Изготовление теплозащитных покрытий КА.

Задачей теплозащитных покрытий (ТЗП) является уменьшение высокой (до 5000 град.К) температуры на поверхности ТЗП, до допустимой на поверхности конструкции КА. Допустимая температура на поверхности конструкции КА определяется материалом конструкции.

Основными требованиями к ТЗП являются:

1) небольшая масса, достаточная прочность, в том числе при вибрации;

2) высокая теплоемкость и низкая теплопроводность;

3) технологичность при изготовлении;

4) нижние слои ТЗП не должны разрушаться раньше наружных;

Классификацию ТЗП проводят по следующим признакам:

1. По месту расположения ТЗП могут быть внешними (защита от аэродинамического нагрева) или внутренними (защита от нагрева истекающими газами работающего двигателя, например, при горячем разделении ступеней РН).

2. По защищаемым объектам бывают ТЗП корпуса, спускаемого аппарата (СА), баков, приборного отсека, крыльев и т.д.

3. По применяемым материалам ТЗП делят на металлические, керамические, композиционные.

4. По температурам, на которые рассчитываются ТЗП, они делятся на низкотемпературные (до 400 град.С), среднетемпературные (до 700 град.С), высокотемпературные (выше 700 град.С).

5. По принципу действия различают активные ТЗП, предусматривающие газообразные или жидкие теплоносители для принудительного охлаждения и пассивные ТЗП, действующие за счет теплопоглощения, излучения или уноса ТЗП.

6. Различают ТЗП одноразового (на СА «Союз») и многоразового применения (на «Спейс Шаттле»).

Различают следующие виды ТЗП:

1) Металлическое ТЗП с применением тугоплавких металлов, наиболее простое по конструкции и технологии изготовления. Для металлической ТЗП применяют сплавы титановые (до 300-500 град.С), никелевые, кобальтовые, молибденовые, вольфрамовые (до 1100 град.С), ниобиевые, танталовые (до 1300 град.С). Ограничением для применения тугоплавких металлов и сплавов является их низкая жаростойкость - резкое возрастание окисления с ростом температуры. Поэтому для металлических ТЗП необходимо применение жаростойких покрытий.

2) Радиационная теплозащита излучает тепло с нагретой поверхности. При определенной равновесной температуре уравниваются значения подводимого и излучаемого потока. Главными требованиями к материалам радиационной ТЗП являются высокие излучательная способность, жаростойкость и жаропрочность. Конструктивно радиационная ТЗП представляет собой тонкий экран, усиленный ребрами жесткости, соединенный с несущей поверхностью КА или РН. Для экранов используют тугоплавкие металлы (ниобий, молибден, тантал, вольфрам) и их сплавы с температурой плавления 2500-3400 град.С.

3) Конвективное охлаждение поверхности с помощью жидкого или газообразного охладителя, омывающего нагретую поверхность. Из-за сложности конструкции (бак, трубопроводы, теплообменники, насос), значительной массы охладителя для охлаждения конструкции КА не применяется. Конвективное охлаждение находит широкое применение в ЖРД для охлаждения огневых стенок.

4) ТЗП с поглощением тепла, которая поглощает и накапливает в себе тепло, не пропуская его к металлической конструкции КА. Такое ТЗП применяется на «Спейс Шаттле», которое выполнено в виде плиток, покрывающих всю поверхность корабля. Плитки черного цвета на основе углерода выдерживают большую температуру, чем белые плитки на основе кремния

5) ТЗП с уносом поверхностного слоя является распространенным ТЗП в конструкциях КА, используется, например, на СА «Союза». Это ТЗП работает следующим образом:

а) поглощение тепла при нагревании поверхностного слоя ТЗП до температуры фазовых превращений или химических реакций;

б) поглощение тепла при физических (плавление, испарение, сублимация) и химических превращениях нагретого слоя;

в) поглощение энергии в результате механического разрушения и уноса продуктов физико-химических превращений;

г) излучение энергии нагретым поверхностным слоем;

В качестве материалов для этого ТЗП применяют композиционные материалы, которые по характеру разрушения разделяют на:

1) сублимирующие - разрушаются при нагреве с образованием, миную жидкую, непосредственно газовой фазы;

2) плавящиеся - разрушаются при нагреве, образуя жидкую фазу, которая может растекаться по защищаемой поверхности, уносится с нее и частично испаряться;

3) обугливающиеся - композиционные материалы, эффект теплозащиты у них связан с процессами разложения материала, уноса газообразных и твердых частиц, излучением теплового потока. Обугливающиеся покрытия образуют четыре слоя:

а) основное (первоначальное) покрытие;

б) слой, в котором происходит процесс образования газов и обугленного твердого остатка;

в) обугленный, раскаленный (коксообразный);

г) пограничный слой газообразных продуктов.

4) окисляющиеся - материалы, которые при нагреве интенсивно, с поглощением значительного количества тепла окисляются (горят).

Основными компонентами композиционных ТЗП являются связующие (матрица) и наполнители. В качестве связующих применяются органические и неорганические соединения: фенольные, фенол-формальдегидные, эпоксидные и другие смолы, различные каучуки, полимеры. В качестве наполнителей применяют текстолит, асбестовые волокна, стекло, графит, различные полимерные волокна. Наполнители применяются в виде волокон, порошка, зерен и тканей.

Технологические процессы изготовления ТЗП зависят от вида и материала ТЗП и аналогичны технологическим процессам изготовления металлических и композиционных деталей.

При изготовлении композиционного ТЗП методом намотки учитывают, что теплозащитные и прочностные свойства ТЗП зависят от расположения наполнителя (волокон) по отношению к аэродинамическому и тепловому потокам. Готовое композиционное ТЗП наклеивают на металлический корпус, например СА корабля.

28.Общая сборка ракетоносителей (РН) и космических аппаратов (КА).

Завершающий этап изготовления РН и КА - общая сборка, монтаж оборудования и коммуникаций, испытания. На этой стадии окончательно формируется РН и КА, определяется их соответствие в целом заданным требованиям конструкторской и технологической документации. Одной из главных задач сборки является обеспечение заданной надежности РН и КА при минимальных затратах и минимальной трудоемкости. Сборка РН и сборка КА имеют много общего и производятся в одном и том же цехе окончательной (общей) сборки. Рассмотрим общую сборку и монтажные работы на примере КА.

Процесс общей сборки КА в полной мере зависит от его конструкции - компоновки. Несмотря на то, что к настоящему времени изготовлено и запущено значительное количество КА, унифицированной схемы общей сборки не существует, что можно объяснить большим разнообразием конструкций и компоновок. Этим в значительной степени объясняется и весьма высокая стоимость КА.

К общей сборке можно отнести и сборку отдельных функционально завершенных крупных частей КА с отличными, особыми задачами, когда в процессе эксплуатации они выполняют функции отдельных аппаратов, например сборку спускаемых блоков КА.

Процесс общей сборки КА делится на:

1) непосредственно сборку - соединение отдельных отсеков и агрегатов КА,

2) монтаж оборудования и коммуникаций в отсеках КА – установка и закрепление приборов различных систем, кабелей и труб,

3) испытания КА.

Иногда испытания следуют после окончания общей сборки КА, но чаще этапы общей сборки и испытаний чередуются друг с другом. Испытания идут по принципу последовательного нарастания – охватывают все больше приборов и агрегатов. Ряд испытаний проводится для полностью собранного КА.

Объем и содержание работ при общей сборке КА зависит от состава и степени членения его (разделение на отсеки). Как правило, КА проектируются по агрегатно-блочному принципу, т.е. КА состоит из отдельных функционально-завершенных отсеков, агрегатов и систем, изготовление и испытания которых могут проводится независимо друг от друга. В состав КА, особенно крупных, кроме основных агрегатов входит большое количество узлов и деталей (бортовая аппаратура, антенны, экраны, кабельная сеть, теплозащитные покрытия на стыках агрегатов, пиротехнические и замковые устройства), которые устанавливаются только при общей сборке, т.е. в значительной степени нарушается агрегатно-модульный принцип конструирования.

Основными элементами в составе КА являются:

1) несущий корпус,

2) двигательные установки системы коррекции и маневра,

3) система наведения и стабилизации со своими двигателями,

4) системы навигации – определение положения КА в пространстве,

5) электроснабжения - солнечные и химические батареи,

6) бортовое радиооборудование с антенными устройствами телеметрической системы, системы траекторных измерений, системы связи,

7) система терморегулирования,

8) бортовые вычислительные или программные устройства,

9) аппаратура для проведения научных исследований и экспериментов.

В крупных пилотируемых КА дополнительно могут быть спускаемые блоки (спускаемые аппараты) с тормозными двигательными установками, парашютными отсеками, системами снижения и мягкой посадки, системой обеспечения жизнедеятельности, аварийного спасения экипажа, медико-биологическая аппаратура.

Обычно в конструкциях КА все приборы концентрируются в приборном отсеке, чаще всего герметичном и со своей системой терморегулирования и теплозащиты. Часть приборов может находится также в обособленных блоках КА (спускаемый, орбитальный блок). Такое конструктивное обособление приборного отсека в большинстве случаев позволяет производить монтаж и испытания большинства приборов и кабельных систем на стадии агрегатной сборки (сборка отсека), уменьшая объем работ на стадии общей сборки КА.

В конструкциях КА один из отсеков (блок баков, приборный отсек, корпус отсека экипажа) является основным несущим (силовым) элементом, к которому присоединяются все остальные отсеки и агрегаты. В этом случае, такой отсек является базовым при общей сборке КА. К нему предъявляются требования по обеспечению жесткости и монолитности всей конструкции КА, должны быть предусмотрены посадочные и стыковочные места для присоединения других отсеков и агрегатов КА.

При общей сборке КА должны выполняться следующие требования:

1. К точности взаимного расположения отсеков и агрегатов КА предъявляются высокие требования. Допуски на угловой перекос продольных осей стыкуемых отсеков КА находятся в пределах 3-5', а смещение продольных осей отсеков КА находится в пределах 0,1-0,3 мм.

2. Высокие требования предъявляются к точности расположения центра масс (ЦМ) КА, совпадению оси КА с осью инерции (для определения моментов инерции).

3. Не допускается деформация и перекосы в стыкующихся узлах, неравномерность усилий соединения (затяжки).

4. Отсеки и агрегаты, подаваемые на общую сборку КА, должны обеспечивать минимальную доработку их.

5. Для обеспечения высокой производительности и точности необходимо стараться обеспечить взаимозаменяемость отсеков и агрегатов, в необходимых случаях нужно предусматривать соответствующие компенсаторы.

Длительность цикла сборки КА в значительной степени определяется надежностью поступающих на общую сборку отсеков и агрегатов, поэтому последние должны заранее пройти все необходимые испытания и контроль. Чем меньше погрешностей и отказов проявляется на общей сборке, тем короче цикл сборки КА за счет уменьшения объема испытаний и количества разборки и сборки аппарата с целью замены отказавших элементов и агрегатов.

Стыковка и соединение отсеков и агрегатов при общей сборке КА производится, как правило, по конструктивно-технологическим разъемам, поэтому соединения между ними почти всегда разъемные. Стыковка отсеков производится по стыковочным шпангоутам. При общей сборке КА наиболее распространены соединения с помощью болтов, штырей, шайб, гаек, замковые соединения или с помощью различных пиротехнических устройств (пироболты, пироножи, пирозамки), предназначенных для разъединения отсеков и агрегатов по заданной команде в процессе эксплуатации КА. Такое разделение происходит, например, при отделении КА от последней ступени РН, при разделении пилотируемого КА на отсеки перед возвращением на Землю.

Сварные или клепанные соединения при общей сборке предусматривают редко во избежание различных деформаций вследствие появления внутренних напряжений от нагрева при сварке или повреждений стыкуемых отсеков и агрегатов или их элементов от нагрева или ударов при клепке.

При сборке отсеков и агрегатов между собой в зависимости от количества стыковочных болтов соединение может быть:

1) контурное соединение - с помощью большого количества болтов, распределенных равномерно по контуру стыковки (по стыковочному шпангоуту),

2) точечное соединение - когда по контуру стыковки (по стыковочному шпангоуту) устанавливаются в нескольких точках болты или пироболты или замки различной конструкции.

Тип соединения влияет и на конструкцию корпуса отсека. При точечном соединении целесообразно иметь жесткие стыковочные шпангоуты. Болтовые стыки должны быть конструктивно оформлены таким образом, чтобы они обеспечивали легкий доступ при затяжке и позволяли осуществлять равномерную по контуру затяжку. Это особенно важно для соединений, которые могут неоднократно демонтироваться или собираться на стартовой позиции при раздельной транспортировке.

В конструкциях КА применяются также подвижные соединения типа ухо-вилка, шаровой шарнир. Они должны быть сконструированы в соответствии с требованиями технологичности, а сборка их обычно производится с местной доработкой. Для соединений целесообразно предусматривать возможность регулировки. Соединения типа ухо-вилка применяются в ферменных отсеках. Шарнирные соединения широко применяются в КА при сборке панелей солнечных батарей с корпусом КА и между собой, при установке поворотных антенн и выносных элементов.

Процесс общей сборки КА включает в себя базирование агрегатов друг относительно друга, соединение и скрепление их различными способами, монтаж и соединение коммуникаций, проведение различных регулировочных работ систем и механизмов и испытаний.

Общая сборка начинается с проведения на основе входного контроля комплектации агрегатов и деталей.

Так как процесс общей сборки КА в большинстве случаев производится агрегатно-поточным методом, то после присоединения агрегата производится полная доработка собранной части КА: подгонка и доработка теплозащиты, подгонка люков и иллюминаторов, регулировка аппаратуры (например, настройка радио системы) и все необходимые контрольные и испытательные работы. Контроль и испытания на функционирование при общей сборке КА проводятся по схеме последовательно нарастающих повторных испытаний, т.е. с присоединением каждого агрегата или прибора (группы приборов) или регулировки или настройки их, испытания повторяются для собранной или настроенной части КА.

Отдельные отсеки крупных КА собираются параллельно, что ускоряет процесс общей сборки. После сборки и испытаний отсеков, они стыкуются друг с другом до получения собранного КА, после чего он поступает на общие испытания. С целью сокращения времени общей сборки и повышения ее эффективности строят схему общей сборки, на базе которой можно построить циклограмму сборки, что позволяет проанализировать и оптимизировать все этапы и операции. Для оптимизации технологического процесса эффективно применение сетевого метода, что позволяет существенно сократить сроки общей сборки. Сетевой метод – это подробный план сборки КА с указанием конкретных работ, их сроков, взаимосвязи этих работ. Сетевой метод позволяет контролировать общую сборку КА.

При сборке КА широко применяется различная сборочно-стапельная оснастка: стапели, стыковочные тележки, базирующие приспособления, транспортные устройства. В связи с частой сменой объектов производства (различные КА) может использоваться универсально-сборная переналаживаемая оснастка, которая за счет возможности быстрой разборки и переналадки оказывается эффективной в производстве КА.

Конструкция сборочных приспособлений должна обеспечивать:

1) свободный подход к местам соединений,

2) минимальное время на установку, базирование, закрепление и съем агрегатов,

3) высокую точность,

4) минимальную стоимость,

5) возможность переналадки с целью многократного использования одних и тех же приспособлений,

6) занимать минимальные площади,

7) обладать удобством обслуживания,

8) иметь малый срок монтажа и подготовки.

Кроме сборочно-стапельной оснастки при общей сборке КА, как в любом производстве летательных аппаратов, находят широкое применение жесткие носители размеров и форм системы плазово-шаблонного метода производства: различные шаблоны, кондукторы, мастер-плиты (для стыковочных отверстий по стыковочным шпангоутам отсеков). Вся эта инструментальная и контрольная оснастка взаимно увязывается (согласуется) и требует тщательного и точного изготовления.

При сборке КА в связи с высокими требованиями к точности взаимного расположения отдельных агрегатов и монтируемых элементов большое место занимают регулировочные работы (юстировка) с целью обеспечения требуемых геометрических параметров КА. Для этой цели при сборке КА находят широкое применение оптические приборы (зрительные визирные трубы, телескопы, теодолиты, автоколлиматоры, оптические плоскомеры) с подбором определенных рисунков целевых знаков и их предварительной юстировкой. Применяют также устройства для точного перемещения деталей и агрегатов в процессе установки, регулировки и контроля. Для юстировки применяют также лазерные приборы и методы голографии. Так как геометрическая точность сборки КА определяется точностью применяемой сборочной оснастки (стапелей), то при монтаже узлов сборочных стапелей оптические и лазерные методы находят также широкое применение.

Среди требований, предъявляемых к общей сборке КА, значительное место занимают требования к цехам и участкам общей сборки по чистоте помещений, температуре, влажности, чистоте воздуха, так как при общей сборке должна обеспечиваться стерильность собираемого КА. С этой целью эти цеха и участки снабжаются сложной системой вентиляции, очистки воздуха, регулирования температуры, должны выполняться требования по размещению оборудования и оснастки, требования к сборщикам и испытателям (чистота одежды, обуви, наличие головных уборов, чистота инструмента)..

Вопросы смазки подвижных элементов КА имеют большое значение для надежной эксплуатации. Смазка внутри герметичных отсеков КА, имея некоторую специфику (невесомость, применяемые материалы), не является особой проблемой. Сложной задачей является обеспечение смазки подвижных трущихся частей КА - подшипников (скольжения, качения) антенн, систем ориентации, солнечных батарей, опор двигателей - в условиях открытого космоса, когда герметизация их не предусмотрена или невозможна.

Условия космоса вызывают усиленное испарение смазок и металлов, а также при отсутствии окисных пленок на поверхности контакта происходит схватывание сопрягаемых поверхностей, что приводит к утере подвижности соединения.

Исходя из условий эксплуатации, к смазочным материалам для КА предъявляются следующие требования:

1) продолжительная работоспособность в условиях вакуума, высоких и низких температур,

2) сохранение свойств при длительной эксплуатации,

3) малая испаряемость,

4) малый коэффициент трения,

5) стойкость к износу при трении,

6) стойкость против космической радиации,

7) совместимость с покрытиями или металлами сопрягаемых поверхностей и компонентами окружающей среды (при нанесении еще на Земле),

8) безопасность (нетоксичность) для экипажа,

9) возможность нанесения простыми технологическими способами.

Из различных классов по физическому состоянию смазочных средств (жидких, консистентных, твердых, составных) наиболее широкое применение в подвижных соединениях КА нашли твердые смазки. Они в большинстве случаев позволяют упростить конструкцию соединения, снизить массу и увеличить надежность по сравнению с обычными смазочными материалами на основе жидких и консистентных масел. Жидкие смазки в условиях космоса практически не применяются. В редких случаях (ограниченное время) могут применяться густые смазки с малой скоростью испарения.

Твердые смазки, применяемые в КА, по составу делятся на ряд типов:

1) металлические смазки (золото, серебро, кобальт, никель) – наносятся на контактирующие поверхности в виде тонких покрытий,

2) металлические смазки в сочетании с неметаллическими материалами,

3) твердые смазки на керамической основе – графит, фтористый кальций и другие.

Наибольшее распространение получили твердые смазки на основе молибдена с добавками графита, олова, серебра; на основе графита с добавками кадмия, бария, кальция. Все смазки наносятся в виде тонких пленок.