Справочник по композиционным материалам

Композиты, соответствующие требованиям по вакуумной стабильности полимерных материалов, принятых в космическом центре им. Джоисоиа

Термореактивные смолы

Эпокси стеклопласта ки:

УФ-излучения. В табл. 28.7 приведена характеристика компози­тов, удовлетворяющих строгим требованиям НАСА к космиче­ским материалам [11], В основном, как было обнаружено, не­стабильными оказались сложные полиэфиры, в то время как эпоксиды и некоторые виды полиимидов удовлетворяли строгим требованиям эксплуатации в космосе. Один состав на основе фенольных смол также оказался приемлемым. Большинство термо­пластов (как со стекловолокном, так и без него) по результатам испытаний также удовлетворяли этим требованиям.

Эпоксиборопластик был использован фирмой «Грумман» для изготовления космических каркасных конструкций для НАСА. Система трубопроводов из боропластиков была изготовлена с по­мощью полиамидной эластичной мембраны, помещенной внутри металлической трубчатой негативной формы. Получена конструк­ция без складок, позволяющая реализовать свойства плоского материала в круглой детали. Для создания концевых соединяющих элементов конструкций были использованы металлические фи­тинги, приклеенные к трубчатой конструкции после ее отверж­дения. Прочность и жесткость эпоксиборопластика обеспечила существенное снижение массы по сравнению с первоначальной металлической конструкцией.

Некоторое количество емкостей, полученных намоткой во­локна, было изготовлено для хранения сжатых газов и успешно использовалось во всех лунных экспедициях. Для применения в будущем НАСА рекомендует использовать для изготовления конструкций намоткой арамидные нити («Кевлар 49»). Эти во­локна — самые легкие из неметаллических волокон и обеспечи­вают наиболее высокую удельную прочность на растяжение. По­скольку эти волокна не самоистирающиеся, они также обеспечи­вают сохранение прочности до переработки и после технологиче­ского процесса получения изделий. Они также обладают более однородными свойствами по сравнению с характеристиками угле­родных и стеклянных волокон.

Один из планов будущих космических экспедиций включает изготовление фирмой «Макдоннел Дуглас астронотикс» из компо­зита конструкции оболочки для космического транспортного корабля [12]. Гофрированная цилиндрическая конструкция из эпоксиуглепластика диаметром и длиной по 3 м была изготовлена и испытана, чтобы убедиться в правильности предложенной идеи. Конечное изделие представляло собой открытую оболочку с на­ружными кольцевыми ребрами жесткости («шляпными секциями»). Оболочка была спроектирована таким образом, чтобы она могла выдерживать чисто изгибающие нагрузки, которые создают ма­ксимальную интенсивность нагружения в стенке оболочки (до 154 кН/м). Максимальное усилие сжатия, которое смогла выдер­жать эта оболочка, равно 170 кН/м. Для снижения стоимости изделия его изготовляли из трех сегментов, которые формовали плоскими, а затем собирали в цилиндрическую обечайку. Гофриро­
ванная конструкция оболочки делает ее значительно более эластичной при изгибе после отверждения. Для окончательной сбор­ки были использованы механически связан­ные ребра жесткости.

Конструкция оболочки другого типа для использования в таких космических аппа­ратах, как «Спейс лаб» и «Спейс тьюб», предлагаемых в качестве несущих элементов для системы «Спейс Шаттл», представляла собой сетчатую панель из эпоксиуглепла - стика, разработанную фирмой «Мартин - Мариетта» [13].

Основная идея конструкции панели из композита с сетчатой системой придания жесткости заключается в использовании относительно тонкой оболочки, армиро­ванной сеткой из ребер жесткости таким образом, что панель изготовляется целиком, без нарушения конструкционной стабильности (устойчивости) или возникно­вения перегрузки. Целесообразность использования эпоксиугле - пластика при разработке таких панелей заключается в том, что СП-оболочка может иметь преимущественные направления по жесткости и твердости, а ребра жесткости могут быть сконструи­рованы таким образом, чтобы оказаться конструктивно весьма эффективными благодаря использованию высокой доли одноосно - ориентированных волокон.

Описанные выше специфические панели из эпоксиуглепластика с сеткой представляют собой часть относительно большой кон­струкции оболочки из эпоксиуглепластика, входящей в кон­струкцию космического корабля. Конструкция такой оболочки (рис. 28.12) имеет высоту около 4 м и диаметр 3,7 м и была раз­работана с таким расчетом, чтобы выдерживать нагрузки, соот­ветствующие ожидаемым для орбитальной ступени космического корабля «Шаттл». Детальная разработка сетчатой структуры ее описана Лагером [13]. Основной чертой такой разработки яв­ляется возможность изготовления конструктивных панелей низ­кой стоимости, дающих преимущество на стадии производства, при которой первоначальная стоимость оснастки может быть распределена в виде амортизационных отчислений на большое количество панелей. Наиболее новой частью этой системы яв­ляется метод изготовления тканевых сетчатых заготовок для ребер жесткости на основе стекловолокна, пенопластов и их проклейки. Производство таких деталей в виде больших форм — заго­товок приводит к сокращению времени изготовления каждой детали.

Рис. 28.12. Облегчен­ная конструкция обо­лочки

СП-оболочка состоит из четырех слоев эпоксиуглепластиковой ленты 7-300/934, ориентированной под углами +45°, —45° и 560

+45°, с наружными кромками, усиленными тремя слоями тонкой

Межслойной прокладки из стеклоткани.

Кромки ребер жесткости сетчатых панелей вырезали из СП, состоящего из восьми слоев неориентированного эпоксиуглепла - стика и трех слоев стеклоткани типа 112. Подверженное сдвиго­вым усилиям, связывающее тканевое соединение кромки ребер жесткости с поверхностью панелей состоит из легкой полиуре - тановой пены с СП на основе стеклоткани. После изготовления образцы панелей помещают в соответствующую раму для создания сдвигового усилия и нагружают вплоть до разрушения. Усилие разрушения соответствует сдвигу плоской кромки при 960 Н/см, что существенно выше уровня реальной нагрузки для конструк­ции.