 10...30 % в зависимости от типа конструкции. Технология получения деталей из новых гранулированных сплавов наряду с возможностью повышения рабочих температур до 850 °С обеспечит снижение массы узлов на 10...30 %.

Революционные решения в создании перспективных изделий РКТ XXI в. может обеспечить новый класс конструкционных материалов - интерметаллиды (химические соединения титан - алюминий, никель - алюминий и др.). Эти материалы имеют низкую плотность (3,7...6,0 г/см3) и обладают высокой жаропрочностью (до 1200 °С), высокими характеристиками коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости.

Разрабатываемый в настоящее время титановый сплав по технологичности в машиностроительном производстве будет равноценен традиционной нержавеющей стали (не требуется оборудования для сварки и термообработки с контролируемой атмосферой). Сплав благодаря легированию главным образом гафнием и ниобием не будет окисляться при нагревах до 850...900 °С. Не потребуется термообработки сварных соединений для снятия остаточных напряжений, что исключает необходимость использования печей для термообработки и камер для сварки с контролируемой атмосферой. При необходимости термообработка сварных узлов для предотвращения поводок от остаточных напряжений (например, крупногабаритных конструкций типа рам, ферм, экранов донной защиты и т.д.) может проводиться в воздушной атмосфере без последующей пескоструйной очистки и травления. Сварку деталей можно осуществлять всего лишь при струйной защите аргоном, не боясь окисления шва. Сплав будет работоспособен в широком интервале температур: от -253 до +450 °С. Он открывает широкие перспективы для применения титана в ракетостроении взамен нержавеющих сталей, позволит практически втрое улучшить массовые характеристики изделий.

Повышение прочности металлических материалов традиционными методами (увеличением содержания легирующих элементов, улучшением технологий термомеханического упрочнения и т.д.) к настоящему времени исчерпало свои возможности. Современные сплавы содержат большое количество дорогостоящих и редких металлов: кобальта, вольфрама, ниобия, молибдена, никеля и др., что резко повышает их стоимость. Кроме того,значительное увеличение количества легирующих элементов в сплавах приводит к зональной и объемной ликвации в слитках и, как следствие, к анизотропии свойств полуфабрикатов и деталей из них. Большой резерв в повышении свойств конструкций РКТ лежит в использовании интерметаллидных соединений. Для разработки жаропрочных конструкционных материалов на основе интерметаллидных соединений наибольший интерес представляют системы титан -алюминий и никель - алюминий, железо - хром - алюминий.

Интерметаллиды (химические соединения металлов) по своей структуре занимают промежуточное положение между металлами и керамикой. Они имеют сложную кристаллическую структуру с наличием в межатомных связях до 30 % ковалентной составляющей, что и определяет их уникальные физико-механические свойства - высокие жаропрочность и жаростойкость, высокую коррозионную стойкость в сравнении с нержавеющими сталями (особенно в кислороде) и высокую износостойкость. Кроме того, интерметаллиды имеют низкую плотность. Интерметаллидные сплавы на основе титана могут работать до температуры +850 °С без защитных покрытий, сплавы на основе никеля - до температуры +1500 °С.

Весь комплекс свойств интерметаллидов может оказать революционное влияние на многие области техники и в первую очередь на создание перспективных образцов авиакосмической техники, в том числе летательных аппаратов с гиперзвуковыми скоростями (до М = 25). Использование интерметаллидов в двигательных установках (ротор, статор, крыльчатки, клапанная группа, неохлаждаемые сопла и т.п.) позволит повысить удельную тягу двигателей на 25...30 %,обеспечит снижение массы конструкций до 40 %.

Перспективные неметаллические материалы. Терморегулирующие покрытия. Одним из основных факторов, определяющих надежность и долговечность работы КА, является стабильность его теплового режима, так как современная оптико-радиоэлектронная аппаратура КА работает в определенном температурном режиме. В систему терморегулирования аппаратов входят различные терморегул ирующие покрытия (ТРП), которые устанавливают баланс между выделением тепла внутри КА, энергией, поглощаемой из космоса, и энергией, переизлучаемой в космическое пространство.

ТРП характеризуются терморадиационными характеристиками, которые под действием различных факторов космического пространства (особенно ионизирующего излучения) изменяются, что приводит к увеличению температуры внутри КА и снижению сроков его активного существования (САС). Как показал опыт прошедших лет, ряд КА не смогли выполнить намеченные программы в результате перегрева из-за повышения коэффициентов поглощения солнечного излучения ТРП в системе пассивного терморегулирования. Анализ существующих ТРП свидетельствует, что они не могут обеспечить увеличение САС до 15 лет, особенно для КА, эксплуатирующихся на высоких эллиптических и геостационарных орбитах. Поэтому создание ТРП классов "солнечные отражатели" и "истинные поглотители", обладающих стабильными терморадиационными характеристиками и одновременно антистатическими свойствами при длительной эксплуатации в космосе, с низким газовыделением является одной из важных задач космонавтики XXI в. Разработка таких покрытий позволит снизить до минимума отклонения от заданного теплового режима, уменьшить сбои в работе и отказы высокочувствительной оптической и радиоэлектронной аппаратуры, что даст возможность увеличить САС КА до 15 лет. Перспективными направлениями для решения этой задачи являются:

  • разработка комбинированных или модифицированных термостойких и радиационно стойких связующих с низким газовыделением (акриловых, кремнийорганических, уретановых смол);
  • подбор или разработка эффективных стабилизаторов деградации в условиях космического воздействия;
  • разработка белых или черных пигментов, в том числе с повышенной электропроводностью, устойчивых к длительному воздействию;
  • разработка съемных покрытий с целью защиты на период изготовления и хранения узлов и изделий до 5 лет.

Перспективные полимерные конструкционные композиционные материалы. Зеркала антенных конструкций из углепластика найдут широкое применение для решения задач связи через спутники. Их применение при массе до 15 кг обеспечит разрушающую нагрузку 900 кгс при сроке службы не менее 20 лет.

Сотовые материалы (трехслойные) из углепластика в несущих элементах конструкций в сравнении с однослойными (монолитными) при заданных условиях эксплуатации и увеличении нагрузок при заданной массе элемента обеспечат:

  • снижение массы элемента конструкции на 40...50 % и повышение его жесткости на 60...80 %;
  • повышение надежности на 20...25 % и увеличение гарантийного срока на 60...70 % .

Кроме того, этот вид материалов позволит обеспечить специальные электрофизические свойства (например, для антенн радиолокаторов), а также требования по теплостойкости и теплопроводности.

Баллоны давления. Легкие сосуды и емкости, изготовленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением,успешно применяются в ракетно-космической технике. Созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей, аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для летчиков и космонавтов. Применение органе- и стекловолокон позволит создавать долговечные баллоны давления с высоким коэффициентом весового совершенства.

Телескопы. Создание элементов прецизионной аппаратуры связано с обеспечением неизменяемости их геометрических размеров (размеростабильности) при изменении в широком диапазоне (±150 °С) температурного поля. Будут разработаны технологии, которые позволят создавать полимерные композиционные материалы из углепластика, обеспечивающие высокую размеростабильность элементов аппаратуры для заданного температурного поля.

"Интеллектуальные" материалы. Прогресс техники и технологии неразрывно связан с разработкой и внедрением новых материалов. В последнее десятилетие наряду с постоянным совершенствованием существующих материалов, обусловливающих существенный технический и экономический эффект благодаря уникальному сочетанию свойств, наметились тенденции создания новых материалов, способных к активному взаимодействию с внешними факторами. Такие материалы получили названия "интеллектуальных", "умных", "мудрых" и т.п. Они способны "ощущать" свое физическое состояние, внешние воздействия и особым образом реагировать на эти "ощущения", т.е. способны осуществлять самодиагностику по возникновению и развитию дефекта, его устранение и стабилизировать свое состояние в критических зонах.

Вследствие многообразия свойств "интеллектуальных" материалов они могут применяться в различных элементах конструкций ракетно-космической техники (корпусы, обтекатели, отсеки, узлы трения и др.). Применение таких материалов позволит контролировать и прогнозировать состояние различных конструкций и сооружений в требуемый момент времени и даже на труднодоступных участках, значительно повысить ресурс систем и их надежность. Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет 90 % современных материалов, применяемых в промышленности, будут заменены новыми, в частности "интеллектуальными", что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXI в.

Уплотнительные и герметизирующие материалы. Несмотря на существующее разнообразие уплотнительных и герметизирующих материалов есть большая потребность в разработке новых, перспективных материалов, ориентированных на потребности космонавтики XXI в. Она возникла в связи с ужесточающимися требованиями по сокращению числа технологических процессов при производстве изделий, расширению температурного интервала, работоспособности и сроков активного существования КА и средств выведения. Ставятся задачи по созданию новых классов резин, герметиков и компаундов (в том числе токопроводных резин и герметиков; термо-, морозо-, агрессивостойких резин; термо-, агрессивостойких анаэробных герметиков; теплопроводных, поглощающих СВЧ-энергию компаундов). Токопроводные резины и герметики с повышенными в 1,5...2 раза техническими характеристиками благодаря совершенствованию технологических процессов обеспечат снятие статического электричества с КА и позволят увеличить САС с 5 до 10... 15 лет.

Радиационно-стойкие смазочные материалы необходимы для обеспечения надежной работы узлов трения в различных газовых и жидких средах в широком интервале температур в наземных условиях и открытом космосе в течение 10... 15 лет. Пластичные смазки являются универсальным эксплуатацонно-консервационным средством защиты деталей и машин от климатического воздействия при их хранении. Разрабатываемые смазки должны быть эффективны в любой климатической зоне и пригодны при длительном хранении даже на открытых площадках.

Конструкционный клей с повышенной эластичностью и низким газовыделением. В настоящее время для крепления элементов солнечных батарей, кронштейнов и других деталей, проведения ремонтных работ на нагруженных поверхностях космической техники широко применяются вибро-, ударопрочные, стойкие к термоциклированию эпоксикремнийорганические клеи. Их существенным недостатком является значительное газовыделение (до 8 %) при воздействии вакуума и повышенных температур. Выделяющиеся газообразные продукты загрязняют рабочие поверхности оптико-электронных приборов, установленных на КА и часто определяющих их работоспособность. В целях обеспечения чистоты приборов (продления сроков их надежной работы) для наружных поверхностей изделий РКТ следует разработать и применять материалы (в том числе и клеи) с общей потерей массы не более 1,0 % и выделением легко конденсируемых веществ не более 0,1 %.

Для склеивания разнородных материалов в условиях термоциклирования и высоких вибрационных и ударных нагрузок необходимо применять клеи с повышенной эластичностью в сочетании с высокой прочностью (до 20 МПа). Токопроводные клеи предназначаются для создания электрических контактов в тех случаях, когда горячая пайка является неприемлемой или невозможной - в труднодоступных местах стыков экранных перегородок и корпуса. В изделиях РКТ токопроводные конструкционные клеи с достаточной прочностью склеивания применяются в приборах систем управления для:

  • крепления токопроводящих элементов, монтажа электрических схем радиоэлектронной аппаратуры;
  • экранирования отдельных узлов в конструкциях сложной формы, электрогерметизации сборочных единиц.

В настоящее время появились научно-технологические предпосылки для создания токопроводящих клеев холодного отверждения, не содержащих драгоценных металлов, предназначенных для создания высоконадежных электропроводящих соединений в приборах СУ изделий РКТ, экранирования отдельных мест (труднодоступных для пайки) в конструкциях сложной формы. Создание токопроводных клеев с хорошими конфекционными свойствами позволит снимать статические электрические заряды с поверхности КА и, следовательно, повысить надежность и продолжительность работы элементов радиоэлектронной аппаратуры, существенно снизить пожароопасность изделий.

Материалы на основе углерода. В области разработок новых материалов на основе углерода дальнейшее развитие получит создание углерод-углеродных, углерод-карбидных композиционных материалов, которые найдут широкое применение в РКТ (элементы двигательных установок, теплозащиты, осколочно- и радиационно-защитных экранов, радиопрозрачных конструкций и т.д.) и при более высоких эксплуатационных характеристиках, но и при увеличении стоимости, позволят получить снижение массы изделий на 30...50%.

Технологии управления. В области перспективных технологий управления необходимо выделить в качестве первоочередного решение следующих задач: управление многоспутниковыми распределенными космическими системами (в том числе и на базе микро- и наноспутников); разработка самообучающихся автономных систем управления на основе нейросетевых технологий, искусственного интеллекта; уменьшение наземной инфраструктуры средств управления; обеспечение безопасности использования космического пространства в условиях его засоренности и увеличения числа разворачиваемых КА.

Анализ тенденций развития орбитальных средств (ОС) в конце XX в. позволяет предположить, что для первой половины XXI в. будут характерны следующие основные особенности их развития. Первая особенность будет связана со значительной концентрацией усилий в области космической связи в интересах создания многоспутниковых систем низкоорбитальной связи. В качестве примера на рис. приведено ожидаемое изменение относительного числа орбитальных средств различного целевого назначения, развернутых в области ближнего космоса. При этом до середины XXI в. сохранится ведущая роль орбитальных средств связи и передачи данных, развернутых в области геостационарной орбиты, и средств навигации в области средних орбит.

Ожидаемое изменение относительного числа орбитальных средств различного назначения
Ожидаемое изменение относительного числа орбитальных средств различного назначения

Второй ведущей тенденцией развития космоса в первой половине XXI в. будет значительное увеличение числа орбитальных средств и систем (в первую очередь на основе малых КА, а также микро- и наноспутников), функционирующих в области ближнего космоса.

Предполагаемое изменение относительного числа орбитальных средств, функционирующих в области ближнего, среднего и дальнего космоса
Предполагаемое изменение относительного числа орбитальных средств, функционирующих в области ближнего, среднего и дальнего космоса (в процентах)

При этом ожидается существенное увеличение относительного числа малых КА, в том числе и наноспутников, при снижении доли больших КА при решении различных задач.

Предполагаемое изменение относительного числа МКА различного функционального назначения
Предполагаемое изменение относительного числа МКА различного функционального назначения (отнесено к общему числу КА, решающих данные задачи)

Необходимо отметить, что первоочередное развитие рассмотрен-ных технологий будет основой развития космонавтики XXI в.





Авиация и космонавтика, вооружения, hi-tech, открытия, концепции и изобретения...

Наука, техника, изобретения © 2009-