ПРИМЕНЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РАЗРАБОТКЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ

Использование инновационных композиционных материалов в конструкции космического аппарата является актуальной задачей на сегодняшний день. В данной статье рассматриваются несколько перспективных композиционных материалов, которые применимы в космической технике.

Ключевые слова: композиционные материалы, ракетно-космическая аппаратура, бороалюминиевые и бораэпоксидные композиты.

Композиционным материалом (КМ) называется материал, созданный искусственно, состоящий из двух или более компонентов. Компоненты КМ расположены слоями друг на друга. Внешний слой КМ называется матрица, внутренний слой - заполнитель. Матрица действует как связующее звено, обеспечивая защиту наполнителя от различных физико-химических воздействий окружающей среды. В свою очередь, наполнитель служит элементом, укрепляющим структуру.

Действительно, для придания базовым полимерам необходимых свойств их смешивают с различными добавками. Эти добавки могут варьироваться от небольшого количества, менее 1%, до значительной доли композита, иногда достигая 90%. Это позволяет изменять физические, химические и механические свойства материала для соответствия конкретным требованиям применения. Например, добавление пластификаторов может улучшить гибкость полимера, а наполнители могут увеличить его прочность или теплостойкость.

Композитные материалы играют важную роль в современной ракетно-космической технике благодаря своим уникальным свойствам, таким как легкость, высокая прочность и устойчивость к экстремальным условиям. Бороалюминиевые и бораэпоксидные композиты, а также углепластики и органопластики, используются для создания более легких и прочных конструкций, что позволяет увеличить грузоподъемность и эффективность ракет.

Исследования в этой области действительно продолжаются, и с каждым годом появляются новые виды композитных материалов с улучшенными характеристиками. Это может включать улучшение термостойкости, радиационной стойкости, а также снижение веса и стоимости производства. Возможно, в будущем мы увидим композиты на основе наноматериалов или других инновационных решений, которые откроют новые горизонты в конструкции космических аппаратов.

С развитием технологий и улучшением свойств композитных материалов (КМ), их применение в ракетостроении значительно расширилось. Изначально КМ использовались в менее критичных элементах конструкции, но со временем они стали ключевыми в создании первичных структурных элементов.

Композитные материалы привлекают значительное внимание НАСА. Они находят применение в производстве обтекаемых форм, резервуаров для хранения криогенных жидкостей, а также в составных частях двигательных систем и других компонентах.

В условиях сверхзвукового полета, когда температура достигает высоких значений, в ракетно-космической технике применяют композитные материалы, укрепленные углеродными волокнами. В качестве связующего элемента в этих композитах используется эпоксидная смола, формирующая углепластик, а также композиты на основе углеродных матриц, которые также армированы углеродными волокнами. Эти материалы обеспечивают необходимую прочность и термостойкость, требуемые при экстремальных условиях полета.

Композитные материалы способствуют повышению характеристик в процессе использования, обеспечивают сокращение веса и затрат на производство изделий ракетно-космической техники. Это подтверждается данными, представленными в таблице.

Таблица 1

Сравнительные свойства КМ и металлов, используемых в РКТ

На основе данных, представленных в таблице, были созданы диаграмма, отображающие удельную прочность различных материалов (рисунок 1).

Рисунок 1. Удельную прочность различных материалов

Исходя из представленного рисунка, можно сделать вывод, что углепластик обладает наивысшей удельной прочностью среди композитных материалов, используемых в ракетно-космической технике, что делает его оптимальным выбором для таких изделий. Для лайнера же подойдут стандартные материалы, при условии, что их толщина будет достаточной для обеспечения необходимой герметичности и формы изделия.

Конструкторское бюро "Южное", носящее имя М.К. Янгеля, в процессе разработки корпуса для крупногабаритного твердотопливного двигателя использовало уникальную коконную структуру. Эта структура, созданная из органопластика методом "мокрой" намотки, позволила сократить длину корпуса на 120 мм без изменения массы топлива или, при неизменной длине, увеличить запас топлива на 860 кг. Кроме того, согласно конструкторской документации КБ, были изготовлены хвостовые отсеки ракет из углепластика и сопловые насадки из углерод-углеродного композита для двигателя третьей ступени ракеты-носителя "Циклон-4". В последнее время "Южное" также производило несущие конструкции для космических приборов, таких как сканеры, телескопы и объективы, из композитных материалов, что обеспечивало высокую стабильность размеров в условиях значительных температурных колебаний.

Подводя итого, из всего, что было написано выше, безусловно внедрение композитных материалов в конструкции ракетно-космической техники является ключевым и перспективным направлением. Использование современных композитов способствует снижению веса, увеличению прочности и жесткости, а также повышению химической и тепловой устойчивости. Это, в свою очередь, позволяет увеличить массу полезной нагрузки, которую может вывести ракета-носитель. Композитные материалы также обладают большим потенциалом для использования в создании и развертывании крупногабаритных космических конструкций.

В настоящее время исследователи активно работают над созданием технологий, которые позволят композитным материалам самостоятельно восстанавливаться. Это направление обещает быть многообещающим и открывает новые горизонты для будущего применения композитов.

Список литературы:

1. Баженов, С.Л. Механика и технология композиционных материалов: научное издание / С.Л. Баженов. Долгопрудный: Изд. дом «Интеллект», 2014. 328 с.
2. Дегтярев А. В., Коваленко В. А., Потапов А. В. Применение композиционных материалов при создании перспективных образцов ракетной техники // Авиационно-космическая техника и технология. 2012. № 2. С. 89.
3. Композиционные материалы: справочник / Под ред. В.В. Васильева и Ю.М. Тарнапольского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
4. Конструкционные пластмассы и полимерные композиционные материалы : учеб. пособие /Ю. К. Машков и др. ; ОмГТУ. Омск, 2002. С. 21.