ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ПО НАУКЕ И ТЕХНИКЕ
ВСЕСОЮЗНЫЙ ИНСТИТУТ НАУЧНОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
(ВИНИТИ)
Для служебного пользовании
Экз. М
ЗАРУБЕЖНЫЕ
КОСМИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
Приложение 2 к ЗККС № в
МОСКВА 1991

ОБЪЕДИНЕННАЯ РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
информационных изданий по астрономии, геодезии,
исследованиям космического пространства и Земли из космоса
Главный редактор акад. А. А. БОЯРЧУК
Члены редакционной коллегии: проф. Т. А. Агекян,
акад. В, А. Амбарцумян, д. ф.-м. н. Ю. В. Батраков,
чл.-корр. АН СССР Ю. Д. Буланже, к. т. н. В. Д. Власов,
проф. В. Г. Горбацкий, д. ф.-м. н. А. А. Гурштейн,
проф. Я. Л. Зиман, акад. К. Я. Кондратьев, к. ф.-м. н. Э. В. Кононович,
д. ф.-м. н. А. П. Кропоткин, проф. М. Я. Маров, проф. А, Г. Масевич,
к. т. н. П. П. Медведев, д.. ф.-м. н. Д. И. Нагирнер, проф. Ю. М. Нейман,
проф. И. Д. Новиков, проф. Л. П. Пеллинен, проф. В. В. Подобед,
к. х. н. Л. Д. Ревина, акад. Р. 3. Сагдеев, к. ф.-м. н. Н. Н, Самусь,
проф. В. А. Сарычев, А. Н. Седякина (ученый секретарь редколлегии),
д. ф.-м. н. В. И. Слыш, акад. В. В. Соболев, д. ф.-м. н. /t. В. Туту ков,
к. ф.-м. н. В. Г. Шамаев, д. ф.-м. н. В. В. Шевченко,
к. ф.-м. н. К. Б. Шингарева, к. ф.-м. н. И. С. Щербина-Самойлова
(зам. главного редактора)
Состави л-1> .Л .Булатников
Научный редактор— к. т. н. Б. И. Ермишкин
ВИНИТИ, 1991

ОБШИЙ ОБЗОР
В серии публикаций американских и европейских ученых-
^агериаповедов излагаются и обобщаются резупьтагы
исследований (И), дается ретроспективный обзор разработок (Р)
* прикладного использования в авиакосмической области
широкого спектра конструкционных материалов, сравнение
свойств материалов, использовавшихся в начальный период
развития самолетостроения (дерево, простейшие металгшчес-
кие сплавы, смешанные деревянно-металлические
конструкции). Приводятся и сравниваются свойства конструкционных
материалов, применяемых в современных и перспективных
конструкциях самолетов, КА и их элементах - антенны,
обтекатели, ДУ, силовые элементы корпусов и фюзеляжей.
Описываются свойства металлических сплавов и композитов,
создаваемых с учетом их применения в гиперзвуковых
самолетах и таких крупных космических объектах современной
программы ЕКА, как РН семейства "Аркан", МВКА
* Гермес", автономной ОП "Колумб* и их основных
элементов (криогенные топливные баки, силовые элементы
конструкции планеров и корпусов, систем реактивного движения,
конструкционных элементов систем управления движением,
статической и динамической устойчивостью ЛА и КА при
старте, в орбитальном полете, при спуске и посадке),
развитие которых тесно связано с программой международной
GOKC "Свобода*, как базой и основой развития
перспективной авиакосмической техники и технологии периода
('эпохи") 1990-х vr,~ первых 1Опетий 20-го столетия.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ
Отмечается, что стремительный рост Р и использования
в авиакосмической промышленности композитов различного
назначения, отнюдь не означает вытеснения ими метаппи-
1-2 3

ческих материалов ипи свертывания работ над ними. Некоторые
технологические процессы обработки - такие, как ковка,
протяжка, литье, волочение, все еще остаются уникальными*
присущими в наибольшей мере металлам, особенно эффективным в
некоторых специфических приложениях, как например, при
изготовлении высоконагруженных соединительных колец,
адаптеров, юбок, передающих тягу силовых элементах корпусов •
КА и т.п.
В них сочетаются высокие удельные величины жесткости,
прочности, тепло- и электропроводности. Так, например,
ожидают, что созданные в последнее время алюминиево-питиевые
сплавы смогут обеспечить ' благодаря этому 15%-ную
экономию массы в традиционных конструкциях из них, что
позволит полностью решить некоторые из остающихся проблем
сочетания жесткости с ударной прочностью. Такие процессы, как
быстрая закалка алюминия могут усиливать механические
свойства и обеспечивать их сохранение до температур,
приближающихся к 300°С, создавая таким образом
альтернативные сплавы.
Титановые сплавы по-прежнему привлекательны в качестве
материала высокоэффективных структур для многих
приложений - например, при использовании технологий
сверхпластичного формования и диффузионной сварки. Некоторые
особенности технологий этих видов могут быть повторены при
сверхпластичном формовании алюминий-литиевых сплавов,
Бериллий, будучи высоко токсичным металлом, обладает
очень высокими свойствами удельной жесткости при высоких
проводимости и теплоемкости. Хотя его применение несколько
ограничивает хрупкость, бериллий, используют и будут испощ*-
зовать в ряде довольно специфических видов оборудования.
Так, в настоящее время он принят как базовый материал
щита Кассини-Гюйгенса,
Алюминий-литиевые сплавы. В докладе на
Авиакосмической конференции по технологии и эксплуатации 3-4 октября
1988 г. в . Анахейме (шт. Калифорния, США) специалистов
английских фирм Inco Engineering Products й Doniraster
Sheffeld "Алюминий-литиевые поковки для авиакосмических
приложений" рассматривается технология изготовления и
свойства легких плит, листов, стержней и деталей из
алюминий-литиевых материалов фирменных марок Inco MAP A1-9O5XL
и Alcan 8090, получаемых методами порошковой металлургии,
ковки, штамповки^ протяжки из исходных плавленых болванок
4

и экструдированных стержней. Оцениваются их механически^
характеристики, термо- и химическая стойкость, воздействие
последующих процессов механической и термообработки, В
состав добавок в этих материалах входят (в %):
2ft (Of 14);
-IntbMAP Al-905XL-Mo (4,0), G (1,1), 00 (0,8),
U (1,3). l
Испытания показали, что сплав IncoM'AP А1-905ХЬоста-
ется термически стабильным при температурах до 400°С.
Для изготовления деталей используются - молоты,
вертикальные штампы с массой деталей до 5 т гидравлические
прессы' (с усилиями до 3200 тс). Размеры изготавливаемых
деталей (обечайки, фланцы, обоймы, звенья) - до 4 м в
диаметре. Опыт показывает, что изготовление компонентов
более крупных размеров не будет связано с особыми
трудностями при наличии соответствующей технологической
оснастки,
lруверждаемые арю/ушннепереходные, высоко-
y^^^yp метапгшческиё спдавы. Эти сплавы явились
предметом особого внимания в авиакосмической области,
Прикладного использования на протяжении последнего
10-летия ввиду их способности конкурировать по удельной
прочности и жесткости с титановыми сплавами, Доклад
группы специалистов американской фирмы Allied—Signal
Inc^Gorporate TechnologyCMoppncTayH, шг, Нью Джерси)
* Быс тро огверждаемые алюминий-переходные металлические
сплавы для авиакосмических приложений" на Конференции
AIAA/'AHS/ASEE по конструкции самолетов, системам и
операциям 7-9 сентября 1988 г» в Атланте (шт.
Джорджия, США) содержит обобщение результатов И и Р,
излагаемых в серии трудов и статей (10 источников), а также
излагает результаты Ий Р, выполненных самой этой фирмой*
На базе созданной фирмой типовой технологии отверждения
и уплотнения сплавов» упрочненных переходными интерме-
галлическими компаундами создана серия сплавов состава
алюминйй-железо-ванадИй-кремний, обладающих такими
превосходными, по оценке авторов! механическими
свойствами, как сочетание хорошей вязкости (упругости,
ковкости) при комнатной температуре и прочности на нэпом с
отличной прочностью при повьшенной температур$в
1-3 5

Эти сппавы показывают также высокий модуль упругости,
отпичную термостабипьность, усталостную прочность и
коррозионную стойкость в диапазоне высоких температур от 230°С
до 375°С. Они поддаются механической обработке - прокатке
в листы, экс труди ров анию, ковке, штамповке применительно к
широкому диапазону авиакосмических приложений, включая
структуры силовых схем планера (корпуса); элементы ГТД
(приводы, корпуса и диски компрессоров, клапаны и др.) и
конструкции ракет (оперение, законцовки крыла, корпуса,
РДТТ).
Структура всех 4-компонентных сплавов состава апюминйй-
жепезо-ванадий-кремний включает очень тонкие силицидные
дисперсоиды Al^CFejV^Si почти сферической формы диам#
40-50 нм, образующиеся при распаде быстро охлаждаемых
структур, равномерно распределенных в апюминиевсй матрице.
Превосходство в прочности при повышенной температуре и в
стабильности этих сплавов объясняется гораздо более
медленным темпом процесса формирования крупнозериистости (в
сравнении с дисперсоидами) в структурах других
высокотемпературных сплавов» Они содержат высокие концентрации
переходных элементов (5,5-12,5% массовых Fe ), что формирует
большие объемы фракций силицидов, В конечном счете
механическими свойствами соответствующих сплавов управляет задан-
ная морфология микроструктуры.
Приводятся данные по свойствам трех наиболее
совершенных марок сплавов (в скобках - массовые % компонентов):
FVS0812 ( Al~8,5Fe-l,3V -lj7Si ), FVS1212 (Al-12,4
Fe ri,2V -2,3Si ) и iFVS0611 (AH5,5 Fe-0,5 V - i.JSi ). .
Сплав FVS 0812 разработан применительно к общим требовав
ниям использования в авиакосмических конструкциях -
легкость в сочетании с преимуществами механических свойств
при повышенной температуре (в особенности прочности на
излом в сравнении с уровнями прочности базовых алюминиевых
сплавов марок 2000 и 7000). Сплав FVS1212, предназначен
для изготовления деталей, работающих в условиях, требующих
повышенного уровня прочности и жесткости при омывании
высокотемпературным потоком. Сплав FVS0611 сочетает
общую для всех сплавов 'Al-Fe—V—Si температурную
прочность и стабильность с возможностью технологической
обработки при комнатной температуре для придания требуемой
формы. Для авиакосмических приложений выпускаются 5
основных видов заготовок разцичногс\ назначения:
6 '

1. Листы,, ковашило плиты и тонкостенные штамповки
структурных компонентов ЛА,
2. Крупные поковки дня колес самопотных шасси,
3. Поковки, круглые кольца и rone roc генные штамповки
для турбин ГТД.
4. Проволока дли легких креплений и клепаных
соединений.
5. Листы, плиты и поковки для компонентов ракет.
Авторы приводят иллюстрированные фотографиями, схема*?
ми и графиками описания технологических процессов
получения деталей из заготовок каждого вида! характеристики их
прочностных свойств при повышенных температурах и
коррозионной стойкости. По стоимости сплавы Al—Fe—V—Si
вполне конкурентоспособны с обычными авиакосмическими
сплавами и особенно выигрывают в сравнении с титановыми
сплавами и композитами с металлическими -матрицами,
базирующимися на алюминии. Возможность получать у
быстро охлаждаемых сплавов А1—Fe—V—Si выгодные комбинации
свойств расширяет диапазон применений традиционного для
авиакосмической отрасли алюминия до областей, которые
из-за более высокого уровня требований к характеристикам
резецировались обычно за титаном, нержавеющей сталью
и сплавами на основе никеля,
КОМПОЗИТЫ
До недавнего времени в авиакосмической и космической
отраслях наиболее широко применялись углерод- волоконные
пластики с арамидным упрочнением (CFRP), состоящие из
однонаправленных волокон, упрочняющих огверждаемую
пластиковую матрицу. Их основной недостаток - большая
восприимчивость к ударным повреждениям из-за хрупкости
волокон и пластика в сравнении с изотропными металлами.
Природа и распространение таких повреждений менее четко
очерчены, чем в металлах, где трещины обычно видны,
В композитах из-за сложной формы их конструкции
повреждения могут быть хорошо скрыты, У охлажденного
пластика могут (развиваться местные напряжения в
течение цикла отверждения, Они могут быть сняты появлением
микротрещин при термальных циклах в окружающей среде.
Отрицательное воздействие на пластики оказывают также
такие факторы, как влакность или У<£-облучение, которые
1-4 7

могут пать до 50% снижения допустимых нагрузок конструкции
в сравнении с типичными величинами при повреждениях,
наблюдаемых на практике.
В результате, в космической промышленности поначалу
использовали больше жесткость CFRP-композитов, чем их
прочность. В сочетании с низким коэффициентом температурного
расширения их жесткость дает важные качества при Р
"твердых"' обтекателей антенных дисков из CFRP-пегкометаппичес-
ких сплавов. По мере роста доверия к возможностям CFRP-
композитов, их начали также использовать для изготовления
силовых элементов, работающих преимущественно на сжатие,
например, в адаптерах Sylda и Spelda РН "Арией", а также
нагруженных осевой тягой цилиндров некоторых ИСЗ связи,
Авторы рассматривают возможности улучшения термо-
мехаиических свойств отворждаемых композитов - особенно
увеличения рабочей температуры за пределы 150°С. И в этом
направлении ведутся над отверждаемыми композитами и над
перспективными альтернативными видами композитов
различного состава - особо детально И попиимидных систем, способ-
пых работать при температурах порядка 25О°С#
Композиты с металлической матрицей, В этих композитах
пластиковые матрицы заменены металлическими из алюминия
и титана с армированием углеродом и добавлением длинных
волокон из других материалов, в частности карбидов кремния
(SiC) и бора, начали внедряться в последние годы» Очевидны
многие потенциальные преимущества их в сравнении с
армированными пластиками. Более прочная и пластичная матрица
обеспечивает возможность усиления механических свойств,
особенно прочности на сжатие. Ожидается повышенная стойкость
к повреждениям. Наконец, технологии формования и соединений
могут быть подобны применяемый для изотропных
металлических конструкций. Однако, использование полного
потенциала таких материалов требует улучшений в дорогостоящей
технологии обработки материала, особенно в обеспечении Ьысокой
прочности связей волокно/металл, которая быстро снижается
при наличии загрязнений. Требуется также дальнейшее
развитие методов производства, включая машинную обработку,
формование и технологию соединений.
В краткосрочном плане полагают, что первыми
общедоступными формами будут металлические матрицы, армированные
частицами или короткими волокнами - "усиками". Их
промежуточная прочность при хороших показателях вязкости в срав-
8

нении с армированными пластиками позволяет предполагать
возможность использования в таких областях передачи
больших нагрузок, как определенные классы соединений и
соединительных колец. Приведенные испытания экспериментальных
креплений, предназначенных для работы в условиях высоких
температур, показали, их стойкость к тепловым ударам и
механическим нагрузкам.
Практика проектирования и изготовления диктует
необходимость изготавливать авиакосмические структуры из
многих компонентов, которью надо соединять вместе. Такие
соединения часто являются ключевыми элементами с
множеством проблем передачи нагрузок, жесткости, усталости
и масс, возникающих в неоднородноегях (разрывах
непрерывности )t В крепеже соединений используются болты,
заклепки, связки и сварка. Применение новых, более
совершенных материалов и такие воздействия, как тепловой удар
и большие перепады температур, ставят перед технологией
соединений новые проблемы,
мдурриадо» Требующиеся для
работающих в условиях высоких температур корпусов систем
реактивного движения и гиперзвуковых аппаратов
материалы могут быть каталогизированы на категории
промежуточных - для температур около 1OGO°G (например,
металлические матрицы) и непродолжительно работающие при
температурах около ПОО^С керамические материалы.
Применение в качестве матриц стекловидных материалов
различных типов дает возможность Р целого спектра
композитов, армированных углеродными или
углерод-кремниевыми волокнами* Эти композиты обладают промежуточными
механическими свойствами, сохраняя их до температуры
1OQ09C, что делает их пригодными для применения во
второстепенных структурных элементах, не несущих основную
нагрузку*
Производство углерод-углеродного композита связано с
внедрением углеродных волокон в матрицу модуля или
подобной субстанцией^ где идет горение под давлением. На
протяжении нескольких лет такой композит используется в
конструкции сопел апогейного двигателя, корпус которого
представляет собой сложную комбинацию из наматываемой
арамидной ленты, углеродного и стекловолокна. Он
способен выдерживать последовательность высоких статических,
динамических и термических нагрузок. Однако, помимо
1-5 9

спожности изготовления и связанной с этим высокой
стоимости, в производство имеется другая крупная проблема,
затрудняющая использование углерод-углеродного композита в сИло-
вом наборе планера, - это низкая сопротивляемость
термическому .окислению в гииоровуковом полете, тробуюшая
применения защитного покрытия, в качестве которого испытывается
карбид кремния. D настоящее время использование углерод-
углеродного композита в основной конструкции, будет, повиди-
мому, ограничено изготовлением ведущей кромки крыла
(как у ML3KA Термос*'). При входе в атмосферу температура
ведущей кромки достигает 1700°С.
Наиболее подходящими материалами, которые реально
обладают свойством термозащищонности, является керамика с ее
стойкостью к высоким температурам, окислению и другим
воздействиям окружающей среды в сочетании со стабильностью
размеров и износостойкостью. Однако керамические материалы
очень хрупки и обычно требуют упрочнения, В Р находятся
различные методы, Ькпючая добавление в состав композита на
основе керамики Длинных волокон карбида кремния, частиц и
усиков. Для некоторых приложений рассматриваются также
углеродные волокна.
Керамическая обшивка и кремниевые плитки будут
использоваться во многих внешних тормозашитных системах. Углерод-
карбид кремния используется в подвижных поверхностях
управления попетом и термо-мехаиических защитных покрытиях.
Он сохраняет свои механические свойства до температуры
1450°С. В обзорной статье европейских специалистов из
ESTEC (Нордвик, Нидерланды), рассматривающей общие
перспективы развития авиакосмических материалов, делается
вывод, что количественно спектр существующих и
появляющихся видов конструкционных материалов для авиакосмических
приложений может показаться даже избыточным. Однако
существует ряд проблем, которые предстоит решить, пока эти
материалы смогут достичь уровня, который позволит им
поганостью заменить a t аивакосмических конструкциях
традиционные изотропные металлы. Опыт показывает, что Р стандартов
на коммерческие легкие сплавы и другие изотропные металлы
потребовала много лет. Хотя можно уже говорить как о
состоявшемся (с соблюдением всех предосторожностей)
принятии авиакосмической отраслью отверждаемых GFRP
-материалов, но. по крайней мере в Европе, потенциально привпека-
10

тепьные термоппастики, по оценке авторов, находятся еще
*Ь младенческой стации развития*,
Диапазон проблем, с которыми преастоит иметь депо в
работе по созданию безопасных и легких структур,
иллюстрируют проекты MDKA "Гермес" и ОП "Колумб". Принятие
втих материалов и технологии их обработки должны быть
согласованы со всеми требованиями спецификаций и
стандартов* с которыми должны будут обязательно считаться все
поставщики и производственною центры. Число вариантов
нагружения конструкции и их сложность в сочетании с фок-
торами воздействия окружающей среды, в которой
предстоит работать этим материалам, значительно больше, чем для
обычных РН и их ПН. Это, в сочетании с внутренне
присущими слоистым композитам сложностями, в отличие от изо-
tpohHbix материалов, требует рассмотрения более широкого
диапазона видов отказов и сопутствующих им критериев
отказа* Соответственно, определение допустимых нагрузок
и решение проблем сочетании хрупкости-вязкости
потребует проведения обширных программ испытаний с
демонстрацией адекватных средств интерполяции, чтобы охватить все
многообразие конфигураций изделий из композитов и
влияния воздействий окружающей среды, включая, например,
проверки последствий воздействия низкоэнергетических ударов
и характера вызываемых повреждений, ударов метеороидов
it молний. Большое значение имеют проблемы диагностики и
не разрушающего контроля конструкций, повреждений и
отказов, •
КОМПОЗИТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ РН
СЕМЕЙСТВА "АРИАН"
Использование композитных конструкций в РН семейства
"Ариан" систематически обсуждалось на протяжении
1980-х гг. ' На симпозиуме ESTEC 15-18 октября
1985 г; в НорШике (Нидерланды) по теме "Композитные
конструкции для «космических приложений' в докладе
французских специалистов, посвященном проблеме увеличения
масштабов применения композитов в структурах РН
семейства "Ариан" дается сравнительный обзор динамики внедрения
композитов в различных типах РН этого семейства.
РН семейства "Ариан-i, -2, -4" имеют каждая 3 ракег~
ные ступени и одну верхнюю ступень. В РН "Ариан-3 и -4*
11

в первые моменты разгона используются ускорители на
твердом и/иди жидком топливе, РН "Ариан-5" состоит из
криогенной центральной части, верхней части и 2-х больших
ускорителей с РДТТ, присоединенных к центральной части. Во всех
случаях верхняя часть состоит из обтекателя, несушей ПН
структуры (Sylda, Spelda или Speltra ) и отсека
оборудования носителя (в аббревиатуре английского наименования - VEB).
Ступени состоят из баков, юбок, силового набора и, при
необходимости, теплозащитных щитов. Ускорители с ЖРД внешне
похожи на ступени, на передних концах которых установлены
носовые конуса. Ускорители с ЖРД несут центральный
герметичный бак, соединительные юбки и носовой конус. Модели
*Ариан" от I до 4 конструктивно отличает главным образом
длина конструкции, число, тип и размеры ускорителей.
РН "Аркан-1* используется для вывода самых легких ПН,
а "Ариап-4" с 4-мя ускорителями - для самых тяжелых.
Промежуточные модели выбираются под заданные ПН, РН
"Ариаи-5" будет способна выводить на орбиты одновременно
3 ИСЗ и предназначена также для вывода МВКА Термос*.
о последнем случае МВКА "Гермес" будет верхней частью РН
*Ариан~5". Указанные различия относятся к архитектуре и ♦
структуре РН различных моделей. При этом нагрузки в
полете каждый раз будут, естественно, различны. Эволюционирует
также технология.
Этап проектирования всегда нацелен на поиск
наиболее эффективных решений. При этом исходят из Следующих
основных положений,
1. Структуры из композитов должны быть легче
металлических, В зависимости от характера пространственного
распределения нагружений, их влияния на допустимые
напряжения, характера возможных повреждений из-за перегрузки,
различий в требованиях к жесткости конструкции
рассматриваются и сравниваются отношения к плотности материала
допустимых напряжений, модуля упругости и корня кубичного
из него. В завершение составляются уравнения, позволяющие
оптимизировать нагружение,
2, Применительно к использованию композитов для
структур, подверженных местным нагружениям, должны
исследоваться специальные меры усиления элементов из композитов,
предотвращения расслаивания материалов» Оценивается бюджет
массы с учетом этих усилений. Предусматривается
специальный инструментарий для усиления нагруженных зон и
оценивается стоимость с учетом этого,
12

3, Композит допжеп бы^ь специально упрочен с учетом
Проблем нагрева, проводимости, особенностей соединений,
Наличия вырезов» Хорошо известные пластики способны
выдерживать температуры от 15О°С до ЗОО°С, Мапотекучие
пластики используются до температур 180°С; ведутся И
бйсмапеимидных пластиков, которьп могут i использоваться
до температуры 230°С, Пластики, выдерживающие ЗОО°С,
трудно вулканизировать, Кекотбрые высокотекучие пластики,
как например Фиборит 976, выдерживают до 200°С и, как
полагают, легко обрабатываются. Если миссия происходит в
Жестких условиях (которые имеют место у основных частей
РН), потребуется термозащита обшивки. Юбки ' должны
обеспечивать уровень защиты, при котором внутрь
защищаемого пространства попадает не более 500 Вт/м . Термоза-
щита должна включаться в сводки массы и стоимости изде-
яйя.
Существующие спесификации предусматривают
обеспечение достаточного уровня проводимости структуры.
Углеродное препреги обладают меньшей проводимостью, чем
металлические обшивки. Поэтому структура должна содержаib
прокпааки креплений или алюминизированные слои (Alutis ).
Для предотвращения ударов молний используют эпектроста-
*Ическую окраску.
Части структуры необходимо также соединять между
собой, для чего нужны связки и клепка. Использование
связок ограничивают температура проблемы контроля качества,
напряжения отслаивания. Напряжения отслаивания
поддерживают адгезивом, а напряжения среза - заклепками,
причем, поскольку заклепочные соединения ослабляют препреги,
в которых они применяются, требуется предусмотреть
Соответствующие усиления, В большинстве структур
имеются вырезы - люки, дверцы и т.п. Обычно их делают ненаг-
руженными, подкрепляя воспринимающими нагрузку
стрингерами, что отражается на сводках массы конструкции и
стоимости.
4. Композиты требуют очень тщательного контроля
качества. По своей природе они неоднородны и, чтобы
смягчить это, их подвергают защитным циклам обработки. Слои
могут иметь определенную ориентацию. Дефекты на
подвергавшихся обработке частях не всегда заметны, а с
другой стороны, влияние некоторых заметных с первого
взгляда внешних отслоений может оказаться несущественным,
13

Контроль и дефектация обработанных ~ частей из композитов
представляет существенную часть повторяющихся затрат
балансовой стоимости. На этане Р должны быть обеспечены
превосходные репродукгивность технологических процессов, знание
каждого параметра и его влияния, что составляет
значительную долю в работах этого этапа.
Отбор композитных материалов представляет
трудную задачу, причем для решения об их применении важнейший
критерий - достигаемая экономия массы ПН. Фактически
экономия массы конструкции носителя не интерпретируется
как прямая экономия массы ПН. Величина соответствующей
экономии массы ПН зависит от расположения интересующей
структуры по длине ПН (т.е. от того, как долго эта
структура будет лететь вместе с ПН). Примером может служить
приводимая ниже таблица, составленная применительно к РИ
"Ариан-44 L" (оборудована 4-мя ускорителями с ЖРДК
Экономия 100 кг массы элемента Соответствующая экономия
(структуры) РН массы ПН, кг
1-я ступень 7
2-я ступень 22
3-я ступень 100
Ускоритель с ЖРД 7
VEB/Spekla iOb
Обтекатель 9
В дальнейшем изложении авторы приводят результаты И
возможного использования композитов в различных структурах
РН "Ариан"# Рассматриваются силовые схемы наборов
основных элементов конструкции ступеней первых 4-х моделей РН
"Ариан" - тяговая рама, межбаковая и передняя юбки, баки,
обшивка, верхняя часть, элементы жесткости, термозащита и
т.п. Описываются Р различных европейских фирм по замене
металлических частей и агрегатов на композитные. Пере*
числяются элементы, которые уже проектируются из компо*
зитов: корпуса ускорителей, обтекатели, центральные и
верхние части РН некоторых моделей* У РН "Ариан-5" на этапе
Р предлагается значительно шире исследовать возможное*
ти увеличения массы ПН за счет замены металлов композитами,
14

Пластики, армированные угпе родом (CFRP).
Применение композитов этого вица ставит ряд проблем,
которые авторы рассматривают бопее подробно.
Первая проблема связана с доступностью материал,!.
Обшивка РН обычно изготовляется из слоев препрега,
ориентированных во многих направлениях. Под некоторыми
нагрузками возможны повреждения единичных слоев,
которые не выводят из строя элемент целиком. И возможности
применения композитов с такими повреждениями и условий
допущения таких нагрузок ведутся во Франции.
Вторая проблема связана с выносливостью
(толерантностью) CFRP к повреждениям. Применительно к РН
"Ариан-З*, МВКА "Гермес" и пилотируемым полетам эта
проблема приобретает особую важность, причем постановка
ее в космических приложениях существенно отлична от той,
которая предполагалась во множестве работ этой
направленности, выполненных применительно к самолетам.
Третья проблема связана с рентабельностью конструкции.
Рентабельность требует учета производственных аспектов -
технологичность, стоимость, оптимальность в масштабе всей
структуры* Решение проблемы связано с разработкой
компьютерных кодов, учитывающих множество разнородных
параметров и обеспечивающих оптимизацию конструкций.
Четвертая проблема связана с проблемами испытаний -
это выработка универсальных стандартов на испытания,
приемлемых для всех или большинства проектных
организаций.
Пятая проблема - в многообразии материалов,
охватываемых понятием композиты. Каждые 3 месяца появляются
новые волокна, пластики, препреги, которые, как полагают,
лучше существующих. Это означает необходимость для
разработчиков брать и испытывать материалы, причем делаться
$то должно на наивысшем уровне (СНЕС или f EKA). чтобы
было все выполнено эффективно и систематизировано для
наибольшего числа потенциальных потребителей.
Подвою итог, авторы отмечают, что внедрение
композитов в конструкцию космических носителей не сводится к
проблеме экономии массы. При выборе материала
необходимо обеспечить сбалансированность между многими
параметрами. При современном состоянии технологии в
верхних частях РН следовало бы использовать CFRP, который
не искажает обшивку, примыкающую к этим верхним частям,
15

изготовляемым также преимущественно с использованием этого
пластика. Для других неискажаемых конструкций применение
композитов - бодьше вопрос промышленной политики.
Структуры, испытывающие местные нагружения, и основные структуры
первой ступени пока останутся металлическими, если в бвижай-
щие 5 дет не удастся достичь прогресса в снижении
стоимости Р. Баки, топливные системы, баллоны пока повсюду
металлические (более детально о Р по замене в них металлов
композитами - ниже, в последующем разделе). Ускорители
с РДТТ при реальной нужде могут проектироваться с
использованием углерод-волоконных технологий. Следующие за РН
"Ариан-5" поколения, по прогнозу авторов, будут
одноступенчатыми и потребуют высокопроизводительных технологий,
Процессы их проектирования и изготовлений должны будут
обеспечить создание структур с низкими повторяющимися
издержками (исправления по ходу процесса, новые материалы,
оптимизация конструкции), Это означает, что реальная
оптимизация внедрения композитов требует возможно более быстрого
т &cb)jl поименованных выше технологических проблем.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ЕМКОСТЕЙ
РН "АРИДН* И МВКА ТВРМВС*
В докладе члена AfAA P, Фостер из M'AN Technologies AG
(Мюнхен* Германия) "Применение перспективных*конетрукцион-»
ных материалов а герметичных емкостях дпя РН "Ариан* и
МВКА "Гермес" на 2641 объединенной,конференции по
реактивному движению AIAA/SAE/ASME/ASEE 16-18 июгш 1090 г,
в Орландо (шт* Флорида, США) рассматрнэаюгея специфичво»
кие требования к конструкции, материалам и технологии
изготовления герметичных емкостей (баллонов, баков) для
хранения жидких ракетных топлив и газов высокого давления на РН
семейства "Аркан* и МВКА "Гермес".
РН /Ариан-5", вс туп пение которой в строй намечается в
1996 гм способна выводить коммерческие и научные ИСЗ
массой до 6 т на переходную к геостационарной орбиту,
компоненты модуля "Колумб", а также МВКА 'Гермес" на низкую
околоземную орбиту. Эта РН имеет криогенную центральную
ступень со 155 т жидкого ракетного топлива, 2 стартовых
ускорителя с РДТТ - по 230 t TT в каждом. Тип 3-й ступени
зависит от характера выполняемой миссии» Она оборудована
16

системой реактивного движения и многоспутниковой пусковой
системой, способной нести до 3-х ИСЗ и 2 различных
обтекателя ПН: короткий - для ИСЗ и длинный - для
компонентов модуля "Колумб",
МВКА "Гермес'7 - европейский МВКА, первый полет
которого намечен в 1997 г„ способен нести ПН массой
3 т при 3-х членах экипажа. Из 18,3 т посадочной массы
1,5 т составляет обмениваемый груз. Стартовая масса
МВКА - 22 т» Чтобы уменьшать массу МВКА при
возвращении с орбиты, расположенная в хвостовой части секция
адаптера будет служить в качестве негерметичного отсека
оборудования. Адаптер, именуемый "ресурсным модулем"
"Гермеса" - РМГ (MRH - в аббревиатуре французского
наименования), будет вмещать также устройство докова-
ния для стыковки с модулем "Колумб" на ООКС
"Свобода" и обслуживаемой космонавтами на орбите автономной
ОП MTFF. Через секцию адаптера проходит переходной
тоннель, соединяющий герметичный отсек ПН МВКА "Гермес"
с независимым воздушным шлюзом, который обеспечивает
выход космонавтов в открытый космос, когда МВКА
"Гермес" пристыкован к модулю "Колумб" или ОП MIFF.
Эта структура будет соединена с МВКА "Гермес" на
протяжении всего периода орбитального полета, а отсоединена
и эжектирована непосредственно перед осуществлением
маневра схода с орбиты и входа в плотные спои атмосферы,
Космическая сисуема "/\риан-5"/ "Гермес", помимо
множества топливных емкостей в центральной ступени и
ускорителей с РДТТ, нуждается в большом разнообразии
топливных баков и баллонов с газами высокого давления.
Ключевыми для оценки материалов, используемых в этих
типах емкостей, являются легкость и надежности В
верхней ступени РН "Ариан-5", РМГ и реактивных системах
ИСЗ жидкие ракетные топлива хранятся в
цельнометаллических баках. В баллонах высокого давления содержатся
газы ^дпй наддува баков жидкого топлива, для
пневматических систем управления подачей топлива, а также
холодный газ для системы ориентации, Газовые баллоны высокого
давления в целях обеспечения требуемого натяга для
предотвращения утечек изготовляются в виде предварительно
обжатых конструкций, представляющих собой силовые
металлические лейнеры, обмотанные пропитанным смолой
волокном,
17

В верхней ступени РН "Ариан-5", орбитальной системе
управления МВКА "Гермес", апогейных ДУ и ДУ управления
положением на орбите различных КА используются 2-компо-
иен г ныв топлива - горючее ММГ (монометипгидразин) и
окислитель - азотный тетраксид (N2O4 )♦ Главной проблемой при
выборе материала является совместимость металлических
материалов с компонентами топлива. Рассматриваются два вида
воздействий - материала топливной системы на топливо и
топлива на материал. На интенсивность коррозии и распад
течения воздействуют многие факторы: содержание воды и
чистота окислителя, температура и состояние внутренней
поверхности топливной системы. Изготовители топливных баков
могут мало влиять на состав топлива, но имеется возможность
улучшить коррозионную стойкость материала бака применением
процедур пассивации, Хорошая совместимость получена у
титановых сплавов и нержавеющей стали с очищенным азотным
тетраксидом, обезвоженной моноокисью азота при специальной
обработке поверхности металла. Для алюминиевых сплавов
существует возможность выпадения осадка и закупорки
фильтров. Для систем топливных баков используются процедуры
изготовления, аналогичные применяемым для металлических
лайнеров композитных баллонов высокого давления,
В центральной ступени РН "Ариан-5" используются 2
сферических баллона с гелием высокого давления для
превматической системы управления и такая же конфигурация испо:ъ—
зуется на верхней ступени для наддува топливные баков. На
МВКА "Гермес" баллоны высокого давления применены для
наддува топливных баков в ресурсном модуле, системе
охлажденного газообразного азота, контроля среды и СЖО,
Все эти емкости спроектированы в предварительно обжатых
композитных конструкциях. Кроме упоминавшихся выше
сферических газовых баллонов на РН "Ариан^б" имеются 2
баллона цилиндрической конфигурации, ЖРД HM6Q центральной
степени крепится в шарнирах с двумя сервоприводами! дня
которых рабочая гидросмесь хранится под высоким давлением
в т,н. баке групповой активации мо*оров CGAM-Groupe
Activation Moteur)* При поворотах сопел стартовых ускоригепей в
два сервопривода подается гидравлическая жидкость под
высоким давлением из баков групповой активации фурм,
смонтированных на корпусе ускорителя.
Авторы описывают технологии изготовления элементов
саллонов высокого давления сферической и цилиндрической
18

конфигураций (сварка метаппических лайнеров, машинная
обмотка лентой, обработка предварительным обжатием
композита, создающего у ненаддутых баков предварительные
местные напряжения в лайнере и волоконной нахлестке), их
свойства, поведение при циклических нагрузках и типовой
характер последовательности разрушений при отказах.
В сравнении с цельнометаллическими баками такая
конструкция емкостей обеспечивает экономию до 50% массы.
Сравниваются стоимостные характеристики. Дается
сравнительная оценка ряда марок металлических материалов и
композитов для изготовления лайнеров, различных
технологий изготовления баков и баллонов, укрепления
металлических емкостей композитными обмотками с последующей
термо- и механической обработкой. Приводится серия
сравнительных таблиц, характеризующих исходные требования и
результаты, получаемые при использовании различных мате*
материалов для емкостей сферической и цилиндрической
форм» Рассматриваются металлические сплавы различных
рецептур: марангинг сталь (X2NiCr Mo 1885), нержавеющая
сталь (X12CrNi 177, AlSi 301/Х2 CrNi 1911, AISi 3041),
титановые сплавы (Ti-15V-3Cr-3Al-3'Sn,Ti-6Al-4V),
алюминий (2219) и др. Характеристики
волокон:Е-стекловолокно (456-EG ), арамидное (Кевлар 49), углеродное
волокно СТ :300, t 800, Ш 6).
В заключение делается предварительный вывод о
возможности существенной экономии массы конструкции системы
топливных баков и баллонов высокого давления РН "Ариан-51"
и МВКА "Гермес* при использовании углеродных волокон,
повышения структурной эффективности композитных емкостей.
Однако реализация потенциала снижения массы требует
широкой базы данных, которая может быть создана проведением
обширных испытаний и анализа данных»
"ЭАЕ technical Paper Series", 1988, Ч 88i;404, 1-15
"•AJAA Paper", 1988,№ 4444, 1-7; 1990, № 2346, 1-7
"Proceedings of Workshop; "Composites design for
Space 'Applications", 1986, ESA SP-243, 239-244
"ESA Eulletin", 1990, ^ 61, 50-55

СОДЕРЖАНИЕ
Общий обзор, . . • ••..... • • • ■ 3
Металлические сплавы. • • • • » • 3
Композиты, . . • . • • 7
Композитные конструкции РН семейства "Аркан*. . . , . 11
Перспективные конструкционные материалы ддя
герметичных емкостей РН "Ариан" и МВКА "Гермес". . . . • . 16
Технический редактор В.Ф. Овчинникова
Корректор ЕЛЗ. Кондратьева
Сдано в набор 17.07»91 Подписано в печать ll.07.9l
Формат 60 х 90 1/16 Печать офсетная
Усл. печ. п. 1,25 Усп.кр.-огг, lt25 Уч-изд,п. 1#23
Тир. 516 экз. Зак. 117Д
Адрес редакции: 125219, А-219, уп. Усиевича, 20а
Тел. 152-54-94
Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ
140010, Люберцы 10, Московской обл., Октябрьский пр., 403